DE3644378A1 - Verfahren zum kontrollieren eines sauerstoffkonzentrationssensors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kontrollieren eines Sauerstoffkonzentrationssensors, insbesondere ein Verfahren zum Kontrollieren eines Sensors zum Abtasten einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine.

Zur Beschleunigung der Reinigung des Abgases und zur Verbesserung der Kraftstoffersparnis einer Brennkraftmaschine wird generell ein Luft/Kraftstoffverhältniskontrollsystem vom Rückkopplungstyp verwendet, bei welchem die Sauerstoffkonzentration im Abgas erfaßt und das Luft/Kraftstoffverhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches entsprechend einem Resultat der Erfassung der Sauerstoffkonzentration durch eine Rückkopplungssteueroperation auf ein Luft/Kraftstoffzielverhältnis gesteuert wird.

Ein in einem solchen Luft/Kraftstoffverhältniskontrollsystem verwendbarer Sauerstoffkonzentrationssensor ist von einem Typ, der ein Ausgangssignal erzeugen kann, dessen Pegel zur Sauerstoffkonzentration im Abgas der Maschine in einem Bereich proportional ist, in welchem das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches größer als ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis ist, und dessen Detail in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 58-1 53 155 offenbart ist. Dieser Sauerstoffkonzentrationssensor umfaßt eine Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit genereller Konstruktion, die ein Paar flacher Trockenelektrolytglieder mit Sauerstoffdurchlässigkeit umfaßt. Diese Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolytelemente sind im Abgas der Maschine angeordnet, und an den Vorder- und Rückflächen beider Trockenelektrolytelemente sind jeweils Elektroden vorgesehen. In anderen Worten ausgedrückt ist zwischen jedem Paar Elektroden je ein Trockenelektrolytelement angeordnet. Diese zwei Trockenelektrolytelemente, von denen jedes ein Paar Elektroden aufweist, sind derart parallel angeordnet, daß sie einander zugekehrt sind und einen Spaltabschnitt, oder anders ausgedrückt, einen eingeschränkten Bereich zwischen ihnen bilden.

Bei dieser Anordnung dient ein Trockenelektrolytelement als ein Sauerstoffpumpelement und das andere Trockenelektrolytelement als ein Sensorzellelement zum Abtasten eines Sauerstoffkonzentrationsverhältnisses. In einer umgebenden Atmosphäre des Abgases wird über die Elektroden des Sauerstoffpumpelements ein Antriebsstrom derart zugeführt, daß die dem Spaltabschnitt zugekehrten Elektroden als eine negative Elektrode arbeiten. Durch die Zufuhr dieses Stroms, d. h. eines Pumpstromes, wird die Sauerstoffkomponente des Gases in dem Spaltabschnitt an der Oberfläche der negativen Elektrode des Sauerstoffpumpelements ionisiert. Die Sauerstoffionen wandern durch die Innenseite des Sauerstoffpumpelements zur positiven Elektrode, wo die Sauerstoffionen von deren Oberfläche in Form des Sauerstoffgases gelöst werden.

Während diese Bewegung der Sauerstoffionen stattfindet, wird die Sauerstoffkonzentration des Gases in dem Spaltabschnitt und des Gases auf der Außenseite des Sensorzellelements wegen der Abnahme der Sauerstoffgaskomponente im Spaltabschnitt unterschiedlich. Deshalb bildet sich über den Elektroden des Sensorzellelements eine Spannung aus. Wenn die Größe des dem Sauerstoffpumpelement zugeführten Pumpstromes so gesteuert wird, daß die über dem Sensorzellelement erzeugte Spannung konstant gehalten wird, variiert die Größe des Pumpstromes im wesentlichen proportional zur Sauerstoffkonzentration in dem im Zustand einer konstanten Temperatur befindlichen Abgas.

Der Pumpstrom wird dann als ein Signal ausgegeben, das den Sauerstoffkonzentrationserfassungswert anzeigt.

Durch die Größe des dem Sauerstoffpumpelement zugeführten Pumpstromes wird erfaßt, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches fett oder mager ist. In dem Fall des Luft/Kraftstoffverhältniskontrollsystems, in welchem das Luft/Kraftstoffverhältnis durch die Zufuhr der ansaugseitigen Sekundärluft gesteuert wird, wird die Sekundärluft zugeführt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis als fett erfaßt wird. Andererseits wird die Zufuhr der Sekundärluft gestoppt, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis als mager erfaßt wird. Auf diese Weise wird durch die Zufuhr und den Stopp der luftansaugseitigen Sekundärluft das Luft/Kraftstoffverhältnis in Richtung eines Luft/Kraftstoffzielverhältnisses gesteuert.

Diese Art Sauerstoffkonzentrationssensor bewirkt dann, wenn ein übermäßiger Strom dem Sauerstoffpumpelement zugeführt wird, das sogenannte Schwärzungsphänomen, bei dem die Sauerstoffionen von den Trockenelektrolytelementen entfernt wird. Wenn beispielsweise Zirkondioxid bzw. ZrO₂ als Trockenelektrolyt verwendet wird, werden die Sauerstoffionen O₂ von dem Zirkondioxid ZrO₂ genommen, so daß Zirkon Zr ausgeschieden wird. Dieses Schwärzungsphänomen hat zur Folge, daß rasch eine Verschlechterung des Sauerstoffpumpelements stattfindet, die eine Verschlechterung der Operation des Sauerstoffkonzentrationssensors als Ganzes bewirkt.

Die Fig. 1 zeigt Kurven, die einen Strom I _p zum Sauerstoffpumpelement über der Sauerstoffkonzentrationsrelation und eine Grenzlinie des Stattfindens des Schwärzungsphänomens zeigt. Nach der Fig. 1 variiert die Größe des Stromes I _p proportional zur Sauerstoffkonzentration und die Variationsrate ist für verschiedene Werte der Spannung V _s , die sich über den Elektroden des Sensorzellelements ausbildet, verschieden. Anders ausgedrückt ist die Spannung V _s ein Parameter, der das Verhältnis zwischen der Größe des Stromes I _p und der Sauerstoffkonzentration bestimmt. Wie in dieser Figur dargestellt, ist die Grenzlinie des Stattfindens des Schwärzungsphänomens wie im Fall der Größe des Stromes I _p als eine Funktion ersten Grades des Sauerstoffkonzentrationswertes gezeigt. Deshalb ist es zur Verhinderung des Schwärzungsphänomens notwendig, daß die Größe der Stromzufuhr zum Sauerstoffpumpelement so begrenzt wird, daß sie kleiner als Werte im Bereich des Schwärzungsphänomens sind.

Außerdem ist es bei diesem Typ eines Sauerstoffkonzentrationssensors notwendig, daß die Betriebstemperatur der Abtasteinheit ausreichend höher als seine Abgastemperatur bei Dauerzustandsbetrieb - beispielsweise höher als 650°C - ist, um eine Proportionalausgangssignalcharakteristik zu erhalten, bei welcher das Sensorausgangssignal im wesentlichen proportional zur Sauerstoffkonzentration variiert. Um diesem Erfordernis Genüge zu tun, ist ein beispielsweise aus einem Heizdraht gebildetes Heizelement in die Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit eingebaut, und dem Heizelement wird zum Zeitpunkt der Messung ein Betriebsstrom zugeführt, so daß am Heizelement Wärme erzeugt wird.

Wenn die Zufuhr des Heizstromes bei einem Kaltstart der Maschine gestartet wird, bleibt die Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit inaktiv, weil die Temperatur der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit nicht sofort auf einen Pegel ansteigt, bei welchem die gewünschte Proportionalausgangssignalcharakteristik erhalten wird. Andererseits erreicht nach einem Heißstart der Maschine die Temperatur der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit einen Pegel, bei welchem die Abtasteinheit innerhalb relativ kurzer Zeit aktiviert wird. Deshalb kann die Erfassung der Aktivierung der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit nicht einfach durch Verwendung einer Zeitperiode, die nach dem Start der Maschine verstreicht, leicht ausgeführt werden. Da außerdem die Rückkopplungssteuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Sauerstoffkonzentrationssensors nur nach der Vollendung der Aktivierung der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit ermöglicht ist, ist es wichtig, die Aktivierung der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit genau für den Luft/Kraftstoffverhältnissteuerbetrieb zu erfassen. Wenn die Vollendung der Aktivierung der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit nicht genau erfaßt wird, wird die Rückkopplungssteuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses nicht zu einem richtigen Zeitpunkt nach dem Start der Maschine gestartet, und es wird eine rückführungslose Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses vor dem Start der Rückkopplungssteuerung ausgeführt. Deshalb ist es nicht immer möglich gewesen, eine optimale Effizienz der Reinigung des Abgases durch Mittel herkömmlicher Geräte zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Kontrollieren bzw. Steuern eines Sauerstoffkonzentrationssensors einer Brennkraftmaschine mit einem Luft/Kraftstoffverhältniskontrollsystem anzugeben, bei welchem die Vollendung der Aktivierung der Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit genau bestimmt wird, um die Rückkopplungssteuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses zu steuern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Steuern eines an einer Brennkraftmaschine mit einer Abgaspassage befestigten Sauerstoffkonzentrationssensors, der ein Paar in der Abgaspassage angeordnete, Sauerstoffionen leitende Trockenelektrolytelemente mit Elektroden aufweise, wobei eines der Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolytelemente als ein Sauerstoffpumpelement und das andere Sauerstoffionen leitende Trockenelektrolytelement als ein Sensorzellelement zum Messen eines Sauerstoffkonzentrationsverhältnisses, eine Pumpstromquelle zum Zuführen eines über die Elektroden des Sauerstoffpumpelements anzulegenden Pumpstromes und ein zum Heizen der Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolytelemente beim Zuführen eines Heizstromes zu ihnen angeordnete Heizelemente aufweist, einen Erfassungsschritt zum Erfassen einer Temperatur der Maschine unmittelbar vor einem Start einer Zufuhr des Heizstromes und einen Kontrollschritt zum Kontrollieren einer Zufuhr des Pumpstromes derart, daß die Zufuhr des Pumpstromes gestattet wird, wenn ein Verstreichen von mehr als einer Zeitperiode erfaßt wird, die entsprechend der Temperatur der Maschine von einem Zeitpunkt der Zufuhr des Heizstromes bestimmt ist.

Kurz gesagt ist das Verfahren zum Kontrollieren eines Sauerstoffkonzentrationssensors dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Stromes zu den Elektroden des Sauerstoffpumpelements bei dem Erfassen eines Verstreichens von mehr als einer Zeitperiode gestartet wird, die einer Maschinentemperatur zu einem Zeitpunkts des Starts des Heizstromes nach dem Start der Zufuhr des Antriebs- bzw. Betriebsstromes zum Heizelement entspricht.

Eine Ausführungsform des Verfahrens zum Steuerung eines Sauerstoffkonzentrationssensors nach der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8 im folgenden näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, welche in Kurven die Sauerstoffkonzentration gegen den Pumpstrom und eine Grenze des Stattfindens des Schwärzungsphänomens zeigt;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Sauerstoffkonzentrationssensors, der zur Anwendung für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in dem in Fig. 2 gezeigten Sensor vorgesehene Sauerstoffkonzentrationssensoreinheit;

Fig. 4 einen längs der Linie IV-IV in Fig. 3 genommenen Querschnitt durch die Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit;

Fig. 5 ein Schaltkreisschema, welches einen Stromversorgungsschaltkreis des Sauerstoffkonzentrationssensors zeigt und in welcher das Luft/Kraftstoffverhältniskontrollsystem ebenfalls gezeigt ist;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche eine Ausgangssignalcharakteristik desSauerstoffkonzentrationssensors zeigt;

Fig. 7 ein Flußdiagramm, welches die Schritte des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens zeigt; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die Relation zwischen einer Aktivierungszeit P _FB und einer Maschinenkühlwassertemperatur T _W zeigt.

Nach Fig. 2 umfaßt der generell mit 40 bezeichnete Sauerstoffkonzentrationssensor ein Gehäuse 42 mit einem Leitungsdrahteinführungsloch 41 an einem Ende. An dem anderen Ende des Gehäuses 42 ist eine Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit 43 befestigt. Die Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit 43 ist von einer Schutzabdeckung 44 umgeben, die als Zylinder ausgebildet und mit einem Endabschnitt des Gehäuses verbunden ist. Die Schutzabdeckung 44 ist mit mehreren Abgaseintrittslöchern 44 a versehen, die über dem Umfang in gleichem Abstand angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel sind vier Abgaseintrittslöcher 44 a vorgesehen. Außerdem ist ein Paar des Sauerstoffkonzentrationssensors 40, der auf der linken Seite der Linie A-A in Fig. 2 dargestellt ist, in einem nicht dargestellten Abgasverteiler angeordnet, wenn der Sensor 40 für den Betrieb montiert wird.

Nach den Fig. 3 und 4 umfaßt die Sauerstoffkonzentrationsabtasteinheit 43 ein Sauerstoff leitendes Trockenelektrolytelement 1 mit im wesentlichen Kubusform. In dem Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolytelement 1 sind eine erste und zweite Gasrückhaltekammer 2 bzw. 3 vorgesehen, welche Spaltabschnitte bilden. Die erste Gasrückhaltekammer 2 führt zu einer Gaseintrittsöffnung 4 zum Einbringen des Meßgases, d. h. des Abgases der Maschine, von der Außenseite des Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolytelements 1. Die Gaseintrittsöffnung 4 ist in einer nicht dargestellten Abgaspassage der Brennkraftmaschine so angeordnet, daß das Abgas leicht in die Gasrückhaltekammer 2 strömen kann. In einer Wand zwischen der ersten Gasrückhaltekammer 2 und der zweiten Gasrückhaltekammer 3 ist ein Verbindungskanal 5 so vorgesehen, das das Abgas in die zweite Gasrückhaltekammer 3 durch die Gaseintrittsöffnung 4, die erste Gasrückhaltekammer 2 und den Verbindungskanal 5 eingebracht wird. Außerdem ist das Sauerstoffionen leitende Element 1 mit einer Referenzgaskammer 6 vorgesehen, in die beispielsweise Außenluft eingebracht ist. Die Referenzgaskammer 6 ist derart vorgesehen, daß sie von der ersten und zweiten Gasrückhaltekammer 2 und 3 mittels einer dazwischenliegenden Trennwand getrennt ist. In einer Seitenwand der ersten und zweiten Gasrückhaltekammer 2 und 3 ist auf der entgegengesetzten Seite der Referenzgaskammer 6 ein Elektrodenschutzhohlraum 7 vorgesehen. An der Wand zwischen der ersten Gasrückhaltekammer 2 und der Referenzgaskammer 6 und der Wand zwischen der Gasrückhaltekammer 2 und dem Elektrodenschutzhohlraum 7 sind jeweils ein Paar Elektroden 12 a und 12 b bzw. ein Paar Elektroden 11 a und 11 b vorgesehen. Die Elektroden 11 a, 11 b und 12 a, 12 b bilden einen ersten Satz Elektroden, welcher der ersten Gasrückhaltekammer 2 zugeordnet ist. Ähnlich sind an der Wand zwischen der zweiten Gasrückhaltekammer 3 und der Gasreferenzkammer 6 und der Wand zwischen der zweiten Gasrückhaltekammer 3 und dem Elektrodenschutzhohlraum 7 jeweils ein Paar Elektroden 14 a und 14 b bzw. ein Paar Elektroden 13 a und 13 b vorgesehen. Die Elektroden 13 a, 13 b und 14 a, 14 b bilden einen zweiten Satz Elektroden, welcher der zweiten Gasrückhaltekammer 3 zugeordnet ist. Durch diese Konstruktion arbeiten das Trockenelektrolytelement 1 und das Paar Elektroden 11 a und 11 b zusammen als eine erste Sauerstoffpumpeinheit 15. Andererseits arbeiten das Trockenelektrolytelement 1 und das Paar Elektroden 12 a und 12 b zusammen als die erste Sensorzelleneinheit 16. Ähnlich arbeiten das Trockenelektrolytelement 1 und das Paar Elektroden 13 a und 13 b zusammen als eine zweite Sauerstoffpumpeinheit 17 und das Trockenelektrolytelement 1 und das Paar Elektroden 14 a und 14 b arbeiten zusammen als die zweite Sensorzelleneinheit 18. Außerdem sind an einer Außenwand der Referenzgaskammer 6 und an einer Außenwand des Elektrodenschutzhohlraums 7 jeweils Heizelemente 19 bzw. 20 vorgesehen. Die Heizelemente 19 und 20 sind elektrisch parallelgeschaltet, so daß sie die erste und zweite Sauerstoffpumpeinheit 15 und 17 und die erste und zweite Sensorzelleneinheit 16 und 18 gleich heizen. Die Heizelemente 19 und 20 haben außerdem den Effekt der Verstärkung der Wärmerückhalteeigenschaft des Trockenelektrolytelements 1. Das Trockenelektrolytelement 1 ist zur Bildung eines integralen Elements aus mehreren Stücken gebildet. Außerdem brauchen die Wände der ersten und zweiten Gasrückhaltekammer 2 und 3 nicht als Ganzes aus dem Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolyt gefertigt sein. Wenigstens die Abschnitte der Wand, an welchen die Elektroden vorgesehen sind, müssen aus dem Trockenelektrolyt gefertigt sein.

Für den Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolyt ist Zirkondioxid ZrO₂ geeignet und Platin Pt ist für die Elektroden 11 a bis 14 b verwendet.

Die erste Sauerstoffpumpeinheit 15 und die erste Sensorzelleneinheit 16 bilden einen ersten Sensor und die zweite Sauerstoffpumpeinheit 17 und die zweite Sensorzelleneinheit 18 bilden einen zweiten Sensor. Die erste und zweite Sauerstoffpumpeinheit 15 und 17, die erste und zweite Sensorzelleneinheit 16 und 18 sind mit einem Stromversorgungsschaltkreis 21 verbunden. Nach Fig. 5 umfaßt der Stromversorgungsschaltkreis 21 Differentialverstärker 22 und 23, Stromerfassungswiderstände 24 und 25 zum Erfassen der Größe des Stromes, Referenzspannungsquellen 26 und 27 und einen Schalterkreis 28. Die an der Außenfläche der ersten Sauerstoffpumpeinheit 15 vorgesehene Elektrode 11 a ist durch den Stromerfassungswiderstand 24 und ein Schaltelement 28 a des Schalterkreises 28 mit einem Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 22 verbunden. Die auf der Innenfläche der ersten Sauerstoffpumpeinheit 15 vorgesehene Elektrode 11 b ist geerdet. Die auf der Außenfläche der ersten Sensorzelleneinheit vorgesehene Elektrode 12 a ist mit einem invertierenden Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 22 verbunden und die Elektrode 12 b auf der Innenfläche der ersten Sensorzelleneinheit 16 ist geerdet. Ähnlich ist die auf der Außenfläche der zweiten Sauerstoffpumpeinheit 17 vorgesehene Elektrode 13 a durch den Stromerfassungswiderstand 25 und ein Schaltelement 28 b des Schalterkreises 28 mit einem Ausgangsanschluß des Differentialverstärkers 23 verbunden. Die auf der Innenfläche der zweiten Sauerstoffpumpeinheit 17 vorgesehene Elektrode 13 b ist geerdet. Die auf der Außenfläche der zweiten Sensorzelleneinheit 18 vorgesehene Elektrode 14 a ist mit einem invertierenden Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 23 verbunden, und die auf der Innenfläche der Sensorzelleneinheit 18 vorgesehene Elektrode 14 b ist geerdet. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 22 ist mit der Referenzspannungsquelle 26 verbunden und ein nicht-invertierender Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 23 ist mit der Referenzspannungsquelle 27 verbunden. Ausgangsspannungen der Referenzspannungsquellen 26 und 27 sind auf eine dem stöchiometrischen Luft/ Kraftstoffverhältnis entsprechende Spannung, beispielsweise auf 0,4 V eingestellt. Durch die oben beschriebene Schaltkreiskonstruktion bildet die über den Anschlüssen des Stromerfassungswiderstandes 24 erscheinende Spannung ein Ausgangssignal des ersten Sensors, und die über den Anschlüssen des Stromerfassungswiderstandes 25 erscheinende Spannung bildet ein Ausgangssignal des zweiten Sensors. Die Spannungen über den Anschlüssen der Stromerfassungswiderstände 24 und 25 werden durch den A/D-Wandler 31 mit einem Differentialeingangsschaltkreis dem Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 zugeführt. Auf diese Weise werden die durch die variablen Widerstände 24 und 25 fließenden Pumpströme I _p (1) und I _p (2) durch den Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 gelesen. Der Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 weist einen Mikrocomputer auf. Ein Ausgangssignal eines Kühlwassertemperatursensors 36 zum Abtasten einer Maschinenkühlwassertemperatur ist mit dem Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 verbunden. Diesem Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 werden außerdem Ausgangssignale mehrerer nicht dargestellter Sensoren zum Abtasten von Betriebsparametern der Maschine, beispielsweise einer Maschinendrehzahl, eines Absolutdruckes im Ansaugrohr, zugeführt. Außerdem ist das Magnetventil 34 über den Antriebsschaltkreis 33 mit dem Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 verbunden. Das Magnetventil 34 ist in einer nicht-dargestellten luftansaugseitigen sekundären Luftzufuhrpassage vorgesehen, die zu einer stromabwärts des Drosselventils eines Vergasers der Maschine liegenden Stelle eines Ansaugverteilers bzw. -rohres führt. Der Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 steuert außerdem die Schaltoperation des Schalterkreises 28 derart, daß der Antriebsschaltkreis 30 den Schalterkreis 28 entsprechend eines Befehles aus dem Luft/ Kraftstoffverhältnikontrollschaltkreis 32 antreibt. Außerdem werden den Differentialschaltkreisen 22 und 23 positive und negative Versorgungsspannungen zugeführt.

Andererseits sind die Heizelemente 19 und 20 mit einem Heizstromversorgungsschaltkreis 35 verbunden, welcher den Heizelementen 19 und 20 Ströme in Abhängigkeit von einem Heizstromzufuhrstartbefehl aus dem Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 zuführt. Durch die auf diese Weise betriebenen Heizelemente 19 und 20 werden die Sauerstoffpumpeinheiten 15 und 17 und die Sensorzelleneinheiten 16 und 18 auf einen geeigneten Temperaturpegel aufgeheizt, der höher liegt als die Temperatur des Abgases.

Durch den auf diese Weise konstruierten Sauerstoffkonzentrationssensor strömt das Abgas in einem Abgasverteiler bzw. -rohr durch die Gaseintrittsöffnung 4 in die erste Gasrückhaltekammer 2 und breitet sich in dieser aus. Das in diese erste Gasrückhaltekammer 2 eingetretene Abgas wird auch durch den Verbindungskanal 5 in die zweite Gasrückhaltekammer 3 eingebracht und breitet sich in dieser aus.

Der Schaltkreis 28, die Schaltelemente 28 a und 28 b sind normalerweise in einer in Fig. 4 gezeigten Zwischenposition angeordnet und werden durch den Antriebsschaltkreis 30 in eine von Positionen zur Auswahl des ersten und zweiten Sensors gebracht. Wenn das Schaltelement 28 a so eingestellt ist, daß es den Anschluß 11 a mit dem Stromerfassungswiderstand 24 verbindet, und das Schaltelement 28 b so eingestellt ist, daß es die Leitung, welche die Elektrode 13 a und den Stromerfassungswiderstand 25 verbindet, öffnet, befindet sich der Schalterkreis 28 in der Position zur Auswahl des ersten Sensors.

In diesem Zustand zur Auswahl des ersten Sensors befindet sich der Ausgangssignalpegel des Differentialverstärkers 22 auf einem positiven Pegel, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches in einem mageren Bereich liegt. Dieses auf positivem Pegel liegende Ausgangssignal wird dem Serienschaltkreis der ersten Sauerstoffpumpeinheit 15 zugeführt. Deshalb fließt durch die Elektroden 11 a und 11 b der ersten Sauerstoffpumpeinheit 15 ein Pumpstrom. Da dieser Pumpstrom von der Elektrode 11 a zur Elektrode 11 b fließt, wird in der ersten Gasrückhaltekammer 2 Sauerstoff an der Elektrode 11 b ionisiert und bewegt sich durch die Sauerstoffpumpeinheit 15 zur Elektrode 11 a. An der Elektrode 11 a wird der Sauerstoff in Form von Sauerstoffgas gelöst bzw. freigelassen. Auf diese Weise wird in der ersten Gasrückhaltekammer 2 Sauerstoff ausgepumpt.

Durch das Auspumpen des Sauerstoffs in der ersten Gasrückhaltekammer 2 entwickelt sich eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Abgas in der ersten Gasrückhaltekammer 2 und einem Gas in der Referenzgaskammer 6. Durch diese Differenz in der Sauerstoffkonzentration wird über den Elektroden 12 a und 12 b der Sensorzelleneinheit 16 eine Spannung V _s erzeugt, die ihrerseits dem invertierenden Eingangsanschluß des Differentialverstärkers 22 zugeführt wird. Deshalb wird die Spannung der Ausgangssignale des Differentialverstärkers 22 proportional zur Differentialspannung zwischen der Spannung V _s und einer Spannung Vr ₁ des Ausgangssignals der Referenzspannungsquelle 26. Folglich wird die Größe des Pumpstromes proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas.

Wenn sich das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches in einem fetten Bereich befindet, überschreitet die Spannung V _s die Ausgangsspannung Vr ₁ der Referenzspannungsquelle 26. Deshalb kehrt sich der Ausgangssignalpegel des Differentialverstärkers vom positiven zum negativen Pegel um. Durch diesen negativen Pegel wird der durch die Elektroden 11 a und 11 b der ersten Sauerstoffpumpeinheit 15 fließende Pumpstrom reduziert und die Fließrichtung des Stromes wird umgekehrt. Insbesondere fließt der Pumpstrom von der Elektorde 11 b zur Elektrode 11 a, so daß der Sauerstoff auf der Außenseite an der Elektrode 11 a ionisiert wird und sich durch die erste Sauerstoffpumpeinheit 15 zur Elektrode 11 b bewegt. An der Elektrode 11 b wird der Sauerstoff in Form von Sauerstoffgas in die erste Gasrückhaltekammer 2 freigelassen. Auf diese Weise wird Sauerstoff in die erste Gasrückhaltekammer 2 gepumpt. In Zusammenfassung ist die Arbeitsweise der Vorrichtung so, daß der Pumpstrom derart zugeführt wird, daß die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gasrückhaltekammer 2 konstant gehalten wird und der Sauerstoff entsprechend der Richtung des Pumpstromes ein- oder ausgepumpt wird. Deshalb werden die Größe des Pumpstromes und der Ausgangssignalspannung des Differentialverstärkers 22 sowohl im mageren als auch im fetten Bereich proportional zur Sauerstoffkonzentration im Abgas. In der Fig. 6 zeigt die durchgezogene Linie die Größe des Pumpstromes I _p .

Andererseits ist der Pumpstrom I _p durch die Gleichung

I _p = 4e σ o (Poexh - Pov) (1)

gegeben, in der e die elektrische Ladung, s o den Diffusionskoeffizienten der Gaseintrittsöffnung 4 gegen das Abgas, Poexh die Sauerstoffkonzentration des Abgases und Pov die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gasrückhaltekammer 2 bedeuten.

Der Diffusionskoeffizient σ o kann durch die Gleichung

σ o = D·A/kTl (2)

ausgedrückt werden, in der A die Querschnittsfläche der Gaseintrittsöffnung 4, k die Boltzmann Konstante, T die absolute Temperatur, l die Länge der Gaseintrittsöffnung 4 und D eine Diffusionskonstante bedeuten.

Andererseits wird der zweite Sensor ausgewählt, wenn das Schaltelement 28 a so eingestellt ist, daß die die Elektrode 11 a und den Stromerfassungswiderstand 24 verbindende Leitung geöffnet ist und das Schaltelement 28 b so eingestellt ist, daß die Elektrode 13 a mit dem Stromerfassungswiderstand 25 verbunden ist.

In diesem Zustand der Auswahl des zweiten Sensors wird der Pumpstrom über die Elektroden 13 a und 13 b der zweiten Sauerstoffpumpeinheit 17 zugeführt, so daß die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Gasrückhaltekammer 3 durch eine Operation konstant gehalten wird, die die gleiche ist, wie jene in dem Zustand, bei dem der erste Sensor ausgewählt ist. Folglich wird durch den Pumpstrom Sauerstoff ein- oder ausgepumpt, und die Größe des Pumpstromes und des Ausgangssignales des Differentialverstärkers 23 variieren sowohl im mageren Bereich als auch im fetten Bereich proportional zur Sauerstoffkonzentration.

In dem Zustand, in welchem der zweite Sensor ausgewählt ist, kann die Größe des Pumpstromes durch Verwendung der Gleichung (1) ausgedrückt werden, wobei der Diffusionskoeffizient σ o für die Gaseintrittsöffnung 4 und auch für den Verbindungskanal 5 berechnet und die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Gasrückhaltekammer 3 als der Wert Pov genommen wird.

Andererseits ist es bekannt, daß die Größe des Pumpstromes sowohl im mageren als auch im fetten bzw. angereicherten Bereich des Luft/Kraftstoffverhältnisses bei der Zunahme eines Diffusionswiderstandes, der umgekehrt proportional zum Diffusionskoeffizienten σ o ist, klein wird. Dies bedeutet, daß bei Auswahl des zweiten Sensors der Diffusionswiderstand größer als in dem Zustand wird, bei dem der erste Sensor ausgewählt ist. Deshalb ist wie in Fig. 6 durch die gestrichelte Linie b dargestellt, die Größe des Pumpstromes sowohl im mageren als auch im fetten Bereich kleiner als in dem Zustand, bei dem der erste Sensor ausgewählt ist.

Außerdem schließt sich bei geeigneter Wahl der Größe und Länge des Verbindungskanals 5 die charakteristische Kurve des Pumpstromes beim zweiten Sensor im fetten Bereich geradlinig an die charakteristische Kurve des Pumpstromes beim ersten Sensor im mageren Bereich in einem Punkt an, bei dem I _p Null ist, d. h. I _p = 0 gilt. Folglich kann durch die Kombination des ersten und zweiten Sensors eine charakteristische Kurve bzw. Kennlinie des Pumpstromes erhalten werden, die eine gerade Linie bildet, welche durch den mageren und fetten Bereich geht. Auch können durch eine geeignete Steueroperation charakteristische Kurven des Ausgangssignals des ersten und zweiten Differentialverstärkers 22 und 23 in einem Punkt geradlinig miteinander verbunden werden, bei dem der Spannungspegel gleich Null ist.

Die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens werden unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm nach Fig. 7 erklärt, das die Betriebsweise des Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreises 32 wie folgt zeigt:

Der Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 setzt beim Schließen eines nicht-dargestellten Zündschalters für ein Kennzeichenbit F _A zur Unterscheidung der Vollendung der Aktivierung der Sensoreinheit und ein Kennzeichenbit F _H zum Starten der Zufuhr des Heizstromes "0"en. Dann werden in vorbestimmten Intervallen folgende Schritte wiederholt. Wie gezeigt erfaßt der Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 zuerst bei einem Schritt 51, ob das Kennzeichenbit F _A gleich "1" ist oder nicht. Wenn F _A = 0 ist, bedeutet dies, daß der erste und zweite Sensor nicht aktiviert sind. In diesem Zustand erfaßt der Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 52, ob das Kennzeichenbit F _H = "1" ist oder nicht. Wenn F _H = 0 ist, bedeutet dies, daß die Zufuhr des Heizstromes nicht gestartet wird, und der Kontrollschaltkreis 32 liest bei einem Schritt 53 die Maschinenkühlwassertemperatur T _W aus einem Ausgangssignal des Kühlwassertemperatursensors 36. Außerdem setzt der Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 54 eine Aktivierungszeitperiode T _FB zum Aktivieren des Sensors, welcher der erfaßten Kühlwassertemperatur T _W zugeordnet ist. Verschiedene Werte der Aktivierungszeitperiode T _FB , von denen jede Werten der Kühlwassertemperatur T _W zugeordnet ist, werden vorher in einem Speicher, beispielsweise in einem ROM in dem Kontrollschaltkreis 32 in Form einer Datentabelle gespeichert. Die Relation zwischen der Aktivierungszeitperiode T _FB und der Kühlwassertemperatur T _W ist in der Fig. 8 dargestellt. Das Setzen derAktivierungszeitperiode T _FB wird beim Kontrollschaltkreis 32 durch Aufsuchen eines Wertes der Aktivierungszeitperiode T _FB in der Datentabelle unter Benutzung des gelesenen Wertes der Kühlwassertemperatur T _W ausgeführt. Die Aktivierungszeitperiode T _FB wird derart bestimmt, daß sie lang wird, wenn die Kühlwassertemperatur T _W abnimmt. Nach dem Setzen der Aktivierungszeitperiode T _FB wird der Heizstromzufuhrstartbefehl vom Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 52 an den Heizstromversorgungsschaltkreis 35 gegeben und das Kennzeichnungsbit F _H für den Heizstromzufuhrstart wird bei einem Schritt 56 auf den Wert "1" gesetzt. Durch die Erzeugung des Heizstromzufuhrstartbefehls wird den Heizelementen 19 und 20 Heizstrom zum Erwärmen des Sauerstoffkonzentrationssensors 40 zugeführt. Dann erfaßt der Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 57, ob die Aktivierungszeitperiode T _FB nach der Erzeugung des Heizstromzufuhrstartbefehls verstrichen ist oder nicht. Wenn die Aktivierungszeitperiode T _FB nach der Erzeugung des Heizstromzufuhrstartbefehls verstrichen ist, wird bei einem Schritt 58 der Wert "1" für das Kennzeichnungsbit F _A zur Unterscheidung der Aktivierung des Sensors gesetzt. Wenn beim Schritt 52 festgestellt wird, daß das Kennzeichnungsbit F _H gleich 1 ist, d. h. F _H = 1gilt, bedeutet dies, daß die Zufuhr des Heizstromes schon gestartet ist. Deshalb wird die Operation des Schrittes 57 sofort ausgeführt.

Wenn andererseits bei einem Schritt 51 festgestellt wird, daß das Kennzeichnungsbit F _A gleich 1 ist, d. h. F _A = 1gilt, bedeutet dies, daß die Aktivierung des Sensors vollendet ist. Deshalb erfaßt der Luft/Kraftstoffverhältniskontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 59, ob der erste oder zweite Sensor ausgewählt werden soll. Diese Bestimmung wird in Abhängigkeit vom Maschinenbetrieb oder dem kontrollierenden Zustand des Luft/Kraftstoffverhältnisses ausgeführt. Wenn bestimmt wird, daß der erste Sensor ausgewählt werden soll, gibt der Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 60 einen Erstsensorauswahlbefehl an den Antriebsschaltkreis 30. Wenn andererseits bestimmt wird, daß der zweite Sensor ausgewählt werden soll, gibt der Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 61 einen Zweitsensorauswahlbefehl an den Antriebsschaltkreis 30. In Abhängigkeit von dem Erstsensorauswahlbefehl treibt der Antriebsschaltkreis 30 die Schalter 28 a und 28 b in die erwähnten Stellungen zur Auswahl des ersten Sensors. Diese Schaltstellungen werden solange beibehalten, bis der Zweitsensorauswahlbefehl oder ein Auswahlbeseitigungsbefehl vom Kontrollschaltkreis 32 zugeführt wird. Wenn auf diese Weise der erste Sensor ausgewählt wird, wird der ersten Sauerstoffpumpeinheit 15 Pumpstrom zugeführt. Ähnlich treibt in Abhängigkeit vom Zweitsensorauswahlbefehl der Antriebsschaltkreis 30 die Schalter 28 a und 28 b in Richtung der erwähnten Stellungen zur Auswahl des zweiten Sensors. Diese Schaltstellungen zur Auswahl des zweiten Sensors werden solange beibehalten, bis vom Kontrollschaltkreis 32 der Erstsensorauswahlbefehl oder der Auswahlbeseitigungsbefehl zugeführt wird. Wenn auf diese Weise der zweite Sensor ausgewählt wird, wird dem zweiten Pumpelement 16 Pumpstrom zugeführt.

Dann liest bei einem Schritt 62 der Kontrollschaltkreis 32 aus dem A/D-Wandler 31 einen Pumpstromwert I _P (1) oder einen Pumpstromwert I _P (2) ein. Dann erfaßt bei einem Schritt 63 der Kontrollschaltkreis 32, ob ein Sauerstoffkonzentrationserfassungsausgangssignalwert L ₀₂, der dem Pumpstromwert I _P (1) oder dem beim Schritt 62 gelesenen Pumpstromwert entspricht, höher als ein Referenzwert L _ref ist, welcher einem Luft/- Kraftstoffzielverhältnis entspricht. Wenn L ₀₂ ≦ L _ref ist, bedeutet dies, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches fett ist. Deshalb erzeugt der Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 64 einen Ventilöffnungsantriebsbefehl zum Öffnen des Solenoidventils 34 und führt diesen dem Antriebsschaltkreis 33 zu. Wenn L ₀₂ ≦λτL _ref ist, bedeutet dies, daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches mager ist, und es wird vom Kontrollschaltkreis 32 bei einem Schritt 65 ein Ventilöffnungsantriebsstoppbefehl zum Schließen des Magnetventils 34 erzeugt, der dem Antriebsschaltkreis 33 zugeführt wird. Entsprechend dem Ventilöffnungsantriebsbefehl öffnet der Antriebsschaltkreis 33 das Magnetventil 34, um die Sekundärluft in den Ansaugverteiler der Maschine einzubringen, so daß das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches mager gemacht wird. Umgekehrt schließt der Antriebsschaltkreis 33 in Abhängigkeit von dem Ventilöffnungsantriebsstoppbefehl das Magnetventil 34, so daß das Luft/ Kraftstoffverhältnis des Gemisches angereichert wird. Durch wiederholte Ausführung dieser Operationen in vorbestimmten Intervallen wird das Luft/Kraftstoffverhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches zu dem Luft/Kraftstoffzielverhältnis gesteuert. In der insoweit erklärten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches durch Steuern der Zufuhr der Sekundärluft in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Sensors auf das Luft/Kraftstoffzielverhältnis gesteuert. Die Anordnung ist jedoch nicht auf dieses beschränkt. Beispielsweise kann das Luft/Kraftstoffverhältnis des Gemisches durch Einestellen der Kraftstoffmenge in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Sensors gesteuert werden.

Aus dem Vorstehenden läßt sich entnehmen, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kontrollieren des Sauerstoffkonzentrationssensors die Zufuhr des Stromes zu den Elektroden des Sauerstoffpumpelements nach dem Verstreichen von mehr als der Zeitperiode nach dem Start der Zufuhr des Heizstromes gestartet wird, wobei die Zeitperiode in Abhängigkeit von der Maschinentemperatur zu einem Zeitpunkt des Starts der Zufuhr des Heizstromes bestimmt wird. Deshalb wird bei einem Kaltstart der Maschine die rückführungslose Steuerung des Luft/ Kraftstoffverhältnisses ausgewählt, um das Luft/Kraftstoffverhältnis anzureichern, bis die Temperatur des Sauerstoffkonzentrationssensors bis zu einem Hochtemperaturpegel angestiegen ist, bei dem die gewünschte proportionale Ausgangssignalcharakteristik des Sauerstoffkonzentrationssensors erhalten wird. Als ein Resultat wird die Antriebsfähigkeit der Maschine verbessert. Wenn des weiteren die Maschine in einem heißen Zustand gestartet wird, vollendet sich die Aktivierung des Sauerstoffkonzentrationssensors früher als in dem Fall des Kaltstartes, und die Zufuhr des Stromes zu den Sauerstoffpumpelementen beginnt demgemäß früher, weil die Temperatur schneller ansteigt. Folglich wird die Reinigung des Abgases in einer verbesserten Weise ausgeführt. Darüber hinaus ist das Auftreten des sogenannten Schwärzungsphänomens sicher verhindert, weil die Zufuhr des Heizstromes während der in Abhängigkeit von der Maschinentemperatur zum Zeitpunkt des Starts der Zufuhr des Stromes zu den Heizelementen nach dem Start der Zufuhr des letzteren Stromes gestoppt wird.

Es ist ein Verfahren zum Kontrollieren eines an einer Maschine befestigten Sauerstoffkonzentrationssensors beschrieben, der als Sauerstoffpumpelement bzw. als Sensorzellelement betreibbare, Ionen leitende Trockenelektrolytelemente, eine Quelle für einen dem Sauerstoffpumpelement zuzuführenden Pumpstrom und ein Heizelement zum Heizen des Sauerstoffpumpelements und des Sensorzellelements aufweist, wobei das Verfahren eine Operation des Erfassens einer Maschinentemperatur von einem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Start der Zufuhr eines Betriebsstromes des Heizelements und eine Kontrolloperation zum Starten der Zufuhr des Pumpstromes nach einem Verstreichen einer in Abhängigkeit von der Maschinentemperatur vom Start der Zufuhr des Betriebsstromes zu dem Heizelement bestimmten Zeitperiode umfaßt.

Claims (1)

1. Verfahren zum Kontrollieren eines an einer Brennkraftmaschine mit einer Abgaspassage befestigten Sauerstoffkonzentrationssensors (40), der ein Paar in der Abgaspassage angeordnete, Sauerstoffionen leitende Trockenelektrolytelemente (1) mit Elektroden (11 a, 11 b, 12 a, 12 b; 13 a, 13 b, 14 a, 14 b), von denen ein Sauerstoffionen leitendes Trockenelektrolytelement als ein Sauerstoffpumpelement (15, 17) und das andere Sauerstoffionen leitende Trockenelektrolytelement als ein Sensorzellelement (16, 18) zum Messen eines Sauerstoffkonzentrationsverhältnisses betreibbar ist, eine Pumpstromquelle zum Zuführen eines über die Elektroden (11 a, 11 b; 13 a, 13 b) des Sauerstoffpumpelements (15, 17) zuzuführenden Pumpstromes und ein Heizelement (19, 20) aufweist, das zum Heizen der Sauerstoffionen leitenden Trockenelektrolytelemente (1) bei Zufuhr eines Heizstromes angeordnet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
   einen Erfassungsschritt zum Erfassen einer Temperatur der Maschine unmittelbar vor einem Start einer Zufuhr des Heizstromes, und
   einen Kontrollschritt zum Kontrollieren einer Zufuhr des Pumpstromes derart, daß die Zufuhr des Pumpstromes gestartet wird, wenn ein Verstreichen von mehr als einer Zeitperiode erfaßt wird, die entsprechend der Temperatur der Maschine von einem Zeitpunkt der Zufuhr des Heizstromes bestimmt ist.