DE3023429A1

DE3023429A1 - Vorrichtung zur rueckkopplungs- regelung des luft-brennstoff-verhaeltnisses einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3023429A1
Application number: DE19803023429
Authority: DE
Inventors: Kenji Masaki
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1980-06-23
Publication date: 1981-01-08
Also published as: GB2054211A; GB2054211B; DE3023429C2; FR2459885A1; JPS562548A; US4337746A

Description

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER NiSSan G060 80

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Erfindung bezieht sich im einzelnen auf eine derartige Vorrichtung mit einem Gassensor, der auf einen bestimmten Bestandteil der Auspuffgase der Brennkraftmaschine anspricht und ein Rückkopplungssignal liefert, das repräsentativ ist für das jeweilige Luft-Brennstoff-Verhältnis eines zugeführten Gemisches.

Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, besteht eine wesentliche neuere Entwicklung darin, eine Rückkopplungs-Regelung der Brennstoffzufuhr unter Verwendung eines Auspuffgas-Sensors durchzuführen, der auf einen bestimmten Bestandteil der Auspuffgase anspricht und ein elektrisches Signal liefert, das repräsentativ ist für das Luft-Brennstoff-Verhältnis des der Maschine zugeführten Gemisches. Auf diese Weise ist es möglich, die Maschine mit einem Luft-Brennstoff-Gemisch eines genau festgelegten Mischungsverhältnisses zu betreiben und eine ausreichende Reinigung der Auspuffgase durchzuführen sowie die Leistung bzw. den Wirkungsgrad der Maschine zu steigern. Das genannte Verfahren ist bereits in der Praxis eingesetzt und für elektronisch gesteuerte Einspritzanlagen und Vergaser verwendet worden.

Als Auspuffgassensor der genannten Art ist nahezu ausschließlich ein Sauerstoff-Sensor in der Form einer Sauerstoff-Konzentrationszelle eingesetzt worden, der im wesentlichen aus einer Schicht eines sauerstoffionenleiten- den Festelektrolyten, wie etwa Zirkonoxid, stabilisiert mit Calciumoxid, und zwei Elektrodenschichten auf den beiden gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht

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besteht. Wie in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt ist_r auf die bereits hier zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen werden soll, ist die Festelektrolytschicht eines in der Praxis verwendeten Sauerstoff-Sensors 10 üblicherweise in der Form eines Rohres 12 mit einem geschlossenen Ende ausgebildet. Eine schichtförmige Meßelektrode 16, üblicherweise aus Platin, die dem zu prüfenden Gas ausgesetzt wird, befindet sich auf der Außenseite des Rohres 12 und weist eine gasdurchlässige, poröse Struktur auf. Eine ebenfalls gasdurchlässige, poröse, schichtförmige Bezugselektrode 14 befindet sich auf der inneren Oberfläche des Rohres 12. Ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie etwa Luft, wird in das Innere des Rohres 12 eingeleitet und bildet einen als Bezugsdruck dienenden Sauerstoff-Partialdruck auf der Seite der Bezugselektrode der Festelektrolytschicht 12. Ein derartiger Sauerstoff-Sensor 10 erzeugt eine elektromotorische Kraft, wenn eine Differenz zwischen dem Sauerstoff-Partialdruck auf der Bezugsdruckseite und auf der Seite der Meßelektrode auftritt. Diese elektromotorische Kraft wird zwischen zwei Ausgangsklemmen 15 und 17 gemessen bzw. als Signal abgegeben, das repräsentativ ist für die Sauerstoffkonzentration in dem untersuchten Gas.

Wenn ein derartiger Sauerstoff-Sensor 10 an einem Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine derart angebracht wird, daß die Meßelektrode 16 dem Auspuffgas ausgesetzt ist, während die Bezugselektrode 14 der Atmosphärenluft zugewandt ist, ist die Größe der elektromotorischen Kraft des Sauerstoff-Sensors 10 ein Maß für das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten Gemisches, jedoch nicht proportional zu diesem. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verbleibt die Ausgangsspannung des Sauerstoff-Sensors 10 im wesentlichen konstant auf einem Maximalwert, während sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (etwa 14,7 bei einem Luft-Benzin-Gemisch) befindet, d.h., solange ein fettes Gemisch

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zugeführt wird. Andererseits verbleibt das Ausgangssignal im wesentlichen konstant auf einem Minimalwert, während das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, d.h., während ein mageres Gemisch zugeführt wird. Weiterhin ergibt sich eine scharfe Änderung der Ausgangsspannung bei einer Änderung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses über das stöchiometrische Verhältnis hinweg. Bei Auspuffgasen liefert ein derartiger Sauerstoff-Sensor 10 im wesentlichen eine EIN-AUS-Charakteristik. Im Hinblick auf eine Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses liefert dieser Sensor 10 daher prakttisch nur an einem Punkt, nämlich an dem stöchiometrischen Punkt eine genaue Information. Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis von dem stöchiometrischen Verhältnis abweicht, ist es möglich, zu beurteilen, ob das Luft-Brennstoff-Verhältnis zur fetten Seite abgewichen ist, da die Ausgangsspannung des Sensors in diesem Falle oberhalb einer bestimmten Bezugsspannung (0,5V in Fig. 2) liegt. Wenn die Abweichung zur mageren Seite hin erfolgt ist, liegt die Ausgangsspannung unterhalb des Bezugswertes. Es ist jedoch nicht möglich, numerische Werte bei nicht stöchiometrischen Gemischen zu ermitteln.

Daher ist die Anwendung eines Sauerstoff-Sensors der genannten Art für die Rückkopplungs-Regelung der Brennstoffzufuhr einer Brennkraftmaschine auf den Fall beschränkt, daß eine Aufrechterhaltung oder zumindest annähernde Aufrechterhaltung des stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses erwünscht ist. Ein praktisches Anwendungsbeispiel ist eine Maschine mit einem katalytischen Konverter im Auspuffsystem, der einen sogenannten Dreiwege-Katalysator einschließt, der gleichzeitig die Reduktion von NOx und die Oxidation von CO und HC (unverbrannte Kohlenwasserstoffe) katalysiert und die höchste Umwandi-v-ngsfähigkeit bei Atispuff gasen aufweist, die aus der ¥er-■ urang eines sco^mometrischen Luft-Brennstoff-Gemische" ■r :tehe.i

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BAD ORIGINAL

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Fig. 3 zeigt eine herkömmliche Brennkraftmaschine mit Drei-· wege-Katalysator und Rückkopplungs-Regelung der Brennstoffzufuhr. Mit 20 ist die Brennkraftmaschine als solche bezeichnet. Ein Ansaugrohr 22 beginnt bei einem Luftfilter 24 und schließt einen Luftdurchsatz-Sensor 26 stromaufwärts einer Drosselklappe 28 sowie Brennstoff-Einspritzventile 30 unmittelbar angrenzend an die Brennkammer der Brennkraftmaschine 20 ein. Eine Regelschaltung 32 nimmt das Ausgangssignal· des Luftdurchsatz-Sensors 26 zusammen mit Signaien S₃. und S_fc auf, die der Maschinendrehzahl und der Lufttemperatur entsprechen, und liefert ein Steuersignal an die Einspritzventile 30 zur Sicherung einer optimalen Brennstoffzufuhr auf der Grundlage der eingegebenen Signale. Im Auspuffrohr 34 ist ein katalytischer Konverter 36 mit einem Dreiwege-Katalysator vorgesehen, und ein Sauerstoff-Sensor 38 des in Fig. 1 gezeigten Typs befindet sich im Auspuffrohr 34 stromaufwärts des Konverters 36 zur Lieferung des Ausgangssignales an die Regelschaltung 32. Bei diesem System besteht das Ziel der Steuerung der Brennstoffzufuhr in einer Aufrechterhaltung eines stöchiometrischen Luft-Brennstoff-Verhältnisses, bei dem der Dreiwege-Katalysator seine beste Leistung erbringt, und das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 34 dient als Rückkoppiungssignai, das genau anzeigt, ob sich das Luft-Brennstoff-Gemisch auf dem stöchiometrischen Wert befindet oder nicht. Wenn dieses Rückkopplungssignal eine Abweichung des Luft-Brennstoff-Gemisches von dem stöchiometrischen Gemisch anzeigt, läuft in der Regelschaltung 32 ein Prozeß ab, bei dem das den Einspritzventilen 30 zugeführte Signal derart geändert wird, daß das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis in Richtung des stöchiometrischen Verhältnisses korrigiert wird, bis das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 38 den stöchiometrischen Wert anzeigt. Ein Sauerstoffsensor gemäß Fig. 1 spielt daher eine wesentliche Rolle für Steuersysteme der Fig. 3.

In der Automobilindustrie ist der Dreiwege-Katalysator je-

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doch nur in begrenztem Rahmen verwendbar, da, zur Herstellung dieses Katalysators Rhodium erforderlich ist, das kostspielig ist und kaum in ausreichendem Maße zur Verfügung steht. Die am meisten vorherrschende Methode zur Reinigung der Auspuffgase besteht in der Verwendung eines Oxidations-Katalysators in Kombination mit einer geeigneten Maßnahme zur Reduzierung des Ausstoßes von NOx, wie etwa einer teilweisen Rezirkulation der Auspuffgase zur Ansaugseite. Bei Verwendung eines Oxidations—Katalysators ist es üblich, die Maschine mit einem verhältnismäßig fetten Gemisch mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 13,5 zu versorgen. In diesem Falle ist es nicht möglich, eine Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses unter Verwendung eines Sauerstoff-Sensors 10 gemäß Fig. 1 durchzuführen, da gemäß Fig. 2 die Ausgangsspannung dieses Sensors im wesentlichen konstant auf dem Maximalwert verbleibt, wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis 13,5 beträgt oder erheblich von diesem Wert, beispielsweise um 1,0 zur oberen oder unteren Seite abweicht. Dieser Sauerstoff-Sensor 10 ist daher nicht auf eine Maschine anwendbar, die einen thermischen Reaktor aufweist, obgleich die Verwendung eines thermischen Reaktors wegen ungünstiger Verbrauchswerte nicht unbedingt vordringlich ist. Bei Verwendung eines thermischen Reaktors wird üblicherweise ein sehr fettes Gemisch, etwa im Bereich von 12,5, bezogen auf das Luft-Brennstoff-Verhältnis zugeführt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, liefert der Sauerstoffsensor 10 bei einem derartig fetten Gemisch keine verwertbare Information.

Bei einem System mit einem katalytischen Konverter, der einen Oxidations-Katalysator oder einen thermischen Reaktor enthält, ist es üblich, Sekundärluft in das Auspuffsystera einzulassen, die eine vollständige Oxidation der großen Anteile von CO und HC in den Auspuffgasen in dem Konverter oder Reaktor ermöglicht. Die Menge der Sekun-^ darluft wird derart gesteuert, daß das verdünnte Auspuffgas einem Auspuffgas entspricht, das entsteht durch Ver-

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brennung eines Luft-Brennstoff-Gemisches mit einem Mischungsverhältnis von etwa 16,5, da sich bei dieser Verdünnung der beste Reinigungseffekt ergibt. Wenn der Sauerstoffsensor 10 in derartigen verdünnten Auspuffgasen angeordnet ist, bleibt das Ausgangssignal konstant auf dem Minimalwert gemäß Fig. 2, so daß eine numerische Aussage über das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht möglich ist.

Es kann als wünschenswert angesehen werden, eine Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses einer Maschine durchzuführen, die die erwähnten Oxidations-Katalysatoren aufweist, jedoch steht bisher in der Praxis kein Auspuffgassensor zur Verfügung, durch den ein Luft-Brennstoff-Verhältnis außerhalb des stöchiometrischen Bereichs genau erfaßt werden kann. Es ist daher ein erheblicher Aufwand zur Entwicklung eines möglichst wirksamen und haltbaren katalytischen Konverters getrieben worden, der einen Oxidations-Katalysator enthält und mit Brennstoffzufuhreinrichtungen der verschiedenen Automobile kombiniert ist. Insbesondere sind BrennstoffZufuhreinrichtungen entwickelt worden, deren Mischungscharakteristik für Luft und Brennstoff gut auf die neueren Maschinen und die Oxidations-Katalysatoren abgestimmt ist, da nicht nur die Wirksamkeit der Auspuffgasreinigung, sondern auch der mechanische und thermische Wirkungsgrad der Maschine durch diese Abstimmung beeinflußt werden. Im übrigen wird die Massenproduktion der neueren Brennstoffzufuhreinrichtungen und der wesentlichen Teile dieser Einrichtungen unter ausserordentlich genauen Qualitätskontrollen durchgeführt, so daß die Unterschiede in der Arbeitsweise der einzelnen Produkte möglichst gering sind. Dadurch erhöhen sich zwangsläufig die Herstellungskosten erheblich. Trotzdem haben sich bei der Verbesserung des Verbrauchsverhaltens der Maschine mit einem Oxidations-Katalysator oder thermi- sehen Reaktor Grenzen gezeigt, da es nicht möglich ist, eine Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen.

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Es besteht daher erheblicher Bedarf nach einem neuartigen Gas-Abtastverfahren, das eine genaue Erfassung nicht-stöchiometrischer Luft-Brennstoff-Verhältnisse ermöglicht.

Die US-Patentanmeldung 28.747 vom 10. April 1979 schlägt vor, das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines mageren Gemisches oder eines fetten Gemisches mit Hilfe einer weiterentwickelten, sauerstoff-empfindlichen Abtasteinrichtung zu erfassen, die eine modifizierte Konzentrationszelle darstellt und eine Ausgangscharakteristik aufweist, wenn sie sich in den Auspuffgasen befindet und mit einem konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke versorgt wird. Der Aufbau einer derartigen Abtasteinrichtung soll anhand von Fig. 4 bis 6 beschrieben werden.

Ein sauerstoffempfindliches Element 50 gemäß Fig. 4 besteht aus einem keramischen Substrat 52, beispielsweise aus Aluminiumoxid, und einer mikroskopisch-porösen Schicht 54 eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, wie etwa ^Zr02' stabilisiert mit Y₂°3 ^{auf einer} Seite des Substrats 52. Eine schichtförmige Platinelektrode 56, die als Meßelektrode bezeichnet werden soll, befindet sich auf der äußeren Oberfläche der Festelektrolytschicht 54. Die Meßelektrode 56 weist eine gasdurchlässige, poröse Struktur auf, so daß das zu messende Gas nicht nur die äußere Oberfläche dieser Meßelektrode 56 berührt, sondern in die Festelektrolytschicht 54 diffundiert, Eine weitere Platinelektrode, die als Bezugselektrode 58 bezeichnet werden soll, befindet sich auf der anderen Oberfläche der Festelektrolytschicht 54 in Sandwich-Anordnung zwischen dieser Schicht und dem Substrat 52 und ist makroskopisch vollständig gegenüber der Umgebungsatmosphäre durch das Substrat 52 und die Festelektrolytschicht 54 abgeschirmt. Die drei Schichten 54, 56 und 58 bilden eine Sauerstoff-Konzentrationszelle, üblicherweise ist jede dieser drei Schichten 54,56 und 58 als dünne, filmartige Schicht ausgebildet. Ein elektrisches Heizelement 60 ist in das Substrat 52 eingebettet,

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da die Konzentrationszelle nur bei einer ausreichend hohen Temperatur arbeitet. Mit 62 sind Leitungen zur Zufuhr eines Heizstromes zu dem Heizelement und mit 64 und 66 Leitungen in Verbindung mit den Elektrodenschichten 56 und 58 bezeichnet.

Zur Erfassung eines Mischungsverhältnisses eines Luft-Brennstoff -Gemisches, das in einer Brennkraftmaschine verbrannt wird, wird das sauerstoffempfindliche Element 50 vollständig innerhalb des Auspuffgases angeordnet. Anstelle der Verwendung einer Bezugs-Sauerstoffquelle, wie etwa Luft, wird eine Gleichstromquelle 70 mit den Leitungen 64 und 66 und damit mit den Elektroden 56 und 58 verbunden, wie in Fig. 5 gezeigt ist, so daß ein Gleichstrom geeigneter Stärke (z.B. 3-10μΑ) durch die Festelektrolyschicht 54 zwischen den Elektroden 56 und 58 hindurchgeleitet wird. In Fig. 5 ist mit 72 ein Stellwiderstand zur Steuerung der Stromstärke bezeichnet. Der Zweck der Zufuhr eines elektrischen Stromes zu dem sauerstoffempfindlichen Element 50 besteht darin, daß ein Sauerstoff-Partialdruck als Bezugsdruck in der Zwischenfläche zwischen der Bezugselektrode 58 und der Festelektrolytschicht 54 erzeugt wird, während die Meßelektrode 56 direkt den Auspuffgasen ausgesetzt ist. Die Leitungen 64 und 66 sind ebenfalls mit Ausgangsklemmen 76 verbunden, an denen eine elektromotorische Kraft gemessen wird, die zwischen den Elektroden 56 und 58 über die Festelektrolytschicht 54 hinweg erzeugt wird.

Die Größe der elektromotorischen Kraft hängt ab von dem Luft-Brennstoff-Verhältnis des verbrannten Gemisches, und die Art der Abhängigkeit wird im wesentlichen durch die Strömungsrichtung des Stromes innerhalb des sauerstoff= empfindlichen Elements 50 bestimmt. Gemäß Fig. 5 wird ein zweipoliger Doppelschalter 74 zur Verbindung der Strome quelle 70 mit dem sauerstoffempfindlichen Element 50 verwendet. In der dargestellten Ausführung werden die Elek-

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troden 56 und 58 mit den positiven und negativen Klemmen der Gleichstromquelle 70 unter Verwendung von Kontakten 74a und 74b des Doppelschalters 74 derart verbunden, daß der Strom durch die Festelektrolytschicht 54 von der Meßelektrode 56 in Richtung der Bezugselektrode 58 fließt.

Da die Meßelektrode 56 aus Platin besteht und als Katalysator dient, v/erden CO und HC in den Auspuffgasen einer Oxidations-Reaktion auf der Oberfläche der Meßelektrode ausgesetzt, so daß der in den Auspuffgasen enthaltene Sauerstoff verbraucht wird. An der Bezugselektrode 58, die mit der negativen Klemme der Gleichspannungsquelle 70 verbunden ist, besteht die Tendenz, daß gasförmiger Sauerstoff, der in Richtung der Elektrode 58 durch die poröse Festelektrolytschicht 54 diffundiert, ionisiert wird, so daß anschließend Sauerstoffionen in Richtung der Meßelektrode 56 fließen.

Während ein brennstoffreiches Gemisch der Maschine zugeführt wird, ist ie Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 56 nahezu vernachlässigbar, da der verhältnismäßig geringfügige Sauerstoff, der in den Auspuffgasen enthalten ist, nah zu vollständig durch die Oxidations-Reaktion an der Oberfläche der Meßelektrode 56 verbraucht wird. Daher weicht der Sauerstoff-Partialdruck auf der Bezugsseite der Festelektrolytschicht 54 nicht wesentlich von dem Sauerstoff-Partialdruck auf der Meßelektrodenseite ab, so daß die Ausgangsspannung des Elements 50 sehr gering ist und sich nicht nennenswert ändert, wenn Änderungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des fetten Gemisches eintreten.

Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis über den stöchiometrischen Wert ansteigt, wird der Verbrauch des Sauerstoffs in der Oxidations-Reaktion unerheblich, da die Gesamtmenge von CO und HC in dem Auspuffgas erheblich abnimmt, während die Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 58

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eine Rolle spielt. Daher erzeugt das Element 50 eine maximal hohe Ausgangsspannung, wenn das Luft—Brennstoff-Verhältnis geringfügig über dem stöchiometrischen Wert liegt. Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis des nummehr mageren Gemisches steigt, nimmt der Sauerstoff-Partialdruck an der Bezugselektrode 58 nach und nach zu und nähert sich dem Sauerstoff-Partialdruck in dem Auspuffgas, da zunehmend gasförmiger Sauerstoff durch die Festelektrolytschicht in Richtung der Bezugselektrode 58 diffundiert.

Daher ist die Ausgangsspannung des Elements 50 mit zunehmendem Luft-Brennstoff-Verhältnis nach und nach geringer, wie die Kurve A in Fig. 6 andeutet. Das Element 50 weist daher eine geneigte Ausgangscharacteristik auf, wenn es sich in dem Auspuffgas eines mageren Gemisches befindet und ein konstanter Gleichstrom geeigneter Stärke von der Meßelektrode 56 in Richtung der Bezugselektrode 58 fließt. Wenn dagegen die Stromstärke oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt, beispielsweise oberhalb von etwa 15μΑ, bleibt die Ausgangsspannung des Elements 50 konstant auf einem Maximalwert, während sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert, jedoch oberhalb des stöchiometrischen Wertes verbleibt, da die Ionisation des Sauerstoffs an der Bezugselektrode 58 beträchtlich zunimmt. In diesem Falle weist das Element 50 eine EIN-AÜS-Charakteristik auf, so daß es zur Abtastung des stöchiometrischen Verhältnisses geeignet ist.

Wenn die Elektroden 56 und 58 des Elements 50 mit der negativen und positiven Ausgangsklemme der Gleichstromquelle 70 unter Verwendung der Kontakte 74c und 74d des Schalters 74 verbunden werden, so daß der konstante Strom durch die Festelektrolytschicht 54 von der Bezugsseite zu der Meßseite fließt, weist das Element 50 eine Ausgangscharakteristik auf_r die der Kurve B in Fig, 6 entspricht, wie an- schließend erläutert werden soll. .

In diesem Falle tritt eine Ionisation des Sauerstoffs an

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der Meßelektrode 56 auf, der ein Eintreten der Sauerstoffionen in Richtung der Bezugselektrode 58 folgt. Während ein mageres Gemisch zugeführt wird, bleibt die Ausgangsspannung des Elements 50 im wesentlichen konstant bei einem niedrigen Wert, da unter diesen Bedingungen ein Sauerstoff-Partialdruck auf der Bezugsseite der Festelektrolytschicht 54 im wesentlichen durch Diffusion von gasförmigem Sauerstoff durch die Festelektrolytschicht 54 bestimmt wird und im wesentlichen dem Sauerstoff-Partialdruck in den Auspuffgasen angeglichen wird.

Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt, wird der Verbrauch des Sauerstoffs durch Oxidations-Reaktionen an der Oberfläche der Meßelektrode 56 erheblich, so daß der Sauerstoff-Partialdruck an dieser Elektrode sinkt und die Ausgangsspannung auf einen maximal hohen Wert ansteigt. Wenn das Luft-Brennstoff-Verhältnis weiter abnimmt, sinkt der Sauerstoff-Partialdruck an der Bezugselektrode 58 nach und nach ab, da die Diffusion von gasförmigem Sauerstoff in Richtung der BezugseleKtrode 58 erheblich abnimmt, so daß die Ausgangsspannung des Elements 50 nach und nach absinkt.

~~ienn dagegen aie Stromstärke oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes liegt, verbleibt die Ausgangsspannung konstant auf einem maximal hohen Wert, während das Luft-Srennstoff-Verhältnis verändert wird, jedoch stets unterhalb des stöchiometrischen Wertes liegt.

SO Es ist daher möglich, dem sauerstoffempfindlichen Element 50 eine der drei Ausgangscharakteristika zu erteilen, die durch die Kurven A und B in Fig. 6 und die Kur\re in Fig. 2 wiedergegeben werden, so daß das Element 50 als Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei mage ren Gemischen oder bei Fettgemischen eingesetzt werden kann, wenn es derart verwendet wird, daß es eine geneigte Ausgangscharakteristik gemäß den Kurven A oder B aufweist.

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Die geneigte Ausgangscharakteristik dieses Sensors 50 hat jedoch den Nachteil, daß eine Ausgangsspannung des Sensors nicht nur einem bestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht. Im Falle der Kurve A wird beispielsweise die Ausgangsspannung V_fi1 nicht nur bei einem Luft-Brennstoff -Verhältnis von 16,5, d.h. am Punkt P in der Kurve A, sondern auch bei einem Gemischverhältnis von 14,7, d.h. dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis, am Punkt Q der Kurve erreicht. Wenn der Zielwert der Luft-Brennstoff-Steuerung 16,5 ist, besteht die Möglichkeit der irrtümlichen Angabe, daß dieser Zielwert erreicht sei, obgleich das tatsächliche Mischungsverhältnis 14,7 beträgt. Im Falle der Kurve B wird die Ausgangsspannung V_n? bei Mischungsverhältnissen von 13,5 (Punkt R) oder 14,5 (Punkt S, annähernd stöchiometrisches Verhältnis) erreicht.

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisseρ einer Brennkraftmaschine zu schaffen, das es gestattet, ein beliebiges Mischungsverhältnis innerhalb des für Benzin- und Diesel-Kraftmaschinen verwendbaren Bereiches als Zielsetzung der Steuerung zu verwenden, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung für Maschinen mit katalytischen Konvertern einsetzbar ist, die entweder einen Oxidations-Katalysator oder einen thermischen Reaktor umfassen.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Die erfindungsgemäße Rückkopplungs-Regelung zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine umfaßt eine elektrisch steuerbare Brennstoffzuführeinrichtung zum Einleiten des Brennstoffs in das Ansaugsystem der Maschine, einen ersten, sauerstoffempfindlichen Sensor für das Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Auspuffsysteiu der Maschine und eine Steuereinrichtung zur Liefe-

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rung eines Steuersignals an die Brennstoffzufuhr unter Verwendung des Ausgangssignals des ersten Sensors als Rückkopplungssignal zur Korrektur von Abweichungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von einem vorgegebenen Wert entsprechend der Anzeige des Rückkopplungssignals. Der erste Sensor für das Luft-Brennstoff-Verhältnis ist eine Konzentrationszelle mit einer Schicht aus einem sauerstoff ionenleitenden Festelektrolyten und zwei Elektrodenschichten auf beiden Seiten des Festelektrolyten. Das Regelsystem umfaßt weiterhin eine Stromquelle zur Einleitung eines Gleichstromes vorgegebener Stärke durch die Festelektrolytschicht hindurch zwischen den beiden Elektrodenschichten des ersten Sensors in wahlweiser Richtung, durch die bestimmt wird, welche Neigungs-Charakteristik der Sensor erhält. Dies bedeutet, daß die Größe des Ausgangssignals des Sensors nach und nach geändert wird, wenn das Luft-Brennstoff-Verhäl ,is des Gemisches verändert wird, jedoch oberhalb des stöchiometrischen Wertes verbleibt, während bei einer zweiten Ausgangscharakteristik die Größe des Ausgangssignals des Sensors nach und nach geändert wird, während sich das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert, jedoch unterhalb des stöchiometrischen Wertes bleibt. Ein zweiter, sauerstoffempfindlicher Sensor für das Luft-Brennstoff-Verhältnis befindet sich in dem Auspuffsystern in der Nähe des ersten Sensors. Der zweite Sensor weist eine Schicht eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und zwei Elektrodenschichten auf beiden Seiten auf und liefert eine EIN-AUS-Charakteristik, so daß die Größe des Ausgangssignals des zweiten Sensors einer scharfen Änderung zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert bei einer Änderung des Gemisches über den stöchiometrischen Wert hinweg unterliegt. Die erwähnte Regeleinrichtung weist geeignete Einrichtungen zur Unterscheidung der Informationen des ersten Sensors und des zweiten Sensors auf.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der

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Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstel^ lung durch einen herkömmlichen Sauer

stoff sensor;

Fig. 2 veranschaulicht die Ausgangscharakteristik des Sauerstoffsensors der Fig. 1 bei Verwendung in den Auspuffe

gasen einer Brennkraftmaschine;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Regelsystems für das Luft-Brennstoff-Verhältnis einer

Brennkraftmaschine;

Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt den

Grundaufbau eines sauerstoffempfindliehen Sensors für das Luft-Brennstoff-

Verhältnis , wie er im Rahmen der Erfindung verwendet wird;

Fig. 5 zeigt schematisch die Anwendung des Sensors der Fig. 4;

Fig. 6 zeigt die Ausgangscharakteristika des

Sensors der Fig. 4 bei Verwendung in Maschinen-Auspuffgasen; 30

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung

eines erfindungsgemäßen Rege!systems für das Luft-Brennstoff-Verhältnis;

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das eine Abwandlung gegenüber Fig. 7 veranschaulicht;

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Fig. 9 ist eine schematische Schnittdarstellung durch das Ansaug- und Auspuffsystem einer Brennkraftmaschine mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 10 veranschaulicht eine geringfügige

Abwandlung gegenüber Fig. 9.

Eine erfindungsgemäße Rückkopplungs-Regelung wird üblicherweise für Brennkraftmaschinen verwendet, die entweder mit einem mageren oder mit einem fetten Gemisch arbeiten, obgleich das System auch innerhalb des stöchiometrischen Bereiches einsetzbar ist. Der erste Sensor für das Luft-Brennstoff-Verhältnis entspricht der in Fig. 4 und 5 dargestellten Art. Das erfindungsgemäße Regelsystem umfaßt im übrigen einen zweiten sauerstoffempfindlichen Sensor zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der eine Ausgangscharakteristik gemäß Fig, 2 aufweist und ermittelt, ob das Ausgangssignal des ersten Sensors dem geneigten Bereich der Charakteristik entspricht. Wenn beispielsweise der erste Sensor auf die erste geneigte Ausgangscharakteristik der Kirve A in Fig, ο eingestellt ist und eine Ausgangsspannung Vq. gemäß Fig. 6 liefert, kann festgestellt werden, daß die Ausgangsspannung V_Q1 am Punkt P der Kurve A abgegeben wird, indem bestätigt wird, daß der Ausgang des zweiten Sensors gleichzeitig auf niedrigem Ausgangswert liegt. Wenn der Ausgangswert des Ausgangssignals des zweiten Sensors oberhalb des Minimalwertes liegt, so muß die Ausgangsspannung V_Q1 des ersten Sensors dem Punkt Q der Kurve A zugeordnet werden.

Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit, eine Rückkopp lungsregelung des Luft-Brennstoff-Gemisches sowohl bei einem mageren als auch bei einem fetten Gemisch durchzu führen, ohne daß es zu einer Fehlbeurteilung kommen kann, indem beispielsweise angenommen wird, daß das gewünschte

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Mischungsverhältnis erreicht ist, obwohl das tatsächliche Verhältnis erheblich abweicht und in der Nähe des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses liegt.

Der zweite Sensor kann entweder ein herkömmlicher Sauerstoffsensor gemäß Fig. 1 oder ein fortentwickelter Sensor gemäß Fig. 4 und 5 sein.

Fig. 7 zeigt das erfindungsgemäße Regelsystem in Anwendung auf eine Brennkraftmaschine 80, die bei einem fetten Gemisch betrieben wird und bei der ein Mischungsverhältnis unterhalb des stöchiometrischen Wertes, beispielsweise im Bereich von 3,5 aufrechterhalten werden soll.

Die Steuervorrichtung umfaßt einen ersten sauerstoffempfindlichen Sensor 86 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, der dem Element 50 in Fig. 4 enspricht, und einen zweiten sauerstoffempfindlichen Sensor 90 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses. Beide Sensoren sind in dem Auspuffsystem der Brennkraftmaschine 80 angeordnet. Eine Regelschaltung 84 liefert ein Steuersignal an eine Brennstoffzuführeinrichtung 82, die ein Betätigungsorgan, wie etwa ein elektromagnetisches Ventil zur Veränderung des Brennstoffdurchsatzes auf direktem Wege oder durch Einleitung einer veränderlichen Menge von Hilfsluft in den Brennstoff umfaßt. Eine Stromquelle 88 liefert einen konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke an den ersten Sensor 86, so daß dieser eine geneigte Ausgangscharakteristik gemäß der Kurve B in Fig. 6 aufweist. Der zweite Sensor 90 liefert eine EIN-AüS-Charakteristik entsprechend der Kurve in Fig. 2. Wenn der zweite Sensor 90 ebenfalls ein Sensor gemäß Fig. 5 ist, wird er ebenfalls mit einem Gleichstrom aus der Stromquelle 88 versorgt,

Als ein Teil der Regelschaltung 84 ist eine Unterscheidungs- oder Trennschaltung vorgesehen, die einen Transistor 92 und Verstärker 94 und 96 einschließt. Das Ausgangssignal·

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des ersten Sensors 86 wird dem Kollektor des Transistors 92 zugeführt, während das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 an die Basis des Transistors 92 über den Verstärker 94 gelangt.
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Wenn ein im gewünschten Sinne fettes Gemisch dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine zugeführt wird, so daß die Ausgangsspannung V_n „ des ersten Sensors 86 dem Punkt R in der Kurve B der Fig. 6 entspricht, befindet sich das Ausgangssignal· des zweiten Sensors 90 auf maximaler Höhe. Folglich erlangt der Transistor 92 ein hohes Basispotential, so daß er leitend wird. Daher wird die Ausgangsspannung V_n„ des ersten Sensors 86 an den Hauptteil der Regelschaltung 84 übertragen, durch die ein geeignetes Steuersignal auf der Basis der Spannung V_n2 erzeugt wird. Wenn ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft-Brennstoff-Gemisch der Brennkraftmaschine 80 zugeführt wird, entspricht die Ausgangsspannung V_n„ des ersten Sensors 86 dem Punkt S in der Kurve B. In diesem Falle befindet sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 unterhalb der maximalen Höhe, so daß der Transistor 92 nicht leitend wird. Daher wird die Ausgangsspannung V_n^ des ersten Sensors 96 nicht dem Hauptteil der Regelschaltung 84 zugeführt. Die Regelschaltung 84 ermittelt, daß das tatsächliche Luft-Brennstoff-Verhältnis oberhaib des Zielwertes liegt und gibt einen Befehlt an die Zufuhreinrichtung 92 zur laufenden Erhöhung des Brennstoffdurchsatzes, bis der Transistor 92 leitend wird und die Übertragung des Ausgangssignals des ersten Sensors 96 an die Regelschaltung 84 wieder aufnimmt.

Fig. 8 veranschaulicht die Anwendung einer ähnlichen Rückkopplungs-Regelung auf eine Brennkraftmaschine 8OA, die mit einem mageren Gemisch läuft. Bei diesem System um- faßt die Unterscheidungs- oder Trennschaltung einen zusätzlichen Transistor 98, und der Ausgang des zweiten Sensors 90 ist mit der Basis dieses Transistors 98 ver-

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bunden. Der Kollektor des Transistors 98 ist mit der Basis des Transistors 92 verbunden, so daß eine Source-Spannung an die Basis des Transistors 92 gelangt, wenn der Transistor 98 nicht leitend ist.
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Wenn ein in gewünschter Weise mageres Gemisch im Ansaugsystem zugeführt wird, liegt die Ausgangsspannung V_n1 des ersten Sensors 86 im Punkt P der Kurve A in Fig. 6. In diesem Falle befindet'sich das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 auf einem minimal niedrigen Wert, so daß der Transistor 98 nicht leitend ist. Folglich gelangt die Source-Spannung an die Basis des Transistors 92, so daß dieser leitend wird. Dementsprechend wird die Ausgangsspannung V₀₁ des ersten Sensors 86 über den Transistor 92 an den Hauptbereich der Regelschaltung 84 übertragen. Wenn ein im wesentlichen stöchiometrisches Luft-Brennstoff -Gemisch zugeführt wird, entspricht die Ausgangsspannung V_Q1 des ersten Sensors 86 dem Punkt Q in der Kurve A, so daß das Ausgangssignal des zweiten Sensors 90 oberhalb des minimal niedrigen Wertes liegt und der Transistor 98 leitend wird. In diesem Falle wird der Transistor 92 nicht leitend und unterbricht die Übertragung der Ausgangsspannung V_n.. des ersten Sensors 86 an den Hauptbereich der Regelschaltung 84.

Die Stromquelle 88 kann einen Schalter umfassen, der dem Schalter 74 gemäß Fig. 5 entspricht und zur Umschaltung der Richtung des Stromflusses in den ersten Sensor 86 dient. Die Beziehung zwischen der Richtung des Stromflusses und der Ausgangscharakteristik des Sensors 86 wurde zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 4 bis 6 erläutert. In diesem Falle umfaßt die Regelschaltung 84 beide Trennschaltungen gemäß Fig. 7 und 8*

Die Stromquelle 88 und die Regelschaltung 84 gemäß Fig.

7 und 8 sind vorzugsweise derart aufgebaut, daß die Stromstärke, die dem ersten Sensor 86 zugeführt wird, entspre-

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chend den Betriebsbedingungen der Maschine geändert wird. Wenn beispielsweise die Maschine im Beschleunigungsbetrieb oder im vollständig gedrosselten Betrieb läuft und ein fettes Gemisch benötigt, das beispielsweise ein Mischungsverhältnis von 13,5 aufweist, sollte die Stromstärke auf etwa 10|iA erhöht werden, so daß die Stärke des Ausgangssignals des ersten Sensors 86 vergrößert wird. Wenn die Maschine ein weniger fettes Gemisch benötigt, das beispielsweise bei 14,5 liegt, beträgt eine geeignete Stromstärke etwa 5μΑ.

Fig. 9 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine Bezin-Brennkraftmaschine 100 mit einem Vergaser 102. Eine Hauptbrennstoff düse 106 am Ende eines Hauptbrennstoffkanals 108 in dem Vergaser 102 mündet in die Ansaugleitung 104 in einem Venturi-Abschnitt 110 stromaufwärts einer Drosselklappe 112, und eine Leerlaufdüse 114 am Ende eines Leerlauf-Brennstoff kanals 116 mündet in die Ansaugleitung 104 in der Nähe der Drosselklappe 112. Der Hauptbrennstoffkanal 108 ist mit einer Hauptluftdüse 118 in üblicher Weise versehen, und der Leerlauf-Brennstoffkanal 116 ist ebenfalls mit einer Hauptluftdüse 120 ausgerüstet. Eine Hilfsluftdüse 122 befindet sicu ebenfalls im Hauptbrennstoffkanal 108, und eine weitere Hilfsluftdüse 124 ist im Leerlauf-Brennstoffkanal 116 vorgesehen. Elektromagnetische Steuerventile 126 und 126¹, die vollständig geöffnet oder geschlossen werden können, sind in Verbindung mit den ILLIfsluftdüsen 122 und 124 vorgesehen, so daß der Eintritt von Luft durch diese Hilfsluftdüsen 122,124 entsprechend einem Steuersignal einer Steuereinheit 130 gesteuert werden kann.

Ein katalytischer Konverter 134 mit einem Oxidations-Katalysator befindet sich in dem Auspuffsystem 132 der Brennkraftmaschine 100. Stromaufwärts des katalytischer! Kon verters 134 ist ein erster sauerstoffempfindlicher Sen sor 136 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses

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in dem Auspuffkanal vorgesehen. In dessen Nähe befindet sich ein weiterer sauerstoffempfindlicher Sensor 138 zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses, Der erste Sensor 136 entspricht der Darstellung der Figuren 4 und 5. Die Steuereinheit 130 liefert einen konstanten Gleichstrom geeigneter Stärke an den Sensor 136. Der Strom fließt in einer derartigen Richtung, daß der Sensor 136 eine geneigte Kennlinie gemäß der Kurve A in Fig. 6 aufweist. Der zweite Sensor 138 weist eine Kennlinie gemäß Fig. 2 auf. Wenn der zweite Sensor 138 ähnlich aufgebaut ist wie der erste Sensor 136, führt die Steuereinheit 130 auch dem zweiten Sensor einen Gleichstrom zu, der stärker als der Gleichstrom des ersten Sensors 136 ist, so daß der zweite Sensor 138 eine EIN-AüS-Charakteristik aufweist.

Die Steuereinheit 130 nimmt die AusgangsSignaIe des ersten Sensors 136 und des zweiten Sensors 138 auf und erzeugt im wesentlichen auf der Basis des Ausgangssignals des ersten Sensors 136 ein Steuersignal zur Steuerung des Verhältnisses des geschlossenen und offenen Zustandes der elektromagnetischen Ventile 126 und 126', so daß ein vorgegebenes Luft-Brennstoff-Mischungsverhältnis erreicht werden kann. In diesem Falle liegt der Zielwert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses bei etwa 16,5, und zwar in erster Linie unter Berücksichtigung der Wirksamkeit des Oxidations-Katalysators in dem Konverter 134. Die Steuereinheit 130 steuert die elektromagnetischen Ventile 126 und 126" und läßt eine erhöhte Luftmenge ein, während die Ausgangsspannung des ersten Sensors 136 oberhalb einer Vergleichsspannung liegt, die in diesem Falle etwa 0,55V entsprechend der Spannung V_n1 in Fig. 6 beträgt. Eine verringerte Luftmenge wird eingelassen, wenn das Ausgangssignal· des ersten Sensors 136 unter dieser Vergleichsspannung liegt. Die Steuereinheit 130 umfaßt eine Unterscheidungs- oder Trennschaltung gemäß Fig, 8, durch die stets sichergestellt wird, daß die Bedeutung des Ausgangssignals des ersten Sensors 136 unter Verwendung

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des Ausgangssignals des zweiten Sensors 138 richtig erkannt wird.

Da ein Gaskanal beträchtlicher Länge zwischen dem Vergaser 102 und dem Sensor 136 liegt, in dem sich die Brennkammern der Brennkraftmaschine 100 befinden, und da der Sensor 136 zudem eine gewisse Ansprechzeit aufweist, ist es unvermeidlich, daß die Korrektur des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit Zeitverzögerung gegenüber der Erzeugung des Steuersignals durch die Steuereinheit 130 erreicht wird. Die Länge dieser Zeitverzögerung unterscheidet sich nicht wesentlich, wenn der Sensor 136 einerseits eine geneigte Ausgangskennlinie oder andererseits eine herkömmliche EIN-AUS-Charakteristik aufweist und liegt üblicherweise bei 200-300 ms bis zu höchstens 900 ms. Wegen dieser Zeitverzögerung im Ansprechen des Steuersystems kann das Luft-Brennstoff-Verhältnis bei Rückkopplungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht exakt auf dem Zielwert von 16,5 gehalten werden. Das Luft-Brennstoff-Verhältnis ändert sich weiterhin um den Zielwert herum nach oben und unten, und die maximale Fluktuationsbreite beträgt etwa - 0,25. Bei Kraftfahrzeugen mit einem katalytischen Konverter, der einen Oxidations-Katalysator einschließt, ergibt sich eine aus-5 reichende Reinigungswirkung für die Auspuffgase insoweit, als Fehler in der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von 16,5 im Bereich von 0,5 liegt. Daher kann die Genauigkeit der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durch die Erfindung wesentlich verbessert werden.

Bei heutigen Kraftfahrzeugen ist es vielfach üblich, die Abgabe von NOx durch Rückleitung eines Teils der Auspuffgase zur Saugseite zu verringern, während die Abgabe von CO und HC mit Hilfe eines Oxidations-Katalysators oder thermischen Reaktors verringert wird. Zur Erzielung einer möglichst hohen Rückleitungsmenge der Auspuffgase unter Beibehaltung eines stabilen Maschinenbetriebs ist es

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zweckmäßig, der Maschine ein fettes Gemisch zuzuführen. Zur Erhaltung einer hohen Wirksamkeit des Katalysators oder des Reaktors besteht die Notwendigkeit, Luft in die Auspuffgase mit Hilfe einer sekundären Luftzufuhreinrichtung einzuleiten, die in Fig. 9 mit 140 bezeichnet ist. Dadurch wird das Gesamtverhältnis des Luft-Brennstoff-Gemisches, d.h. das Gewichtsverhältnis der Summe der in dem fetten Gemisch enthaltenen Luft und der Sekundärluft zu dem Brennstoff in dem fetten Gemisch auf etwa 16,5 eingestellt. Wenn ein hoher Anteil des Auspuffgases zurückgeführt wird und Sekundärluft den Auspuffgasen zugeführt wird, liegt ein geeigneter Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines fetten Gemisches bei etwa 13,5 im Falle der Verwendung eines Oxidations-Katalysators und bei etwa 12,5 im Falle eines thermischen Reaktors. Obgleich der Vergaser 102 eingestellt ist auf ein Luft-Brennstoff-Verhältnis von 13,5 oder 12,5, ist das Steuersystem der Fig. 9 derart ausgelegt, daß die erwähnte Steuerung auf einen Zielwert von 16,5 erfolgt _e sofern Sekundärluft zugeführt wird. Es wird daher die geneigte Kennlinie des ersten Sensors 136 gemäß der Kurve A in Fig. 6 verwendet. In diesem Falle wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis nicht genau auf 13,5 oder 12,5 eingeregelt, jedoch kann die Zusammensetzung der Auspuffgase, die in den katalytischen Konverter 134 oder einen alternativen thermischen Reaktor eintreten, im gewünschten Sinne gesteuert werden.

Fig. 10 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Systems der Fig. 9 mit einer Zufuhr von Sekundärluft zu den Auspuffgasen. In diesem Falle ist eine Luftzufuhreinrichtung 140A derart angeordnet, daß sie Luft in das Auspuff system 132 in einem Bereich stromabwärts der Sensoren 136 und 138, jedoch stromaufwärts des katalytischen Konverters 134 einleitet. Die Brennkraftmaschine 100 wird mit einem fetten Gemisch beschickt, dessen -Luft-Brennstoff-Verhältnis bei 13,5 liegen soll. Auspuffgase werden

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zur Saugseite zurückgeführt, und das Steuersystem ist darauf eingerichtet, ein Luft-Brennstoff-Verhältnis von 13,5 zu verwirklichen. Daher weist der erste Sensor 136 die geneigte Kennlinie der Kurve B in Fig. 6 auf. Die Luftzufuhreinrichtung 140A wird derart eingestellt, daß das erwähnte Gesamtverhältnis des Luft-Brennstoff-Gemisches etwa 16,5 beträgt. Daher ist die Wirkung der Luft-Brennstoff -Steuerung der Ausführungsform der Fig. 10 in bezug auf den katalytischen Konverter 134 ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9, jedoch wird es ermöglicht, das Luft-Brennstoff-Verhältnis eines der Maschine zugeführten fetten Gemisches exakt abzutasten.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, eine genaue Rückkopplungsregelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses durchzuführen, und zwar auch und insbesondere bei Zufuhr eines fetten oder mageren Gemisches, so daß die Wirksamkeit von Oxidations-Katalysatoren und thermischen Reaktoren zur Auspuffgasreinigung beträchtlich erhöht werden kann. Im übrigen bietet die Erfindung eine Verbesserung des thermischen und mechanischen Wirkungsgrades der Maschine, da mit magerem Gemisch laufende Maschinen im allgemeinen einen hohen thermischen w ^iungsgrad und mit fettem Gemisch laufende Maschinen einen hohen mechanischen Wirkungsgrad aufweisen.

Die Erfindung ist sowohl auf Benzin- als auch auf Diesel-Brennkraftmaschinen anwendbar. Im übrigen ist eine Anwendung möglich auf weiterentwickelte Brennkraftmaschinen, die mit magerem Gemisch laufen und deren Brennkammern jeweils eine Zündvorkammer aufweisen, im übrigen auf Brennkraftmaschinen, deren Brennkammern zwei Zündkerzen enthalten und eine sehr rasche Auspuffgasrückführung unter Verwendung eines leicht fetten Gemisches zur Aufrechter haltung guter Laufeigenschaften aufweisen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit bieten Maschinen mit katalytischem Konverter, die einen Dreiwege-Katalysator einschließen,

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Maschinen mit einem Höhenausglexchssystem sowie elektronisch gesteuerte Maschinen mit einem Mikrocomputer zur erheblichen Veränderung der Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine. In allen genannten Fällen kann die Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses mit verbesserter Genauigkeit erfolgen.

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Claims

PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandatalres agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

Dipl.-lng. F. E. Müller ~. . ..,

Triftstrasse 4, S.ekerwall 7,

D-8000 MÖNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

G060-80 _„. .

st/ri 2 3. Juni 1980

NISSAN MOTOR CO., LTD.

No. 2, Takara-cho, Kanagawa-ku,

Yokohama City, Japan

Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine

PRIORITÄT: 22. Juni 1979, Japan, No. 54-78697

PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zur Rückkopplungs-Regelung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Gemisches, mit einer elektrisch steuerbaren Brennstoffzuführeinrichtung zum Zuführen von Brennstoff in den Ansaugkanal der Maschine, gekennzeic hn e t durch einen ersten sauerstoffempfindlichen Sensor (50,86,136) zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Auspuffkanal der Brennkraftmaschine mit einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht (54) und zwei Elektrodenschichten (56,58) auf der Festelektrolyt-

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schicht , eine Stromquelle (88,130) zur Einleitung eines konstanten Gleichstroms vorgegebener Stärke durch die Festelektrolytschicht des ersten Sensors zwischen den beiden Elektrodenschichten, einen zweiten sauerstoffempfindlichen Sensor (90,138) zur Abtastung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses in dem Auspuffsystem in der Nähe des ersten Sensors, welcher zweite Sensor eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht (12,54) und zwei Elektrodenschichten (14,16,56,58) auf der Festelektrolytschicht aufweist, und eine Regeleinrichtung (84,130) zur Lieferung eines Steuersignals an die Brennstoffzuführeinrichtung (82, 102) unter Verwendung des Ausgangssignals des ersten Sensors als Rückkopplungssignal zur Korrektur von Abweichungen des Luft-Brennstoff-Verhältnisses von einem vorgegebenen Wert, welche Regeleinrichtung eine Trennschaltung (92,98) zur Unterscheidung des Rückkopplungssignals des ersten Sensors mit Hilfe des Signals des zweiten Sensors umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Festelektrolytschicht (54) des ersten Sensors (50,86,136) eine mikroskopisch poröse Schicht auf einem im wesentlichen flachen Substrat (52) ist, daß die erste Elektrodenschicht (56) eine mikroskopisch poröse dünne Schicht auf der äußeren Seite der Festelektrolytschicht und die zweite Elektrodenschicht (58) eine dünne Schicht auf der inneren Seite der Festelektrolytschicht ist, und daß die zweite Elektrodenschicht makroskopisch vollständig von der Umgebungsatmosphäre durch das Substrat und die Festelektrolytschicht abgeschirmt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Stromrichtung in der Fest- elektrolytschicht (54) des ersten Sensors (50,86,136) zwischen der ersten Elektrodenschicht (56) und der zweiten Elektrodenschicht (58) umkehrbar und bei einem gewünschten

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Luft-Brennstoff-Verhältnis über dem stöchiometrischen Wert derart einstellbar ist, daß der Strom von der ersten Elektrodenschicht (50) zu der zweiten Elektrodenschicht (58) fließt und bei einem vorgegebenen Luft-Brennstoff-Verhältnis über dem stöchiometrischen Wert das Ausgangssignal des Sensors bei Änderungen des Gemxschverhältnisses oberhalb des stöchiometrischen Wertes eine geneigte Kennlinie aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrichtung des Gleichstromes in der Festelektrolytschicht (54) des ersten Sensors (50,86,136) umkehrbar und auf eine Richtung von der zweiten Elektrodenschicht (58) zu der ersten Elektrodenschicht (56) einstellbar ist, wenn das vorgegebene Luft-Brennstoff-Verhältnis unter dem stöchiometrischen Wert liegt, so daß der Sensor bei Änderungen des Mischungsverhältnisses unterhalb des stöchiometrischen Wertes eine geneigte Kennlinie aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektrodenschichten (14,16) des zweiten Sensors (90,138) mikroskopisch poröse Schichten auf beiden Seiten der Festelektrolytschicht (12) sind und daß die eine Elektrodenschicht (14) gegenüber den Auspuffgasen isoliert und der Atmosphäre ausgesetzt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e -

kennzeichnet, daß der zweite Sensor (90,138) im wesentlichen entsprechend dem ersten Sensor aufgebaut und mit der Stromquelle (88,130) derart verbunden ist, daß ein Gleichstrom durch die Festelektrolytschicht (54) zwi schen den Elektrodenschichten (56_f58) strömt, dessen Stromstärke größer als diejenige des Stromes des ersten Sensors ist.

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7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennze ichnet, daß die Trennschaltung einen spannungsempfindlichen Schalter (92,98) zur Unterbrechung der Übertragung des Ausgangssignals des ersten Sensors (86) bei Abweichung des Ausgangssignals des zweiten Sensors von einem der vorgegebenen Maximal- oder Minimalwerte aufweist.

8- Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η — zeichnet, daß die Umschalteinrichtung einen Transistor (92,98) umfaßt, dessen Basis das Ausgangssignal des zweiten Sensors aufnimmt.

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