DE3106211A1

DE3106211A1 - Regelungsvorrichtung mit rueckfuehrung fuer das kraftstoff/luftverhaeltnis eines einer brennkraftmaschine zugefuehrten kraftstoff/luftgemisches

Info

Publication number: DE3106211A1
Application number: DE19813106211
Authority: DE
Inventors: Sone Tokyo Kohiki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1981-02-19
Publication date: 1982-04-01
Also published as: FR2489887A1; GB2083629A; DE3106211C2; US4365604A; JPS5748649A; FR2489887B1; GB2083629B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Regelungsvorrichtung mit Rückführung für das Kraftstoff/Luftverhältnis einer Brennkraftmaschine, mit einem Detektor für das Kraftstoff/'Luftverhältnis, der ein sauerstoffempfindliches Element vom Typ einer Sauerstoffkonzentrationszelle aufweist, das im Abgas angeordnet ist, mit einer elektrischen Heizung versehen ist t um die richtige Arbeit dieses Elementes sicherzustellen, und das mit einem Gleichstrom versorgt wird ,um einen Vergleichssauerstoff partialdruck in diesem Element aufzubauen, und insbesondere eine Hilfseinrichtung, die nach Massgabe der Arbeitsverhältnisse der Maschine sowohl die"Höhe der Spannung, die an der Heizung liegt, als auch die Stärke des Stromes steuert, mit dem das sauerstoffempfindliche Element versorgt wird.

Bei den in der letzten Zeit entwickelten Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, ist es üblich geworden, das Kraftstoff/Luftgemischverhältnis genau auf einen vorbestimmten optimalen Wert über eine Regelung mit Rückführung zu regeln, um dadurch den Wirkungsgrad bzw. die Wirtschaftlichkeit der Maschine zu erhöhen und die Abgabe von Gift- oder Schadstoffen in den Abgasen herabzusetzen.

Bei einer Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem katalytischen Wandler, der im Abgas vorgesehen ist und einen sog. Dreiwegkatalysator enthält, der sowohl die Reduktion von Stickstoffoxiden als auch die Oxidation von Kohlenmonoxid und nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen katalysieren kann, ist es beispielsweise wünschenswert, das Kraftstoff/Luftgemischverhältnis auf einen stöchiometrischen Wert zu regeln, da dieser Katalysator seinen höchsten Umwandlungswirkungsgrad in einem Abgas zeigt, das durch die Verbrennung eines Kraftstoff/Luftgemisches mit einem stöchiometrischen Verhältnis erzeugt wird,und da weiterhin die Verwendung eines stöchiometr.ischen Gemischverhältnisses für einen hohen

mechanischen und thermischen Wirkungsgrad der Maschine günstigt ist. Es ist bereits in die Praxis übernommen worden, die Regelung mit Rückführung des Kraftstoff/Luftverhältnisses bei einer derartigen Maschine unter Verwendung einer bestimmten Art eines Sauerstoffsensors durchzuführen, der im Abgaskanal stromaufwärts des katalytischen Wandlers eingebaut ist, wobei der Sensor eine Einrichtung darstellt, die ein elektrisches Rückführungssignal erzeugt, das das Kraftstoff/Luftverhältnis des tatsächlich der Maschine gelieferten Kraftstoff/Luftgemisches anzeigt. Auf der Grundlage dieses Rückführungssignales gibt eine Steuerschaltung einer Kraftstoffversorgungseinrichtung, beispielsweise elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzventilen den Befehl, die Höhe der KraftstoffVersorgung der Maschine so zu steuern, dass Abweichungen des tatsächlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses von dem beabsichtigten stöchiometrischen Verhältnis korrigiert werden.

Der genannte Sauerstoffsensor ist üblicherweise vom Typ einer Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten, beispielsweise mit Zirkonoxid, das mit Yttriumoxid oder Calciumoxid stabilisiert ist. Es ist weiterhin bekannt, dass der Sensor im Prinzip aus einer festen Elektrolytschicht in Form eines Rohres , das an einem Ende geschlossen ist, und aus zwei porösen Elektrodenschichten aufgebaut sein kann, die auf der Aussen- und Innenfläche des festen Elektrolytrohres jeweils ausgebildet sind. Wenn ein Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Aussenelektrodenseite und der Innenelektrodenseite der festen Elektrolytschicht auftritt, erzeugt dieser Sensor eine elektromotorische Kraft zwischen den beiden Elektrodenschichten. Wenn der Detektor für das Kraftstoff/Luftverhältnis für den oben beschriebenen Zweck verwandt wird, wird die aussere Elektrodenschicht dem Maschinenabgas ausgesetzt, während die

innere Elektrodenschicht der Aussenluft ausgesetzt ist/ die als Quelle für einen Vergleichssauerstoffpartialdruck dient. Unter diesen Umständen zeigt die Höhe der elektromotorischen Kraft eine grosse und scharfe Änderung zwischen einem maximal hohen Pegel und einem sehr niedrigen Pegel immer dann, wenn das Kraftstoff/Luftverhältnis eines der Maschine gelieferten Gemisches durch das stöchiometrische Verhältnis geht. Es ist daher möglich, ein Steuersignal für die Höhe der Kraftstoffversorgung auf der Grundlage ! des Ergebnisses eines Vergleiches des Ausgangssignales des Sauerstoffsensors mit einer Vergleichsspannung zu erzeugen, die auf einen Wert festgelegt wird, der in der Mitte zwischen dem hohen und den niedrigen Pegel des Ausgangssignales des Sensors liegt.

Ein derartiger Sauerstoffsensor hat jedoch den Nachteil einer erheblichen Temperaturabhängigkeit seiner Ausgangscharakteristik, was die Verwendung eines Vergleichsgases, beispielsweise der Luft notwendig macht, Schwierigkeiten mit sich bringt, seine Grösse herabzusetzen und zu einer nicht ausreichenden mechanischen Festigkeit führt.

Um diese Nachteile eines herkömmlichen Sauerstoffsensors zu beseitigen.und exakt Kraftstoff/Luftverhältnisse nicht nur für stöchiometrische oder nahezu stöchiometrische Gemische, sondern auch für deutlich nicht stöchiometrische Gemische aufnehmen zu können, wird in den US-PSn 4 207 159 und 4 224 113 eine weiterentwickelte Vorrichtung beschrieben, die ein sauerstoffempfindliches Element umfasst, bei dem eine Sauerstoffkonzentrationszelle von einem Schichtstoff aus einer ebenen mikroskopisch porösen Schicht eines festen Elektrolyten, einer Messelektrodenschicht, die porös auf einer Seite der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist, und einer Vergleichselektrodenschicht gebildet wird, die auf der anderen Seite vorgesehen ist, wobei ein Substrat derart angeordnet ist, dass die Vergleichselektrodenschicht dicht in Sandwichbauweise zwischen dem Substrat

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und der festen Elektrolytschicht liegt und makroskopisch gegenüber der Umgebungsluft abgeschirmt ist. Jede der drei Schichten auf dem Substrat kann in Form einer dünnen filmartigen Schicht ausgebildet sein. Diese Vorrichtung verwendet kein Vergleichsgas. Statt dessen ist eine Gleichstromversorgungseinrichtung mit dem sauerstoffempfindlichen Element verbunden, um zwangsweise einen konstanten Gleichstrom, beispielsweise mit einer Stärke von etwa 20 μΑ durch die feste Elektrolytschicht zwischen den beiden Elektrodenschichten fliessen zu lassen, um dadurch eine Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht in einer gewünschten Richtung hervorzurufen und als Folge davon einen Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht aufzubauen, während die Messelektrodenschicht mit dem Abgas der Maschine in Kontakt steht. Wenn der Strom zwangsweise im festen Elektrolyten von der Vergleichselektrodenschicht zur Messelektrodenschicht fliesst, dann tritt eine Ionisation des Sauerstoffs im Abgas an der Messelektrode auf und wandern negativ aufgeladene Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht zur Vergleichselektrode. Das Ausmass der Zuführung von Sauerstoff in Form von Ionen zur Vergleichselektrode ist primär durch die Stromstärke bestimmt. Die an der Vergleichselektrodenschicht ankommenden Ionen werden von den Elektronen befreit und in SauerStoffmoleküle umgewandelt, was zu einer Ansammlung von gasförmigem Sauerstoff an der Vergleichselektrodenseite der Konzentrationszelle führt. Ein Teil der angesammelten Sauerstoffmoleküle diffundiert jedoch durch die mikroskopischen Gaskanäle in der festen Elektrolytschicht nach aussen. Es ist daher möglich, einen konstanten und relativ hohen Sauerstoffpartialdruck aufrechtzuerhalten, der als Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Vergleichselektrodenseite der Konzentrationszelle dient, indem eine geeignete Strom-

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stärke unter gebührender Berücksichtigung des mikroskopischen Aufbaues und der Aktivität der festen Elektrolytschicht verwandt wird. Zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der Messelektrodenschicht eines derartigen sauerstoffempfindlichen Elementes wird dann eine elektromotorische Kraft erzeugt, deren Stärke mit der Zusammensetzung des Abgases und mit dem Kraftstoff/Luftverhältnis eines Gemisches in Beziehung steht, aus dem das Abgas erzeugt ; wird. Es ist auch möglich, das sauerstoffempfindliche Element so zu betreiben/ dass ein Gleichstrom zwangsweise von der Messelektrodenschicht zur Vergleichsälektrodenschicht fHessen gelassen wird. In diesem Fallkann ein konstanter \ relativ niedriger Sauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht aufrechterhalten werden.

Die in den US-PSn 4 207 159 und 4 224 113 beschriebene Vorrichtung hat den Vorteil, dass kein Vergleichsgas verwandt werden muss, daß die Empfindlichkeit oder das Ansprechvermögen ausgezeichnet ist, dass numerische Werte der Kraftstoff/Luftverhältnisse über oder unter einem stöchiometrischen Verhältnis aufgenommen werden können, dass die Vorrichtung in einem sehr kleinen Format ausgebildet werden kann und eine gute mechanische Stoss- und Schwingungsbeständigkeit zeigt.

Bei der praktischen Anwendung wird es jedoch notwendig, ein derartiges weiterentwickeltes sauerstoffempfindliches Element, wie gleichfalls herkömmliche Sauerstoffsensoren vom Typ einer Konzentrationszelle mit festem Elektrolyten, mit einer elektrischen Heizung zu versehen, da die Aktivität des festen Elektrolyten in diesem Element unzufriedenstellend niedrig wird, wenn die Temperatur des Elementes relativ niedrig ist, beispielsweise unter etwa 500⁰C liegt, so dass das Element dann, wenn es in das Maschinenabgassystem eingebaut

ist, als Element zur Aufnahme des Kraftstoff/Luftverhältnisses " unwirksam wird, wenn die Maschine Abgas mit relativ niedriger Temperatur abgibt, falls das Element allein durch die Wärme des Abgases erwärmt wird. Die elektrische Heizung ist gewöhnlich am Substrat des sauerstoffempfindliches Elementes angebracht oder in dieses Substrat eingebettet.

Bei der Anwendung eines Detektors für das Kraftstoff/Luftverhältnis, wie er oben beschrieben wurde, für Regelungsvorrichtungen mit Rückführung für das Kraftstoff/Luftverhältnis von Maschinen für Kraftfahrzeuge hat sich die Schwierigkeit herausgestellt, dass die Höhe des oben beschriebenen Vergleichssauerstoffpartialdruckes im sauerstoff empfindlichen Element sich beträchtlich unter bestimmten Arbeitsverhältnissen der Maschine ändert, obwohl die Stärke des Gleichstromes konstant gehalten wird, der dem Konzentrationszellenteil des Elementes geliefert wird. D.h. im einzelnen, dass die Höhe des Vergleichssauerstoffpartialdruckes von der Temperatur des Abgases und von der Sauerstoffmenge beeinflusst wird, die im Abgas enthalten ist.

Wenn das Abgas eine sehr hohe Temperatur und eine ausserordentlich niedrige Sauerstoffkonzentration hat, wie es dann der Fall ist, wenn die Maschine mit Vollgas oder nahezu Vollgas beschleunigt wird, wobei ein mit Kraftstoff angereichertes Gemisch zugeführt wird, dann nimmt der Vergleicassauerstoffpartialdruck, der dadurch erzeugt wird, dass zwangsweise ein konstanter Gleichstrom in der festen Elektrolytschicht zur Messelektrodenschicht fliessen gelassen wird, stark ab und wird der Vergleichssauerstoffpartialdruck im Extremfall praktisch gleich Null. Der Grund dafür besteht darin, dass trotz einer Fortsetzung der Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht zur Vergleichselektrodenschicht aufgrund der Wirkung des durchfliessenden konstanten. Stromes die Diffusion von gasförmigem Sauerstoff von

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der Vergleichselektrode durch den festen Elektrolyten in das Abgas mit niedriger Sauerstoffkonzentration zunimmt. Es wird daher unmöglich, die Regelung mit Rückführung des Kraftstoff/Luftverhältnisses fehlerfrei fortzusetzen. Es ist denkbar, die Regelung mit Rückführung während der Arbeit der Maschine unter derartigen extremen Hochlastverhältnissen auszusetzen, wenn jedoch die Regelung wieder aufgenommen wird, dauert es relativ lange, bis der verminderte Vergleichssauerstoffpartialdruck wieder die anfänglich beabsichtigte Höhe, verglichen mit den Frequenzen des Rückführungssignales vom Detektor für das Kraftstoff/Luftverhältnis und des Steuersignales erreicht, das der Kraftstoffversorgungseinrichtung geliefert wird, so dass es während dieser Zeitdauer unmöglich wird, das Kraftstoff/Luftverhältnis genau zu regeln.

Es tritt andererseits eine grosse Zunahme in der Höhe des Vergleichssauerstoffpartialdruckes auf, die einem Durchgang desselben Gleichstromes zuzuschreiben ist, wenn die Abgastemperatur sehr niedrig ist und insbesondere wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas ausserordentlich hoch ist, wie es dann der Fall ist, wenn die Arbeit der Maschine mit einer kurzzeitigen Unterbrechung der Kraftstoffversorgung oder mit einer Zuführung eines sehr armen Gemisches stark verzögert wird. Der Grund dafür, dass unter diesen Umständen eine Zunahme in der Sauerstoffionenmenge, die der Vergleichselektrodenschicht zugeführt wird, relativ zur Menge an Sauerstoffmolekülen auftritt, die von der Vergleichselektrode durch die feste Elektrolytschicht nach aussen diffundier^, besteht in der erhöhten Sauerstoffkonzentration im Abgas und in der Abnahme der Aktivität des festen Elektrolyten aufgrund der niedrigeren Abgastemperatur. Eine fehlerfreie Regelung mit Rückführung des Kraftstoff/Luftverhältnisses wird auch in diesem Fall unmöglich. Wenn abgesehen davon, der Vergleichssauerstoffpartialdruck aus diesem Grunde weiter über, eine bestimmte kritische Höhe zunimmt, dann

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besteht die grosse Gefahr, dass das sauerstoffempfindliche Element, das im Grunde aus relativ dünnen Schichten besteht, bricht.

Durch die Erfindung soll eine Vorrichtung zum Regeln mit Rückführung des Kraftstoff/Luftverhältnisses für eine Brennkraftmaschine geschaffen werden, die einen sauerstoffempf indlichen Fühler.für das Kraftstoff/Luftverhältnis verwendet, wie er in den US-PSn 4 207 159 und 4 224.113 beschrieben wird, der mit einer elektrischen Heizung versehen und im Abgaskanal eingebaut ist , wobei die erfindungsgemässe Vorrichtung eine Einrichtung aufweisen soll, die den Vergleichssauerstoffpartialdruck, der im sauerstoffempfindlichen Fühler aufgebaut wird, auf einer geeigneten Höhe selbst dann hält, wenn die Maschine unter verschiedenen Lastverhältnissen arbeitet, um dadurch das oben beschriebene Problem zu lösen, das mit der Verwendung desselben sauerstoffempfindlichen Fühlers bei analogen herkömmlichen Regelungsvorrichtungen mit Rückführung auftritt.

Die erfindungsgemässe Regelungsvorrichtung mit Rückführung umfasst eine elektrisch steuerbare Kraftstoffversorgungseinrichtung, die im Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, einen Fühler für das Kraftstoff/Luftverhältnis, der in den Abgaskanal der Maschine eingebaut ist und ein sauerstoffempfindlichen Element vom Typ einer Konzentrationszelle mit einem Substrat, einer mikroskopisch porösen Vergleichselektrodenschicht auf dem Substrat, einer mikroskopisch porösen Schicht aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten, die auf dem Substrat so ausgebildet ist, dass sie die Vergleichselektrodenschicht im wesentlichen vollständig überdeckt, einer mikroskopisch porösen Messelektrodenschicht, die auf der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist, und mit einer elektrischen Heizung aufweist, eine Steuereinrichtung für die KraftstoffVersorgung,

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die ein Steuersignal der Kraftstoffversorgungseinrichtung liefert, um die Höhe der KraftstoffVersorgung der Maschine so zu steuern, dass ein gewünschtes Kraftstoff/Luftverhältnis beibehalten wird, indem das Ausgangssignal des Fühlers für das Kraftstoff/Luftverhältnis als Rückführungssignal verwandt wird, und eine Energieversorgungseinrichtung, die dazu dient, die elektrische Heizung mit Energie zu versorgen und zwangsweise einen Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht des sauerstoffempfindlichen Elementes fHessen zu lassen, um eine Wanderung von Ionen durch die feste Elektrolytschicht von der Vergleichselektrodenschicht oder der Messelektrodenschicht zu der jeweils anderen Schicht zu bewirken, damit sich ein Vergleichssauerstoffpartialdrück an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht aufbaut. Die erfindungsgemässe Regelungsvorrichtung mit Rückführung umfasst weiterhin eine Hilfseinrichtung, die den. Vergleichssauerstoffpartialdruck auf einer passenden Höhe während der Arbeit der Regelungsvorrichtung hält. Diese Hilfseinrichtung umfasst eine Sensoreinrichtung, die wenigstens ein elektrisches Informationssignal erzeugt, das die momentanen Werte eines Parameters der Arbeitsverhältnisse der Maschine wiedergibt, wobei dieser Parameter gleichfalls mit der Temperatur des Abgases in Beziehung steht, und eine Spannungs- und Stromsteuereinrichtung, die allmählich sowohl die Stärke des Gleichstromes, der zwangszweise durch die feste Elektrolytschicht fliesst, als auch die Höhe der an der elektrischen Heizung liegenden Spannung nach Massgabe der Änderung der Arbeitsverhältnisse der Maschine ändert, die durch das wenigstens eine Informationssignal wiedergegeben werden, um dadurch starke Änderungen in der Höhe des Vergleichssauerstoffpartialdruckes über den Einfluss der Abgastemperatur zu vermeiden.

• Φ Λ · β H MA *■

Vorzugsweise fliesst der Gleichstrom zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht von der Vergleichselektrodenschicht zur Messelektrodenschicht, wobei dann die Steuereinrichtung für die Spannung und den Strom so ausgebildet 1st, dass sie nach Massgabe der sich auf Hochlastverhältnisse zu ändernden Arbeitsverhältnisse der Maschine allmählich die Stärke des erwähnten Gleichstromes erhöht und allmählich die Höhe der erwähnten Spannung herabsetzt, damit die Abgastemperatur ansteigt.

Es ist zweckmässig und bevorzugt, die Stromstärke und die Höhe der Spannung dadurch zu ändern, dass der effektive Widerstandswert einer Schaltung verändert wird, die eine Energiequelle mit.dem Sauerstoffkonzentrationsteil des Sauerstoffempfindlichen Fühlers oder mit der Heizung verbindet. Es kann beispielsweise eine Kombination eines veränderlichen Widerstandes und eines Servomotors, beispielsweise eines Schrittmotors, verwandt werden, um einen beweglichen Kontakt des veränderlichen Widerstandes zu bewegen¹ .und dadurch schrittweise den effektiven Widerstand jeder Schaltung zu verändern. Es kann auch eine Kombination aus einer Vielzahl fester Widerstände und einer Vielzahl von elektronisch steuerbaren Schaltern verwandt werden, die jeweils parallel zu den festen Widerständen geschaltet sind, um wahlweise eine veränderliche Anzahl der festen Widerstände kurzzuschalten.

Da die erfindungsgemässe Hilfseinrichtung entweder praktisch fortlaufend oder schrittweise sowohl die Stärke des zwangsweise im Sauerstoff empfindlichen Element ι -. zum Aufbau eines Vergleichssauerstoffpartialdruckes fliessenden Stromes als auch die Höhe der Spannung an der Heizung nach Massgabe der sich ändernden Arbeitsverhältnisse der Maschine ändern kann, ist sie in der Lage wirksam zu verhindern, dass der Vergleichssauerstoffpartialdruck im sauerstoffempfindlichent

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Element bei niedriger Abgastemperatur sehr hoch oder bei hoher Abgastemperatur sehr niedrig wird. Die erfindungsgemässe Regelungsvorrichtung mit Rückführung kann daher fehlerfrei das Kraftstoff/Luftverhältnis über einen weiten Bereich von Maschinenarbeitsverhältnissen regeln, wobei das bei dieser Vorrichtung verwandte sauerstoffempfindliche Element eine ausreichend lange Lebensdauer hat.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine

mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Regelungsvorrichtung für das Kraftstoff/ Luftverhältnis.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein sauerstoffempfindliches Element, das als Detektor für das Kraftstoff/Luftverhältnis bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwandt wird.

Fig. 3 zeigt eine Längsschnittansicht eines Fühlers für das Kraftstoff/Luftverhältnis mit dem in Fig. 2 dargestellten sauerstoffempfindlichen Element.

Fig. 4 zeigt schematisch die Strom- und Spannungssteuereinrichtung als Hilfseinrichtung bei der in Fig. 1 dargestellten Regelungsvorrichtung für das Kraftstoff/Luftverhältnis und insbesondere ein Beispiel für Verfahren zum Regulieren der Spannung und des Stromes, die sich für die erfindungsgemässe Vorrichtung eignen.

Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Aufbaues einer Steuerschaltung für die in Fig. 4 dargestellte Einrichtung.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Spannungs- und Stromsteuereinrichtung als Hilfseinrichtung bei der in Fig. 1 dargestellten Regelungsvorrichtung für das Kraftstoff/Luftverhältnis und insbesondere ein weiteres Beispiel eines Verfahrens zum Regulieren der Spannung und des Stromes, das sich für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eignet.

Fig. 7 zeigt in einem Schaltbild ein Beispiel des

Aufbaues einer Steuerschaltung für die in Fig. 6 dargestellte Einrichtung.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 für ein Kraftfahrzeug mit einem Ansaugkanal 12 und einem Abgaskanal 14 dargestellt. Eine elektrisch gesteuerte Kraftstoffversorgungseinrichtung 16 wird beispielsweise von elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzventilen gebildet. Als wahlweise vorgesehenes Element nimmt ein katalytischer Wandler 18 einen Teil des Abgaskanales 14 ein, wobei der Wandler 18 beispielsweise einen herkömmlichen Dreiwegkatalysator enthält.

Zur Regelung mit Rückführung der Kraftstoffversorgungseinrichtung 16 mit dem Ziel der Zuführung eines optimalen Kraftstoff /Luftgemisches, in diesem Fall des stöchiometrischen Gemisches zur Maschine 10 während der normalen Arbeit, damit der Katalysator im Wandler 18 seinen besten Umwandlungswirkungsgrad hat, ist ein Fühler 20 für das Kraftstoff/Luftverhältnis, der im Prinzip ein Sauerstoffsensor ist, im Abgaskanal 14 an einem Teil stromaufwärts vom katalytischen Wandler 18 angeordnet. Eine elektronische Steuereinheit 22 empfängt das Ausgangssignal vom Fühler 20 für das Kraftstoff/

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Luftverhältnis und liefert ein Steuersignal der Kraftstoffversorgungseinrichtung 16 auf der Grundlage der Stärke der Abweichung des tatsächlichen Kraftstoff/Luftverhältnisses, das vom Ausgangssignal der Sonde 20 angegeben wird, von dem beabsichtigten Kraftstoff/Luftverhältnis. Wie es später im einzelnen dargestellt ist, umfasst der Fühler 20 ein sauerstoffempfindliches Element von einem Typ, der eine Gleichstromversorgung zur Bildung eines Vergleichssauerstoffpartialdruckes und eine elektrische Heizung benötigt, die für dieses Element vorgesehen ist.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Regelungsvorrichtung für das Kraftstoff/Luftverhältnis weist einen Satz von Sensoren 24 auf, die gewählte Parameter der Arbeitsverhältnisse der Maschine 10 im Hinblick auf eine Abschätzung der augenblicklichen Temperatur des Abgases an der Stelle des Fühlers 20 und möglicherweise der Höhe der Sauerstoffkonzentration im Abgas aufnehmen, sowie eine Steuerschaltung 26, an der die Signale für die Arbeitsverhältnisse von den Sensoren 24 liegen und die sowohl die Stärke des dem Hauptteil des sauerstoffempfindlichen Elementes im Fühler 20 zugeführten Gleichstromes als auch die Höhe der Spannung an der Heizung im Fühler 20 nach Massgabe der Arbeitsverhältnisse der Maschine oder der Temperatur des Abgases regulieren, die durch die empfangenen Signale angegeben werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel des Aufbaues eines sauerstoffempfindlichen Elementes 30, das als Fühler 20 für das Kraftstoff /Luftverhältnis bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwandt wird. Dieses Element 30 ist von einem Typ, der in den US-PSn 4 207 159 und 4 224 113 beschrieben wird.

Das Grundbauelement dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 30 ist ein Substrat 32 aus einem keramischen Material, wie beispielsweise Tonerde. Ein Heizelement 34 ist in das Substrat 32 aus dem im vorhergehenden beschriebenen Grund eingebettet.

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In der Praxis wird dieses Substrat 32 dadurch hergestellt, dass zwei Tonerdeplatten Seite an Seite miteinander verbunden werden, von denen eine vorher mit dem Heizelement 34 beispielsweise in Form eines Platindrahtes oder einer dünnen Platinschicht in einem geeigneten Muster versehen ist, das durch Drucken einer Platinpaste und durch Sintern des Platinpulvers in der Druckpaste gebildet wird. Die Heizung 34 ist so ausgelegt, dass sie das Element 30 dann, wenn es in einem Verbrennungsgas, beispielsweise im Abgas einer Maschine angeordnet ist, auf einer Temperatur von über etwa 600⁰C durch das Anliegen einer passenden Spannung an der Heizung 34 halten kann.

Eine Elektrodenschicht 36, die als Vergleichselektrodenschxcht bezeichnet wird, ist auf einer Hauptaussenflache des Substrates 32 ausgebildet und eine Schicht 38 aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten, beispielsweise aus mit Y^⁰S stabilisiertem ZrO₂ ist auf derselben Seite des Substrates 32 so ausgebildet, dass sie im wesentlichen die gesamte Fläche der Vergleichselektrodenschicht 36 überdeckt. Eine weitere Elektrodenschicht 40, die als Messelektrodenschicht bezeichnet wird, liegt auf der Aussenfläche der festen Elektrolytschicht 38. Platin ist ein typisches Beispiel für geeignete Materialien der beiden Elektrodenschichten 36 und 40.

Jede dieser drei Schichten 36, 38, 40 ist in Form einer dünnen filmartigen Schicht ausgebildet, obwohl sie auf dem Gebiet der Elektronik als Dickschicht zu bezeichnen ist, so dass die Gesamtstärke dieser drei Schichten nur etwa 50 μπι beispielsweise beträgt. Makroskopisch ist die Vergleichselektrodenschxcht 36 vollständig gegenüber der Aussenluft durch das Substrat 32 und die feste Elektrolytschicht 38 abgeschirmt. Sowohl die feste Elektrolytschicht 38 als auch die Messelektrodenschicht 40 (auch die Vergleichselektrodenschxcht 36) sind jedoch mikroskopisch porös und für Gasmoleküle durchlässig.

Wie es allgemein bekannt ist, bilden diese drei Schichten 36, 38, 40 eine Sauerstoffkonzentrationszelle, die eine elektromotorische Kraft erzeugt, wenn ein Unterschied im Sauerstoffpartialdruck zwischen der Vergleichselektrodenseite und der Messelektrodenseite der festen Elektrolytschicht 38 auftritt. Das Element 30 ist so ausgebildet, dass es einen Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht 36 und der festen Elektrolytschicht 38 dadurch aufbaut, dass von aussen ein Gleichstrom der Konzentrationszelle so zugeführt wird, dass der Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht 38 zwischen den beiden Elektrodenschichten 36 und 40 fliesst, während die Messelektrodenschicht 40 dem zu messenden Gas, beispielsweise dem Abgas ausgesetzt wird, das im Abgaskanal 14 in Fig. 1 strömt.

Am Substrat 32 sind drei elektrische Zuleitungen 44, 46 48 angebracht. Die Vergleichselektrodenschicht 36 und die Messelektrodenschicht 40 sind elektrisch mit der Leitung 44 und der Leitung 46 jeweils verbunden. Das Heizelement 34 ist mit dem Leitungen 46 und 48 verbunden, so dass die Leitung 46 als Masseanschluss gemeinsam für die Heizung 34 und die Sauerstoffkonzentrationszelle im Element 30 dient. Der genannte Gleichstrom wird der Konzentrationszelle so zugeführt, dass er von der Leitung 44 zur Masseleitung 46 über die feste Elektrolytschicht 38 fliesst, wobei die Ausgangsspannung des sauerstoffempfindlichen Elementes 30 zwischen diesen beiden Leitungen 44 und 46 gemessen wird. Die Ausgangsspannung dieses Elementes 30 stimmt nicht genau mit der elektromotorischen Kraft überein, die durch die Arbeit dieses Elementes 30 als Konzentrationszelle erzeugt wird, sondern wird gleich der Summe der elektromotorischen Kraft und einer Spannung, die über der festen Elektrolytschicht 38, die einen beträchtlichen Widerstand hat, durch den hindurchgehenden Gleichstrom entwickelt wird.

T -ι η ρ ΤΙ -ι

In üblicher Weise sind die Aussenflächen des Konzentrationszellenteiles oder alle Aussenflächen des sauerstoffempfindlichen Elementes 30 mit einer gasdurchlässigen porösen Schutzschicht 42 aus einem keramischen Material, beispielsweise aus Tonerde oder Calciumzirkonat überzogen.

Das Arbeitsprinzip dieses sauerstoffempfindlichen Elementes 30 wurde bereits beschrieben.

Der Fühler 20 für das Kraftstoff/Lüftverhältnis, der in Fig. 1 dargestellt ist, kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Das sauerstoffempfindliche Element 30 von Fig. 2 ist fest an einer Stirnfläche eines Mullitstabes 52 angebracht, der drei axiale Bohrungen aufweist, durch die Leitungen 44, 46, 48 des Elementes 30 führen. Der Mullitstab 52 ist dicht in einem rohrförmigen Halter 54 aus Edelstahl eingesetzt und eine Edelstahlkappe 56,die mit Öffnungen 57 versehen ist, ist am vorderen Ende des Halters 54 befestigt, so dass das sauerstoffempfindliche Element 30 darin eingeschlossen ist; Ein Hohlraum, der im hinteren Endabschnitt des Mullitstabes 52 ausgebildet ist, ist mit Tonerdepulver 58 und einem Dichtungsmaterial 59 gefüllt. Ein Kabel 62, das mit einem rohförmigen Drahtgeflecht ummantelt ist, verbindet die Leitungen 44, 46 und 48 mit einem elektrischen Verbindungselement 60. Dieses Kabel 62 ist fest am Halter-54 unter Verwendung einer Buchse 64,einem isolierenden Dichtungsmaterial 66 und einem Metallrohr 68 angebracht. Ein mit einem Gewinde und einem Flansch versehenes mutterartiges Befestigungselement 70 ist an der vorderen Seite des Halters 54 befestigt,um diesen Fühler an einem Ansatz anzubringen, der an einem Abgasrohr vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spannungs- und Stromsteuerschaltung 26 der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. In dem Schaltbild von Fig. 4 ist die Sauerstoffkonzentrationszelle im sauerstoffempfindlichen Element 30 mit 38, d.h. so

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wie die feste Elektrolytschicht in Fig. 2 bezeichnet.

Eine Gleichstromquelle 72, beispielsweise die Batterie in einem Kraftfahrzeug, deren Spannung mit V₀ wiedergegeben ist, dient als Versorgung der Heizung 34 im sauerstoffempfindlichen Element 30 mit einer gesteuerten Spannung Vj₁ und der Konzentrationszelle 38 des Elementes 30 mit einem gesteuerten Strom I_c·

Ein veränderlicher Widerstand 74 ist zwischen die Batterie 72 und die Leitung 48 für die Heizung 34 und in Reihe damit geschaltet. Der effektive Widerstandswert dieses Widerstandes 74 ist durch die Lage eines drehbaren Kontaktes 74a bestimmt, der in Fig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden kann, um allmählich den effektiven Widerstand über einen Servomotor 76 zu erhöhen. Wenn der Kontakt 74a an eine Klemme 74b kommt, wird die Verbindung zwischen der Batterie 72 und der Heizung 34 unterbrochen. Der Servomotor 76 wird über ein Befehlssignal betrieben, das von einer Befehlsschaltung 86 kommt, wobei die Ausgangssignale der Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine an der Befehlsschaltung 86 liegen.

In bekannter Weise dient ein Feldeffekttransistor 80 dazu, einen Grundpegel des Gleichstromes I_ zu bestimmen, der der Sauerstoffkonzentratxonszelle 38 geliefert wird. Der Drain dieses Feldeffekttransistors 80 ist mit der positiven Klemme der Batterie 72 verbunden, während seine Source mit der Leitung 44 für die Konzentrationszelle 38 über einen veränderlichen Widerstand 8 2 verbunden ist. Der effektive Widerstandswerte dieses Widerstandes 82 ist durch die Lage eines drehbaren Kontaktes 82a bestimmt, der in Fig. 4 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden kann, um allmählich den effektiven Widerstand über einen Servormotor 84 herabzusetzen. Auch dieser Servomotor 84 wird über ein Befehlssignal betrieben, das von der Befehlsschaltung 86 kommt.

Wie es eingangs bereits dargestellt wurde, arbeitet die Befehlsschaltung 86 so, dass sie den effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 74 klein macht, um dadurch die Heizsspannung V„ zu erhöhen,und gleichzeitig den effektiven Widerstandswert des anderen veränderlichen Widerstandes 82 gross macht, um dadurch den Zellenbetriebsstrom I_c herabzusetzen, wenn die von den Sensoren 24 anliegenden Signale anzeigen, dass die Maschine 10 unter Arbeitsverhältnissen arbeitet, bei denen die Maschine ein Abgas mit niedriger Temperatur abgibt. Wenn die aus den Signalen von den Sensoren 24 geschätzte Temperatur des Abgases ansteigt, befiehlt die Schaltung 86 dem Servormotor 76,allmählich den effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 74 zu erhöhen, und dem anderen Servomotor 84, allmählich den effektiven Widerstandwert des anderen veränderlichen Widerstandes 82 herabzusetzen, so dass die Heizspannung V„ allmählich mit steigender Abgastemperatur abnimmt, während der Zellenbetriebsstrom I« allmählich zunimmt.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel des Aufbaues der in Fig. 4 dargestellten Befehlsschaltung 86, wenn Schrittmotoren als Servomotoren 76 und 84 verwandt werden.

In dieser Schaltung 86 sind vier in Reihe geschaltete Widerstände 88A, 88B, 88C und 90 vorgesehen, die einen Schaltkreis zwischen einer Energiequelle mit einer festen Spannung V_, die die Batterie 72 in Fig. 4 sein kann, und Masse liefern. Um eine geteilte Spannung an die Schrittmotoren 76 und 84 zu legen, ist der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 88C und 90 mit den Eingangsklemmen dieser Schrittmotoren 86 und 84 verbunden. Ein als Schliesser ausgebildeter und elektrisch steuerbarer Schalter 92A, beispielsweise ein elektromagnetisches Relais oder ein Schalttransistor, ist parallel zum Widerstand 88A geschaltet. Wenn dieser Schalter 92A geschlossen wird, wird der Widerstand 88A unwirksam. In ähnlicher Weise sind zwei als

Schliesser ausgebildete und elektrisch steuerbare Schalter 92B und 92C parallel zu den beiden Widerständen 88B und 88C jeweils geschaltet.

In diesem Fall umfassen die Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine einen Sensor, der ein Signal N erzeugt, das die Drehzahl der Maschine 10 wiedergibt, und einen weiteren Sensor, der ein Signal T erzeugt, das die Impulsdauer eines Impulssignales wiedergibt, das durch die Steuereinheit 22 in Fig. 1 erzeugt wird, um die Arbeit der Kraftstoffeinspritzventile 16 zu steuern. Die Befehlsschaltung 86 weist drei Komparatoren 94A, 94B und 94C auf, von denen jeder einen Vergleich zwischen dem Signal N für die Drehzahl der Maschine und einer vorbestimmten Drehzahl durchführt, die beim ersten Komparator 94A 1000 U/min, beim zweiten Komparator 94B 2400 U/min und beim dritten Komparator 94C 4000 U/min beträgt, wobei jeder Komparator ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann ausgibt, wenn die Drehzahl der Maschine, die durch das Signal N wiedergegeben wird, grosser als die vorbeötimmte Drehzahl ist. Es sind drei weitere Komparatoren 96A, 96B und 96C vorgesehen, von denen jeder einen Vergleich zwischen dem Signal T für die Impulsdauer und einer vorbestimmten Dauer durchführt, die beim vierten Komparator 96A 4 ms, beim fünften Komparator 96B 6 ms und beim sechsten Komparator 96C 8 ms beträgt, wobei jeder Komparator ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann ausgibt, wenn die durch das Signal T wiedergegebene Dauer grosser als die vorbestimmte Dauer ist.

Ein erstes UND-Glied 98A ist mit den Ausgangsklemmen des ersten und vierten Komparators 94A und 96A verbunden, um nur dann ein Signal auszugeben, das bewirkt, dass der erste Schalter 92A schliesst, wenn diese beide Komparatoren 94A und 96A gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. Ein zweites UND-Glied 98B ist mit dem zweiten und

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fünften Komparator 94B und 96B verbunden, um nur dann ein Signal auszugeben, das bewirkt, dass der zweite Schalter 92B schliesst, wenn diese beiden Komparatoren 94B und 96B gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. In ähnlicher Weise bewirkt ein drittes UND-Glied 98C, dass der dritte Schalter 92C schliesst, wenn der dritte und sechste Komparator 94C und 96C gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben.

Wenn das Signal N eine Maschinendrehzahl anzeigt, die unter 1000 ü/min liegt, bleiben alle drei Schalter 92A, 92B, 92C geöffnet, so dass die Höhe der Spannung an den Schrittmotoren 76 und 84 ein Minimum hat. Der effektive Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 44 hat dementsprechend ein Minimum, so dass die Höhe der Heizspannung V„ ein

Maximum hat, wohingegen der effektive Widerstand des anderen veränderlichen Widerstandes 82 ein Maximum hat, so dass die Stärke des Zellenbetriebsstromes I ein Minimum hat. Wenn beispielsweise das Signal eine Maschinendrehzahl von 1500 ü/min und eine Impulsdauer von 5 ms angibt, wird der Widerstand 88A durch den geschlossenen ersten Schalter 92A kurzgeschlossen, während die Widerstände 88B und 88C wirksam bleiben. Dementsprechend führt jeder der beiden Schrittmotoren 76 und 84 eine bestimmte Winkelbewegung aus, die zu einer bestimmten Zunahme im effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes 74 mit einer entsprechenden Abnahme der Heizspannung V„ und zu einer bestimmten Ab-

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nähme des effektiven Widerstandwertes des anderen veränderlichen Widerstandes 82 mit einer entsprechenden Zunahme des Zellenarbeitsstromes I„ führt. Wenn das Signal N eine Maschinendrehzahl von mehr als 4000 ü/min anzeigt und das Signal T eine Impulsdauer von mehr als 8 ms angibt, werden alle drei Widerstände 88A, 88B und 88C kurzgeschlossen, so dass die Heizspannung V„ ein Minimum hat, während der Zellenarbeits-

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strom I ein Maximum hat. In dieser Weise werden somit sowohl die Heizspannung V„ als auch der Zellenarbeitsstrom I_ schrittweise in Abhängigkeit von den Werten der aufgenommenen Parameter der Maschinenarbeitsverhältnisse geändert/ wobei diese Werte die Temperatur des Abgases und sogar die Sauerstoffkonzentration im Abgas angeben.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 dargestellten Steuerschaltung 26.

Auch bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dient ein Feldeffekttransistor 80 dazu, einen Grundpegel des Zellenarbeits- oder Steuerstromes Z_n festzulegen, wobei jedoch die Source des Feldeffekttransitors 80 mit der Zelle 38 über vier in Reihe geschaltete Widerstände 100A, 100B, 100C und 100D verbunden ist und vier als Schli&sser ausgebildete und elektrisch steuerbare Schalter 102A, 102B, 102C und 102D jeweils parallel zu den vier Widerständen 100A, 100B, 100C und 100D geschaltet sind. Jeder dieser Schalter 102A bis 102D wird auf ein bestimmtes Signal von der Befehlsschaliung 86 ansprechend geschlossen, um den zugehörigen Widerstand der vier Widerstände 100A bis 100D kurzzuschliessen. Die Befehlsschaltung 86 arbeitet so, dass sie den Anteil der kurzgeschlossenen Widerstände unter den vier Widerständen 100A bis 100D erhöht, wenn die von den Signalen, die von den Sensoren 24 kommen, angegebene Abgastemperatur höher wird, um dadurch den Zellenarbeitsstrom I_c schrittweise zu erhöhen.

Die Batterie 72 ist über drei Widerstände 104A, 104B, 104C und einen als öffner ausgebildeten und elektrisch steuerbaren Schalter 106, die alle in Reihe geschaltet sind, mit der Heizung 34 verbunden. Drei als öffner ausgebildete und elektrisch steuerbare Schalter 108A, 108B, 108C sind jeweils parallel zu den drei Widerständen 104A, 104B und 104C geschaltet,- so dass diese Widerstände 104A, 104B und 104C

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alle kurzgeschlossen sind. Jeder dieser drei Schalter 108A, 108B, 108C öffnet jedoch auf ein bestimmtes Signal ansprechend, das von der Befehlsschaltung 86 kommt, um den kurzgeschlossenen Zustand des zugehörigen Widerstandes der drei Widerstände 104A, 104B und 104C aufzuheben. Die Befehlsschaltung 86 arbeitet so, dass sie die vier Schalter 106, 108A, 108B und 108C geschlossen hält, wenn die Abgastemperatur sehr niedrig ist, damit die Heizspannung V„ ein Maximum hat,und dass sie den Anteil der kurzgeschlossenen Widerstände unter den drei Widerständen 104A, 104B und 104C herabsetzt, wenn die von den Signalen der Sensoren 24 angegebene Abgastemperatur höher wird, um dadurch die Heizspannung V„ schrittweise herabzusetzen. Wenn die Abgastemperatür extrem hoch wird, befiehlt die Befehlsschaltung 86 dem Schalter 106 zu öffnen, um dadurch das Anliegen der Heizspannung V„ an der Heizung 34 zu unterbrechen.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel des Aufbaues der Befehlsschaltung 86 in der Spannungs- und Stromsteuerschaltung 26 in Fig. 6.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine einen Sensor/, der das Signal N für die Drehzahl der Maschine erzeugt^ und einen Sensor, der das Signal T für die Impulsdauer erzeugt.

In diesem Fall weist die Befehlsschaltung 86 Komparatoren. 110A, 110B, 110C und 110D auf. Der erste Komparator 110A führt einen Vergleich zwischen dem Signal N für die Drehzahl der Maschine und einer bestimmten Drehzahl durch, die bei diesem Ausführungsbeispiel 1000 U/min beträgt, wobei der erste Komparator 110A ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann ausgibt, wenn die durch das Signal N angegebene Drehzahl unter 1000 U/min liegt. Der zweite, dritte und

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vierte Komparator HOB, 110C, 110D führen einen Vergleich zwischen dem Signal N und einer bestimmten Drehzahl durch, die beim zweiten Komparator 110B 1000 Π/min, beim dritten Komparator 110C 2400 U/min und beim vierten Komparator 110D 4000 ü/min beträgt, wobei die Komparatoren 110B, 11OC, 110D nur dann ein Signal mit dem logischen Wert 1 ausgeben, wenn die durch das Signal N angegebene Drehzahl über der vorbestimmten Drehzahl liegt. Es sind weitere vier Komparatoren 112A, 112B, 112C und 112D vorgesehen. Der fünfte Komparator 112A führt einen Vergleich zwischen dem Signal T für die Impulsdauer und einer vorbestimmten Impulsdauer durch, die bei diesem Beispiel 4 ms beträgt und gibt ein Signal mit dem logischen Wert 1 nur dann aus, wenn die durch das Signal T angegebene Dauer kleiner als 4 ms ist. Der sechste, der siebte und der achte Komparator 112B, 112C, 112D führen einen Vergleich zwischen dem Signal T und einer bestimmten Dauer durch, die beim sechsten Komparator 112B 4 ms, beim siebten Komparator 112C 6 ms und beim achten Komparator 112D 8 ms beträgt, wobei die Komparatorer 112B, 112C, 112D ein Signal mit dem logischen Wert 1 ausgeben, wenn die durch das Signal T angegebene Impulsdauer grosser als die vorbestimmte Dauer ist.

Ein ODER-Glied 114 ist mit den Ausgangsklemmen des ersten und fünften Komparators 11OA und 112A verbunden, um ein Signal auszugeben, das dazu führt, dass der erste als Schliesser ausgebildete Schalter 102A schliesst und gleichzeitig der erste als Öffner ausgebildete Schalter 108A öffnet, wenn einer der beiden Komparatoren 110A, 112A ein Signal mit dem logischen Wert 1 ausgibt. Dann wird der Widerstand 100A, der den Zellenarbeitsstrom I_ ändert, kurzgeschlossen und wird der Widerstand 104A wirksam, der die Heizspannung V„ ändert.

Ein erstes UND-Glied 116A ist mit den Ausgangsklemmen des zweiten und sechsten Komparators 11OB und 112B verbunden, um ein Signal auszugeben, das bewirkt, dass der zweite als Schliesser ausgebildete Schalter 102B schliesst und gleichzeitig der zweite als öffner ausgebildete Schalter 108B öffnet, wenn diese beide Komparatoren HOB und 112B gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. Ein zweites UND-Glied 116B gibt ein Signal aus, das dazu führt, dass der dritte als Schliesser ausgebildete Schalter 102C schliesst und der dritte als öffner ausgebildete Schalter 108C öffnet, wenn der dritte und der siebte Komparator 110C und 112C gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben. In ähnlicher Weise bewirkt ein drittes UND-Glied 116C ein Schliessen des vierten als Schliesser ausgebildeten Schalters 102D und ein öffnen des als öffner ausgebildeten Schalters 106, wenn diese beiden Komparatoren 110D und 112D gleichzeitig Signale mit dem logischen Wert 1 ausgeben.

Die Befehlsschaltung 86 in Fig. 7 arbeitet somit so, dass sie die Widerstände 100A bis 100D nacheinander mit steigender Abgastemperatür kurzschliesst, um dadurch schrittweise den Strom I-, zu erhöhen, und gleichzeitig den kurzgeschlossenen Zustand der Widerstände 104A, 104B, 104C nacheinander aufhebt, um dadurch die Heizspannung V„ schrittweise herabzusetzen.

Als elektrisch steuerbare Schalter in Fig. 6 und 7 können entweder elektromagnetische Relais oder Halbleiterschalter, wie beispielsweise Schalttransistoren verwandt werden. Wenn Halbleiterschalter verwandt werden, hat die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Spannungs- und Stromsteuerschaltung ein schnelleres Ansprechvermögen und eine höhere Genauigkeit in der Steuerung der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Schaltung mit Schrittmotoren.

Bei den obigen Ausführtingsbeispielen wurden die Sensoren 24 für die Arbeitsverhältnisse der Maschine so beschrieben, dass sie die Drehzahl der Maschine und die Impulsdauer eines Kraftstoffeinspritzsteuersignales aufnehmen, die erfindungsgemässe Ausbildung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Es können auch andere Parameter als diese beiden Parameter, d.h. wenigstens einer der Parameter, Höhe des Ansaugunterdruckes, Öffnungsgrad des Hauptdrosselventiles und Durchsatz der in den Ansaugkanal eingesaugten Luft wahrgenommen und in der Befehlsschaltung 86 verwandt werden.

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Claims

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MAXIMILIANSTRASSE 43

19. Februar 1981

P 15 954-dg

NISSMT MOTOR CQ., IJTD.
Ho. 2, Takara-cho
Kanagavja-ku
Yokohama City
Japan

Regelungsvorrichtung mit Rückführung für das Kraftstoff/ Luftverhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches

PATENTANSPRÜCHE

1/ Regelungsvorrichtung mit Rückführung für das Kraftstoff/ Luftverhältnis eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoff/Luftgemisches mit einer elektrisch steuerbaren Kraftstoffversorgungseinrichtung (16), die im Ansaugsystem der Maschine vorgesehen ist, einem Fühler (20) für das Kraftstoff/Luftverhältnis, der in einen Abgaskanal der Maschine eingebaut ist und ein sauerstoffempfindliches Element (30) vom Typ einer Konzentrationszelle mit einem Substrat (32), einer Vergleichselektrodenschicht (36), die auf dem Substrat liegt, einer mikroskopisch porösen

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Schicht (38) aus einem sauerstoffionenleitenden festen Elektrolyten, die auf dem Substrat so ausgebildet ist, dass sie die Vergleichselektrodenschicht im wesentlichen vollständig überdeckt, einer mikroskopisch porösen Messelektrodenschicht (40), die auf der festen Elektrolytschicht ausgebildet ist, und mit einer elektrischen Heizung (34) aufweist, mit einer Steuereinrichtung (22) für die KraftstoffVersorgung, die ein Steuersignal der Kraftstoff versorgungseinrichtung liefert, um das Ausmass der KraftstoffVersorgung der Maschine so zu steuern, dass ein gewünschtes Kraftstoff/Luftverhältnis beibehalten wird, indem das Ausgangssignal des Fühlers für das Kraftstoff/ Luftverhältnis als Rückführungssignal verwandt wird, und mit einer Energieversorgungseinrichtung, die die elektrische Heizung (34) mit Energie versorgt und zwangsweise einen Gleichstrom durch die feste Elektrolytschicht (38) des Sauerstoffempfindlichen Elementes fHessen lässt, um eine Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht von der Vergleichselektrodenschicht oder der Messelektrodenschicht zu der jeweils anderen Schicht hervorzurufen, um dadurch einen Vergleichssauerstoffpartialdruck an der Grenzfläche zwischen der Vergleichselektrodenschicht und der festen Elektrolytschicht aufzubauen, gekennzeichnet durch eine Hilfseinrichtung, die den Vergleichssauerstoffpartialdruck auf einer passenden Höhe während der Arbeit der Regelungsvorrichtung mit Rückführung hält und eine Sensoreinrichtung (24), die wenigstens ein elektrisches Informationssignal (N, T) erzeugt, von denen jedes augenblickliche Werte eines Parameters de.r Arbeitsverhältnisse der Maschine wiedergibt, wobei die Parameter gleichfalls mit der Temperatur des Abgases in Beziehung stehen, und eine Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) aufweist, die allmählich sowohl die Stärke des Gleichstromes, der zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht fliesst, als auch die Höhe der Spannung, die an der elektrischen Heizung liegt, nach Massgabe der sich ändernden

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Arbeitsverhältnisse der Maschine ändert, die durch das wenigstens eine Informationssignal wiedergeben werden, um dadurch erhebliche Änderungen in der Höhe des Vergleichssauerstoffpartialdruckes aufgrund des Einflusses der Abgastemperatur zu vermeiden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der.Gleichstrom zwangsweise durch die feste Elektrolytschicht von der Vergleichselektrodenschicht (36) zur Messelektrodenschicht (40) fliesst, und dass die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) so arbeitet, dass sie nach Massgabe der sich ändernden Arbeitsverhältnisse der Maschine die Stärke des Gleichstromes allmählich so erhöht und die Höhe der Spannung allmählich so herabsetzt, dass ein Anstieg der Abgastemperatur bewirkt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeich net , dass die Spannung- und Stromsteuereinrichtung (26) einen ersten Widerstandsschaltkreis (82; 100A bis 100D), der zwischen einer Gleichstromquelle (72) und dem sauerstoffempfindlichen Element(30) liegt, um die Stärke des Gleichstromes zu bestimmen, eine Einrichtung, die allmählich den Gesamtwiderstandswert des ersten Widerstandsschaltkreises auf das wenigstens eine Informationssignal (N, T) ansprechend ändert, einen zweiten Widerstandsschaltkreis (74; 104A bis 104C), der zwischen der Gleichstromquelle (72) und der elektrischen Heizung (34) liegt, und eine Einrichtung umfasst, die allmählich den Gesamtwiderstand des zweiten Widerstandsschaltkreises auf das wenigstens eine Informationssignal ansprechend ändert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Widerstandsschaltkreis jeweils einen veränderlichen Widerstand (82, 74) aufweisen und dass die erste und die zweite Widerstands-

änderungseinrichtung jeweils einen Servomotor (84, 76) aufweisen,der dem veränderlichen Widerstand zugeordnet ist, um den effektiven Widerstandswert des veränderlichen Widerstandes auf ein Steuersignal ansprechend zu ändern, das durch die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung auf der Grundlage des wenigstens einen Informationssignales erzeugt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Widerstandsschaltkreis jeweils eine Vielzahl fester Widerstände (100A bis 100D, 104A bis 104C) und eine Vielzahl elektrisch steuerbarer Schalter (102A bis 102D, 108A bis 108C) aufweisen, die jeweils parallel zu den festen Widerständen geschaltet sind, und dass die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) so arbeitet, dass sie wahlweise die Schalter des ersten und zweiten Widerstandsschaltkreises auf das wenigstens eine Informationssignal ansprechend Öffnet und schliesst, um dadurch den Anteil des kurzgeschlossenen Teils der festen Widerstände des ersten und des zweiten Widerstandsschaltkreises zu ändern.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) einen ersten veränderlichen Widerstand (82), der einen drehbaren Kontakt (82a) zur Änderung seines effektiven Widerstandswertes aufweist und zwischen die Gleichstromquelle (72) und die Vergleichselektrodenschicht (36) geschaltet ist, einen ersten Schrittmotor (84), der so ausgebildet ist, dass er den drehbaren Kontakt des veränderlichen Widerstandes schrittweise dreht, einen zweiten veränderlichen Widerstand (74), der einen drehbaren Kontakt (74a) aufweist und zwischen die Gleichstromquelle

(72) und die Heizung (74) geschaltet ist, einen zweiten Schrittmotor (76), der so ausgebildet ist, dass er den

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drehbaren Kontakt des zweiten veränderlichen Widerstandes dreht, und eine. Befehlsschaltung (86) aufweist, die ein Steuersignal erzeugt, das bewirkt, dass der erste und der zweite Schrittmotor bestimmte Winkelbewegungen immer dann ausführen, wenn eine bestimmte Änderung in den Arbeitsverhältnissen der Maschine auftritt, die durch das wenigstens eine Informationssignal angezeigt werden.
7♦ Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Befehlsschaltung (86) eine Spannungsteilerschaltung mit einer Vielzahl von Widerständen (88A bis 88C), die alle in Reihe geschaltet sind, eine Vielzahl elektrisch steuerbarer Schalter (92A bis 92C), die jeweils parallel zu den Widerständen geschaltet sind, und eine logische Schaltungseinrichtung (94, 96, 98) aufweist, um wahlweise eine gewählte Anzahl der Schalter auf der Grundlage der Arbeitsverhältnisse der Maschine zu schliessen, die durch das wenigstens eine Informationssignal angegeben werden, und dadurch das Befehlssignal als Änderung der Höhe der Spannung am ersten und zweiten Schrittmotor über die Spannungsteilerschaltung zu erzeugen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Informationssignal ein Signal (N) für ddie Drehzahl der Maschine und ein Signal (T) für das Ausmass der KraftstoffVersorgung umfasst, dass die logische Schaltungseinrichtung eine Vielzahl von ersten Komparatoren (94A bis 94C), von denen jeder ein bestimmtes logisches Signal ausgibt, wenn eine bestimmte Hoch/Tiefbeziehung zwischen der Drehzahl der Maschine, die durch das Signal für die Drehzahl der Maschine angegeben wird, und einer Vergleichsdrehzahl erfüllt ist,.die für jeden ersten Komparator vorgeschrieben ist, eine Vielzahl zweiter Komparatoren (96A bis 96C), von denen jeder ein bestimmtes logisches Signal ausgibt, wenn eine bestimmte Hoch/TiefbeZiehung zwischen der Höhe der KraftstoffVersorgung

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der Maschine, die durch das Signal für die Kraftstoff-Versorgung angegeben wird, und einer Vergleichshöhe der KraftstoffVersorgung erfüllt ist, die für jeden zweiten Komparator vorbestimmt ist, und eine Vielzahl logischer Verknüpfungsglieder (98A bis 98C) aufweist, von denen jedes bewirkt, dass einer der Schalter (92A bis 92C) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen eines bestimmten ersten Komparators und eines bestimmten zweiten Komparators öffnet oder schliesst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- und Stromsteuereinrichtung (26) eine Vielzahl erster Widerstände (100A bis 100D), die alle in Reihe zwischen die Gleichstromquelle und die Vergleichselektrodenschicht geschaltet sind, eine Vielzahl von als Schliesser ausgebildeten und elektrisch steuerbaren ersten Schaltern (102A bis 102D), die jeweils parallel zu den ersten Widerständen geschaltet sind, eine Vielzahl zweiter Widerstände (104A bis 104C), die alle in Reihe zwischen die Stromquelle und die Heizung geschaltet sind, eine Vielzahl von als öffner ausgebildeten und elektrisch steuerbaren zweiten Schaltern (108A bis 108C), die jeweils parallel zu den zweiten Widerständen geschaltet sind, und eine Befehlsschaltung (86) umfasst, die ein Befehlssignal erzeugt, das bewirkt, dass einer der ersten Schalter immer dann schliesst und einer der zweiten Schalter immer dann öffnet, wenn bestimmte Änderungen in den Arbeitsverhältnissen der Maschine auftreten, die durch das wenigstens eine Informationssignal angezeigt werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Informationssignal ein Signal (N) für die Drehzahl der Maschine und ein Signal (T) für die Kraftstoffversorgung umfasst, dass

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die Befehlsschaltung (86) eine Vielzahl erster Komparatoren (110A bis 110D), von denen jeder ein bestimmtes logisches Signal ausgibt, wenn eine Hoch/Tiefbeziehung zwischen der Drehzahl der Maschine, die durch das Signal für die Drehzahl der Maschine angegeben wird,und einer Vergleichsdrehzahl erfüllt ist, die für jeden ersten Komparator vorgeschrieben ist, eine Vielzahl zweiter Komparatoren (1T2A bis 112D), von denen jeder ein bestimmtes logisches Signal ausgibt, wenn eine Hoch/Tiefbeziehung zwischen dem Ausmass der KraftstoffVersorgung für die Maschine, die durch das Signal für die Kraftstoffversorgung angegeben wird,und einer Vergleichskraftstoffversorgungshöhe erfüllt ist, die für jeden zweiten Komparator vorbestimmt ist,und eine Vielzahl logischer Verknüpfungsglieder (114, 116A bis 116C) umfasst, von denen jedes das Befehlssignal für einen der ersten Schalter (102A bis 102D) und für einen der zweiten Schalter (108A bis 108C) auf der Grundlage der Ausgangssignale eines bestimmten ersten Komparators und eines bestimmten Komparators.liefert.