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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten bzw. Prüfen der Leistung
von Luft-Treibstoff-Verhältnis-Sensoren, und im spezielleren ein Verfahren zum Messen
der Eigenschaften von aus einem Trockenelektrolyten bestehenden Sauerstoffsensoren,
die zum Ermitteln des Luft-Treibstoff-Verhältnisses von Auspuffgas aus einem
Verbrennungsmotor bzw. einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden, sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Bewertungsverfahrens.
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Es ist wünschenswert, daß die Bewertung der Eigenschaften des Sauerstoffsensors, der
für Auspuffgas aus den Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen verwendet wird,
durch tatsächliches Montieren des zu messenden Sauerstoffsensors am
Verbrennungsmotor durchgeführt wird. Wenn jedoch die Messungen in der Praxis so
durchgeführt werden, daß die Sauerstoffsensoren tatsächlich an den
Verbrennungsmotoren montiert sind, variieren die Ergebnisse der Messungen je nach
der Art des Motors, den Steuersystemen, den Sensoreinstellungspositionen, den
Laufbedingungen und den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit, Druck).
Weiters gibt es Probleme mit der Stabilität und Wirtschaftlichkeit der Messungen, da
zum Messen der Eigenschaften der Sensoren viel Zeit und viele Arbeitsschritte
erforderlich sind. Daher kann die Messung der Eigenschaft in der Praxis nicht am Motor
selbst durchgeführt werden.
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Bisher sind zwei Arten von Meßverfahren eingesetzt worden, ein "Modellgas"-
Verfahren, bei dem verschiedene aus Gasflaschen zugeführte Gasarten verwendet
werden, um eine Testgasmischung herzustellen, deren Zusammensetzung dem
Auspuffgas so ähnlich wie möglich ist, und der Sensor und die Testgasmischung unter
kontrollierten Bedingungen elektrisch erwärmt werden, und ein "Verbrennungsgas"-
Verfahren, bei dem ein Treibstoffgas wie Propan, Stadtgas oder ähnliches verbrannt wird
und dieses Abbrandgas verwendet wird, um die Eigenschaften des zu messenden
Sauerstoffsensors zu messen.
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Von den obengenannten Meßverfahren weist das Modellgasverfahren henvorragende
Genauigkeit und Stabilität der Meßbedingungen auf, wird aber hauptsächlich im
Laborbetrieb verwendet, da es teuer und die Behandlungskapazität beschränkt ist.
Daher ist das Modellgasverfahren zur Messung der Leistung einer Anzahl von Sensoren
nicht praktisch. Andererseits ist das Verbrennungsgasverfahren, bei dem ein Gasbrenner
verwendet wird, wirtschaftlich und leicht in der Praxis durchzuführen und weist hohe
Behandlungskapazität beim Messen der Leistung einer Anzahl von Sensoren auf, aber
die tatsächlich am Motor gemessene Leistung kann damit nicht zufriedenstellend
wiedergegeben werden.
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Ein Beispiel für eine Vorrichtung, die zur Durchführung des herkömmlichen
Verbrennungsgasverfahrens ausgebildet ist, wird in Fig. 14 dargestellt, die in der von
C.T.Young und J.D. Bode von 26. Februar bis 2. März 1979 in Detroit als SAE Technical
Paper Seriennr. 790143 vorgestellten Arbeit "Characteristics of ZrO&sub2;-Type Oxygen
Sensors for Automotive Applications" geoffenbart wird.
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Auf Fig. 14 Bezug nehmend werden Treibstoffgas und Luft von den
Treibstoffgaszufuhren 51-1 und 51-2 und Luftzufuhren 52-1 und 52-2 über
Gasflußeinstellmagnetventile 53-1 bzw. 53-2 einem Gasbrenner 54 zugeführt, um das
Treibstoffgas mit Luft zu mischen und das Gasgemsich dann zu verbrennen. Das
Abbrandgas aus dem Gasbrenner wird einer zylindrischen Öffnung 55 zugeführt, die
mit einem zu messenden Sauerstoffsensor 56 versehen ist. Die Meßdaten vom
Sauerstoffsensor 56 werden in einer Meßvorrichtung 57 verarbeitet, die Signale abgibt,
um einen Magnetventilschalter 58 zu steuern.
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Gemäß obiger Anordnung kann Abbrandgas erhalten werden, indem die Gasmischung
einfach im Gasbrenner 54 verbrannt wird, und dann kann viel Abbrandgas auf einfache
Art zugeführt werden. Die Zusammensetzung des Abbrandgases kann jedoch nur
geregelt werden, indem das Luft-Treibstoff-Verhältnis von Treibstoffgas und Luft, die
dem Gasbrenner 54 zugeführt werden, geändert wird.
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Daher bestehen insofern Nachteile, als das Abbrandgas das Auspuffgas aus einem
echten Verbrennungsmotor nicht perfekt nachahmen kann, da das Gasgemisch unter
Bedingungen der vollständigen Verbrennung verbrannt wird und daher die Menge an
unverbranntem Gas gering ist. Weiters wird bei der obigen Vorrichtung nur ein
Ermittlungsabschnitt des Sauerstoffsensors 56 dem Abbrandgasstrom in der
zylindrischen Öffnung 55 ausgesetzt, sodaß der Abbrandgasstrom den
Ermittlungsabschnitt des Sauerstoffsensors 56 für einen kurzen Zeitraum nicht
ausreichend berühren kann und folglich die Eigenschaften des Sensors nicht präzise
bewertet werden können.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die obengenannten Probleme zu überwinden
und ein Verfahren zur Bewertung der Eigenschaften von Sensoren in einer verbesserten
Korrelation mit an tatsächlichen Motoren gemessenen Werten bereitzustellen, das so
einfach wie das Verbrennungsgasverfahren unter Verwendung des Gasbrenners ist,
sowie eine Vorrichtung dafür zu schaffen.
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Das EP 273765 beschreibt eine Vorrichtung zur Bewertung eines Sauerstoffsensors, bei
der die Zusammensetzung eines dem Sauerstoffsensor zugeführten Verbrennungsgases
durch das Einspritzen von Auspuffgas oder Luft variiert wird und die resultierende
Mischung einem Zyklus von reichen und mageren Phasen in 0,5 Sekunden-Intervallen
unterworfen wird.
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Die JP-A-57-208443 offenbart eine weitere Vorrichtung zur Bewertung der Leistung
eines Sauerstoffsensors, bei der die Zusammensetzung der Verbrennungsgase zyklisch
variiert wird, um das Luft-Treibstoff-Verhältnis zu verändern, indem ein variierendes
Luft-Treibstoff-Verhältnis im Verbrennungsbereich angewandt wird.
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Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Verfahren zur Bewertung
der Eigenschaften eines Sauerstoffsensors bereitgestellt, wie in den Ansprüchen 1 und 2
dargelegt.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Vorrichtungen zum
Bewerten der Eigenschaften eines Sauerstoffsensors bereitgestellt, wie in den
Ansprüchen 4 und 5 dargelegt.
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Bei der obengenannten Anordnung wird die Versorgungsrate des zusätzlichen Gases in
einem Zyklus oder schrittweise mit einer Frequenz von zumindest 10 Hz erhöht und
gesenkt, und das Verhältnis zwischen hoher Versorgungsrate und geringer
Versorgungsrate ist so geregelt, daß die durchschnittliche Versorgungsrate des
zusätzlichen Gases geändert wird. Demgemäß kann die Versorgungsrate des
zusätzlichen Gases mit hoher Frequenz (zumindest zehnmal pro Sekunde) geändert
werden, und daher kann der überschüssige Luftanteil (in der Folge mit λ bezeichnet)
feinreguliert werden.
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Folglich ist es möglich, die Eigenschaften eines Sensors mit Werten nahe jenen zu
bewerten, die am tatsächlichen Motor gemessen werden.
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Der überschüssige Luftanteil (λ) bezeichnet einen Wert einer zum Verbrennen einer
Menge Treibstoffgas zugeführten Luftmenge dividiert durch eine zum vollständigen
Verbrennen der Treibstoffgasmenge erforderlichen Luftmenge. Somit wird, wenn λ = 1,
das Treibstoffgas vollständig verbrannt. Wenn λ kleiner als 1 ist, ist die Luftzufuhrmenge
für die vollständige Verbrennung unzureichend (in der Folge als reich bezeichnet), und
wenn λ größer als 1 ist, ist die Luftzufuhrmenge größer als zur vollständigen
Verbrennung erforderlich (in der Folge als mager bezeichnet).
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Die Frequenz der Anhebung und Verringerung der Versorgungsrate des zusätzlichen
Gases beträgt zumindest 10 Hz, da ein elektronischer Treibstoffeinspritzmotor
ebendiese minimale Treibstoffeinspritzfrequenz aufweist. Das heißt, die meisten
Motoren mit elektronischer Treibstoffeinspritzung führen eine Treibstoffeinspritzung pro
Umdrehung durch, und dann liegt die Treibstoffeinspritzfrequenz bei einer normalen
Umdrehungszahl von 650 UpM - 6000 UpM in einem Bereich von 10,8 Hz - 100 Hz.
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Darüberhinaus kann, da die Frequenz des Anhebens und Senkens der Versorgungsrate
des zusätzlichen Gases mit zumindest 10 Hz festgelegt ist, das zusätzliche
Oxidationsgas und Reduktionsgas wiederholt mit einer Frequenz von zumindest 10 Mal
pro Sekunde gesteigert und verringert werden, und nachdem das Abbrandgas mit den
zusätzlichen Gasen gemischt wurde, ist der Wert λ des Mischgases kompensiert.
Demgemäß kann, auch wenn die Strömungsgeschwindigkeit der zusätzlichen Gase groß
ist, der Variationsbereich von λ verringert werden, und der Meßbereich von λ kann
präzise in der Nähe des λ des Motorabgases eingestellt werden. Folglich können die
Eigenschaften der Sauerstoffsensoren in hoher Korrelation mit am tatsächlichen Motor
gemessenen Werten gemessen werden.
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Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Ausführungsformen detaillierter
beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden, in denen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung zum Bewerten des
Luft-Treibstoff-Verhältnis-Sensors gemäß vorliegender Erfindung ist;
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Fig. 2 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform einer Rückkopplungsregelung
gemeinsam mit Wellenformen von Ausgangssignalen von jeweiligen Teilen zeigt;
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Fig. 3 eine Teilschnittansicht des Sensormeßteils in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung
ist;
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Fig. 4 ein Blockdiagramm ist, das eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß
vorliegender Erfindung zeigt;
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Fig. 5 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen dem überschüssigen Luftanteil von
Abbrandgas aus einem Brenner gemäß vorliegender Erfindung und dem überschüssigen
Luftanteil von Auspuffgas aus einem tatsächlichen Motor zeigt;
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Fig. 6 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen Rückkopplungsfrequenzen gemäß
vorliegender Erfindung und dem tatsächlichen Motor zeigt;
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die Fig. 7 und 8 Graphen sind, die jeweils eine Beziehung zwischen dem
überschüssigen Luftanteil aus einem Brenner gemäß vorliegender Erfindung und dem
überschüssigen Luftanteil von Auspuffgas aus einem tatsächlichen Motor zeigt, wenn
die Reynoldssche Zahl eines Sensormeßteils geändert wird;
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Fig. 9 ein Graph ist, der die Dispersion des überschüssigen Luftanteils zeigt, wenn eine
Position des Sensors als Meßteil geändert wird;
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Fig. 10 ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen der CO-Gas- Konzentration und der
Steuerspannung zum Öffnen eines Magnetventils in der Vorrichtung mit einem
Überdruckventil und ohne ein Überdruckventil zeigt;
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Fig. 11 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist;
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Fig. 12 ein Blockdiagramm ist, das eine weitere Ausführungsform der Steuerung gemäß
vorliegender Erfindung gemeinsam mit Wellenformen von Ausgangssignalen von
jeweiligen Teilen zeigt;
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die Fig. 13a und 13b Graphen sind, die jeweils eine Schwankung der
elektromotorischen Kraft des Sensors gemäß vorliegender Erfindung zeigen;
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die Fig. 13c und 13d Graphen sind, die jeweils eine Bezrehung zwischen an einem
tatsächlichen Motor gemessenen Werten und gemäß vorliegender Erfindung bewerteten
Ergebnissen zeigen; und
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Fig. 14 ein Blockdiagramm ist, das eine Vorrichtung zum Bewerten der Eigenschaften
eines Sensors nach dem Stand der Technik zeigt.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Bewerten von Luft-Treibstoff-
Verhältnis-Sensoren gemäß vorliegender Erfindung. Auf Fig. 1 Bezug nehmend werden
Treibstoffgas und Luft als Verbrennungsbasisgas von einer Treibstoffgaszufuhr 3 und
einer Luftzufuhr 4 einer primären Gaszufuhr 2 einem Gasbrenner 1 zugeführt und im
Gasbrenner 1 verbrannt, um Abbrandgas mit einem vorbestimmten Luft-Treibstoff-
Verhältnis zu erzeugen. Das Abbrandgas strömt vom Gasbrenner zu einem zu
messenden Sensor innerhalb einer zylindrischen Öffnung 6. Eine regulierte Menge an
Oxidationsgas oder Reduktionsgas wird durch Steuerung eines Magnetventils 11-1 oder
12-1 von einer Oxidationsgaszufuhr 9 oder einer Reduktionsgaszufuhr 10 einer
zusätzlichen Gaszufuhr in die zylindrische Öffnung 6 zwischen dem Gasbrenner 1 und
Sensor 7 zugeführt. Darüberhinaus sind bei dieser Ausführungsform parallel zum
Magnetventil 11-1 bzw. 12-1 Überdruckventile 11-2 und 12-2 an die
Oxidationsgaszufuhr 9 und die Reduktionsgaszufuhr 10 angeschlossen, um den
Gasstrom zu erhöhen, wenn der Strom durch die Magnetventile 11-1 und 12-1
abnimmt, und zu verringern, wenn der Strom durch die Magnetventile 11-1 und 12-1
zunimmt, um dadurch unter Verwendung von Überdruckventilen einen konstanten
Druck aufrechtzuerhalten, wenn die Versorgung mit zusätzlichem Gas variiert.
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Weiters gibt der Sensor 7 ermittelte Signale an einen Rückkopplungsregler 13 ab, um
die Signale zu verarbeiten. Der Regler 13 gibt Steuerungssignale an einen
Magnetventiltreiber 14 ab, um die Magnetventile 11-1, 11-2, 12-1 und 12-2 zu steuern,
um dadurch ein Gasgemisch mit einer vorbestimmten Zusammensetzung herzustellen.
Gleichzeitig führt der Sensor 7 auch Ausgangssignale an einen Datenprozessor 15 zu,
um die Signale gemeinsam mit von einem λ-Detektor 16 gemessenen Ergebnissen zu
verarbeiten, der eine Atmosphäre am Spitzenende der zylindrischen Öffnung 6
ermittelt, um dadurch die Eigenschaften des zu messenden Sensors zu bewerten.
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Zur obengenannten Vorrichtung ist anzumerken, daß der Gasbrenner 1 und die
Primärgaszufuhr 2 den Abbrandgaserzeugungsteil darstellen, ein Abschnitt der
zylindrischen Öffnung 6 den Meßteil darstellt, ein Abschnitt der zylindrischen Öffnung
6 den Verbindungsteil darstellt, die Zufuhr 8 für zusätzliches Gas und das Magnetventil
11-1, 12-1 den Einleitungsteil für zusätzliches Gas darstellen, ein Abschnitt des
Rückkopplungsreglers 13 und der elektromagnetische Treiber 14 den
Gasströmungsratenregelungsteil darstellen und ein Abschnitt des Rückkopplungsreglers
13 den Impulsbreitenregelungsteil darstellt.
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Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Rückkopplungsreglers
gemeinsam mit Wellenformen von Signalen zeigt, die von jeweiligen Teilen als
Ausgang abgegeben werden. Auf Fig. 2 Bezug nehmend gibt der Sensor 7 Signale an
einen Komparator 21 ab. Wenn der zu messende Sensor der normale ZrO&sub2;-
Trockenelektrolytsauerstoffsensor ist, beträgt seine Ausgangsspannung in einer mageren
Atmosphäre maximal 200 mV (in der Folge als magere Spannung bezeichnet), und die
Ausgangsspannung in einer reichen Atmosphäre beträgt zumindest 700 mV (in der
Folge als reiche Spannung bezeichnet). Zuerst wird eine Spannung, die zwischen der
reichen Spannung und der mageren Spannung liegt (z.B. 450 mV), als Bezugsspannung
verwendet, um die Sensorausgangsspannung im Komparator 21 zu einer
Impulswellenform (a) umzuformen, wie in der Zeichnung gezeigt. Als zweites wird das
lmpulssignal einem integrierenden Regler 22 zugeführt, um die Impulswellenform in
eine Sägezahnwellenform (b) umzuformen, und drittens wird das Signal einem
Sprungregler 23 zugeführt, um die Wellenform (b) in eine weitere Wellenform (c)
umzuformen, wie in der Zeichnung gezeigt. Gleichzeitig gibt ein Impulsgenerator 24
ein Impulssignal mit einer konstanten Frequenz von zumindest 10 Hz ab. Ein
Impulsbreitenmodulator 26 moduliert die Impulsbreite eines Signals (d) gemeinsam mit
dem Signal (c), das durch eine Sprungfunktion umgeformt worden ist, um ein
Rückkopplungssteuerungsimpulssignal (e) als Ausgang abzugeben, das die gleiche
Frequenz und ein anderes Schaltverhältnis aufweist. Dieses
Rückkopplungssteuerungsimpulssignal wird dem Magnetventiltreiber 14 zugeführt, um
die Zufuhrmenge des zusätzlichen Gases zu regeln, das der zylindrischen Öffnung 6 auf
solche Art zugeführt wird, daß die Fließrate des Gases erhöht wird, wenn das
lmpulssignal positiv ist, und die Fließrate verringert wird, wenn das Impulssignal negativ
ist.
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Beim obengenannten Regelungsbetrieb arbeiten das Magnetventil 11-1 und 12-1 zum
diskontinuierlichen Zuführen des Oxidationsgases bzw. Reduktionsgases so, daß, wenn
das Oxidationsgas verstärkt zugeführt wird, das Reduktionsgas verringert wird, und
wenn das Oxidationsgas verringert wird, das Reduktionsgas verstärkt zugeführt wird. Es
ist vorzuziehen, die zusätzlichen Gase zur Zufuhr in die zylindrische Öffnung durch
eine Versorgungsöffnung zu regulieren, da der Zeitraum zum Verstärken und
Verringern der zusätzlichen Gase fix ist und folglich jede Zeitverzögerung des Spitzen-
λ-Werts und der Änderung zwischen den Verstärkungs- und Verringerungsperioden
eliminiert wird. Darüberhinaus wird das Rückkopplungssteuerungssignal mit einer
Integral- und einer Sprungfunktion beaufschlagt, die jeweils willkürlich festgelegt
werden können. Demgemäß können die Integral- und die Sprungfunktion so eingestellt
werden, daß sie den Rückkopplungseigenschaften verschiedener Motore problemlos
entsprechen.
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Fig. 3 ist ein Teilschnittansicht des Sensormeßteils in der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung. Auf Fig. 3 Bezug nehmend ist ein Drosselelement 32 um einen
Ermittlungsabschnitt 31 des Sensors 7 in der zylindrischen Öffnung 6 angeordnet, um
den Gasstromdurchgang der zylindrischen Öffnung am Sensormontageabschnitt lokal
einzuschränken. Das Abbrandgas vom Abbrandgaserzeugungsteil zur Verwendung bei
der Messung hat eine(n) geringere(n) Fließrate und Druck als jene(r) des Auspuffgases,
das von einem Motor abgegeben wird, und abhängig von der Konfiguration des
Ermittlungsabschnitts 31 des Sensors 7 und des Spitzenentlüftungsmechanismus kann es
zu einer Differenz in der Ansprechempfindlichkeit gegenüber dem Wert kommen, der
unter Verwendung von Motorabgas gemessen wird. Daher ist die Querschnittfläche des
Gasstromdurchgangs an der Sensormontageposition beschränkt, um den
Strömungswiderstand um den Ermittlungsabschnitt des Sensors herum zu erhöhen, um
dadurch die Substituierungsgeschwindigkeit des Testgases im Sensor zu erhöhen. Als
Ergebnis kann eine einem Motor ähnliche Ansprechbeziehung erzielt werden, und die
erforderliche Gasfließrate kann wirtschaftlich verringert werden.
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Fig. 4 ist ein Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zum
Bewerten eines Luft-Treibstoff-Verhältnis-Sensors gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind Abschnitte, die den in Fig. 1 gezeigten
entsprechen, mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und es wird hier keine
detaillierte Beschreibung gemacht.
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Die Ausführungsform von Fig. 4 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform dadurch, daß die Luftzufuhr 4 aus einem Luftzufuhrteil 4-1 und einem
Mengenflußregler 4-2 (in der Folge kurz MFC genannt) besteht, und die
Treibstoffgaszufuhr 3 aus einem Treibstoffgas zuführenden Teil 3-1 und MFC 3-2
besteht. Darüberhinaus ist stromabwärts vom Gasbrenner 1 ein Großbereich-Luft-
Treibstoff-Verhältnissensor 35 angeordnet. Der Sensor 35 gibt ein Ausgangssignal an
einen λ-Primärgasregler 36 ab, der den MFC 3-2 reguliert. Folglich kann das λ präzise
konstant gehalten werden. Die Zufuhr 8 für zusätzliches Gas umfaßt eine
Oxidationsgaszufuhr 9 zur Versorgung mit Luft, eine Reduktionsgaszufuhr 10 zur
Versorgung mit CO-Gas und eine weitere Reduktionsgaszufuhr 36 zur Versorgung mit
H&sub2;-Gas. Die Reduktionsgaszufuhr 36 führt gesteuert von den Magnetventilen 37-1 und
37-2 durch dieselbe Zufuhröffnung auch H&sub2;-Gas gemeinsam mit der Luft und dem CO-
Gas zu, sodaß das Abbrandgas dem Auspuffgas ähnlich wird. Weiters ist anstelle des λ-
Detektors 16 ein Großbereichs-Luft-Treibstoff-Verhältnis-Sensor 38 angeordnet, um die
Eigenschaften des zu messenden Sensors zu ermitteln. Die Anordnung des
Rückkopplungsreglers 13 in dieser Ausführungsform ist die gleiche wie die in Fig. 2
gezeigte.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform stellen der Gasbrenner 1 und die
Primärgaszufuhr 2 den Abbrandgas erzeugenden Teil dar, ein Abschnitt der
zylindrischen Öffnung 6 stellt den Meßteil dar, ein Abschnitt der zylindrischen Öffnung
6 stellt den Verbindungsteil dar, die Zufuhr 8 für zusätzliches Gas und die
Magnetventile 11-1, 12-1 und 37-1 stellen den Einleitungsteil für zusätzliches Gas dar,
ein Abschnitt des Rückkopplungsreglers 13 und der Magnetventiltreiber 14 stellen den
Gasfließratenregulierungsteil dar, und ein Abschnitt des Rückkopplungsreglers 13 stellt
den Impulsbreitenregelungsteil dar.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wurden das Primärgas und das zusätzliche
Gas mit der in Tabelle 1 gezeigten Fließrate zugeführt, und die Frequenz für den
Öffnungs- und Schließbetrieb des Magnetventils betrug 20 Hz. Die Zunahme und
Abnahme des zusätzlichen Gases wurde durch Rückkopplung geregelt, um den
Meßsensor auf einer vorgegebenen Spannung (beispielsweise 450 mV) zu halten, und
der überschüssige Luftanteil λAVG und die Rückkopplungsfrequenz FB wurden gemessen.
Zum Vergleich wurde der gleiche zu messende Sensor auf einem tatsächlichen
Verbrennungsmotor montiert. Der Motor wurde mit 1150 UpM betrieben, und der
überschüssige Luftanteil λAVG und die Rückkopplungsfrequenz FLC wurden während der
Rückkopplungsregelung durch den Sensor gemessen. Fig. 5 zeigt eine Korrelation des
überschüssigen Luftanteils, und Fig. 6 zeigt eine Korrelation der
Rückkopplungsfrequenz. Aus den in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ergebnissen ist zu
erkennen, daß die vorliegende Erfindung die Eigenschaften eines Sensor unter im
wesentlichen den gleichen Bedingungen wie beim tatsächlichen Motor bewerten kann.
Tabelle 1
Gasart
Fließrate (ml/min)
Beschaffenheit
Primärgas
zusätzliches Gas
Primärgas
Propan
Luft
neutrales Gas (λ = 1)
Reduktionsgas
Oxidationsgas
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Um den Einfluß der Reynoldsschen Zahl Re(=4 mV/ν; m=(Querschnittsfläche des
Gasdurchgangs am Meßteil)/(Umfangslänge des Querschnitts des Gasdurchgangs am
Meßteil), v: mittlere Geschwindigkeit des Testgases am Meßteil, ν= kinematischer
Viskositätskoeffizient des Meßgases) des Testgases an einer Sensormontageposition zu
untersuchen, wurde der überschüssige Luftanteil λAVG in jedem Fall unter Verwendung
von Sensoren A, B und C ermittelt, die jeweils einen Ermittlungsabschnitt mit anderer
Gestalt aufweisen. Aus den Ergebnissen des Tests ist zu entnehmen, daß, wenn die
Reynoldssche Zahl Re 3000 beträgt, unabhängig von der Art der Sensoren, wie in Fig. 7
gezeigt, eine hohe Korrelation zwischen dem überschüssigen Luftanteil des Brenners
und dem überschüssigen Luftanteil des Motors erreicht wird, wenn aber die
Reynoldssche Zahl Re 1000 beträgt, die Korrelation je nach der Art der Sensoren stark
variiert, wie in Fig. 8 gezeigt. Die Ergebnisse bestätigen, daß es vorzuziehen ist, daß die
Reynoldssche Zahl des Testgases an der Sensormontageposition zumindest 2500
beträgt.
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Darüberhinaus wurde, um den Einfluß der Sensormontageposition zu untersuchen, die
Dispersion des überschüssigen Luftanteils λ für die Fälle ermittelt, daß die Distanz (L)
vom Mischteil für zusätzliches Gas zu einer Position des zu messenden Sensors das 10-
fache bzw. das 3-fache des in Fig. 4 gezeigten Innendurchmessers "d"der zylindrischen
Öffnung 6 ausmacht. Die Ergebnisse des Tests werden in Fig. 9 gezeigt. Aus dem in Fig.
9 gezeigten Graph ist zu entnehmen, daß die Dispersion für den Fall L= 10d geringer ist
als im Fall L=3d und daher eine Bedingung geschaffen werden kann, die dem
Auspuffgas aus dem tatsächlichen Motor ähnlich ist.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung wurde die Beziehung zwischen der
Konzentration an CO-Gas, das dem Abbrandgas allein zugegeben wurde, und der
Magnetventilumschaltregelungsspannung ermittelt, um den Einfluß des
Überdruckventils zu untersuchen, und es wurde ein Ergebnis erzielt, wie in Fig. 10
gezeigt. Aus dem in Fig. 10 gezeigten Ergebnis ist zu erkennen, daß die Gasfließrate
genauer reguliert werden kann, wenn das Überdruckventil vorgesehen ist. Ähnliche
Ergebnisse wurden auch für die Hinzufügung anderer zusätzlicher Gase wie Luft und H&sub2;
erzielt.
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Fig. 11 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung zum Bewerten eines Luft-
Treibstoff-Verhältnis-Sensors gemäß vorliegender Erfindung. Die Ausführungsform ist für
eine Messung mit offener Schleife ausgebildet, aber nicht für die
Rückkopplungssteuerung, wie oben erwähnt. Bei der in Fig. 11 gezeigten
Ausführungsform sind Abschnitte, die den in Fig. 1 gezeigten entsprechen, mit den
gleichen Bezugszahlen versehen, und es erfolgt hier keine detaillierte Beschreibung. Bei
dieser Ausführungsform führt der zu messende Sensor 7 direkt ein Ausgangssignal an
den Datenprozessor 15 zu, und ein Regler 41, der sich vom Rückkopplungsregler 13
von Fig. 1 unterscheidet, ist vorgesehen, um mit einer Programmlogik 42 zu
kooperieren, um den Magnetventiltreiber 14 zu steuern, um dadurch die Zufuhr des
zusätzlichen Gases mit hoher Geschwindigkeit zu erhöhen und zu verringern.
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Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform stellen der Gasbrenner 1 und die
Primärgaszufuhr 2 den Abbrandgas erzeugenden Teil dar, ein Abschnitt des
zylindrischen Teils 6 stellt den Verbindungsteil dar, die Zufuhr 8 für zusätzliches Gas
und das Magnetventil 11-1 - 12-1 stellen den Einleitungsteil für zusätzliches Gas dar, ein
Abschnitt des Reglers 41 und der Magnetventiltreiber 41 stellen den
Gasfließratensteuerteil dar und ein Abschnitt des Reglers 41 stellt den
Impulsbreitensteuerteil dar.
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Auf Fig. 12 Bezug nehmend, die eine Ausführungsform eines Reglers 41 gemeinsam mit
Wellenformen von Signalen zeigt, die als Ausgang von jeweiligen Teilen abgegeben
werden, erzeugt zuerst eine Programmierlogik 42 ein impulsartiges Signal (a), das auf
einen Ausgang eines zu messenden Sensors 7 beschränkt ist. Gleichzeitig erzeugt ein
lmpulsgenerator 43 ein Impulssignal (b) mit einer konstanten Frequenz von zumindest
10 Hz, und das impulsartige Signal (a) von der Programmierlogik 42 und das
Impulssignal (b) vom Impulsgenerator 43 werden zum Modulieren einem
Impulsbreitenmodulator 45 zugeführt, um dadurch eine Steuerimpulssignal (c) zu
erhalten. Zu diesem Zeitpunkt ändert das Steuerimpulssignal (c) sein Schaltverhältnis
um alle paar Impulssignale, wenn das impulsartige Signal (a) eine Wellenform (A)
aufweist, und wenn das impulsartige Signal von der Programmierlogik 42 eine
Wellenform (B) aufweist, die so verändert wird, daß sie mit der λ-Schwankung in einem
Motor zusammenfällt, hat das Steuerimpulssignal (d) ein um jedes Impulssignal anderes
Schaltverhältn is.
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Die Fig. 13a und 13b sind Graphen, die die Schwankung der elektromotorischen
Sensorkraft durch jeden Umschaltvorgang im oben beschriebenen Betrieb in der oben
beschriebenen Ausführungsform zeigen. In den Fig. 13a und 13b sind TRs und TLs
Reaktionszeiten von der Erzeugung jeweiliger Magnetventilumschaltsignale bis zu der
Zeit, wenn die elektromotorische Sensorkraft einen vorgegebenen Wert (bei dieser
Ausführungsform 0,45 V) erreicht. TRS zeigt die Zeit zum Variieren der
elektromotorischen Sensorkraft von der reichen Seite bis zu einem vorgegebenen Wert,
und TLS zeigt die Zeit zum Variieren der elektromotorischen Sensorkraft von der
mageren Seite bis zu einem vorgegebenen Wert. Unter Verwendung dieser TRS und TLS
kann der Datenprozessor 15 die Eigenschaften des Sensors 7 bewerten, indem
1/(TRS+TLS)
und TRS/TLS als Index der Eigenschaftsbewertung verweden. Die Fig.
13c und 13d zeigen ein Beispiel für die Bewertung. Aus den Fig. 13c und 13d ist zu
erkennen, daß die bei einem tatsächlichen Motor gemessenen Werte gut mit den gemäß
vorliegender Erfindung bewerteten Ergebnisse korrelieren.
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Bei der in den Fig. 11-13 gezeigten offenen Anordnung ist die Gassteuerungsreaktion
besser als die eines thermischen Mengenflußreglers, eine Fließrate kann kontinuierlich
variiert werden, und auch wenn die Zufuhrfließrate groß ist, kann mit hoher Präzision
eine kleine λ-Schwankung eingestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt,
sondern kann auf verschiedene Art modifiziert werden. Beispielsweise werden bei den
obigen Ausführungsformen in Anbetracht von Gastoxizität und Wirtschaftlichkeit die
drei Arten CO, H&sub2; und Luft als zusätzliches Gas verwendet, um aber eine
Auspuffgasverbrennung zu imitieren, ist es möglich, ein gutes Ergebnis zu erzielen,
indem weitere Arten von Zusatzgasen verwendet werden oder andere Gase, wie NO
oder C&sub3;H&sub6;, C&sub3;H&sub8; und ähnliche, wie durch CnH&sub2;n und CnH2n+2 dargestellt, hinzugefügt
werden. Darüberhinaus kann anstelle eines Großbereichs-Luft-Treibstoff-Verhältnis-
Sensors ein Gasanalysator oder ein Sauerstoffsensor zur Messung eines
Schaltverhältnisses verwendet werden, um dadurch Eigenschaften des zu messenden
Sensors zu bewerten.