DE69118739T2

DE69118739T2 - Detektionsvorrichtung für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis

Info

Publication number: DE69118739T2
Application number: DE69118739T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Danno; Tetsuro Ishida; Nobuaki Murakami
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1990-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2011-03-01
Also published as: EP0444674B1; EP0444674A2; US5231864A; DE69118739D1; EP0444674A3

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung

1. Technischer Bereich der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Detektionsvorrichtung für das Luft- Kraftstoff-Verhältnis, die als ein linearer A/F (Luft-Kraftstoff-Verhältnis)-Sensor zum Detektieren bzw. Fühlen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bekannt ist, und insbesondere auf eine Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, um genau ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis für eine Luft-Kraftstoff- Mischung zu erfassen, die einer Verbrennungsvorrichtung, wie etwa einer Intern- Verbrennungsmaschine, zugeführt wird.

2. Stand der Technik:

Es ist ein linearer A/F-Sensor vorgeschlagen worden, der die Sauerstoffkonzentrationszellen-Fähigkeit und die Sauerstoffionen-Förderfähigkeit von Zirkonerde bzw. Zirkondioxid verwendet, um zu erfassen, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem ärmeren oder einem angereicherteren Bereich eines stöchiometrischen Verhältnisses ist, und um auch den Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu erfassen (siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.63(1988)-36140). Luft-Kraftstoff-Detektorvorrichtungen werden in der GB-A-2, 193,327 und der EP-A-0 136 144 offenbart.
Ein üblicher linearer A/S-Sensor wird unten unter Bezugnahme auf die Figuren 13 bis 16 der beigeschlossenen Darstellungen beschrieben.
Die Figur 13 zeigt einen linearen A/S-Sensor, der eine Sensorzelle 20 und eine Pumpzelle 21 umfaßt, die voneinander gelöst gezeigt sind, und jeweils eine stabilisierte Zirkondioxideinrichtung aufweisen. Die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 sind miteinander über eine Isolationsschicht 22 verbunden. Die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 weisen jeweilige Diffusionslöcher 23, 24 auf, die darin definiert sind, um durch diese Abgase hindurchzuführen, während deren Geschwindigkeit gesteuert wird. Die Isolationsschicht 22 weist einen Detektionsraum 25 auf, der darin festgelegt ist, in den Abgase durch die Diffusionslöcher 23, 24 mittels der Sensorzellen 20 und der Pumpzelle 21 hineingeleitet werden können. Der Detektionsraum bzw. -hohlraum 25 dient als ein Teil zur Steuerung der Geschwindigkeit, bei der die Abgase diffundiert werden. Die Isolationsschicht 22 weist auch eine Bezugskammer 25a auf, die unterhalb des Detektionsraumes 25 dazu beabstandet angeordnet ist, wobei die Bezugskammer 25a zwischen der Sensorzelle 20 und der Pumpzelle 21 festgelegt ist. Ein Bezugsgas, wie etwa atmosphärische Luft, wird in die Bezugskammer 25a durch ein Anschlußloch (nicht dargestellt) eingeleitet.
Wie in Figur 14 gezeigt, weist die Sensorzelle 20 porige bzw. poröse Elektroden 26, 27 aus Platin auf, und die Pumpzelle 21 weist porige bzw. poröse Elektroden 28, 29 aus Platin auf. Der lineare A/S-Sensor umfaßt auch ein elektrisches Heizelement 30, um sich selbst zu einem Temperaturbereich, z.B. 800 ± 100 ºC aufzuheizen, indem die Zellen 20, 21 ohne Fehler betrieben werden können.
Die Sensorzelle 20 arbeitet als ein üblicher O&sub2;-Sensor zur Entwicklung einer elektromotorischen Kraft, die von dem Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen den Elektroden 26, 27 abhängt. Die Pumpzelle 21 dient dazu, Sauerstoff von einer negativen Elektrode zu einer positiven Elektrode zu pumpen bzw. zu fördern, wenn ein elektrischer Strom (Pumpstrom Ip) dazu veranlaßt wird, zwischen den Elektroden 28, 29 zu fließen.
Eine Steuerung 31 erfaßt eine elektromotorische Kraft Vs, die durch die Sensorzelle 20 aufgebracht wird, und steuert auch den Pumpstrom Ip über eine Rückkopplungsschleife, um die Pumpzelle 21 zu erregen, um eine Sauerstoffkonzentration entsprechend einem stöchiometrischen Verhältnis des Raumes bzw. Hohlraumes 25 oder der Diffusionslöcher 23, 24 beizubehalten. Da der Pumpstrom bzw. Förderström Ip kontinuierlich im Hinblick auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis variiert, wie in Figur 15 gezeigt ist, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Pumpstrom Ip berechnet werden.
Im einzelnen enthält die Steuerung 31 eine Vergleichseinrichtung 1 und einen integrierten Verstärker 2 mit positiven und negativen Energiezufuhren. Die Vergleichseinrichtung 1 vergleicht die elektromotorische Kraft Vs und eine Bezugsspannung Vref, die dem stöchiometrischen Verhältnis entspricht. Das Ausgangssignal von der Vergleichseinrichtung wird durch den Integrationsverstärker 2 integriert, dessen integrales Ausgangssignal als der Pumpstrom Ip an die Pumpzelle 21 über einen Widerstand 5 angelegt wird.
Zu dieser Zeit wird ein Spannungsabfall über den Widerstand 5 durch den Stromdetektor 3 erfaßt, der ein Spannungssignal erzeugt, das dem Pumpstrom entspricht. Deshalb wird der Pumpstrom indirekt durch den Stromdetektor 3 erfaßt. Das Ausgangssignal des Stromdetektors 3 wird an eine Hochstellschaltung 4 angelegt, die dann ein Ausgangssignal Vout in dem Bereich von 0 bis 5 V erzeugt, wie sie gemäß der folgenden Gleichung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis darstellt:
Vout = G Ip + Vstp ...(1)
wobei G die Strom-zu-Spannung Umricht- bzw. Umwandlungs-Verstärkung eines Strom-zu-Spannungswandlers ist, der aus dem Widerstand 5 und dem Stromdetektor 3 zusammengesetzt ist, und Vstp eine Hochsetzspannung in dem Bereich von 0 bis 5 V ist.
Bei dem üblichen linearen A/S-Sensor wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Abhängigkeit zu dem Pump- bzw. Förderström Ip erfaßt, der unter der Rückkopplungssteuerung erzeugt wird. Deshalb ist das erfaßte Luft-Kraftstoff-Verhältnis Fehlern der Rückkopplungs-Steuerschaltungsanordnung unterworfen, wie etwa einer Fluktuation bzw. Änderung der Bezugsspannung Vref, einem Fehler in dem Integrationsverstarker 2, einem Fehler der Hochstufschaltung 4 oder dergleichen. Das erfaßte Luft- Kraftstoff-Verhältnis ist weniger genau als ein stöchiometrisches Verhältnis, das allein auf der Grundlage einer elektromotorischen Kraft erfaßt würde, die von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration abhängt.
Emissionssteuersysteme für Kraftfahrzeuge mit einem katalytischen Drei-Wege-Umwandler sind erforderlich, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines Bereichs oder Fensters zu steuern, das nahe bei einem stöchiometrischen Verhältnis liegt. Deshalb ist es wichtig, das stöchiometrische Verhältnis mit hoher Genauigkeit zu erfassen, weil der katalytische Drei-Wege-Umwandler eine gut ausgewogene Reinigung von toxischen Abgasen mit einer hohen Reinigungseffizienz in der Umgebung des stöchiometrischen Verhältnisses erzielen kann, wie in Figur 9 gezeigt ist.
Der übliche lineare A/S-Sensor des oben beschriebenen Typs wird in einigen Emissions-Steuersystemen für Kraftfahrzeuge zur Reinigung von Abgasen im Hinblick auf einen weiten Bereich von Luft-Kraftstoff-Verhältnissen eingesetzt. Unter bestimmten Motorbetriebsbedingungen sind solche Emissionssteuersysteme für Kraftfahrzeuge erforderlich, um ein Verfahren zur stöchiometrischen Verhältnis-Rückkopplungssteuerung zu beeinflussen, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines niedrigen Bereiches oder Fensters zu halten. Falls das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Fenster herausfällt, würde der katalytische Drei-Wege-Umwandler dabei fehlgehen, die Abgase mit hoher Wirksamkeit zu reinigen. Um einen solchen Rückschritt durch Verringerung von Fehlern in dem Rückkopplungs-Steuersystem in dem linearen A/S- Sensor, der in Figur 14 gezeigt ist, zu vermeiden, wird der Spannungsabfall über den Widerstand 5 einem Strominversionsdetektor 6 zugeführt, um die Richtung zu erfassen, in der der Pump- bzw. Förderstrom Ip fließt. Ein stöchiometrisches Verhältnissignal Vstc, das durch den Strominversionsdetektor 6 erzeugt wird, zeigt folglich die Richtung des Pump- bzw. Förderstroms Ip an.
Im einzelnen ist der Pumpstrom Ip, wie in Figur 15 gezeigt, positiv, falls das Luft- Kraftstoff-Verhältnis auf der linearen Seite des stöchiometrischen Verhältnisses ist, und negativ, falls das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der reicheren bzw. angereicherten Seite des stöchiometrischen Verhältnisses ist. Der Pumpstrom Ip, wie er folglich invertiert wird, wird durch den Strominversionsdetektor 6 als ein stöchiometrisches Verhältnissignal Vstc erfaßt, das zwischen hohen und niedrigen Pegeln bei dem stöchiometrischen Verhältnis hin- und herschaltet. Da das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc keinen Fehler der Verstärkung G und keinen Fehler der Hochsetzspannung Vstp enthält, kann das stöchiometrische Verhältnis hochgenau erfaßt werden.
Jedoch enthält das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc, das von dem Strominversionsdetektor 6 erzeugt wird, immer noch andere Fehler des Rückkopplungssteuersystems, z.B. einen Fehler der Bezugsspannung Vref und einen Fehler des Integrationsverstärkers 2. Insoweit wie die Bestandteile des Rückkopplungssteuersystems Alterungsfehlern unterworfen sind, läßt sich die Genauigkeit, mit der das stochiometrische Verhältnis erfaßt wird, verbessern. Zusätzlich weist der Pumpstrom Ip, auf dessen Grundlage das stöchiometrische Verhältnis erfaßt wird, eine durch die Steuerung 31 verursachte Zeitverzögerung auf, mit dem Ergebnis, daß das Verfahren für die stöchiometrische Verhältnis-Rückkopplungssteuerung auf der Grundlage des Pumpstromes Ip in seiner Reaktion relativ langsam ist.
Verschiedene Kraftfahrzeugtypen sind durch verschiedene Verhältnisse bzw. Ausmaße und Mengen bzw. Größen von Abgasbestandteilen an dem Eingang des katalytischen Drei-Wege-Umwandlers gekennzeichnet. Ferner weisen verschiedene Katalysatortypen leicht unterschiedliche Abgasreinigungscharakteristiken auf, die verschiedene Luft-Kraftstoff-Verhältnisse ergeben, um hohe Reinigungseffizienzen von katalytischen Drei-Wege-Umwandlern zu erzielen. Im Hinblick auf diese Probleme hat es einen Bedarf nach einem System gegeben, um eine Feineinstellung für ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu bewirken, um die Reinigungseffizienz eines katalytischen Drei-Wege-Umwandlers bei einem hohen Niveau zu steuern.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Detektieren eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zur Verfügung zu stellen, die ein stöchiometrisches Verhältnis mit hoher Genauigkeit erfassen kann, um ein gesteigertes Steueransprechen für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzielen, und die auch eine Feineinstellung eines Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durchführen kann.
Gemaß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur Verfügung gestellt, die einen Sensor, der eine erste Detektionsoberfläche hat, die eine Detektionskammer bestimmt, um eine Abgasatmosphäre die bei einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff- Gemisches erzeugt worden ist, durch ein Diffusionsloch einzuleiten, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das von der Konzentration von Sauerstoff in einem Gas in der Detektionskammer abhängt, eine Sauerstoffionenleitungs-Pumpzelle, die eine zweite Detektionskammeroberfläche hat, die die Detektionskammer festlegt, eine Abgasoberfläche, um gegenüber der Abgasatmosphäre freigelegt zu sein, und Elektroden, die jeweils auf der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche aufgebaut sind, um zwangsläufig Sauerstoffionen zwischen der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche in Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal zu bewegen, das zwischen den Elektroden angelegt ist, und um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, die von dem Unterschied zwischen der Konzentration von Sauerstoff in dem Gas in der Detektionskammer und der Konzentration von Sauerstoff in der Abgasatmosphäre abhängt, Steuermittel, um das elektrische Steuersignal zwischen den Elektroden anzulegen, um das Gas in der Detektionskammer dazu zu veranlassen, ein nahezu stöchiometrisches Verhältnis in Reaktion auf das elektrische Signal von dem Sensor anzuzeigen, erste Detektionsmittel, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal entsprechend der Konzentration von Sauerstoff in der Abgasatmosphäre auf der Grundlage der Größe des elektrischen Steuersignals zu erzeugen, und zweite Detektionsmittel aufweist, um eine Spannung zwischen den Elektroden zu erfassen und ein detektiertes Ausgangssignal zu erzeugen, falls die Abgasatmosphäre ein stöchiometrisches Verhältnis anzeigt.
Jede der Elektroden ist porig bzw. porös und aus Platin hergestellt. Die Pumpzelle ist aus Zirkonerde bzw. Zirkondioxid hergestellt. Die Sauerstoffionenleitungs-Pumpzelle wird mittels einer elektrischen Heizeinrichtung geheizt.
Der Sensor weist eine Sauerstoffionenleitungs-Sensorzelle auf, wobei die Sensorzelle eine Bezugskammeroberfläche hat die eine Bezugskammer festlegt, um mit einem Bezugsgas gefüllt zu werden, das ein Luftüberschußverhältnis hat, die hinreichend weit von 1 entfernt ist, wobei die Sensorzelle auch ein Paar Sensorelektroden auf weist, die auf der Bezugskammeroberfläche bzw. der ersten Detektionskammeroberfläche aufgebaut sind, wobei das elektrische Signal als eine Potentialdifferenz zwischen den Sensorelektroden erzeugt wird.
Die Bezugskammer kann an die Atmosphäre entlüftet sein, wobei das Bezugsgas ein atmosphärisches Gas ist. Alternativ kann die Bezugskammer von der Atmosphäre getrennt sein, wobei die Anordnung so ist, daß dem Sensor ein elektrischer Strom über die Sensorelektroden zugeführt wird und von der Detektionskammer der Bezugskammer Sauerstoff zugeführt wird, um das Bezugsgas übermäßig arm bzw. gasarm beizubehalten. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt nach der vorliegenden Erfindung wird eine Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zur Verfügung gestellt, die aufweist: Einen Sensor, der eine erste Detektionsoberfläche hat, die eine Detektionskammer festlegt, um eine Abgasatmosphäre, die bei einer Verbrennung einer Luft-Kraftstoff-Mischung erzeugt worden ist, durch ein Diffusionsloch einzuführen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das von der Sauerstoffkonzentration in einem Gas in der Detektionskammer abhängt, eine Sauerstoffionenleitungs-Pumpzelle, die einer erste Detektionskammeroberfläche hat, die die Detektionskammer festlegt, eine Abgasoberfläche zum Freilegen zu der Abgasatmosphäre, und Elektroden, die jeweils auf der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche aufgebaut sind, um zwangsläufig Sauerstoffionen zwischen der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche in Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal zu bewegen, das zwischen den Elektroden angelegt wird, und um eine elektromotorische Kraft zu erzeugen, die von dem Unterschied zwischen der Sauerstoffkonzentration in dem Gas in der Detektionskammer und der Konzentration von Sauerstoff in der Abgasatmosphäre abhängt, Steuermittel, um das elektrische Steuersignal zwischen den Elektroden anzulegen, um das Gas in der Detektionskammer dazu zu veranlassen, ein nahezu stochiometrisches Verhältnis in Reaktion auf ein elektrisches Signal von dem Sensor anzuzeigen, erste Detektionsmittel, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal zu erzeugen, das der Sauerstoffkonzentration in der Abgasatmosphäre auf der Grundlage der Größenordnung des elektronischen Steuersignals entspricht, zweite Detektionsmittel, um eine Spannung zwischen den Elektroden und einem Schwellwert, der nahe einem stöchiometrischen Verhältnis ist, zu vergleichen, und um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das das Vergleichsergebnis darstellt, und Einstellmittel für den Schwellwert, um den Schwellwert variabel einzustellen.
Die Einstellmittel für den Schwellwert weisen Mittel zum Einrichten mehrerer Schwellwerte abhängig von den Betriebsbedingungen eines Motors auf, mit dem die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis verbunden ist.
Die Betriebsbedingung entspricht einem Steuerparameter, der entweder die Umdrehungsgeschwindigkeit bzw. -zahl des Motors oder die Belastung bzw. Last des Motors anzeigt.
In der Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind die Sensorzelle und die Pumpzelle grundsätzlich ein O&sub2;-Sensor, die jedoch verschiedene Bezugsgase einsetzen. Deshalb kann die Pumpzelle auch eine elektromotorische Kraft erzeugen, die von einem Unterschied der Sauerstoffkonzentration abhängt. Die Pumpzelle erzeugt eine derartige elektromotorische Kraft, die von dem Unterschied zwischen den Sauerstoff konzentrationen in dem Gas in der Detektionskammer und der Abgasatmosphäre abhängt. Eine Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen der Pumpzelle, der ein Pumpstrom von dem Steuermittel zugeführt wird, schnellt um ungefähr 0,5 V hinauf und verändert sich folglich bei einem stöchiometrischen Verhältnis, wenn sie durch die elektromotorische Kraft beeinträchtigt bzw. beeinflußt wird.
Deshalb wird das stöchiometrische Verhältnis erfaßt, indem die elektromotorische Kraft in Abhängigkeit von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration auf der Grundlage der Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen der Pumpzelle erfaßt wird. Folglich kann das stöchiometrische Verhältnis genau mit einem guten Ansprechen berechnet werden, ohne durch Fehler und Zeitverzögerungen eines Steuersystems, das an die Sensorzelle angeschlossen ist, in beeinträchtigender Weise beeinflußt zu werden.
Die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist auch dazu in der Lage, ein stöchiometrisches Verhältnis zu berechnen, ohne durch Fehler und Zeitverzögerungen des Steuersystems beeinträchtigt zu werden. Zusätzlich kann, da der Schwellwert durch die Einstellmittel für einen Schwellwert erhöht oder verringert werden kann, ein optimaler Schwellwert in Abhängigkeit zu der Art des verwendeten Katalysators eingesetzt werden, um die Feineinstellung für ein zutreffendes stöchiometrisches Sollverhältnis zu bewirken.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlicher, falls diese in Verbindung mit den beigefügten Darstellungen vorgenommen wird, in der bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Wege von illustrativen Beispielen gezeigt sind.

Kurzbeschreibung der Darstellungen

Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, teilweise in einer Blockform;
Figuren 2(a) und 2(b) sind Diagramme, die Signalwellenformen zeigen, die für den Betrieb der in Figur 1 gezeigten Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff- Verhältnis illustrativ sind;
Figur 3 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Detektionseinrichtung in der Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die in Figur 1 gezeigt ist;
Figur 4 ist ein Blockdiagramm einer anderen zweiten Detektionseinrichtung;
Figuren 5(a) und 5(b) sind Diagramme, die Signalwellenformen zeigen, die für den Betrieb der zweiten in Figur 4 gezeigten Detektionseinrichtung illustrativ sind;
Figur 6 ist ein Blockdiagramm einer noch anderen zweiten Detektionseinrichtung;
Figuren 7(a) und 7(b) sind Diagramme, die Signalwellenformen zeigen, die für den Betrieb der zweiten in Figur 6 gezeigten Detektionseinrichtung illustrativ sind;
Figur 8 ist eine schematische Ansicht einer Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Gemisch gemäß einer anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung in einer teilweisen Blockform;
Figur 9 ist ein Diagramm, das Reinigungscharakteristiken eines katalytischen Drei-Wege-Umwandlers zeigt;
Figur 10 ist ein Diagramm, das eine Koordinatenkarte von Schwellwerten zeigt;
Figur 11(a) ist ein Flußdiagramm eines Programms zum Einstellen eines Vstc- Schwellenwerts;
Figur 11(b) ist ein Flußdiagramm eines Programms zum Berechnen eines korrigierten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses;
Figur 12 ist ein Flußdiagramm eines Programms zum Berechnen einer Kraftstoff-Einspritzrate;
Figur 13 ist eine perspektivische Expiosionsansicht einer Sensoranordnung einer üblichen Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis;
Figur 14 ist eine schematische Ansicht einer üblichen in Figur 13 gezeigten Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis teilweise in einer Blockform;
Figur 15 ist ein Blockdiagramm, das das Verhältnis zwischen dem Pumpstrom und einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeigt; und
Figur 16 ist ein Diagramm, das ein stöchiometrisches Verhältnissignal zeigt. dessen Pegel von der Richtung des Pumpstroms abhängt.

Eingehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Gleiche oder entsprechende Teile sind über die Ansichten mit gleichen oder entsprechenden Bezugszeichen benannt.
Die Figur 1 zeigt eine Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Figur 1 gezeigte Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis enthält Bestandteile, die mit einigen der Bestandteile der üblichen in Figur 14 gezeigten Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis enthält. Jedoch hat, wie später beschrieben wird, die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung nicht den Strominversionsdetektor 6, sondern einem Pumpspannungsdetektor 7.
Wie in Figur 1 gezeigt, enthält die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eine Sensorzelle 20 und eine Pumpzelle 21, die miteinander über eine Isolationsschicht 22 verbunden sind und jeweils eine stabilisierte Zirkoniumoxid-Einrichtung aufweisen. Die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 haben jeweilige Diffusionslöcher 23, 24, die darin festgelegt sind, um dahindurch Abgase hindurchzuleiten, während deren Geschwindigkeit gesteuert wird. Die Isolationsschicht 22 weist einen darin festgelegten Detektionsraum 25 auf, indem Abgase durch die Diffusionslöcher 23, 24 durch die Sensorzelle 20 und die Pumpzelle 21 eingeleitet werden können. Der Detektionsraum 25 dient als ein Teil zum Steuern der Geschwindigkeit, bei der das Abgas diffundiert wird. Die Isolationsschicht 22 weist auch eine Bezugskammer 25a auf, die unterhalb des Detektionsraumes 25 dazu beabstandet angeordnet ist, wobei die Bezugskammer 25a zwischen der Sensorzelle und der Pumpzelle 21 festgelegt ist. Ein Bezugsgas, wie etwa atmosphärische Luft, wird in die Bezugskammer 25a durch ein Verbindungsloch (nicht gezeigt) eingeleitet.
Die Sensorzelle 20 weist porige bzw. poröse Elektroden 26, 27 aus Platin auf und die Pumpzelle 21 hat poröse bzw. porige Elektroden 28, 29 aus Platin. Der lineare A/S-Sensor weist auch eine elektrische Heizeinrichtung 30 auf, um sich selbst bis in einen Temperaturbereich, beispielsweise 800 ± 100 ºC, aufzuheizen, indem die Zellen 20, 21 ohne Fehler arbeiten können.
Die Sensorzelle 20 arbeitet als ein O&sub2;-Sensor, um eine elektromotorische Kraft aufzubringen, die von dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration zwischen den Elektroden 26, 27 abhängt. Die Pumpzelle 21 dient dazu, Sauerstoff von einer negativen Elektrode zu einer positiven Elektrode zu fördern bzw. zu pumpen, wenn ein elektrischer Strom (Pumpstrom Ip) dazu veranlaßt wird, zwischen den Elektroden 28, 29 zu fließen.
Eine Steuereinrichtung 31 erfaßt eine elektromotorische Kraft Vs, die durch die Sensorzelle 20 über die Elektroden 26, 27 aufgebracht wird, und steuert auch den Pumpstrom Ip über eine Rückkopplungsschleife, um die Pumpzelle 21 zu erregen, um eine Sauerstoffkonzentration beizubehalten, die einem stöchiometrischen Verhältnis in dem Raum 25 oder den Diffusionslöchern 23, 24 entspricht. Die Steuereinrichtung 31 enthält eine Vergleichseinrichtung 1 und einen Integrationsverstärker 2 mit positiven und negativen Energiezuführungen. Die Vergleichseinrichtung bzw. der Komparator 1 vergleichen die elektromotorische Kraft Vs und eine Bezugsspannung Vref (z.B. von 0,4 V). Das Ausgangssignal von der Vergleichseinrichtung 1 wird durch den Integrationsverstarker 2 integriert, dessen integriertes Ausgangssignal über einen Widerstand 5 zwischen den Elektroden 28, 29 der Pumpzelle 21 angelegt wird. Auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem Integrationsverstärker 2, bewegt die Pumpzelle 21 Sauerstoffionen, so daß die elektromotorische Kraft Vs an die Bezugspannung Vref angeglichen wird, d.h. ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das der mittels der Sensorzelle 20 erfaßten Bezugsspannung entspricht.
Der Widerstand 5 und der Stromdetektor 3 dienen gemeinsam als eine erste Detektionseinrichtung. Im einzelnen erfaßt der Stromdetektor 3 indirekt auf der Grundlage eines Spannungsabfalls über den Widerstand 5 den Pumpstrom Ip, der der Pumpzelle 21 zugeführt wird, wenn das Ausgangssignal von dem Integrationsverstärker 2 angelegt wird. Der Pumpstrom Ip wird anschließend in ein Signal Vout eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in dem Bereich von 0 bis 5 V mittels einer Hochsetzschaltung 4 gemäß der obigen Gleichung (1) umgewandelt.
Dem Pumpspannungsdetektor 7, der als eine zweite Detektionseinrichtung dient, wird eine Pumpspannung Vp zugeführt, die einem Potential an einem Punkt A, der zwischen den Elektroden 28, 29 ist, gleich ist.
Wie in Figur 2(a) gezeigt ist, hat die Pumpspannung Vp einen diskontinuierlichen Bereich, wo ihr Pegel über ein stöchiometrisches Verhältnis hinausspringt. Dem Pumpspannungsdetektor 7 wird ein zweckmäßiger Schwellwert zum Erfassen eines solchen diskontinuierlichen Bereichs zugeführt. Deshalb schaltet das Ausgangssignal des Pumpspannungsdetektors 7, wie in Figur 2(b) gezeigt, zwischen hohen und niedrigen Pegeln über das stöchiometrische Verhältnis hin und her, d.h. zwischen gasärmeren und angereicherten Seiten des stöchiometrischen Verhältnisses. Auf das Ausgangssignal des Pumpspannungsdetektors 7 wird als ein stöchiometrisches Verhältnissignal Vstc bezuggenommen.
Das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc kann einen hohen Pegel auf der angereicherten Seite und einen niedrigen Pegel auf der ärmeren Seite haben, wie gezeigt, oder umgekehrt.
Die Figur 3 zeigt eine spezielle Anordnung der zweiten Detektionseinrichtung oder des Pumpspannungsdetektors 7. Der Pumpspannungsdetektor 7 weist einen Pufferverstarker 8, einen CR-Filter 10 und eine Vergleichseinrichtung 9 mit offenem Kollektor auf.
Die Spannung an dem Punkt A gemäß Figur 3 wird über den Pufferverstärker 8 und den CR-Filter 10 einem invertierenden Eingangsanschluß der Vergleichseinrichtung bzw. des Komparators 9 angelegt Der CR-Filter 10 ist vorgesehen, um Saugspannungen oder Rauschen von der angelegten Spannung abzuhalten, deren Pegel dazu neigt, schnell zwischen dem hohen und dem niedrigen Pegel infolge von Welligkeit bzw. Brumm des Pumpstroms Ip, der durch Pulsationen des Abgases bewirkt wird, hin- und herzuschalten. Der nicht invertierende Eingangsanschluß des Komparators 9 ist geerdet, d.h., er hat einen Schwellwert von 0 V zum Vergleich mit der Spannung, die von dem CR-Filter 10 zugeführt wird. Die Vergleichseinrichtung 9 erzeugt an ihrem Ausgangsanschluß das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc.
Die Figur 4 zeigt eine spezielle Anordndung eines anderen Pumpspannungsdetektors oder einer zweiten Detektionseinrichtung. Der in Figur 4 gezeigte Pumpspannungsdetektor unterscheidet sich von dem in Figur 3 gezeigten Pumpspannungsdetektor 7, indem ein veränderlicher Schwellwert oder Spannung an dem nicht invertierenden Eingangsanschluß der Vergleichseinrichtung 9 angelegt wird.
Im einzelnen wird eine Einstelleinheit für eine veränderliche Spannung, die ein Potentiometer 9a aufweist, als eine Einstelleinrichtung für einen Schwellwert eingesetzt, und legt eine Spannung als einen Schwellwert an den nicht invertierenden Eingangsanschluß der Vergleichseinrichtung 9 an. Die Spannung an dem Punkt A wird über den Pufferverstärker 8 und den CR-Filter 10 an den invertierenden Eingangsanschluß der Vergleichseinrichtung 9 angelegt.
Wenn der Schwellwert zu einer positiven Seite verschoben wird und auf einen Schwellwert α eingestellt ist, wie in Figur 5(a) gezeigt ist, ändert das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc von der Vergleichseinrichtung 9 seinen Pegel an einem Punkt auf der linearen Seite des stöchiometrischen Verhältnisses. Wenn der Schwellwert in Richtung einer negativen Seite verschoben wird und auf einen Schwellwert β, wie in Figur 5(a) gezeigt, eingestellt wird, verändert das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc von der Vergleichseinrichtung 9 seinen Pegel an einem Punkt auf der angereicherten Seite des stöchiometrischen Verhältnisses. In dem der Schwellwert derart zu einem positiven oder negativen Wert verschoben wird, wird von dem Punkt, bei dem das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc seinen Pegel ändert, leicht von dem stöchiometrischen Verhältnis abgewichen. Dieser veränderliche Schwellwert bietet die folgenden Vorteile: Es ist wünschenswert, den Punkt zweckmäßig auszuwahlen, bei dem das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc seinen Pegel ändert, abhängig von den verschiedenen Verhältnissen bzw. Proportionen und Größen bzw. Größenordnungen der Abgasbestandteile an dem Einlaß des katalytischen Drei-Wege- Umwandlers (z.B. verschiedene Mengen an CO oder NOx werden von verschiedenen Automobiltypen ausgestoßen, auch wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das gleiche bleibt) oder von verschiedenen Reinigungswirksamkeiten von katalytischen Drei- Wege-Umwandlern abhängig (z. B. haben verschiedene katalytische Drei-Wege-Umwandler verschiedene Absolutwerte von Reinigungseffizienzen bzw. -wirksamkeiten, z.B. wegen verschiedener Kapazitäten, auch wenn sie die gleichen Neigungen der Reinigungscharakteristiken haben, wie in Figur 9 gezeigt). Wenn das Luft-Kraftstoff- Sollverhältnis bei dem stöchiometrischen Verhältnissteuerverfahren zu der reicheren Seite verschoben wird, kann mehr NOx gereinigt werden. Der so ausgewählte Schwellwert ist für Kraftfahrzeuge zweckmäßig, die eine geringere Menge an CO und eine größere Menge an NOx ausstoßen. Falls das Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis bei dem stöchiometrischen Verhältnissteuerverfahren zu der ärmeren Seite verschoben wird, kann mehr CO und HC gereinigt werden. Der so ausgewählte Schwellwert ist für Kraftfahrzeuge zweckmäßig, die eine geringe Menge an NOx und eine große Menge an CO ausstoßen. Folglich kann der in Figur 4 gezeigte Pumpspannungsdetektor optimale Charakteristiken für die Abgasreinigung für verschiedene Kraftfahrzeugtypen zur Verfügung stellen. Die Figur 5 zeigt eine spezielle Anordnung noch eines weiteren Pumpspannungsdetektors oder zweiten Detektionseinrichtung. Wie in Figur 5 gezeigt, wird die an die Pumpzelle 21 angelegte Spannung über den CR-Filter 10 und einen Widerstand 12 an den invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 11 angelegt. Das Ausgangssignal von dem Operationsverstärker 11 wird auch an dessen invertierenden Eingangsanschluß rückgekoppelt. Der Operationsverstarker 11 weist einen nicht invertierenden Eingangsanschluß auf, dem eine aufwärts verschobene Spannung von einem resistiven Spannungsteiler 14 zugeführt wird. Zwei in Reihe angeschlossene Dioden 15, 16 sind in einer rückwärts vorgespannten Weise zwischen einem Netzteil mit einer vorgegebenen Spannung und Erde angeschlossen. Die Verbindung bzw. der Anschluß zwischen den Dioden 15 16 ist an den Ausgangsanschluß des Operationsverstarkers 11 über einen Widerstand 17 angeschlossen. Die Dioden 15, 16 können das Ausgangssignal bei einer vorbestimmten Spannung von dem Operationsverstärker 11 abziehen.
Die Figur 7(a) zeigt das Potential an dem Punkt A, wobei das Potential seinen Pegel diskontinuierlich bei dem stöchiometrischen Verhältnis verändert. Das erzeugte stöchiometrische Verhältnissignal Vstc verändert sich in der Umgebung des in Figur 7(b) gezeigten stöchiometrischen Verhältnisses leicht einebnend bzw. abflachend, wobei sich Ausgangssignalcharakteristiken ergeben, die denen eines sogenannten γ-Sensors ähnlich sind.
Verschiedene Schwellwerte Za, Zb, Zc werden z.B. im Hinblick auf das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc, wie in Figur 7(b) gezeigt, eingerichtet. Die Verwendung derart verschiedener Schwellwerte Za, Zb, Zc ermöglicht zutreffende stöchiometrische Verhältnisse λa, λb (verschoben zu der reicheren Seite), und λc (verschoben zu der ärmeren Seite) als Luft-Kraftstoff-Sollverhältnisse von dem stöchiometrischen Verhältnissignal mit den obigen Ausgangssignalcharakteristiken erfaßt zu werden.
Die Schwellwerte Za, Zb, ... (auf die auch gemeinsam als Zi bezuggenommen wird) sind in einem in Figur 10 gezeigten Koordinatensystem festgelegt. Die Koordinatenkarte bzw. das Koordinatensystem, das in Figur 10 gezeigt wird, enthält mehrere ausgewählte Schwellwerte auf der Grundlage von Steuerparametern, die eine Motorumdrehungsgeschwindigkeit N bzw. Motordrehzahl und eine volumenmäßige Effizienz Ev umfassen, die eine der Motorbelastungsinformationen darstellt. Falls die Motorumdrehungszahl N von einer Seite zu der anderen eines Pegels a oder von einer Seite zu der anderen eines Pegels b wechselt, dann verschiebt sich der Schwellwert Zi von Z0 (Z3) zu Z1 (Z4) oder von Z1 (Z4) zu Z0 (Z3), oder von Z1 (Z4) zu Z2 (Z5) oder von Z2 (Z5) zu Z1 (Z4). Falls die volumenmaßige Wirksamkeit bzw. Effizienz Ev von einer Seite zu der anderen eines Pegels c wechselt, verschiebt sich der Schwellwert Zi von Z0 (Z1, Z2) zu Z3 (Z4, Z5) oder von Z3 (Z4, Z5) zu Z0 (Z1, Z2).
Die Schwellwerte Zi werden gemäß dem Kraftfahrzeugtyp, katalytischen Eigenschaften bzw. Charakteristiken und anderen Parametern ausgewählt.
Der Schwellwert wird für das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc durch eine Einstelleinrichtung für einen Schwellwert eingestellt, die durch eine Steuereinheit in die Tat umgesetzt ist, die bei ECU in Figur 1 angedeutet ist. Die Steuereinheit ECU ist hauptsächlich aus einem Mikrocomputer zusammengesetzt und liest Informationen über das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc und erzeugt von Zeit zu Zeit ein Steuersignal. Die Steuereinheit ECU speichert Programme eines mehrfach verwendbaren Programms bzw. einer Routine und arbeitet danach, um einen Schwellwert Vstc wie in den Figuren 11(a) und 11(b) gezeigt, einzustellen, und eine Routine bzw. ein mehrfach verwendbares Programm, um eine Kraftstoffeinspritzrate, wie in Figur 12 gezeigt, und die Koordinatenkarte mit Schwellwerten oder -pegeln Zi, wie in Figur 10 gezeigt, zu berechnen.
Es wird ein Rückkopplungssteueverfahren für Kraftstoff, das das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc und das Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vout verwendet, unten unter Bezugnahme auf die Figuren 11(a), 11(b) und 12 beschrieben.
Die in den Figuren 11(a) und 11(b) gezeigte Routine zum Einstellen eines Schwellwertes Vstc wird unter bestimmten Rückkopplungsbedingungen für ein stöchiometrisches Verhältnis in einer Hauptsteuer-Routine (nicht gezeigt) ausgeführt.
In der Routine bzw. dem Programm zum Einstellen eines Schwellwertes Vstc werden eine Motordrehzahl N und eine volumenmaßige Effizienz Ev (die aus einer in einen Motorzylinder pro Zündung eingesogenen Luftmenge bestimmt wird) in jeweiligen Schritten b1, b2 gelesen. Dann bestimmt ein Schritt b3 ob die Motordrehzahl N geringer ist als der Pegel a oder nicht. Falls die Motordrehzahl N niedriger als der Pegel a ist, dann geht die Steuerung zu einem Schritt b4, der bestimmt, ob die volumenmäßige Effizienz Ev kleiner ist als der Pegel c oder nicht. Falls die volumenmäßige Effizienz Ev gleich oder größer ist als der Pegel c in dem Schritt b4, dann wird der Schwellwert Z3 in eine Schwellwertadresse Zi in einem Speicher in einem Schritt b7 eingelesen. Falls die volumenmäßige Effizienz Ev kleiner als der Pegel c in dem Schritt b4 ist, dann wird der Schwellwert Z0 in die Schwellwertadresse Zi in einem Schritt b6 eingelesen. Danach kehrt die Steuerung von der Einstellroutine für den Schwellwert Vstc zurück zu der Hauptroutine bzw. dem Hauptprogramm.
Falls die Motordrehzahl N gleich oder größer als der Pegel a in dem Schritt b3 ist, dann geht die Steuerung zu einem Schritt b5, der bestimmt, ob die Motordrehzahl N kleiner ist als der Pegel b oder nicht. Falls die Motordrehzahl N kleiner als der Pegel b ist, d.h. in dem Bereich von a < N < b ist dann geht die Steuerung zu einem Schritt b8 über. Falls die Motordrehzahl N größer als der Pegel b ist, dann geht die Steuerung zu einem Schritt b9 über.
Der Schritt b8 bestimmt, ob die volumenmäßige Effizienz Ev kleiner als der Pegel c ist oder nicht. Falls die volumenmäßige Effizienz Ev kleiner ist als der Pegel c in dem Schritt b8, dann wird der Schwellwert Z1 in die Schwellwertadresse Zi in einem Schritt b10 eingelesen. Falls die volumenmäßige Effizienz Ev gleich oder größer ist als der Pegel c in dem Schritt b8, dann wird der Schwellwert Z4 in die Schwellwertadresse Zi in einem Schritt b11 eingelesen.
Der Schritt b9 bestimmt, ob die volumenmäßige Effizienz Ev kleiner ist als der Pegel c oder nicht. Falls die volumenmäßige Effizienz Ev kleiner als der Pegel c in dem Schritt b8 ist, dann wird der Schwellwert Z2 in die Schwellwertadresse Zi in einem Schritt b12 eingelesen. Falls die volumenmäßige Effizienz Ev gleich oder größer ist als der Pegel c in dem Schritt b9, dann wird der Schwellwert Z5 in die Schwellwertadresse Zi in einem Schritt b13 eingelesen.
Die Steuerung kehrt von den Schritten b10, b11, b12, b13 zu dem Hauptprogramm bzw. der Hauptroutine zurück.
In der Routine zum Berechnen eines zutreffenden stöchiometrischen Verhältnisses (korrigierten A/F-Verhältnis), das in Figur 11(b) gezeigt ist, werden das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc und der Schwellwert Zi in jeweiligen Schritten c1, c2 gelesen. Dann berechnet ein Schritt c3 ein zutreffendes stöchiometrisches Verhältnis auf der Grundlage des stöchiometrischen Verhältnissignals Vstc und des Schwellwertes Zi. Danach kehrt die Steuerung zu dem Hauptprogramm bzw. der Hauptroutine zurück.
Die Routine zum Berechnen einer Kraftstoffeinspritzrate, die in Figur 12 gezeigt ist, ist grundsätzlich in drei Schrittgruppen unterteilt. In der ersten Schrittgruppe wird der Zeitpunkt bzw. die Zeit, zu dem bzw. zu der ein stöchiometrisches Verhältnis erreicht wird, auf der Grundlage des stöchiometrischen Verhältnissignals Vstc bestimmt. Die zweite Schrittgruppe bestimmt den Unterschied oder den Fehler ΔV (= Vst - Ust) zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vst und einem vorbestimmten stöchiometrischen Verhältnissignal Ust (enthaltend Signale, die λb, λc entsprechen, die zu den reicheren oder ärmeren Seiten verschoben werden). Die nachfolgende dritte Schrittgruppe korrigiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vout mit dem Fehler ΔV, und erhält folglich ein gegenwärtiges bzw. aktuelles Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Ein Kraftstoffeinspritzventil eines Motors, der die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet, wird dann zu einem vorbestimmten Zeitpunkt bzw. gemäß einer vorbestimmten Zeitabstimmung über eine zweckmäßige Zeitdauer gemäß der obigen Routine geöffnet.
Im einzelnen bestimmt ein Schritt a1, wenn das Programm für die Routine begonnen wird, ob eine Bedingung zum Beeinflussen eines Rückkopplungssteuerverfahrens für den Kraftstoff auf der Grundlage eines Eingangssignals von einer bekannten Detektionseinrichtung zutrifft oder nicht. Falls die Bedingung nicht erfüllt ist, geht die Steuerung zu einem Schritt a2, und falls die Bedingung erfüllt ist, geht die Steuerung zu einem Schritt a3.
In dem Schritt a2 wird ein Korrekturkoeffizient KFB für eine Kraftstoffeinspritzrate auf "1" gesetzt. Dann geht die Steuerung zu einem Schritt a4 über, indem eine Kraftstoffeinspritzrate Fuel berechnet wird. Zu dieser Zeit bzw. diesem Zeitpunkt wird eine grundlegende Kraftstoffeinspritzrate F (A/F, N) aus einer Lufteinlaßrate A/F pro Motordrehzahleinheit, die durch eine Interrupt-Routine (nicht dargestellt) erzeugt wird, und die Motordrehzahl N berechnet. Dann wird die berechnete grundlegende Kraftstoffeinspritzrate F (A/F, N) mit dem Korrekturkoeffizienten KFB und einem anderen Korrekturkoeffizienten K multipliziert, der von einem Parameter, wie etwa dem Atmosphärendruck abhängt, und folglich wird die Kraftstoffeinspritzrate Fuel erhalten. Danach kehrt die Steuerung zu der Hauptroutine bzw. dem Hauptprogramm zurück. Die Lufteinlaßrate A/F kann durch einen Einlaufluftdruck, eine Drosselöffnung oder dergleichen ersetzt werden.
Falls die Bedingung in dem Schritt a1 erfüllt ist, geht die Steuerung zu einem Schritt a3 über, der bestimmt, ob ein Mittelwert ΔVM von Fehlern ΔV zu bereinigen oder auf den Anfang zu setzen ist. Falls der Mittelwert ΔVM zu bereinigen bzw. zu löschen ist, dann wird er in einem Schritt a5, dem anschließend durch einen Schritt a6 gefolgt wird, gelöscht bzw. bereinigt.
Der Schritt a6 liest das korrigierte stöchiometrische Verhältnissignal Vstc und das Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vout.
Ein Schritt a7 vergleicht den gelesenen Wert von Vstc mit dem Wert des vorherigen Zyklus bzw. Durchlaufs, und bestimmt, ob sie sich voneinander unterscheiden, d.h., das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc von dem hohen Pegel VHI zu dem nie drigen Pegel VLO oder von dem niedrigen Pegel VLO zu dem hohen Pegel VHI zu verändern ist. Falls das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc sich in seinem Pegel verändert hat, weil das vorliegende Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Verhältnis erreicht hat, dann geht die Steuerung zu einem Schritt a8, und falls sie sich nicht geändert hat, geht die Steuerung zu einem Schritt a9.
Der Schritt a8 bestimmt, ob Bedingungen zum Richtigstellen des Mittelwertes ΔVM erfüllt sind (z.B. falls sich die Beschleunigungs- oder Drosselöffnung um einen Bezugswert oder weniger geändert hat, falls das Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis unmittelbar zuvor verändert worden ist, usw.). Falls die Bedingungen zutreffen, geht die Steuerung zu einem Schritt a10, und falls nicht, geht die Steuerung zu einem Schritt a9.
Bei dem Schritt alo wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vout gelesen und durch einen aktuellen Wert Vst zu der Zeit ersetzt, zu der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Verhältnis erreicht hat. Dann wird eine Differenz ΔV zwischen dem aktuellen Wert Vst und einem vorbestimmten stöchiometrischen Verhältnis Ust, und ein Mittelwert ΔVM der vorliegenden und der vorherigen Differenzen oder Fehler ΔV wird berechnet, um Störungen auszuräumen.
Der Schritt a9 korrigiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vout zu der Zeit bzw. dem Zeitpunkt mit dem Mittelwert ΔVM, wodurch ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird, das durch (A/F)z = f (Vout - ΔVM) angezeigt wird, die z.B. eine Funktion der Differenz zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal Vout und dem Mittelwert ΔVM ist.
Anschließend wird eine Differenz oder ein Fehler E zwischen dem Luft-Kraftstoff- Sollverhältnis A/F und dem aktuellen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)z berechnet, und eine Differenz ΔE zwischen dem gegenwärtig berechneten Fehler E und dem vorher berechneten Fehler &epsi;' wird berechnet. Letztlich wird in dem Schritt a9 ein Korrekturkoeffizient KFB für die Steuerung einer Kraftstoffeinspritzrate auf der Grundlage des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses berechnet. Der Korrekturkoeffizient KFB wird als die Summe eines proportionalen Ausdrucks KA(E) bestimmt, der von dem Pegel des Fehlers &epsi;, einem Ausgleich bzw. Meßwertverschiebung Kp zur Vermeidung einer Ansprechverzögerung infolge des katalytischen Drei-Wege-Umwandlers einem differentiellen Ausdruck KD (Δ&epsi;), einem Integralausdruck ΣKI (&epsi;, tFB) und 1 abhängt.
Anschließend geht die Steuerung zu dem Schritt a4 über, indem die Kraftstoffeinspritzrate Fuel wie oben beschrieben berechnet wird. Danach geht die Steuerung zu der Hauptroutine bzw. dem Hauptprogramm zurück.
Die Figur 8 zeigt eine Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in Figur 8 gezeigt, ist die Elektrode 26 der Sensorzelle 20 in einem gegenüberliegenden Verhältnis und die andere Elektrode 27 zu einer Bezugskammer 25c angeordnet, die auf der anderen Seite der Sensorzelle 20 entfernt von der Bezugskammer 25 festgelegt ist. Eine elektromotorische Kraft Vs wird aufgrund der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 26, 27, die von dem Unterschied zwischen den Sauerstoffkonzentrationen in dem Raum 25 und der Bezugskammer 25c abhängt, hergeleitet. Den Elektroden 26, 27 wird ein selbst gezogener Strom (nicht gezeigt) zugeführt. Die Bezugskammer 25c wird in einem übermäßigen Verarmungszustand gehalten, d.h. mit einem Luftüberschußverhältnis darin, das ausreichend von 1 entfernt ist, und das in der Bezugskammer 25c enthaltene Gas dient als ein Bezugsgas. Mit 32, 33 sind Diffusionsdurchgänge bezeichnet.
Die Elektrode 28 der Pumpzelle 21 ist in einem gegenüberliegenden Verhältnis zu dem Raum bzw. Hohlraum 25 angeordnet. Der Pumpzelle 21 wird über die Elektroden 28, 29 ein Pumpstrom Ip auf der Grundlage der Summe der ersten elektromotorischen Kraft Vs zugeführt, die über einen veränderlichen Widerstand von der Steuerung 31 zugeführt wird und einer zweiten elektromotorischen Kraft Va. Der Stromdetektionswiderstand 5, der Stromdetektor 3 und die Hochsetzschaltung 4 dienen gemeinsam zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnissignals Vout. Auf der Grundlage des Pumpstromes Ip an dem Punkt A wird das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc durch den gleichen Pumpspannungsdetektor, wie in Figur 6 gezeigt, erfaßt. Falls das stochiometrische Verhältnissignal Vstc als das zutreffende stöchiometrische Verhältnissignal verwendet wird, das auf der Grundlage des Schwellwertes Zi, wie in Figur 12 gezeigt, verarbeitet worden ist, dann können optimale Abgasreinigungscharakteristiken erzielt werden.
Anders als bei der stöchiometrischen Verhältnis-Rückkopplungssteuerung für Kraftstoff, die auf den Signalen Vout, Vstc basiert, ist es auch möglich, ein stöchiometrisches Verhältnisrückkopplungs-Steuerverfahren zu beeinflussen, das nur das stöchiometrische Verhältnissignal Vstc gemäß der gleichen Logik und dem gleichen Verfahren wie bei dem üblichen O&sub2;-Sensor verwendet. Die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß der vorliegenden Erfindung kann deshalb in jedem einzelnen dieser Steuerverfahren verwendet werden.
Wie oben beschrieben, wird eine elektromotorische Kraft, die in Abhängigkeit zu einer Differenz der Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle aufgebracht wird, unmittelbar oder mittelbar zur Bestimmung eines stöchiometrischen Verhältnisses erfaßt. Deshalb werden die Genauigkeit und das Ansprechen, mit denen ein stöchiometrisches Verhältnis erfaßt wird, ohne nachteilig durch Fehler des Steuersystems beeinträchtigt zu werden, verbessert.
Da sich der Schwellwert für das stöchiometrische Verhältnissignal verändern kann, kann eine Feineinstellung erzielt werden, um ein korrigiertes stöchiometrisches Sollverhältnis zu erhalten. Das stöchiometrische Verhältnissignal, das etwas zu der reicheren oder ärmeren Seite verschoben wird, wird beeinflußt, um optimale Abgasreinigungscharakteristiken zu erhalten.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, ist es zu verstehen, daß viele Änderungen und Modifikationen in diesen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche zu verlassen.

Claims

1. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die aufweist:

einen Sensor, die eine erste Detektionsoberfläche hat, die eine Detektionskammer (25) festlegt, um eine Abgasatmosphäre, die durch eine Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemischs erzeugt wird, durch ein Diffusionsloch (23, 24) einzuleiten, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit zu der Sauerstoffkonzentration in einem Gas in der Detektionskammer zu erzeugen;

eine Pumpzelle (21) für die Leitung bzw. Beförderung von Sauerstoffionen, die eine zweite Detektionskammeroberfläche hat, die die Detektionskammer (25), eine Abgasoberfläche, um sie der Abgasatmosphäre auszusetzen, und Elektroden (28, 29) festlegt, die jeweils auf der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche aufgebaut sind, um zwangsläufig Sauerstoffionen zwischen der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche in Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal zu bewegen, das zwischen den Elektroden angelegt ist, und um eine elektromotorische Kraft in Abhängigkeit zu der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration in dem Gas in der Detektionskammer, und der Sauerstoff konzentration in der Abgasatmosphäre zu erzeugen;

eine Steuereinrichtung (31), um ein elektrisches Steuersignal zwischen den Elektroden anzulegen, um das Gas in der Detektionskammer (25) dazu zu veranlassen, ein nahezu stöchiometrisches Verhältnis in Reaktion auf das elektrische Signal von dem Sensor anzuzeigen;

eine erste Detektionseinrichtung (3), um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissignal, das der Sauerstoffkonzentration in der Abgasatmosphäre entspricht, auf der Grundlage der Größe des elektrischen Steuersignals zu erzeugen;

gekennzeichnet durch

eine zweite Detektionseinrichtung (7), um eine Spannung zwischen den Elektroden zu erfassen und ein erfaßtes Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Abgasatmosphäre ein stöchiometrisches Verhältnis anzeigt.

2. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 1, in der jede der Elektroden (28, 29) porös bzw. porig ist und aus Platin hergestellt ist.

3. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 1, in der die Pumpzelle (21) aus Zirkondioxid bzw. Zirkonerde hergestellt ist.

4. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 1, die ferner eine elektrische Heizeinrichtung (30) enthält, um zumindest die Pumpzelle (21) zu heizen.

5. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 1, in der der Sensor eine Sensorzelle (20) zur Leitung von Sauerstoffionen bzw. Förderung von Sauerstoffionen aufweist, wobei die Sensorzelle eine Bezugskammeroberfläche hat, die eine Bezugskammer (25a) festlegt, um mit einem Bezugsgas, das ein Luftüberschußverhältnis hat, das ausreichend von 1 entfernt ist, gefüllt zu werden, wobei die Sensorzelle auch ein Paar von Sensorelektroden (26, 27) hat, die auf bzw. an der Bezugskammeroberfläche bzw. der ersten Detektionskammeroberfläche aufgebaut sind, wobei das elektrische Signal als eine Potentialdifferenz zwischen den Sensorelektroden erzeugt wird.

6. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 5, in der die Bezugskammer an die Atmosphäre belüftet wird, wobei das Referenzgas ein Atmosphärengas ist.

7. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 5, in der die Bezugskammer von der Atmosphäre getrennt ist, wobei die Anordnung derart ist, daß dem Sensor ein elektrischer Strom durch die Sensorelektroden zugeführt wird, und der Bezugskammer Sauerstoff von der Detektionskammer zugeführt wird, um das Bezugsgas übermäßig verarmt beizubehalten.

8. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, die aufweist:

einen Sensor (20), der eine erste Detektionsoberfläche hat, die eine Detektionskammer (25) festlegt, um eine Abgasatmosphäre durch ein Diffusionsloch (23, 24) einzuleiten, die durch die Verbrennung einer Luft-Kraftstoff-Mischung erzeugt ist, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das von der Sauerstoffkonzentration in einem Gas in der Detektionskammer abhängt;

eine Pumpzelle (21) für eine Sauerstoffionenleitung bzw. -beförderung, die eine zweite Detektionskammeroberfläche hat, die die Detektionskammer, eine Abgasoberfläche, die der Abgasatmosphäre ausgesetzt wird, und Elektroden (28, 29) festlegt, die jeweils auf bzw. an der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche aufgebaut sind, um zwangsläufig Sauerstoffionen zwischen der zweiten Detektionskammeroberfläche und der Abgasoberfläche in Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal hin zu bewegen, das zwischen den Elektroden angelegt ist, und um eine elektromotorische Kraft in Abhängigkeit zu der Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration in dem Gas in der Detektionskammer und der Sauerstoffkonzentration in der Abgasatmosphäre zu erzeugen;

eine Steuereinrichtung (31), um das elektrische Steuersignal zwischen den Elektroden anzulegen, um das Gas in der Detektionskammer dazu zu veranlassen, ein nahezu stöchiometrisches Verhältnis in Reaktion auf das elektrische Signal von dem Sensor anzuzeigen;

gekennzeichnet durch

eine zweite Detektionseinrichtung (10 bis 17), um eine Spannung zwischen den Elektroden und einen Schwellwert nahe einem stöchiometrischen Verhältnis zu vergleichen, und um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das das Ergebnis des Vergleichs darstellt; und

eine Einstelleinrichtung (9a) für einen Schwellwert, um den Schwellwert variabel einzustellen.

9. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 8, in der jede der Elektroden (28, 29) porig bzw. poros ist und aus Platin hergestellt ist.

10. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 8, in der die Pumpzelle (21) aus Zirkonerde bzw. Zirkondioxid hergestellt ist.

11. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 8, die ferner eine elektrische Heizeinrichtung (30) umfaßt, um zumindest die Pumpzelle zu heizen.

12. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 8, in der der Sensor eine Sensorzelle (20) für eine Sauerstoffionenleitung bzw. -förderung aufweist, wobei die Sensorzelle eine Bezugskammeroberfläche hat, die eine Bezugskammer (25a) festlegt, die mit einem Bezugsgas gefüllt wird, das ein Luftüberschußverhältnis hat, das ausreichend von 1 entfernt ist, wobei die Sensorzelle auch ein Paar von Sensorelektroden (26, 27) hat, die auf der Bezugskammeroberfläche bzw. der ersten Detektionskammeroberfläche aufgebaut sind, wobei das elektrische Signal als eine Potentialdifferenz zwischen den Sensorelektroden erzeugt wird.

13. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 12, in der die Bezugskammer (25a) an die Atmosphäre entlüftet wird, und das Bezugsgas ein Atmosphärengas ist.

14. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 12, in der die Bezugskammer (25a) von der Atmosphäre getrennt ist, wobei die Anordnung derart ist, daß dem Sensor ein elektrischer Strom über die Sensorelektroden zugeführt wird, und der Bezugskammer (25a) Sauerstoff von der Detektionskammer (25) zugeführt wird, um das Bezugsgas übermäßig arm bzw. verarmt beizubehalten.

15. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 8, in der die Einstelleinrichtung für den Schwellwert Mittel aufweist, um mehrere Schwellwerte in Abhängigkeit zu einer Betriebsbedingung eines Motors einzurichten, mit dem die Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis verbunden ist.

16. Detektionsvorrichtung für ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis gemäß Anspruch 15, in der die Betriebsbedingung einem Steuerparameter entspricht, der entweder die Drehgeschwindigkeit des Motors bzw. der Motordrehzahl oder die Motorlast bzw. die Belastung des Motors anzeigt.