DE69515000T2

DE69515000T2 - Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Messfühlers für das Luft/Brennstoffverhältnis

Info

Publication number: DE69515000T2
Application number: DE69515000T
Authority: DE
Inventors: Kunio Fukuda; Naoki Katayama; Kazunori Katoh; Haruyoshi Kondo; Masayuki Matsui; Hideaki Takahashi; Yasushi Yamada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-11-14
Filing date: 1995-11-13
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2015-11-14
Also published as: JPH08136494A; US5648601A; DE69515000D1; EP0715167B1; JP3262682B2; EP0715167A2; EP0715167A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis.

Bemerkungen zum Stand der Technik

Ein Abgasreinigungssystem, das einen Drei-Wege-Katalysator nutzt, wird häufig für die Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. ein Automobil, verwendet, um die in dem Abgas ausgestoßenen schädlichen Bestandteile wesentlich zu verringern. Die Grundfunktion eines Drei-Wege-Katalysators besteht darin, auf wirkungsvolle Weise alle drei schädlichen Hauptbestandteile, die in verhältnismäßig hohen Konzentrationen in solchen Abgasen enthalten sind, wie Stickoxide (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC) zu entfernen. Der Reinigungswirkungsgrad des Drei-Wege-Katalysators hängt jedoch wesentlich von dem Luft/Brennstoff-Verhältnis (Luftverhältnis λ) des Abgases ab, wie in Fig. 22 gezeigt ist. In anderen Worten, wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Abgases brennstoffreich ist (nachstehend verkürzt: "fett"), sinkt der Reinigungswirkungsgrad in bezug auf Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC), und umgekehrt, wenn es brennstoffarm ist (nachstehend verkürzt: "mager"), fällt der Reinigungswirkungsgrad in bezug auf Stickoxide (NOx) dramatisch ab. Demzufolge ist der Bereich, in welchem der Reinigungswirkungsgrad des Drei- Wege-Katalysators in bezug auf jede der drei schädlichen Hauptverbindungen hoch ist, auf einen extrem engen Bereich (innerhalb 1%) des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Ver hältnisses begrenzt. Dies bedeutet, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) des Abgases genau auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gesteuert werden muß, um das Beste aus der eingebauten Funktion (Reinigungswirkungsgrad in bezug auf die drei schädlichen Bestandteile) des Drei-Wege-Katalysators zu machen.
Wenn die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses durch eine Steuerstrecke erfolgt, die keinen Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis verwendet, ist bestimmt worden, daß die Genauigkeit des Luft/Brennstoff-Verhältnisses wesentlich von der Genauigkeit eines Luftströmungsmessers und eines Brennstoffströmungsmessers abhängt. Um eine hochgenaue Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung nach diesem Verfahren zu gewährleisten, müssen die zwei Strömungsmesser jeweils eine äußerst hohe Meßgenauigkeit beziehungsweise eine äußerst hohe Fertigungsgenauigkeit aufweisen. Es ist jedoch nicht einfach, die Anforderungen hinsichtlich der vorstehend beschriebenen bevorzugten genauen (innerhalb 1%) Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung nach dem heutigen Stand der Fertigungstechnologie zu erfüllen, selbst wenn die Fertigungsgenauigkeit dieser Strömungsmesser maximal erhöht werden könnte.
In einem solchen Fall ist es üblich, einen Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis (nachstehend als "O&sub2;-Meßfühler" bezeichnet) für das Abgas zu verwenden, um eine Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff- Verhältnis zu messen und dann die genaue stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung durch ein Steuerverfahren mit Rückführung auszuführen. Dieses Steuerverfahren mit Rückführung unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Steuerverfahren ohne Rückführung dadurch, daß die Genauigkeit der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung, die im wesentlichen von der Genauigkeit abhängt, mit der der Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis das Luft/Brennstoff-Verhältnis erfaßt, wobei die Genauigkeit der vorstehend erwähnten zwei Strömungsmesser nur eine zweitrangige Wirkung aufweist. In anderen Worten, wenn eine Abweichung der Eigenschaften des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis bei der Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses vorliegt, wenn das Steuerverfahren mit Rückführung verwendet wird, hat dies einen direkten Einfluß auf die Fehler bei der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung. Daher ist die Genauigkeit der Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis ein wichtiger Faktor, der das Leistungsvermögen dieses Drei-Wege-Katalysators des Abgasreinigungssystems beeinflußt. Deshalb ist es wichtig, während der Herstellung eines Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis eine vollständige Prüfung der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses auszuführen.
Vorrichtungen zur Prüfung der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von (O&sub2;)-Meßfühlern für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis sind bekannt, wie z. B. die O&sub2;-Meßfühler-Beurteilungsvorrichtungen, die in den Japanischen Patenten Nr. 1417297 und Nr. 1417298 offenbart sind. Mit einer solchen Beurteilungsvorrichtung können die Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis bis zu einer Genauigkeit in der Größenordnung von 1% bewertet werden, die in eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsgenauigkeit umgewandelt werden. Andere damit im Zusammenhang stehende Patente sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1
Meßfühler, die entweder eine Zirkoniumdioxid-Sauerstoffkonzentration-Zelle oder einen Titandioxidwiderstand verwenden, werden verbreitet als (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis verwendet, wobei die Ausgabe in der Form einer elektromotorischen Kraft ist, so daß fett oder mager durch den Vergleich der elektromotorischen Kraft des Meßfühlers mit einer Bezugsspannung bestimmbar ist. Eine konstante Spannung (gewöhnlich 0,45 V), entsprechend der elektromotorischen Kraft bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis wird als diese Bezugsspannung verwendet. Eine Zirkoniumdioxid-Sauerstoffkonzentrationszelle des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis weist äußerst gute Eigenschaften da hingehend auf, daß die elektromotorische Kraft eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, was bedeutet, daß keine Notwendigkeit besteht, die Bezugsspannung für die Temperatur einzustellen, die Verwendung sehr erleichtert und somit die am weitesten verbreitete Meßfühlertype ist.
Bei einem Titandioxidwiderstand als (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist die Ausgabe in der Form eines Widerstands, so daß fett oder mager durch Vergleich des Widerstands des Meßfühlers mit einem Bezugswiderstand bestimmbar ist. Ein konstanter Widerstand, entsprechend dem Widerstand bei dem stöchiometrischen Luft/Brenn stoff-Verhältnis, wird als der Bezugswiderstand verwendet, doch der Meßfühlerwiderstand ist von der Temperatur sehr abhängig, so daß es notwendig ist, den Bezugswiderstand zur Temperatur abzugleichen, wenn der Meßfühler über einen breiten Temperaturbereich verwendet wird. Dies bedeutet, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem ein Verfahren zum automatischen Justieren des Bezugswiderstands aufweisen kann.
Unabhängig davon, ob der (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis eine Zirkoniumdioxid- Sauerstoffkonzentration-Zelle oder ein Titandioxid-Wider stand ist, ist dieser in der Lage, bei Temperaturen von ungefähr 400ºC oder höher zu arbeiten. Und somit kann eine Kennlinie, die zum Erfassen eines stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses mit einem Fehler in der Größenordnung von 1% ideal ist, durch Auswahl von Meßfühlern hoher Qualität nach der Herstellung erzielt werden. Daher können beide Meßfühlertypen in optimaler Weise in dem Drei-Wege- Katalysator des Abgasreinigungssystems funktionswirksam werden, welches umfassend zur Verminderung der Umweltverunreinigung beiträgt.
Mit der wachsenden Zahl der Automobile und in der Zunahme des Gewichts der Kraftfahrzeuge entwickelte sich jedoch das Interesse der Öffentlichkeit in bezug auf eine weitergehende Verminderung der Menge der ausgestoßenen schädlichen Be standteile in die Atmosphäre, während der Trend zur Verringerung dieser schädlichen Bestandteile abgenommen hat. Es sollte im öffentlichen Interesse sein, daß es nicht nur notwendig ist, die Katalysatoren und Brennkraftmaschinen zu verbessern, sondern daß es noch wichtiger ist, die (O&sub2;)- Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu verbessern. In anderen Worten, die (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis müssen nun in der Lage sein, eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses als herkömmliche Produkte zu erreichen.
Um einen (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis einer Qualität zu schaffen, die jene der herkömmlichen Produkte wesentlich übertrifft, ist es offensichtlich notwendig, daß Verbesserungen bereits im Entwurfsstadium beginnen und sich durch den gesamten Produktionsprozeß erstrecken. Doch dies bedeutet nicht, daß sie das vorstehend erwähnte Interesse nur auf Verbesserungen im Entwurf und in der Produktion erstreckt. Unabhängig von den Verbesserungen im Entwurfs- und Produktionsprozeß kann die Produktqualität nicht ohne eine Vorrichtung zum präzisen Messen der Genauigkeit, mit welcher das Luft/Brennstoff- Verhältnisses des resultierenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erfaßt wird, nachgewiesen werden. Wenn die Produktqualität nicht nachgewiesen werden kann, sind die Wirkungen der Verbesserungen des Entwurfs und der Produktion auch nicht nachweisbar, und somit ist es klar, daß der Beweis solcher Verbesserungen auch nicht erzielt werden kann.
In anderen Worten, ein Hauptpunkt der Entwicklung und Bereitstellung eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis hoher Qualität ist eine präzise Vorrichtung zur Messung der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Erfassungsgenauigkeit. Um einen (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis für ein solches höheres Niveau der Genauigkeit zu prüfen, ist es wesentlich, eine Prüfvorrichtung (Vorrichtung zur Analyse der Eigen schaften) zu verwenden, die selbst ein solches hohes Niveau der Genauigkeit aufweist.
Wie vorstehend festgestellt, ist eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis gemäß dem Stand der Technik in der Lage, einen (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis für eine Genauigkeit in der Größenordnung von 1% zu prüfen. Eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis, der eine noch höhere Genauigkeit aufweist, ist bisher noch nicht erfunden worden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die vorstehend beschriebenen Probleme der Vorrichtung des Standes der Technik zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu lösen und eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu schaffen, die eine Genauigkeit aufweist, welche eine Größenordnung über jener des Standes der Technik liegt.

Untersuchung der Technologie des Standes der Technik

Wenn eine Vorrichtung des Standes der Technik zur Analyse der Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis verwendet wird, um die Erfassungsgenauigkeit des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zu messen, liegen viele Probleme vor, welche die weitere Verbesserung der Genauigkeit der Prüfvorrichtung verhindern.
Eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines (O&sub2;)- Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis ist gewöhnlich eine Steuereinrichtung eines Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Prüfgases, um es auf jenes eines tatsächlichen Brennkraftmaschinenabgases zu filtern, um ein Verbrennungsabgas oder Modellgas bereitzustellen (Schritt 1). Das Ergebnis dieser Steuerung wird als die Eigenschaft des (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis gemessen (Schritt 2).
Daher sind diese Steuer- und Meßgenauigkeiten zu der Genauigkeit einer Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis relevant.
Ein erstes Problem ist schwierig, um denselben Steuerzustand des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (Steuerwert) wie den einer tatsächlichen Brennkraftmaschine zu erreichen und um den Grad der Ähnlichkeit gegenüber einer tatsächlichen Brennkraftmaschine zu erreichen.
Ein zweites Problem ist die Unzulänglichkeit der Genauigkeit, mit welcher das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerergebnis gemessen wird.
Diese Erfindung erfolgte nach eingehender Abwägung dieser Probleme. Sie gestattet somit eine wesentliche Verbesserung der Genauigkeit durch Lösen dieser Probleme und der Bereitstellung wirksamer Gegenmittel dafür.
Die genannten Erfinder haben in die Einzelheiten gehende Untersuchungen der Genauigkeit des Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerzustands ausgeführt und die folgenden Ergebnisse erzielt:
- In einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung zeigt die relative Höhe der Menge der schädlichen Bestandteile, die während des Prüfmodus (durch einen Drei-Wege- Katalysator) ein hohes Niveau der Wechselbeziehung mit der relativen Höhe der Abweichungen von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerung-Wellenform während des Prüfmodus.
- Bei der eingehenderen Untersuchung der weiteren Einzelheiten der Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchio metrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, die mit der Menge der schädlichen Bestandteile verbunden sind, welche während des Prüfmodus (durch einen Drei-Wege-Katalysator) ausgestoßen werden, welche so leicht als möglich zu berechnen sein sollten, zeigte die Menge der schädlichen Bestandteile, die ausgestoßen sind, ein verhältnismäßig hohes Niveau der Wechselbeziehung mit der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert) bei vorbestimmten beständigen Brennkraftmaschinenzuständen (Motordrehzahl und Ansaugdruck), obgleich es nicht unbedingt notwendig war, die gesamte Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung-Wellenform während des Prüfmodus zu bestimmen.
- Die vorbestimmten beständigen Brennkraftmaschinenzustände (Motordrehzahl und Ansaugdruck) wiesen eine enge Wechselbeziehung zwischen der Menge der schädlichen Bestandteile auf, die während des Prüfmodus (durch einen Drei-Wege-Katalysator) ausgestoßen werden, und die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert) hing von der Automobiltype, dem Brennkraftmaschinenmodell, dem Getriebemodell, der Type des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis und dem Abgasprüfmodus ab.
- Unter den vorbestimmten beständigen Brennkraftmaschinenzuständen (Motordrehzahl und Ansaugdruck), die eine enge Wechselbeziehung zwischen der Menge der schädlichen Bestandteile aufwiesen, die während des Prüfmodus (nach der Reinigung mit einem Drei-Wege-Katalysator) ausgestoßen wurden, und der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert) hatte jede Änderung in der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert), wenn auch geringfügig, einen Einfluß auf die ausgestoßenen schädlichen Bestandteile, so daß sie nicht vernachlässigt werden können.
- Selbst wenn andere Bedingungen als feststehend angenommen wurden, hatte jede Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in bezug auf den (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis Einfluß auf die Änderung der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert).
- Selbst wenn andere Bedingungen als feststehend angenommen wurden, hatte jede Änderung der Temperatur des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis Einfluß auf die Änderung der Steuerung des Luft/Brennstoff- Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert).
- Selbst wenn andere Bedingungen als feststehend angenommen wurden, hatte jede Änderung der Zeitdauer des Wirkens der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses Einfluß auf die Änderung der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert).
- Selbst wenn andere Bedingungen als feststehend angenommen wurden, hatte jede Änderung der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerkonstanten (Verzögerungszeit, Sprung und Anstiegsrate bzw. Abfallrate) Einfluß auf die Änderung der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert).
- Selbst wenn andere Bedingungen als feststehend angenommen wurden, hatte jede Änderung der Zusammensetzung des Abgases in bezug Einfluß auf die Änderung der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses (zeitlicher Mittelwert).
Die vorstehend erwähnten Forschungsergebnisse zeigen deutlich die Probleme der Vorrichtungen des Standes der Technik auf.
In dem Stand der Technik war nicht bekannt, daß die Zustände der Brennkraftmaschine, die eine enge Wechselwirkung mit der Menge der schädlichen Bestandteile zeigen, die während des Prüfmodus (durch einen Drei-Wege-Katalysator) ausgestoßen sind, von der Automobiltype, dem Brennkraftmaschinenmodell, dem Getriebemodell, der Type des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis und dem Abgasprüfmodus abhängig sind. Deshalb weist die Vorrichtung nach dem Stand der Technik keine optimierten Zustände der Brennkraftmaschine zur Bewertung der Eigenschaften auf.
- In dem Stand der Technik war keine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung zur genauen Messung einer Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von 0,1% in der Lage. Somit wurden nur Änderungen in der Größenordnung von 1% wirksam gemessen.
- In dem Stand der Technik war nicht bekannt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases einen starken Einfluß auf die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausübt. Daher wies die Vorrichtung des Standes der Technik keine optimierte Strömungsgeschwindigkeit des Abgases der vorbestimmten Zustände der Brennkraftmaschine zur Bewertung der Eigenschaften auf.
- In dem Stand der Technik war nicht bekannt, daß die Temperatur des Meßfühlers einen starken Einfluß auf die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausübt. Daher wies die Vorrichtung des Standes der Technik keine optimierte Temperatur des Meßfühlers der vorbestimmten Zustände der Brennkraftmaschine zur Bewertung der Eigenschaften auf.
- In dem Stand der Technik war nicht bekannt, daß die Zeitdauer, in welcher die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses einwirkt, einen starken Einfluß auf die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausübt. Daher wies die Vorrichtung des Standes der Technik keine optimierte Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerdauer der vorbestimmten Zustände der Brennkraftmaschine zur Bewertung der Eigenschaften auf.
- In dem Stand der Technik war nicht bekannt, daß die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerkonstanten (Verzögerungszeit, Sprung und Anstiegsrate bzw. Abfallrate) einen starken Einfluß auf die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausüben. Daher wies die Vorrichtung des Standes der Technik keine optimierten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerkonstanten (Verzögerungszeit, Sprung und Anstiegsrate bzw. Abfall rate) der vorbestimmten Zustände der Brennkraftmaschine zur Bewertung der Eigenschaften auf.
- In dem Stand der Technik war nicht bekannt, daß die Zusammensetzung des Abgases einen starken Einfluß auf die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausübt. Daher wies die Vorrichtung des Standes der Technik keine optimierte Zusammensetzung des Abgases der vorbestimmten Zustände der Brennkraftmaschine zur Bewertung der Eigenschaften auf.
Daher zeigten die Eigenschaften, die durch eine Vorrichtung des Standes der Technik zur Analyse der Eigenschaften eines (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis gemessen sind, keine gute Wechselbeziehung mit der Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, das bei einer tatsächlichen Brennkraftmaschine gemessen ist.

Aufbau und die Wirkungsweise der Vorrichtung der Erfindung

Eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis gemäß einem ersten Gesichtspunkt dieser Erfindung weist auf:
- eine Meßfühleranordnungseinrichtung, in welcher ein zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist,
- eine Gasregeleinrichtung zum Zuführen eines Abgases oder einiger Bestandteile dieses Abgases von der Brennkraftmaschine zu der Meßfühleranordnungseinrichtung,
- eine Steuereinrichtung zum Vergleichen des Ausgabewerts vom Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis und eines Ausgabebezugswerts von einem ersten Luft/Brennstoff- Verhältnis-Bezugsmeßfühler bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine, um eine Abweichung zu gewinnen, einen zeitlichen Verlauf der Abweichung einer Zusammensetzung und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases zur Korrektur zu erlangen und zum Steuern der Gasregeleinrichtung, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Gases zu steuern, und
- eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung zum Messen eines zeitlichen Mittelwerts des auf diese Weise gesteuerten Luft/Brennstoff-Verhältnisses,
wobei die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung aufweist:
- einen zweiten Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zum Erfassen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des von der Gasregeleinrichtung zugeführten Gases,
- eine erste Berechnungseinrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, das hinzuzufügen ist, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des von der Gasregeleinrichtung zugeführten Gases zum stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis zu bringen, auf der Grundlage eines Ausgangswerts des zweiten Bezugsmeßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis,
- eine zusätzliche Gasregeleinrichtung zum Regeln der Strömungsmenge eines zusätzlichen Gases, das hinzuzufügen ist, auf der Grundlage des auf diese Weise erhaltenen Berechnungsergebnisses, und
- eine zweite Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Gases, das von der Gasregeleinrichtung zugeführt ist, auf der Grundlage der Menge des zusätzlichen Gases, die zugeführt ist,
wobei die Analyse der Eigenschaften des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausgeführt wird, das durch die zweite Berechnungseinrichtung berechnet ist.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung weist vorzugsweise auf:
- eine Festströmungsmenge-Zuführeinrichtung zum Trennen eines Gases in eine Festströmungsmenge von einem Abgas von der Meßfühleranordnungseinrichtung und
- eine Gasreaktionseinrichtung, um das abgetrennte Gas zu veranlassen, mit dem zusätzlichen Gas zu reagieren, das durch die Zusatzgas-Steuereinrichtung hinzugefügt ist und Zuführen des so reagierten Gases zu dem zweiten Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis.
Der Aufbau könnte auch so ausgeführt sein, daß die Zusatzgas-Steuereinrichtung in einer solchen Weise aufgebaut ist, um entweder Wasserstoff oder Sauerstoff als das Zusatzgas zuzuführen,
wobei der zweite Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis ausgebildet ist, um zu erfassen, ob das reagierte Gas zu fett oder zu mager hin verschoben ist,
wobei die erste Berechnungseinrichtung bestimmt, ob das reagierte Gas fett oder mager von einem Ausgangswert des zweiten Bezugsmeßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis ist und die Zusatzgas-Steuereinrichtung in einer solchen Weise steuert, daß Sauerstoff allmählich zugegeben wird, bis das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht ist, wenn das reagierte Gas fett ist, oder allmählich Wasserstoff zugegeben wird, bis das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht ist, wenn das reagierte Gas mager ist, und
wobei die zweite Berechnungseinrichtung einen zeitlichen Mittelwert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses berechnet und anzeigt, wenn das reagierte Gas durch die Zugabe von Sauerstoff oder Wasserstoff einen Zustand in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses erreicht hat.
Die Vorrichtung dieser Erfindung kann ferner aufweisen:
- eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßeinrichtung zum Messen der Änderungen der Wellenform des gesteuerten Luft/Brennstoff-Verhältnisses,
wobei eine zu messende Eigenschaft des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage der gemessenen Wellenformänderungen analysiert wird.
Die Gasregeleinrichtung ist vorzugsweise aufgebaut, um ein Gas zuzuführen, das die folgenden Gasbestandteile aufweist: Stickstoff (N&sub2;), Wasserdampf (H&sub2;O), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenwasserstoffe (HC), Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO).
Die Gasregeleinrichtung ist ferner vorzugsweise aufgebaut, um ein Gas zuzuführen, das auch Kohlendioxid (CO&sub2;) aufweist.
Die Gasregeleinrichtung ist ferner vorzugsweise so aufgebaut, daß das Kohlenwasserstoffgas (HC) aus mindestens einem Gas aus der Gruppe besteht, die Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Toluol (C&sub7;H&sub8;) und Propylen (C&sub3;H&sub6;) aufweist.
Die Gasregeleinrichtung ist ferner vorzugsweise aufgebaut, um ein Gas mit einer Temperatur, einer Strömungsmenge, einer Zusammensetzung und einem Luft/Brennstoff-Verhältnis bereitzustellen, das einem Brennkraftmaschinenabgas unter Hochlastbedingungen gleichwertig ist.
Die Vorrichtung dieser Erfindung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß die Gasregeleinrichtung aufweist:
- eine Flüssigkeitsströmungsmenge-Steuereinrichtung zum Steuern einer Strömungsmenge dieser Abgasbestandteile zu steuern, welche in einem flüssigen Zustand zugeführt werden,
- eine Flüssigkeitszerstäubungseinrichtung zum Zerstäuben der auf diese Weise zugeführten flüssigen Bestandteile,
- eine Hochgeschwindigkeits-Gasströmungsmenge-Steuereinrichtung, um mit hoher Geschwindigkeit eine Zuführströmungsmenge jener der Gasbestandteile zu steuern, welche in einem Gaszustand zugeführt werden, und
- eine Mischeinrichtung zum Mischen der Abgasbestandteile, welche von der Flüssigkeitszerstäubungseinrichtung und von der Hochgeschwindigkeits-Gasströmungsmenge- Steuereinrichtung zugeführt werden,
wobei die Steuereinrichtung die Strömungsmengen der Gase steuert, die durch die Flüssigkeitsströmungsmenge- Steuereinrichtung und der Hochgeschwindigkeits-Gasströmungsmenge-Steuereinrichtung zugeführt werden.
Die Meßfühleranordnungseinrichtung ist vorzugsweise aufgebaut, um eine Einrichtung zum Erwärmen des zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis aufzuweisen.
Die Steuereinrichtung weist vorzugsweise auf:
- eine Speichereinrichtung, in welcher eine Vielzahl von Ausgangsmustern für den Ausgabebezugswert, die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerbedingungen für die Meßfühleranordnungseinrichtung gespeichert sind, entsprechend den Abgasprüf- und -meßmoden und den Meßbedingungen der Brennkraftmaschine,
- eine Auswahleinrichtung zum Auswählen der gewünschten Abgasprüf- und -meßmoden und Meßbedingungen, und
- eine Einrichtung zum Lesen der Ausgabebezugsmuster und Steuerbedingungen entsprechend den auf diese Weise ausgewählten Abgasprüf- und -meßmoden und Meßbedingungen, und zum Steuern der Gasregeleinrichtung und der Meßfühleranordnungseinrichtung auf der Grundlage der gelesenen Steuerbedingungen und einer Abweichung zwischen den gelesenen Ausgabebezugsmustern und einer Ausgabe vom zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis.
Die Meßfühleranordnungseinrichtung kann ferner aufweisen:
- eine erste Meßfühleranordnungseinrichtung, in welcher ein erster zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis angeordnet ist und welchem ein Gas von der Gasregeleinrichtung zugeführt wird,
- einen Drei-Wege-Katalysatorabschnitt, der abstromseitig der ersten Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet ist, und
- eine zweite Meßfühleranordnungseinrichtung, die abstromseitig des Drei-Wege-Katalysatorabschnitts angeordnet ist, in welchem ein zweiter zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist,
wobei die Steuereinrichtung die Gasregeleinrichtung auf der Grundlage der Ausgaben von dem ersten zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis und dem zweiten zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis steuert.
Eine ausführliche Beschreibung des Aufbaus und der Wirkungsweise der Vorrichtung dieser Erfindung erfolgt nachstehend.
Erfindungsgemäß ist der zu messende Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet. Ein Gas, daß im wesentlichen zu den Bestandteilen des Abgases von einer Brennkraftmaschine gleichwertig ist oder einigen Bestandteilen dieses wird von der Gasregeleinrichtung der Meßfühleranordnungseinrichtung zugeführt.
Während dieser Zeit vergleicht die Steuereinrichtung eine Ausgabe des zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis, der in der Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet ist mit einer Ausgabe eines Bezugsmeßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis bei dem stöchiometrischen Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) der Brennkraftmaschine, um eine Abweichung daraus zu erhalten, erlangt aus einem zeitlichen Ablauf der Abweichung die Zusammensetzung und die Strömungsmenge der zuzugebenden Gases und gibt sachgemäße Anweisungen an die Gasregeleinrichtung aus.
Auf diese Weise wird ein zeitlicher Mittelwert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses erhalten, der im wesentlichen gleich dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis (stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis), indem die Zusammensetzung und die Strömungsmenge der hinzuzufügenden Gase auf der Grundlage eines Ausgangssignals (elektromotorische Kraft oder Widerstand) von dem zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis erlangt wird und durch das Steuern des Systems in einer solchen Weise, daß sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) annähert.
Das Austauschen einzelner (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, die zu messen sind, kann jedoch sehr geringe Abweichungen verursachen, d. h. weniger als 1% Unterschied von dem stöchiometrischen Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) zwischen einzelnen O&sub2;-Meßfühlern. Die durch die vorstehend genannten Erfinder ausgeführten Forschungen haben gezeigt, daß ein Wert des Luftverhältnisses, der durch den zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis gesteuert wird, einen großen Einfluß auf die Abgasemissionen aufweist. Daher ist ein gesteuerter Wert des Luftverhältnisses die wichtigste Eigenschaft eines O&sub2;-Meßfühlers.
Die Vorrichtung dieser Erfindung verwendet eine Luft/ Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung zum direkten und genauen Messen eines Werts des Luftverhältnisses, welcher die wichtigste Eigenschaft eines O&sub2;-Meßfühlers ist.
In anderen Worten, die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßein richtung dieser Erfindung ist ausgebildet, daß sie einen Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, eine erste Berechnungseinrichtung, eine Zusatzgas-Steuereinrichtung und eine zweite Berechnungseinrichtung aufweist.
Sie verwendet den Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis zum Erfassen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Gases, das von der Gasregeleinrichtung zugeführt ist und gibt ein entsprechendes Erfassungssignal an die erste Berechnungseinrichtung aus.
Die erste Berechnungseinrichtung erfaßt die Richtung, in welche das Luft/Brennstoff-Verhältnis des zugeführten Gases von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis abweicht, auf der Grundlage der Ausgabe des Bezugsmeßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis und berechnet die Strömungsmenge des hinzuzufügenden Gases, um das Luft/ Brennstoff-Verhältnis des zugeführten Gases zum stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis zurückzuführen.
Die Zusatzgas-Steuereinrichtung führt das hinzuzufügende Zusatzgas in der Strömungsmenge zu, die durch dieses Berechnungsergebnis bestimmt ist.
In diesem Fall ist zu bevorzugen, daß die Luft/Brennstoff- Verhältnis-Meßeinrichtung ausgebildet ist, daß sie eine Festströmungsmenge-Zuführeinrichtung und eine Gasreaktionseinrichtung aufweist, um die Hinzugabe dieses Zusatzgases zu erleichtern.
D. h., die Festströmungsmenge-Zuführeinrichtung trennt eine Gasmenge bei einer Festströmungsmenge von dem ausgestoßenen Gas von der Meßfühleranordnungseinrichtung ab.
Die Zusatzgas-Steuereinrichtung fügt das Zusatzgas bei der zweckentsprechenden Zusatzströmungsmenge zu dem somit abgetrennten Gas zu und führt die sich ergebende Mischung der Gasreaktionseinrichtung zu.
Die Gasreaktionseinrichtung veranlaßt den abgetrennten Gasstrom, mit dem Zusatzgas zu reagieren und führt das sich ergebende Gas dem Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis zu.
Während dieser Zeitdauer kann die zweite Berechnungseinrichtung das Luft/Brennstoff-Verhältnis des zugeführten Gases berechnen, auf der Grundlage von Faktoren, wie z. B. die Menge des Zusatzgases, die zugeführt ist. In anderen Worten, wenn sich das Luft/Brennstoff-Verhältnis der genommenen Proben des zugeführten Gases von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis unterscheidet, ist es im allgemeinen möglich, zu bestimmen, ob es Brennstoff oder Luft ist, der oder die unzureichend ist. Wenn es demgemäß möglich ist, zu bestimmen, welches Gas unzureichend ist und in welchem Verhältnis es unzureichend ist, kann das Gas zu dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis durch Behebung dieses Mangels zurückgeführt werden. Außerdem kann das Luft/ Brennstoff-Verhältnis des zugeführten Gases aus der Type und der Menge des zugeführten Gases berechnet werden.
Unter Verwendung eines solchen Verfahrens kann die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung dieser Erfindung einen Wert für das Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) gemäß dem zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit einer Genauigkeit von 0,1% erlangen, und somit macht es die Vorrichtung dieser Erfindung möglich, die Eigenschaften des zu messenden Meßfühlers für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis mit einem hohen Genauigkeitsgrad zu analysieren.
Schließlich weist die Steuereinrichtung vorzugsweise auf:
- eine Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)- Steuereinrichtung zum Vergleichen einer Ausgabe des (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der zu messen ist, welcher in der Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet ist, und einer Ausgabe des (O&sub2;)- Bezugsmeßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis bei dem stöchiometrischen Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) der Brennkraftmaschine, um eine Abweichung zwischen diesen zu gewinnen, das Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) auf der Grundlage einer Vorgeschichte dieser Abweichung über die Zeit zu steuern, eine Gaszusammensetzung und eine Strömungsmenge entsprechend diesem Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) zu erlangen und Anweisungen an die Gasregeleinrichtung auszugeben,
- eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern der Temperatur anderer Bauteile der Vorrichtung und
- eine Meßsteuereinrichtung zum Ausführen der Steuerung und Messung für die anderen Bauteile der Vorrichtung.
Eine hochgenaue Steuerung wird durch funktionsgerechtes Aufteilen der Steuereinrichtung in dieser Weise gewährleistet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise auch eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßeinrichtung (Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung) auf, welche die Änderung der Wellenform des gesteuerten Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnis) mißt, mit dem sie die zeitabhängige Wellenform des gesteuerten Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnis) mißt.
D. h., ein Wert des Luftverhältnisses, das gesteuert wird, um zu dem zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu passen, ist die wichtigste Eigenschaft eines O&sub2;-Meßfühlers, weil sie die Abgasemissionen beeinflußt, wie vorstehend beschrieben ist. Die durch die Erfinder ausgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß die nächstwichtigste Eigenschaft, welche die Abgasemissionen beeinflußt, die zeitabhängige Wellenform des gesteuerten Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnis) ist. Die Messung dieser zeitabhängigen Wellenform macht es möglich, die zweitwichtigste Eigenschaft des O&sub2;-Meßfühlers zu bestimmen und gestattet so eine gründlichere Analyse.
Die Gasbestandteile, die durch die Gasregeleinrichtung in der Vorrichtung dieser Erfindung verwendet werden, sind vorzugsweise: Stickstoff (N&sub2;), Wasserdampf (H&sub2;O), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenwasserstoffe (HC), Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO).
D. h., diese Gasbestandteile weisen einen großen Einfluß auf die Ausgangseigenschaften (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des O&sub2;-Meßfühlers auf.
Die durch die Erfinder ausgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß von den vielen Bestandteilen der Abgase, jene, die einen großen Einfluß auf die Ausgangseigenschaften (elektromotorische Kraft und Widerstand) des O&sub2;-Meßfühlers aufweisen Stickstoff (N&sub2;), Wasserdampf (H&sub2;O), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenwasserstoffe (HC), Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO) sind.
Diese Untersuchungen haben auch gezeigt, daß die drei Bestandteile Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (HZ) und Kohlenwasserstoffe (HC) Anlaß zu Oxidationsreaktionen in der Nähe der Elektroden des O&sub2;-Meßfühlers geben und eine elektromotorische Kraft erzeugen, welche die wichtigste Aktion eines O&sub2;-Meßfühlers ist.
Diese Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO), zusammen mit den drei vorstehend erwähnten Bestandteilen Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;) und Kohlenwasserstoffe (HC) Anlaß zu Oxidationsreaktionen in der Nähe der Elektroden des O&sub2;-Meßfühlers geben und eine elektromotorische Kraft erzeugen, welche die wichtigste Aktion eines O&sub2;-Meßfühlers ist.
Eine noch weitere Erkenntnis aus diesen Untersuchungen ist, daß Wasserdampf (H&sub2;O) die Wirkung der Hemmung der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs (H&sub2;) in der Nähe der Elektroden des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist. Daher verwendet diese Vorrichtung auch Wasserdampf (H&sub2;O), um es zu ermöglichen, die Wirkung der Hemmung der Oxidationsreaktion des Wasserstoffs (H&sub2;) durch Wasserdampf (H&sub2;O) zu reproduzieren, als wenn der Meßfühler in dem Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet wäre. Dies ermöglicht die genaue Messung der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers, in welchem die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs (H&sub2;) gehemmt worden ist, durch diese Vorrichtung.
Schließlich ermöglicht die vorstehend beschriebene Reihe der Gasbestandteile, die durch die Gasregeleinrichtung verwendet wird, das Zuführen eines Gases, das im wesentlichen den Bestandteilen der durch eine tatsächliche Brennkraftmaschine erzeugten Abgase gleichwertig ist.
Der Kohlenwasserstoff-(HC)-Gasbestandteil, der durch die Gasregeleinrichtung dieser Erfindung verwendet wird, ist vorzugsweise ein Bestandteil oder eine Kombination des Ethylens (C&sub2;H&sub4;), des Toluols (C&sub7;H&sub8;) und des Propylens (C&sub3;H&sub6;).
Diese Gasbestandteile der Kohlenwasserstoffe (HC) in den Abgasen weisen eine große Wirkung auf die Ausgabeeigenschaften (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des O&sub2;-Meßfühlers auf.
Die Erfinder haben eine eingehende Analyse der Kohlenwasserstoffe (HC) in den Abgasen tatsächlicher Brennkraftmaschinen ausgeführt und haben über 20 solcher Bestandteile und deren Konzentrationen erkannt. Bei der Rangordnung der durch diese vielen Bestandteile verursachten Wirkungen auf die Ausgabeeigenschaft (elektromotorische Kraft und Widerstand) des O&sub2;- Meßfühlers wurde festgestellt, daß Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Toluol (C&sub7;H&sub8;) und Propylen (C&sub3;H&sub6;) in dieser Reihenfolge die größte Wirkung aufweisen, unabhängig von den Zuständen der Brennkraftmaschine. Daher verwendet diese Vorrichtung nur einen Bestandteil oder eine Kombination dieser Bestandteile, um die Wirkung auf die Ausgabeeigenschaften (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des O&sub2;-Meßfühlers zu reproduzieren, die durch die Kohlenwasserstoffe (HC) verursacht ist, als ob der Meßfühler in dem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dies ermöglicht die genaue Messung der Ausgabeeigenschaften (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des O&sub2;-Meßfühlers in bezug auf die Kohlenwasserstoffe (HC).
Es ist ferner zu bevorzugen, Kohlendioxid (CO&sub2;) den Gasbestandteilen hinzuzufügen, die durch die Gasregeleinrichtung verwendet werden.
Die Untersuchungen der genannten Erfinder haben gezeigt, daß Kohlendioxid (CO&sub2;) die Wirkung der Unterdrückung der Oxidationsreaktion des Kohlenmonoxids (CO) in der Nähe der Elektroden des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist. Daher ermöglicht die Verwendung von Kohlendioxid (CO&sub2;) in dieser Vorrichtung die Reproduktion der Wirkung der Unterdrückung der Oxidationsreaktion des Kohlenmonoxids (CO), als ob der Meßfühler in dem Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Dies ermöglicht die genaue Messung der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers durch diese Vorrichtung, wobei die Oxidationsreaktion des Kohlenmonoxids (CO) verringert worden ist.
Die Meßsteuereinrichtung gemäß dieser Erfindung weist vorzugsweise auch auf:
- eine Meßmodus-/-bedingungs-Einstelleinrichtung,
- eine O&sub2;-Meßfühler-Ausgabeverarbeitungseinrichtung,
- eine O&sub2;-Meßfühler-Eigenschaftsanzeige- und - ausgabeeinrichtung,
- eine Kommunikationseinrichtung für die Luft/ Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung (Luftverhältnis-Präzisionsmeßeinrichtung),
- eine Kommunikationseinrichtung für die Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Steuereinrichtung und
- eine Kommunikationseinrichtung für die Temperatursteuereinrichtung.
In anderen Worten, die Meßmodus-/-bedingungs-Einstelleinrichtung kann einen der drei Meßmoden auswählen, die in dieser Vorrichtung vorliegen, um die dynamische λ-Eigenschaft, das Übergangsverhalten oder die statische λ-Eigenschaft zu messen. Sie kann ebenfalls kennzeichnende Meßbedingungen einstellen, entsprechend jedem dieser Moden. Die Type des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers kann dadurch ebenfalls ausgewählt werden.
Die O&sub2;-Meßfühlerausgabe-Verarbeitungseinrichtung verarbeitet ein schwaches Ausgangssignal (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers vor, um es für die Messung aufzubereiten.
Wenn der zu messende O&sub2;-Meßfühler eine Sauerstoffkonzentrationszellentype ist, ist das Ausgangssignal eine elektromotorische Kraft in der Größenordnung von 0 bis 1 V. Wenn eine elektromotorische Kraft gemessen wird, weist der Innenwiderstand des O&sub2;-Meßfühlers die Wirkung der Verminderung der Spannung auf. Wird eine Eigenschaft bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur gemessen, ist der Innenwiderstand des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers häufig hoch, daher kann diese Wirkung eines durch den Innenwiderstand verursachten Spannungsabfalls leicht eintreten. In diesem Fall wird ein Puffer mit einem kleinen Eingangsvorstrom verwendet, welcher die Wirkung des durch den Innenwiderstand verursachten Spannungsabfalls verringert.
Wenn der zu messende O&sub2;-Meßfühler einer der Halbleiteroxidtype (Titandioxid usw.) ist, ist das Ausgangssignal ein Widerstand der Größenordnung von 1 kΩ bis 1000 kΩ. Da die Amplitude der Änderungen des Widerstands infolge des Luftverhältnisses extrem groß ist (ungefähr drei Größenordnungen), ist eine Einrichtung notwendig, um die genaue Messung zu ermöglichen. Ein Verfahren besteht in dem Anlegen einer konstanten Spannung zwischen den Enden der seriell verbundenen Schaltung eines Festwiderstands und dem zu messenden O&sub2;- Meßfühler, und dem Messen der resultierenden Spannung, die zwischen dem Widerstand und dem O&sub2;-Meßfühler aufgeteilt ist, welches den Vorteil der leichten Ausführung aufweist. Ein anderes Verfahren besteht im Messen des Widerstands mit einem logarithmischen Ohmmeter, welches den Vorteil des genauen Messens der Widerstände aufweist, die sich über einen weiten Bereich ändern.
Die O&sub2;-Meßfühlereigenschaft-Anzeige- und -Ausgabeeinrichtung zeigt die gemessene Eigenschaft des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers auf einer Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung an, wandelt das Format dieser Daten für eine Ausgabeeinrichtung, wie z. B. ein Plotter, um und gibt die Daten an ein Diskettenlaufwerk aus.
Die Kommunikationseinrichtung für die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung (Luftverhältnis-Präzisionsmeßeinrichtung) überträgt Befehle, welche die Meßbedingungen und den Meßbeginn betreffen, an die Luft/Brennstoff-Verhältnis- Meßeinrichtung (Luftverhältnis-Präzisionsmeßeinrichtung) und nimmt auch Meßwerte (zeitlicher Mittelwert des Luftverhältnisses) auf.
Die Kommunikationseinrichtung für die Luftverhältnis- (Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Steuereinrichtung überträgt Luftverhältnis-Steuerbedingungsanweisungen an die Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Steuereinrichtung.
Die Kommunikationseinrichtung für die Temperatursteuereinrichtung überträgt Bestandteil-Temperatureinstellungen an die Temperatursteuereinrichtung und nimmt auch die aktuelle Temperatur auf.
Die hochgenaue Steuerung mit hoher Geschwindigkeit wird durch Unterteilen der Funktion der Meßsteuereinrichtung auf diese Weise ermöglicht.
Die Meßsteuereinrichtung weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Abrufen von Signalen von der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Wellenform-Meßeinrichtung (Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung) auf.
Dies ermöglicht es, die Luft/Brennstoff-Verhältnis- Wellenform-Daten im Gleichlauf mit den gemessenen Eigenschaften des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers aufzuzeichnen, unter Verwendung der Signalabrufeinrichtung zum Abrufen des Ausgangssignals (Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform) von der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßeinrichtung (Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis- Meßeinrichtung).
Die Meßmodus-/-bedingung-Einstelleinrichtung ist vorzugsweise in einer solchen Weise aufgebaut, daß der "Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuermodus (dynamischer λ-Eigenschaft-Modus)", der "statische λ-Eigenschaft-(Meßfühlerausgabe zu Luft/Brennstoff-Verhältnis-(Luftverhältnis)-Meßmodus", der "Übergangsverhalten-Meßmodus" oder eine Kombination dieser Moden als der Meßmodus ausgewählt werden können.
Ein solcher Aufbau ermöglicht es dem Bediener, zwischen der Messung unterschiedlicher Eigenschaften durch Auswahl eines der drei Eigenschaften aus einem Menü frei zu schalten und so die Effektivität zu erhöhen.
Der Meßmodus-/-bedingungseinstellmodus ist vorzugsweise in einer solchen Weise ausgebildet, daß die optimalen Bedingungen der Brennkraftmaschine (Motordrehzahl und Ansaugdruck), Abgasströmungsgeschwindigkeit, Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung, Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerperiode und Meßfühlertemperatur durch Eingeben des Automobiltyps, des Baujahrs, des Brennkraftmaschinenmodells, des Getriebemodells und der Type von Abgasbestimmungen entsprechend dem zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gewählt werden können, so daß die Messung immer unter zweckentsprechenden Bedingungen ausgeführt werden kann.
Dieser Aufbau gewährleistet, daß die optimalen Bedingungen der Brennkraftmaschine (Motordrehzahl und Ansaugdruck), Abgasströmungsgeschwindigkeit, Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung, Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerperiode und Meß fühlertemperatur als die erste Option auf dem Menü erscheinen, wenn der Bediener die Automobiltype, das Baujahr, das Brennkraftmaschinenmodell und das Getriebemodell entsprechend dem zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis durch die Meßmodus-/-bedingungseinstelleinrichtung eingibt.
Die Meßmodus-/-bedingungseinstelleinrichtung ist vorzugsweise auch so aufgebaut, um es zu ermöglichen, die Eigenschaften unter allen gewünschten Bedingungen zu messen, in dem Fall, daß es als notwendig angesehen wird, Eigenschaften unter Bedingungen zu messen und zu analysieren, die vollständig oder teilweise von den optimalen Brennkraftmaschinenbedingungen (Motordrehzahl, Ansaugdruck, Drehmoment, Motorleistung usw.) abweichen, Abgasströmungsgeschwindigkeit, Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung, Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerperiode und Meßfühlertemperatur, die durch Eingabe der Automobiltype, des Baujahrs, des Brennkraftmaschinenmodells, des Getriebemodells und der Type der Abgasbestimmungen entsprechend dem zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gewählt werden können.
Dies ermöglicht es, die Auswahl abzuwandeln, die als die erste Option auf dem Menü erscheint, wenn notwendig, so daß eine Eigenschaft unter tatsächlichen Bedingungen gemessen werden kann, die z. B. in einem bestimmten Brennkraftmaschinen-Abgasrohr auftreten oder eine gründlichere Analyse des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers durch Messen dessen Eigenschaften unter allen gewünschten Bedingungen erfolgen kann.
Die Temperatursteuereinrichtung ist vorzugsweise aufgebaut, eine Gesamttemperatur-Steuereinrichtung, eine Bestandteiltemperatur-Anzeigeeinrichtung, eine Temperatursteuer-Steuereinrichtung, eine Meßfühler-Heizenergiequelleneinrichtung und eine Kommunikationseinrichtung (mit Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung) für die Meßsteuereinrichtung.
In diesem Fall steuert die Gesamttemperatur-Steuereinrichtung die Temperaturen aller Bestandteile.
Die Bestandteiltemperatur-Anzeigeeinrichtung zeigt die Temperatur jedes Bestandteils an.
Die Temperatursteuer-Steuereinrichtung überträgt die Einstelltemperatur jedes Temperaturreglers und nimmt Steuerergebnisse auf.
Die Meßfühler-Heizenergiequelleneinrichtung überträgt die Einstellspannung der Energiequelle, die den zu messenden O&sub2;- Meßfühler erwärmt, und nimmt einen Stromwert auf.
Die Kommunikationseinrichtung für die Meßsteuereinrichtung nimmt eine Einstelltemperatur von der Meßsteuereinrichtung auf und überträgt die Steuerergebnisse.
Die hochgenaue Steuerung mit hoher Geschwindigkeit wird durch funktionelles Unterteilen der Temperatursteuereinrichtung auf diese Weise möglich.
Die Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)- Steuereinrichtung ist vorzugsweise aufgebaut, daß sie eine Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)- und Strömungsmenge-Steuereinrichtung, eine Bestandteil-Wellenform-Anzeigeeinrichtung, eine Steuerwellenform-Erzeugungseinrichtung und eine Kommunikationseinrichtung (mit Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung) für die Meßsteuereinrichtung aufweist.
Die Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)- und Strömungsmenge-Steuereinrichtung berechnet das Luftverhältnis (Luft/Brennstoff-Verhältnis) auf der Grundlage des Ausgangssignals (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers und der Steuerkonstanten. Sie gewinnt die Konzentrationen jeder der Komponenten des Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnis) aus einer vorhergehenden Eingabetabelle. Sie berechnet auch die Strömungsmen gen dieser Bestandteile aus den Konzentrationen dieser Bestandteile und die gesamte Gasströmung.
Die Bestandteil-Wellenform-Anzeigeeinrichtung zeigt die Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Wellenform, Wellenformen der Konzentrationen dieser Bestandteile und die Ausgabe-Wellenform (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers auf einer Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinrichtung an.
Die Eigenschaften können auch aus einer festgelegten Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Wellenform gemessen werden, ohne eine Rückführsteuerung auf der Grundlage des Ausgangssignals (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers und der Steuerkonstanten. In einem solchen Fall wird die Steuerwellenform-Erzeugungseinrichtung verwendet, um eine festgelegte Luftverhältnis- (Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Wellenform zu erzeugen.
Die Kommunikationseinrichtung (Hochgeschwindigkeits-Signalübertragungseinrichtung) nimmt die Type der Eigenschaften, die zu messen sind, und die Steuerkonstanten von der Meßsteuereinrichtung auf. Sie sendet den Wert des Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnis) zur Meßsteuereinrichtung.
Die hochgenaue Steuerung mit hoher Geschwindigkeit wird durch funktionelles Unterteilen der Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Steuereinrichtung auf diese Weise möglich.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis- und Strömungsmenge-Steuereinrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sie eine Fett/Mager-Bestimmungseinrichtung, eine Verzögerungszeit- Zusatzeinrichtung, eine Überspring-Zusatzeinrichtung, eine Rampenrate-Zusatzeinrichtung, eine Systemverzögerungskompensationseinrichtung, eine Gasbestandteilkonzentration-Berechnungseinrichtung und eine Gasbestandteil-Strömungsmenge-Berechnungseinrichtung aufweist.
Die Fett/Mager-Bestimmungseinrichtung vergleicht das Ausgangssignal (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des O&sub2;-Meßfühlers, der zu messen ist, mit einem Bezugswert und bestimmt daraus "fett" oder "mager".
Die Verzögerungszeit-Zusatzeinrichtung fügt eine vorhergehend bestimmte Verzögerungszeit einem Signal zu, das fett/mager bestimmt.
Die Überspring-Zusatzeinrichtung addiert einen vorhergehend bestimmten Sprung zum Ausgleich des laufenden Werts des Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnisses) auf der Grundlage des Signals, zu welchem die Verzögerungszeit hinzugefügt wurde.
Die Rampenrate-Zusatzeinrichtung kompensiert das Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Signal, welchem der Sprung hinzugefügt wurde, durch eine vorhergehend bestimmte Rampenrate.
Eine tatsächliche Brennkraftmaschine weist mehrere inhärente Zeitverzögerungen auf, einschließlich der Verzögerungen des Brennstoffzuführsystems, Verzögerungen, die durch Adhäsion und der Strömung des flüssigen Brennstoffs im Ansaugkrümmer verursacht sind, und Verzögerungen, die durch Pausen in den Zylindern verursacht sind. Diese Vorrichtung ist mit der Systemverzögerung-Ausgleichseinrichtung ausgestattet, um zu gewährleisten, daß sie dieselben Verzögerungen wie jene der tatsächlichen Brennkraftmaschine reproduzieren kann.
Die Gasbestandteil-Konzentrationsberechnungseinrichtung gewinnt die Konzentrationen der Bestandteile des Luftverhältnisses (Luft/Brennstoff-Verhältnisses) aus einer vorhergehenden Eingabetabelle.
Die Gasbestandteil-Strömungsmenge-Berechnungseinrichtung berechnet die Strömungsmengen dieser Bestandteile aus deren Konzentrationen und dem gesamten Gasstrom.
Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird dasselbe Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Steuerergebnis wie das einer tatsächlichen Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)- Ausgleichverfahrens gewonnen, das durch eine tatsächliche Brennkraftmaschine verwendet wird.
Außerdem wird dasselbe Luftverhältnis-(Luft/Brennstoff-Verhältnis)-Steuerergebnis wie jenes einer tatsächlichen Brennkraftmaschine durch diese Vorrichtung unter Verwendung der Fett/Mager-Bestimmungsbedingungen, Verzögerungszeit, Sprung und Rampenrate durch eine tatsächliche Brennkraftmaschine erlangt.
Da diese Vorrichtung Modellgase verwendet, um ein Prüfgas abzustimmen, ohne das Benzin zu verbrennen, das in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine verwendet wird, gestattet sie äußerst stabile Eigenschaftsmessungen ohne die Instabilität einer tatsächlichen Brennkraftmaschine. Diese Reproduzierbarkeit ist auch sehr gut.
Die Systemverzögerung-Ausgleichseinrichtung ist vorzugsweise aus einer Berechnungseinrichtung für Verzögerungen höherer Ordnung aufgebaut.
Diese Verwendung einer Berechnungseinrichtung für Verzögerungen höherer Ordnung als die Systemverzögerung-Ausgleichseinrichtung erleichtert die Anpassung mehrerer Zeitverzögerungen, die einer tatsächlichen Brennkraftmaschine innewohnen, einschließlich den Verzögerungen in dem Brennstoffzuführsystem, Verzögerungen, verursacht durch Adhäsion und dem Strömen des Flüssigbrennstoffs im Ansaugkrümmer, und Verzögerungen, verursacht durch Pausen in den Zylindern, welche diese Vorrichtung einer tatsächlichen Brennkraftmaschine noch ähnlicher machen.
Die Systemverzögerung-Ausgleichseinrichtung kann aus einer Einrichtung zur Berechnung des Brennstoffverdampfungsver hältnisses, der Gasströmung-Zeitkonstanten und der Flüssigkeitsstrom-Zeitkonstante aufgebaut werden.
Ein solcher Aufbau erleichtert die Anpassung aller Verzögerungen, die durch Faktoren verursacht sind, wie Brennstoffverdampfungsverhältnisse, Gasströmung-Zeitkonstanten und Flüssigkeitsströmung-Zeitkonstanten in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine. In anderen Worten, dies ermöglicht die Verwendung von Parametern, die Verbindungen zwischen den Ursachen der Verzögerungen in den verschiedenen Teilen einer tatsächlichen Brennkraftmaschine erleichtern und somit diese Vorrichtung einer tatsächlichen Brennkraftmaschine noch ähnlicher machen.
Die Gasregeleinrichtung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß sie eine Gasströmung-Steuereinrichtung, eine Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung, eine Zerstäubungseinrichtung, eine Heizeinrichtung und eine Mischeinrichtung aufweist.
Die Gasströmung-Steuereinrichtung steuert die Strömungsmengen der Bestandteile, die Gase bei Raumtemperatur und Niederdruck-Stickstoff (N&sub2;), -Kohlenmonoxid (CO), -Wasserstoff (H&sub2;), -Ethylen (C&sub2;H&sub4;), - Propylen (C&sub3;H&sub6;), -Sauerstoff (O&sub2;) und -Stickoxid (NO) sind.
Die Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung steuert die Strömungsmengen der Bestandteile, die bei Raumtemperatur Flüssigkeiten sind, und Niederdruck-Wasserdampf (H&sub2;O) sowie Toluol (C&sub7;H&sub8;).
Die Zerstäubungseinrichtung zerstäubt die Bestandteile, die von der Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung zugeführt sind.
Die Heizeinrichtung erhitzt die gasförmigen Bestandteile und zerstäubten Flüssigkeitsbestandteile.
Die Mischeinrichtung mischt die Gasbestandteile und zerstäubten flüssigen Bestandteile.
Dieser Aufbau ermöglicht die genaue Messung und Steuerung jeder gewünschten Gaszusammensetzung durch Steuern jeder der Bestandteile einzeln durch eine Gasströmung-Steuereinrichtung für Bestandteile, die bei Raumtemperatur und geringem Druck Gase sind, und einer Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung für Bestandteile, die bei Raumtemperatur und geringem Druck flüssig sind.
Da außerdem die Bestandteile, die bei Raumtemperatur und niedrigem Druck flüssig sind, zerstäubt werden, nachdem sie gemessen worden sind, ist die Meßgenauigkeit gut und es liegen nur geringe Schwankungen der Strömungsmengen vor.
Da ferner die gemessenen und vermischten gasförmigen Bestandteile mit zerstäubten flüssigen Bestandteilen vermischt werden, treten keine Veränderungen in dem Mischgas auf, und das Mischgas ist gleichmäßig, so daß die Wiederholbarkeit der gemessenen Eigenschaften bei geringen zeitabhängigen Schwankungen verbessert wird.
Es ist zu bevorzugen, eine hyperschnelle Gasströmung- Steuereinrichtung als die Gasströmung-Steuereinrichtung zu verwenden.
Da ein Abgasemissionsmessung-Laufmuster den Lauf einer tatsächlichen Brennkraftmaschine unter Bedingungen einer hohen Motordrehzahl und bei einem hohen Ansaugdruck einschließt, muß die Steuerung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unter diesen Brennkraftmaschinenbedingungen ausgeführt werden und die Vorrichtung muß zu der zuverlässigen Reproduktion einer Wellenform der Änderungen in der Gaszusammensetzung während der Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung mit einer Bezugsfrequenz in der Größenordnung von 2,5 Hz in der Lage sein. In einer tatsächlichen Brennkraftmaschine werden Rampen und Übersprünge verwendet, um die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung auszuführen, die eine nichtsinusförmige Wellenform aufweist. Eine solche nichtsinusförmige Wellenform enthält viele Hochfrequenz-Bestandteile. Um zu gewährleisten, daß diese Hochfrequenz-Bestand teile auch in die Reproduktion einbezogen sind, ist eine Hochgeschwindigkeits-Gasströmung-Steuereinrichtung mit einer mittleren Frequenz in der Größenordnung von 25 Hz notwendig.
Die genannten Erfinder verwendeten eine Gasströmung- Steuereinrichtung zur getreuen Reproduktion einer Gasströmung-Wellenform, die viele Hochfrequenzbestandteile bei einer Bezugsfrequenz in der Größenordnung von 2,5 Hz aufweist.
Dies ermöglicht die Reproduktion einer Wellenform nahe der einer tatsächlichen Brennkraftmaschine, wobei selbst für eine Wellenform der elektromotorischen Kraft des O&sub2;-Meßfühlers zu bevorzugen ist, daß die Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung als eine Flüssigkeitstransportpumpe aufgebaut ist.
In anderen Worten, es ist äußerst schwierig, einen Bestandteil, der bei Raumtemperatur flüssig ist, in einem konstanten Verhältnis in einem Hochtemperaturgas gleichmäßig zu vermischen. Der Grund dafür besteht darin, daß die Phasenänderung von flüssig nach gasförmig notwendig ist, Schwankungen in der Flüssigkeitsmenge wahrscheinlich sind, die diese Phasenänderung durchläuft, wobei sich die Flüssigkeit bei deren Phasenänderungen drastisch ausdehnt, ein Druckanstieg auf der Lastseite eines halbdichten Raums innerhalb der Rohrleitung wahrscheinlich ist, und dieser lastseitige Druckanstieg auf leichte Weise die übertragene Flüssigkeitsmenge vermindern kann. Demzufolge können Schwankungen der übertragenen Flüssigkeitsmenge leicht eintreten, und somit ist es äußerst schwierig, die Bestandteile in konstanten Verhältnissen gleichmäßig zu vermischen.
Die Verwendung einer Flüssigkeitstransportpumpe, die verhindert, daß die Menge der transportierten Flüssigkeit durch eine Erhöhung des lastseitigen Drucks vermindert wird, weist die Wirkung der Unterdrückung der Schwankungen der Menge der transportierten Flüssigkeit auf.
Daher macht es die Verwendung einer Flüssigkeitstransportpumpe als Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung möglich, die Schwankungen der Menge der transportierten Flüssigkeit zu minimieren. Demzufolge können Bestandteile, welche bei Raumtemperatur flüssig sind, in konstanten Verhältnissen mit dem Hochtemperaturgas vermischt werden.
Die Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung kann als eine Flüssigkeitstransportpumpe aufgebaut sein, welche eine Strömungsmenge-Steuerfunktion aufweist.
Ein Verfahren, das die Veränderungen der Verdampfungsmenge verursacht, kann zur Veränderung der Konzentration der Bestandteile, welche bei Raumtemperatur flüssig sind, in Erwägung gezogen werden, doch dies führt wahrscheinlich zu einer extremen Zunahme der Größe der Vorrichtung, und die Wärmeträgheit wird ebenfalls groß, was es schwierig macht, die Verdampfungsmenge rasch zu verändern. Andererseits würde in Verfahren, das Veränderungen der Flüssigkeitsströmung verursacht, zu schnellen Veränderungen führen, weil die Wärmeträgheit gering wäre, und die Realisierung wäre ebenfalls einfach. In einem solchen Fall kann die zugeführte Menge unter Verwendung einer Transportpumpe mit einer Strömungsmenge-Steuerfunktion zum Verändern der Flüssigkeitsströmung schnell verändert werden.
Die Flüssigkeitsströmung-Steuereinrichtung kann aus einer Flüssigkeitstransportpumpe aufgebaut werden, welche eine Strömungsmenge-Befehlssignal-Kommunikationsfunktion und eine Strömungsmenge-Steuerfunktion aufweist.
Die Ausbildung der Flüssigkeitsströmungseinrichtung, welche die Konzentration der Bestandteile verändert, die bei Raumtemperatur flüssig sind, als eine Flüssigkeitstransportpumpe mit einer Strömungsmenge-Befehlssignal-Kommunikationsfunktion und einer Strömungsmenge-Steuerfunktion macht es möglich, eine automatische Steuerung von einer Steuereinrichtung, wie z. B. ein Personalcomputer, vorzusehen. Dies löst die Probleme, die durch die Handsteuerung auftreten, wie z. B. die Unmöglichkeit der Hochgeschwindigkeitssteuerung, auf Grund der für die Operation erforderlichen Zeitdauer und der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern durch den Menschen.
Es ist außerdem zu bevorzugen, eine Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung als diese Zerstäubungseinrichtung zu verwenden.
Wie vorstehend beschrieben, betrifft ein extrem schwieriges Problem das Verfahren, das verwendet wird, um Bestandteile in einem Hochtemperaturgas in konstanten Verhältnissen gleichmäßig zu vermischen. Es können zwei Verfahren verwendet werden: eines, bei dem die Bestandteile in flüssiger Form verdampft und dann mit den anderen Bestandteilen vermischt werden, die gasförmig sind, und ein zweites, bei welchem die Bestandteile in flüssiger Form mit den anderen Bestandteilen vermischt werden und dann verdampft werden.
Bei dem erstgenannten Verfahren werden die Abmessungen der Vorrichtung extrem groß und die Wärmeträgheit ist ebenfalls groß, was es erschwert, die Verdampfungsmenge rasch zu verändern.
Andererseits schließt das zuletzt erwähnte Verfahren diese Probleme nicht ein, aber es zeigt einen anderen Sachverhalt dahingehend auf, daß die zeitabhängigen Veränderungen (Schwankungen) der Verdampfungsmenge der flüssigen Bestandteile minimiert werden müssen.
Um die zeitabhängigen Veränderungen (Schwankungen) der Verdampfungsmenge der flüssigen Bestandteile zu minimieren, ist es notwendig, die zeitabhängigen Veränderungen (Schwankungen) der Kontaktfläche zwischen der Heizeinrichtung und den flüssigen Bestandteilen zu minimieren.
Die durch die genannten Erfinder ausgeführten Untersuchungen haben gezeigt, daß ein wirkungsvolles Verfahren zum Minimieren der zeitabhängigen Veränderungen (Schwankungen) in der Kontaktfläche zwischen der Heizeinrichtung und den flüssigen Bestandteilen darin besteht, die flüssigen Bestandteile zu zerstäuben und sie mit dem Gas zu vermischen und sie in dem Augenblick zu verdampfen, wenn sie mit der Heizeinrichtung in Kontakt gelangen.
Diese Untersuchungen haben auch gezeigt, daß die Verwendung einer Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung wirkungsvoller als eine Venturirohreinrichtung beim Zerstäuben der flüssigen Bestandteile ist.
Daher können Feintröpfchen mit kleinem Durchmesser unter Verwendung einer Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung, um diese zu zerstäuben, erzeugt werden. Demzufolge können zeitabhängige Veränderungen (Schwankungen) in der Kontaktfläche zwischen der Heizeinrichtung und den flüssigen Bestandteilen minimiert werden, und somit können die zeitabhängigen Veränderungen (Schwankungen) der Verdampfungsmenge der flüssigen Bestandteile minimiert werden.
Die Zerstäubungseinrichtung kann auch ausgebildet werden, daß sie eine Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung und eine Einrichtung zum Zuführen eines Trägergases mit einer gesteuerten Strömungsmenge aufweist.
In anderen Worten, da die Zerstäubungseinrichtung (Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung) keinen hohen Wärmewiderstand aufweist, ist es notwendig, sie in geringem Abstand von der Heizeinrichtung anzuordnen, um zu gewährleisten, daß die Wärme von der Heizeinrichtung keinen Schaden verursacht.
Dies bedeutet, daß es notwendig ist, die Bestandteile, die durch die Zerstäubungseinrichtung (Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung) zerstäubt sind, zu der Heizeinrichtung transportieren. Während dieses Transportprozesses haften die zerstäubten flüssigen Bestandteile an den Wänden der Rohrleitung an und werden verflüssigt, wodurch die Wirkungen der Zerstäubung rückgängig gemacht werden.
Dies wirft das Problem auf, daß die zerstäubte Flüssigkeit verhindert werden muß, an den Wänden der Rohrleitung anzuhaften.
Schließlich haben die Untersuchungen der genannten Erfinder gezeigt, daß es wirkungsvoll ist, die zerstäubte Flüssigkeit durch ein Trägergas zu transportieren.
Daher kann der Aufbau der Zerstäubungseinrichtung, wie er vorstehend beschrieben ist, und der Transport der zerstäubten Flüssigkeit durch ein Trägergas das Anhaften der zerstäubten Flüssigkeit an den Wänden der Rohrleitung verhindern. Dies macht es möglich, die Verflüssigung der Tröpfchen zu verhindern, die an den Wänden der Rohrleitung anhaften, und demzufolge wird es möglich, die zeitabhängigen Veränderungen (Schwankungen) der Verdampfungsmenge der flüssigen Bestandteile zu minimieren.
Es ist zu bevorzugen, N&sub2; als das Trägergas zu verwenden, das der Zerstäubungseinrichtung zugeführt wird. D. h., obgleich es bequem wäre, Luft als das Trägergas zu verwenden, um das Anhaften der fein zerstäubten flüssigen Bestandteile an den Wänden der Rohrleitung zu verhindern, könnte die Zugabe von Sauerstoff eine große Wirkung auf die Gaszusammensetzung haben. Wenn im Gegensatz dazu Stickstoff (N&sub2;) als das Trägergas verwendet wird, wird kein Sauerstoff hinzugefügt, so daß das Trägergas einfach die Verdünnungswirkung des anderen Gases aufweist und somit nicht wesentlich die Gaszusammensetzung beeinflußt.
Es ist auch zu bevorzugen, diesen Teil des N&sub2;, der vorhergehend durch die Gasströmung-Steuereinrichtung gemessen ist, abgetrennt wird, um das Trägergas zu bilden, das der Zerstäubungseinrichtung durch die Gasströmung-Steuereinrichtung zugeführt ist.
In anderen Worten, wenn eine neue Zufuhr von N&sub2; hinzugefügt worden ist, obgleich das der Zerstäubungseinrichtung zugeführte Trägergas N&sub2; ist, würde es die Wirkung der weiteren Verdünnung der anderen Bestandteile, die gasförmig sind, aufweisen. In diesem Fall wird der Teil des vorhergehend gemessenen N&sub2; durch die Gasströmung-Steuereinrichtung zur Verwendung als das Trägergas abgetrennt, das der Zerstäubungseinrichtung zugeführt wird. Da dies gewährleistet, daß kein neues N&sub2;-Gas hinzugefügt wird, tritt die Wirkung der weiteren Verdünnung der anderen Bestandteile, die gasförmig sind, nicht ein, was eine hochgenaue Konzentrationssteuerung und daher die präzise Messung der Eigenschaften ermöglicht.
Die Heizeinrichtung kann auch aus zwei Heizeinrichtungen aufgebaut sein, die in Reihe verbunden sind.
Wie vorstehend beschrieben, betrifft ein extrem schwieriges Problem das Verfahren, das verwendet wird, um Bestandteile, welche bei Raumtemperatur flüssig sind, in konstanten Verhältnissen in einem Hochtemperaturgas gleichmäßig zu vermischen. Dieses Problem wird besonders kompliziert, wenn die Mischkonzentrationen hoch sind.
Wasserdampf (H&sub2;O) wird in die Abgase einbezogen, da eine hohe Konzentration von ungefähr 15% Wasserdampf (H&sub2;O) die Wirkung der Unterdrückung der vorstehend beschriebenen Reaktion des Wasserstoffs (H&sub2;) in der Nähe der Elektroden des O&sub2;- Meßfühlers aufweist. Um daher die Eigenschaften eines O&sub2;- Meßfühlers einer tatsächlichen Brennkraftmaschine in dieser Vorrichtung zu reproduzieren, ist es notwendig, dieselbe hohe Konzentration von Wasserdampf (H&sub2;O) wie in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine zu reproduzieren.
Wenn zerstäubte Wassertröpfchen den anderen Gasen zugesetzt werden, bevor sie in die Heizeinrichtung eintreten, um eine hohe Konzentration des Wasserdampfs zu erzeugen, wird die Heizeinrichtung dadurch gekühlt und der Wasserdampf geht an den Oberflächen der Heizeinrichtung in die flüssige Form über und macht so die Wirkung der Zerstäubung rückgängig.
Werden jedoch die zerstäubten Wassertröpfchen den anderen Gasen hinzugefügt, nachdem sie die Heizeinrichtung passiert haben, um eine hohe Konzentration des Wasserdampfs zu erzeugen, würde das Problem der Rückkondensation auf den Oberflächen der Heizeinrichtung gelöst, aber es tritt ein dazu verschiedenes Problem auf. In anderen Worten, die Phasenänderung von Wasser zu Wasserdampf (H&sub2;O) absorbiert eine große Menge latenter Verdampfungswärme. Alle Gase werden durch diese latente Verdampfungswärme gekühlt, so daß die erforderliche Temperatur nicht erreicht wird.
Wird die Temperatur der Heizeinrichtung erhöht, um die Menge auszugleichen, um welche die Gase durch die latente Verdampfungswärme abgekühlt werden, erfolgt die Annäherung an die zulässige Grenztemperatur der Heizeinrichtung, welche eine nachteilige Wirkung auf die Lebensdauer der Heizeinrichtung ausübt.
Um dieses Problem zu lösen, wurden durch die Erfinder Untersuchungen ausgeführt, die gezeigt haben, daß es wirkungsvoll ist, die Heizeinrichtung aus zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungen auszubilden, wobei die zerstäubten Wassertröpfchen mit den anderen Gasen an einem Zwischenpunkt vermischt werden.
Da die zerstäubten Wassertröpfchen in einem Punkt vermischt werden, in welchem die Gase durch die Erststufen-Heizeinrichtung teilweise erwärmt sind, tritt keine Rückgangigmachung der Wirkungen der Zerstäubung ein, die vorliegt, wenn die Heizeinrichtung abgekühlt ist und das Wasser auf den Oberflächen der Heizeinrichtung in die flüssige Form zurückgeführt wird.
Da die Gase, die durch die latente Verdampfungswärme abgekühlt sind, durch die Zweitstufen-Heizeinrichtung erwärmt werden, wird ein Gas mit vorbestimmter Temperatur erhalten.
Da außerdem die Zweitstufen-Heizeinrichtung in der Lage ist, den durch die latente Verdampfungswärme abgekühlten Abschnitt auszugleichen, wird die erforderliche Energie verringert und der Wert, um welchen die Oberflächentemperatur der Heizeinrichtung höher ist als die Sollgastemperatur ist insignifikant, so daß deren Lebensdauer mühelos verlängert wird.
Wie vorstehend erwähnt, verzweigt eine erste Zweigrohrleitung vorzugsweise entweder waagerecht oder in einem Winkel bis zu 30º von der Waagerechten von der Teilstrecke entlang der Hauptrohrleitung, welche die zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungsabschnitte verbindet.
D. h., ein Gas, das durch die Erststufen-Heizabschnitt-Heizeinrichtung erwärmt ist, strömt zum Teil entlang der Hauptrohrleitung, welche die zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungen verbindet, und dessen Temperatur kann auf ein hohes Niveau steigen. Wie vorstehend erwähnt, da eine gewisse Gefahr vorliegt, daß das Problem der thermischen Schädigung eintritt, kann eine Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung in solchen Hochtemperaturabschnitten nicht angeordnet werden.
Die durch die Erfinder vorgenommenen Untersuchungen haben gezeigt, daß das Problem der thermischen Schädigung durch Verzweigen dieser ersten verzweigten Rohrleitung entweder waagerecht oder in einem Winkel bis zu 30º von der Waagerechten von der Teilstrecke entlang dieser Hauptrohrleitung und durch Anordnen der Ultraschall-Verstäubungseinrichtung in der ersten Zweigrohrleitung gelöst werden kann.
In anderen Worten, eine zweckentsprechende Anordnung für die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung ist in der ersten Zweigrohrleitung, wo die thermische Schädigung gering ist, eher als der Teilstrecke entlang der Hauptrohrleitung. Insbesondere gewährleistet das Verzweigen der ersten Zweigrohrleitung entweder waagerecht oder in einem Winkel bis zu 30º von der Waagerechten, daß obgleich einige der zerstäubten Wassertröpfchen, die von der Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung zugeführt werden, die in der ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist, an den Wänden der Rohrleitung anhaften und in die flüssige Form zurückgeführt werden, wobei die Neigung der Zweigrohrleitung und die Wirkung der Schwerkraft gewähr leisten, daß sie die Hauptrohrleitung erreichen können. Dadurch kann das Auftreten eines Fehlers in der Gaszusammensetzung verhindert werden.
Ein Teilelement ist innerhalb der ersten Zweigrohrleitung angeordnet, um diese senkrecht zu teilen. Dieses Teilelement ist ausgebildet, sich entlang etwa der Mitte der Hauptrohrleitung zu erstrecken, um zwischen 20% und 100% der Querschnittsfläche der Hauptrohrleitung zu sperren. Der Aufbau ist derart, daß das gesamte oder ein Teil des Gases, das durch den ersten Heizeinrichtungsabschnitt erhitzt worden ist und durch die Hauptleitung strömt, unter das Teilelement in der ersten Zweigrohrleitung geleitet wird, durch den Abschnitt an dem Endabschnitt der ersten Zweigrohrleitung tritt, wo kein Teilelement angeordnet ist, und über das Teilelement geleitet wird, um zu der Hauptrohrleitung zurückzukehren. Der Aufbau kann derart sein, daß ein Öffnungsabschnitt in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist.
D. h., ein Teilelement ist innerhalb der ersten Zweigrohrleitung angeordnet, um diese senkrecht zu teilen, wobei sich dieses Teilelement entlang ungefähr der Mitte der Hauptrohrleitung erstreckt und somit zwischen 20% und 100% der Querschnittsfläche der Hauptrohrleitung versperrt. Ein Abschnitt ohne Teilelement ist an einem Endabschnitt der Zweigrohrleitung angeordnet (nicht in der Verbindung mit der Hauptrohrleitung), welcher die Bereiche über und unter dem Teilelement verbindet. Ein Öffnungsabschnitt ist in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung angeordnet.
Das Gas, das durch die erste Heizeinrichtung erwärmt worden ist in der Hauptrohrleitung strömt, erreicht den Teilelementabschnitt. Das gesamte oder ein Teil des Gases, abhängig davon, wie weit sich das Teilelement über die Hauptrohrleitung erstreckt, wird unter das Teilelement in der ersten Zweigrohrleitung geleitet. Das Gas tritt durch den Endabschnitt der ersten Zweigrohrleitung, wo kein Teilelement vorliegt, wird nach oberhalb des Teilelements geleitet und kehrt dann zu der Hauptrohrleitung zurück. Winzige Wassertröpfchen, die durch die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung erzeugt sind, werden von dem Öffnungsabschnitt, der in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist, zugeführt.
Der vorstehend erwähnte Aufbau gewährleistet die nachstehend beschriebenen Aktionen und Wirkungen. Wenn zerstäubte Wassertröpfchen in einem Gas vermischt werden, ist ein gleichmäßiges Vermischen notwendig, doch dies verursacht einige Probleme. Ein Problem betrifft die Art und Weise, in welcher das strömende Gas die Konzentration auf der Seite des Öffnungsabschnitts erhöht.
Diese Vorrichtung kann zerstäubte Wassertröpfchen durch die Wirkung der Schwerkraft, durch Zuführen von Wassertröpfchen, die durch die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung von dem Öffnungsabschnitt, der in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist, in dem Gas gleichmäßig vermischen.
Dies löst das Problem der ungleichmäßigen Verteilung der zerstäubten Wassertröpfchen innerhalb des Gases und ermöglicht die präzise Messung der Eigenschaften.
Der Aufbau kann derart sein, daß eine zweite Zweigrohrleitung mit einem Öffnungsabschnitt an einem Endabschnitt entweder senkrecht oder in einem Winkel bis zu 30º von der Senkrechten angeordnet ist, von einem Öffnungsabschnitt, der in der oberen Oberfläche dieser ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist.
Im Gegensatz zu dem Hochtemperaturgas, das in der ersten Zweigrohrleitung strömt, fließt kein Hochtemperaturgas durch die zweite Zweigrohrleitung, die sich von einem Öffnungsabschnitt verzweigt, der in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist, so daß sie dadurch nicht erhitzt wird.
Da die zweite Zweigrohrleitung nicht erwärmt wird, wie es bei der ersten Zweigrohrleitung der Fall ist, kann die thermische Schädigung der Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung unauffällig gehalten werden, indem die Ultraschall- Zerstäubungseinrichtung in der zweiten Zweigrohrleitung angeordnet wird.
Die zweite Zweigrohrleitung ist entweder senkrecht oder unter einem Winkel von bis zu 30º von der Senkrechten von einem Öffnungsabschnitt ausgerichtet, der in einer oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung angeordnet ist. Die zerstäubten Wassertröpfchen, die von der Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung, der in diesem Endabschnitt angeordnet ist, treten durch die zweite Zweigrohrleitung und werden dem Gas von der ersten Zweigrohrleitung zugeführt. In diesem Fall werden die zerstäubten Wassertröpfchen veranlaßt, unter der Wirkung der Schwerkraft innerhalb der Rohrleitung zu strömen. Daher wird das Anhaften von zerstäubten Wassertröpfchen an den Rohrleitungswänden vermindert.
Ein abwärts gerichteter Gasstrom, in anderen Worten, ein Gasvorhang, kann entlang den Wandoberflächen innerhalb der zweiten Zweigrohrleitung angeordnet werden.
Dieses Vorsehen eines abwärts gerichteten Gasstroms, in anderen Worten, ein Gasvorhang, entlang den Wandoberflächen innerhalb der zweiten Zweigrohrleitung erschwert den Wassertröpfchen, die durch die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung zerstäubt und verteilt worden sind, an den Wänden der Rohrleitung zu haften, so daß die Menge der winzigen Tröpfchen, die an den Wänden der Rohrleitung wieder die flüssige Form annehmen, vermindert ist.
Der Aufbau kann auch so ausgeführt sein, daß das Gas, bestehend aus zerstäubtem Wasser, das mit dem Trägergas vermischt ist, auf halbem Wege zwischen den zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungen zugeführt wird.
Der Aufbau kann auch derart ausgebildet sein, daß das Gas, bestehend aus zerstäubtem Wasser, vermischt mit dem Trägergas, einer oberen Oberfläche des Teilelements von einem Öffnungsabschnitt zugeführt wird, der in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung ausgebildet ist.
Der Aufbau kann auch so ausgeführt sein, daß das Gas, bestehend aus zerstäubtem Wasser, vermischt mit dem Trägergas, einer oberen Oberfläche des Teilelements von einem Öffnungsabschnitt zugeführt wird, der in der Endoberfläche der zweiten Zweigrohrleitung ausgebildet ist.
Außerdem können die Gasleitungssysteme, in welchen jeder der Bestandteile zerstäubtes Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Propylen (C&sub3;H&sub6;), Sauerstoff (O&sub2;), Stickoxid (NO) und Toluol (C&sub7;H&sub8;), welche in gesteuerten Strömungsmengen zugeführt werden, mit dem Trägergas vermischt werden, aufgebaut sein, um unabhängig mit der Hauptrohrleitung hinter den zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungen verbunden zu sein.
Der Aufbau kann auch so sein, daß das Gas, bestehend aus dem zerstäubten Wasser, vermischt mit dem Trägergas, einer oberen Oberfläche des Teilelements von einem Öffnungsabschnitt, der in der Endoberfläche der zweiten Zweigrohrleitung ausgebildet ist, zugeführt wird.
Außerdem können die Gasleitungssysteme, in welchen jeder der Bestandteile zerstäubtes Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Propylen (C&sub3;H&sub6;), Sauerstoff (O&sub2;), Stickoxid (NO) und Toluol (C&sub7;H&sub8;), welche in gesteuerten Strömungsmengen zugeführt werden, mit dem Trägergas vermischt werden, aufgebaut sein, um unabhängig mit der Hauptrohrleitung hinter den zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungen verbunden zu sein.
Der Aufbau kann auch derart sein, daß die Rohrleitung, in welcher die brennbaren Gase (Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Ethylen (C&sub2;H&sub4;) und Propylen (C&sub3;H&sub6;)) in gesteuerten Strö mungsmengen kombiniert sind, die Rohrleitung, in welcher die verbrennungsfördernden Gase (Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO)) in gesteuerten Strömungsmengen kombiniert werden, und die Rohrleitung, in welcher das zerstäubte Toluol (C&sub7;H&sub8;) mit dem Trägergas vermischt wird, jeweils unabhängig mit einem hinteren Abschnitt der zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungsabschnitte verbunden werden.
Der Aufbau kann auch derart sein, daß eine Absolutdruck- Meßeinrichtung in der Hauptrohrleitung in jedem Verbindungsabschnitt angeordnet ist, in welchem eines der Gase in die Hauptrohrleitung eintritt, und ein Teil des Gases einer Strömungsmenge, die innerhalb der Strömungsmenge-Steuereinrichtung gemessen ist, wird verwendet, um den druckabhängigen Strömungsmenge-Meßfehler auszugleichen.
Dieser Aufbau, in welchem eine Absolutdruck-Meßeinrichtung in der Hauptrohrleitung an jedem Gasverbindungsabschnitt angeordnet ist und der Druck auf einen vorbestimmten Konstantwert eingestellt ist, kann in einem Aufbau verwendet werden, in welchem eine Einrichtung zum automatischen Justieren des Öffnungsgrads eines Drosselventils, angeordnet an dem Ende des Strömungspfads vorgesehen ist, um zu gewährleisten, daß der Druck einen voreingestellten Konstantwert erreicht.
Der Aufbau kann ferner durch die Anordnung einer statischen Type der Rohrinnenmischeinrichtung in einem hinteren Abschnitt des Verbindungsabschnitts für jedes Gas in der Hauptrohrleitung abgewandelt sein, um das Vermischen der Gase zu veranlassen.
Die Form der Meßfühleranordnungseinrichtung kann eine kreiszylindrische Halteeinrichtung mit einem verschlossenen Ende und Gaseinlaß- und Gasauslaßrohren, die in entgegengesetzten Seitenoberflächen angeordnet sind, mit einer Patronenheizeinrichtung, die in die kreiszylindrische Halteeinrichtung eingebettet ist, um die Halteeinrichtung zu erwärmen.
Ein wahlweiser Aufbau der Meßfühleranordnungseinrichtung kann eine kreiszylinderförmige Halteeinrichtung mit einem Innendurchmesser sein, der das Doppelte des Außendurchmessers einer Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, mit einem verschlossenen Ende und mit Gaseinlaß- und -auslaßrohren, die in entgegengesetzten Seitenoberflächen angeordnet sind. Die Form dieser Gaseinlaß- und -auslaßrohre ist rechteckförmig, wobei die Innenbreite dieses Rechtecks dieselbe Abmessung wie der Außendurchmesser der Schutzbedeckung des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/ Brennstoff-Verhältnis, der zu messen ist, ist, wobei die Innenhöhe dieses Rechtecks dieselbe Abmessung wie die Gesamtbreite aufweist, über welche kleine Löcher in der Außenschutzbedeckung des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der zu messen ist, angeordnet sind, und die Positionen, in welchen die Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen angeordnet sind, entsprechend den Positionen, in welchen kleine Löcher in der Außenschutzbedeckung des (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der zu messen ist, angeordnet sind.
Ein anderer alternativer Aufbau der Meßfühleranordnungseinrichtung kann eine kreiszylindrische Halteeinrichtung mit einem Innendurchmesser sein, der mindestens das Doppelte des Außendurchmessers der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis beträgt, mit einem verschlossenen Ende, mit Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen, die in entgegengesetzten Seitenoberflächen angeordnet sind, und ein Kern, der in die kreiszylinderförmige Halteeinrichtung mit einem abgedichteten Ende in einer solchen Weise eingefügt ist, daß er damit im Innenkontakt ist. Die rechteckförmigen Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen sind in zwei Seitenoberflächen des Kerns geöffnet, wobei die Form der Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen rechteckig oder kreiszylinderförmig ist, die Innenabmessungen dieser Rechteck- oder Kreiszylinderform größer sind als die Abmessungen der vorstehend beschriebenen rechteckigen Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen sind, die in den zwei Seitenoberflächen der kreiszylinderförmigen Halteeinrichtung sind, und die Positionen, in welchen die Gaseinlaß- und Gasauslaßrohre angeordnet sind und die Positionen der rechteckförmigen der rechteckigen Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen, die in den zwei Seitenoberflächen des Kerns angeordnet sind, entsprechen den Positionen, in welchen kleine Löcher in der Außenschutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet sind.
Der Aufbau kann derart sein, daß die Innenbreite der rechteckförmigen Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen, die in den zwei Seitenoberflächen des Kerns angeordnet sind, eine Abmessung aufweisen, welche dieselbe wie der Außendurchmesser der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, wobei die Innenhöhe dieses Rechtecks dieselbe Abmessung wie die Gesamtbreite aufweist, über welche kleine Löcher in der Außenschutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet sind, und ein Raum zwischen der Innenabmessung des Kerns und dem Außendurchmesser der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis die Hälfte der Innenbreite der Gaseinlaß- und der Gasauslaßöffnungen ist.
Der Aufbau kann auch derart sein, daß die Innenbreite der rechteckigen Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen, die in den zwei Seitenoberflächen des Kerns angeordnet sind, eine Abmessung aufweist, die 2/3 ±10% mal dem Außendurchmesser der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, wobei die Innenhöhe dieses Rechtecks dieselbe Abmessung wie die Gesamtbreite aufweist, über welche kleine Löcher in der Außenschutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet sind und der Raum zwischen der Innenabmessung des Kerns und der Außendurchmesser der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Ver hältnis die Hälfte der Innenbreite der Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen ist.
Der Aufbau kann auch ein solcher sein, bei dem die Innenbreite der rechteckigen Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen, die in den zwei Seitenoberflächen des Kerns angeordnet sind, eine Abmessung aufweist, die 1/2 ±10% multipliziert mit dem Außendurchmesser der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist, die Innenhöhe dieses Rechtecks dieselbe Abmessung wie die Gesamtbreite aufweist, über welche kleine Löcher in der Außenschutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)- Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet sind, und der Raum zwischen der Innenabmessung des Kerns und der Außendurchmesser der Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis die Hälfte der Innenbreite der Gaseinlaß- und der Gasauslaßöffnungen ist.
Die Form der Anordnungseinrichtung für den Luft/Brennstoff- Verhältnis-Erfassung-Meßfühler in der Luft/Brennstoff- Verhältnis-Wellenform-Meßeinrichtung ist vorzugsweise dieselbe wie die Form der Anordnungseinrichtung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis.
Die Meßfühleranordnungseinrichtung kann auch aufweisen:
- eine erste Meßfühleranordnungseinrichtung, in welcher ein erster zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis angeordnet ist, und welchem von der Gasregeleinrichtung ein Gas zugeführt wird,
- ein Drei-Wege-Katalysatorabschnitt, der abstromseitig der ersten Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet ist,
- eine zweite Meßfühleranordnungseinrichtung, die abstromseitig von dem Drei-Wege-Katalysatorabschnitt angeordnet ist, in welcher ein zweiter zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist, wobei:
die Steuereinrichtung aufgebaut ist, die Gasregeleinrichtung auf der Grundlage der Ausgaben von dem ersten und dem zweiten zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis zu steuern.
In anderen Worten, die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung, angeordnet in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine, beruht auf einer Erfassungsausgabe, die unter Verwendung eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem Aufbau erlangt wird, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, um direkt die Abgase zu erfassen, die von der Brennkraftmaschine zugeführt werden, und auf Erfassungsausgaben, die unter Verwendung von Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßfühlern gewonnen werden, die sowohl auf der Zustromseite als auch auf der Abstromseite eines Drei-Wege-Katalysators in einem Aufbau angeordnet sind, wie er in Fig. 10 gezeigt ist.
Daher kann die vorstehend beschriebene Meßfühleranordnungseinrichtung und -Steuereinrichtung auch für die letztgenannte Type der Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis verwendet werden, die eine tatsächliche Brennkraftmaschine nachbildet.
In diesem Fall weist eine Anordnungseinrichtung des Drei- Wege-Katalysators vorzugsweise einen solchen Aufbau auf, der mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist, so daß sie auf dieselbe Temperatur wie der zu messende (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis erwärmt werden kann.
Die Drei-Wege-Katalysator-Anordnungseinrichtung kann in einer solchen Weise aufgebaut sein, daß eine Anzahl von kurzen, monolithischen Stücken des Katalysators mit kleinem Durchmesser in Reihe angeordnet ist, die Raumgeschwindigkeit des Systems auf einfache Weise gemäß der Anzahl von Stücken des verwendeten Katalysators justiert werden kann, und eine Einrichtung zum Verhindern des Gasstroms in Abschnitten, in welchen der Katalysator nicht verwendet wird, angeordnet ist.
Die Drei-Wege-Katalysator-Anordnungseinrichtung kann auch einen Aufbau aufweisen, in welchem eine Vielzahl von Stufen mit kleinem Durchmesser angeordnet ist, kurze, monolithische Schichten des Katalysators gestapelt angeordnet sind und die Raumgeschwindigkeit des Systems auf einfache Weise durch Verändern der Anzahl von Katalysatorschichten in dem Stapel justiert werden kann.
Die Anordnungseinrichtung des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, abstromseitig des Katalysators, kann aufgebaut sein, daß sie dieselbe Form und Abmessungen wie die Anordnungseinrichtung des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zustromseitig des Katalysators aufweist.
Der Aufbau kann auch derart sein, daß Steuerkonstanten des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis zustromseitig des Katalysators durch ein Signal beeinflußt werden, das durch Verarbeiten einer Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis abstromseitig des Katalysators gewonnen wird, um den Durchschnittswert und die Steuerung-Wellenform der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung zu justieren.
Eine Einrichtung zur Verarbeitung einer Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, abstromseitig des Katalysators, kann aufgebaut sein, daß sie eine Fett/Mager-Bestimmungseinrichtung abstromseitig des Katalysators aufweist, die unabhängig von der Ausgabe-(elektromotorische Kraft oder Widerstand)-Verarbeitungseinrichtung des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff -Verhältnis, abstromseitig des Katalysators, der Verzögerungszeit-Zusatzeinrichtung, abstromseitig des Katalysators, der Sprung-Zusatzeinrichtung, abstromseitig des Katalysators, und der Rampenrate-Zusatzeinrichtung, abstromseitig von dem Katalysator, ist.
Der Aufbau kann auch einen Sprung einschließen, das ist eine Steuerkonstante für den (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/ Brenn stoff-Verhältnis, zustromseitig des Katalysators, der durch ein Signal beeinflußt wird, das durch Verarbeitung einer Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des (O&sub2;)- Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, abstromseitig des Katalysators, erhalten wird.
Der Aufbau kann auch zwei parallele Rohrleitungssysteme für die Meßfühleranordnungseinrichtung bereitstellen, in welcher die zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet sind, mit einer Zweigströmung-Steuereinrichtung, die abstromseitig jedes Systems angeordnet ist, wobei eine automatische Steuerung einer Zweigströmungsmenge in jedem Rohrleitungssystem auf der Grundlage der Zweigströmungsmenge-Anweisungssignale vorgesehen ist.
Die Zweigströmungsmenge-Steuereinrichtung kann aufgebaut sein, daß sie eine Gastemperatur-Justiereinrichtung und eine Gasströmungsmeßeinrichtung aufweist.
Die Gastemperatur-Justiereinrichtung kann aufgebaut sein, daß sie eine Wärmeaustauscheinrichtung, ein Kühlwasser- Justierventil und eine Temperatursteuereinrichtung zur Ansteuerung des Kühlwasser-Justierventils aufweist.
Der Aufbau kann auch ein Drosselventil und eine Justiereinrichtung zum Ansteuern des Drosselventils aufweisen.
Die Gasströmungsmeßeinrichtung kann aufgebaut sein, daß sie ein Laminarströmungselement, einen Differenzdruck-Meßfühler und einen Differenzdruckverstärker oder eine Anzeigevorrichtung aufweist.
Der Aufbau kann auch so sein, daß ein Meßfühler zum Messen des Absolutdrucks in der Anordnungshalteeinrichtung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist, und dieser Absolutdruck wird verwendet, um Zweigströmunganweisungen auszugeben und die automatische Steuerung vorzunehmen, unabhängig von den Änderungen des Drucks (Luftdruck) an der Abgasöffnung.
Der Aufbau kann auch derart sein, daß zwei parallele Rohrleitungssysteme angeordnet sind, die jeweils eine Meßfühleranordnungseinrichtung aufweisen, in welcher ein zu messender (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, ein Drei-Wege-Katalysator-Anordnungsabschnitt und eine Anordnungseinrichtung für den (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, abstromseitig des Katalysators, angeordnet sind, wobei die automatische Steuerung einer Zweigströmungsmenge in jedem Rohrleitungssystem auf der Grundlage eines Zweigströmungsmenge-Anweisungssignals vorgesehen ist.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung (Luftverhältnis-Präzisionsmeßeinrichtung) kann auch aufgebaut sein, daß sie eine automatische Meßfunktion, eine Selbstdiagnosefunktion und/oder eine automatische Prüffunktion aufweist.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung (Luftverhältnis-Präzisionsmeßeinrichtung) kann auch aufgebaut sein, daß sie eine Kommunikationsfunktion mit der Steuereinrichtung aufweist.
Die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßeinrichtung (Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung) kann auch aufgebaut sein, daß sie eine Grenzstromtype des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist, um Luft/Brennstoff-Verhältnisse zu messen.
Wie vorstehend beschrieben, versetzt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis in die Lage, die Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis mit äußerst hoher Genauigkeit zu messen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis,
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm eines speziellen Aufbaus des in den Ausführungsformen verwendeten Meßsteuerabschnitts,
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Spannungsteilertype der Widerstand-Spannung-Umwandlungsschaltung,
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm des Temperatursteuerabschnitts der Ausführungsformen,
Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines typischen Temperaturanstiegsmusters für den Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis,
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitts der Ausführungsformen,
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm des Systemverzögerungsausgleich-Berechnungsabschnitts der Ausführungsformen,
Fig. 8 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung der Luftverhältnis-Wellenform nach dem Systemverzögerungsausgleich gemäß den Ausführungsformen,
Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm des Gassteuerabschnitts der Ausführungsformen,
Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm einer anderen bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/ Brennstoff-Verhältnis,
Fig. 11 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines typischen Zustands der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung,
Fig. 12 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines Zustands, der sich einstellt, wenn die in Fig. 10 gezeigte Vorrichtung verwendet wird, um die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung vorzunehmen,
Fig. 13 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 14 zeigt eine andere schematische Schnittansicht zur Erläuterung der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 15 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht zur Erläuterung der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 16 zeigt eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung einer Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung der Ausführungsformen,
Fig. 17 zeigt eine andere schematische Schnittansicht zur Erläuterung der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung der Ausführungsformen,
Fig. 18 zeigt ein Kurvenbild der Wechselbeziehung zwischen den zeitlichen Mittelwerten des Luftverhältnisses, gemessen durch die Vorrichtung der Ausführungsformen und einer tatsächlichen Brennkraftmaschine,
Fig. 19 zeigt ein Kurvenbild der Wechselbeziehung zwischen Steuerperioden, gemessen durch die Vorrichtung dieser Ausführungsform und eine tatsächliche Brennkraftmaschine,
Fig. 20 zeigt ein Blockdiagramm eines spezielleren Aufbaus des Meßabschnitts,
Fig. 21 zeigt Kurvenbilder zur Darstellung der Meßdaten, die für die O&sub2;-Meßfühler gewonnen werden,
Fig. 22 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung der Wechselbeziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und dem Reinigungswirkungsgrad, und
Fig. 23 zeigt Kurvenbilder zur Darstellung der Meßdaten, die für die O&sub2;-Meßfühler gewonnen werden.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Erste Ausführungsform

Eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühlers gemäß einer ersten Ausführung dieser Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt.
Die Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühlers dieser Ausführungsform ist aufgebaut, daß sie aufweist: einen Steuerabschnitt 100, einen Gassteuerabschnitt 200, einen Meßfühleranordnungsabschnitt 300 und einen Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400, der als ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßabschnitt wirkt.
Ein zu prüfender (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist in dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 angeordnet, und ein Ausgabesignal (elektromotorische Kraft oder Widerstand) von diesem Meßfühler 10 wird dem Steuerabschnitt 100 zur Verarbeitung zugeführt.
Der Steuerabschnitt 100 steuert den Gassteuerabschnitt 200 auf der Grundlage dieses Ausgabesignals (elektromotorische Kraft oder Widerstand) von dem zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, um ein stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis (das Luftverhältnis von λ = 1) zu erreichen.
Der Gassteuerabschnitt 200 arbeitet unter der Steuerung des Steuerabschnitts 100, um die Strömungsgeschwindigkeiten und die Wärme verschiedener Gasbestandteile zu steuern, um ein Modellgas mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit, vorbestimmten Gaszusammensetzung und vorbestimmten Temperatur dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 zuzuleiten.
Der Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400 ist in der Lage, eine Abweichung Δλ' von λ zu messen, welches das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis des O&sub2;- Meßfühlers 10 darstellt, durch Messen des zeitlichen Mittelwerts dieses Luftverhältnisses.
Ein spezielles Beispiel des Aufbaus dieses Luftverhältnis- (zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitts 400 ist in Fig. 20 gezeigt.
Der Grundaufbau des Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)- Meßabschnitts 400 dieser Ausführungsform ist nachstehend beschrieben. Wenn das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Gases, das von dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 ausgestoßen wird, von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis abweicht, könnte bestimmt werden, daß entweder die Brennstoff- oder die Sauerstoffzufuhr im Mangelzustand ist. Aus diesem Grund könnte bestimmt werden, an welchem Gas Mangel vorliegt und in welchem Verhältnis der Mangel besteht, es würde möglich sein, das Gas zu dessen stöchiometrischem Luft/Brennstoff-Verhältnis durch Zufuhr dieses Mangelteils zurückzuführen. Das Luft/Brennstoff-Verhältnis des zu prüfenden Gases (das Gas, das von dem Gassteuerabschnitt 200 zugeführt ist) kann berechnet werden und in Anlehnung an die Type und das Mischverhältnis des Gases, das auf diese Weise zugefügt wird.
Somit ist der Meßabschnitt 400 dieser Ausführungsform aufgebaut, daß er aufweist: einen Festströmungsmenge-Zuführabschnitt 410, der das Gas in einer Festströmungsmenge von dem von der Meßfühleranordnungseinrichtung 300 ausgestoßenen Gases abtrennt, einen Zusatzgas-Steuerabschnitt 412, der das vorstehend erwähnte Zusatzgas zuführt, einen Reaktionsbehälter 414, der das abgetrennte Gas und das Zusatzgas durchmischt und zur Reaktion veranlaßt, einen O&sub2;-Meßfühler 416, um zu erfassen, in welche Richtung das Luft/Brennstoff-Verhältnis der sich ergebenden Gasmischung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis abweicht, einen ersten Berechnungsabschnitt 418, der die Strömungsmenge des zuzusetzenden Gases berechnet, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Gases, das von dem Festströmungsmenge-Zuführabschnitt 410 abgetrennt war, gleich dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis auszubilden, auf der Grundlage einer Ausgabe von diesem O&sub2;-Meßfühler, und um diese Strömungsmenge als ein Steuersignal auszugeben, das dem Zusatzgas-Steuerabschnitt 412 zugeleitet wird, einen zweiten Berechnungsabschnitt 420, der das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Gases berechnet, das von dem Gassteuerabschnitt 200 zugeführt ist, und einen Anzeigeabschnitt 422, der das auf diese Weise berechnete Luft/Brennstoff-Verhältnis anzeigt.
In anderen Worten, der Festströmungsmenge-Zuführabschnitt 410 saugt eine konstante Menge des Gases an, das von dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 ausgestoßen ist und führt es als das zu prüfende Gas dem Reaktionsbehälter 414 vorwärts zu.
Der Reaktionsbehälter 414 ist ausgelegt, um das zu messende Gas zu veranlassen, sich mit dem Zusatzgas gründlich zu vermischen, und auch eine Reaktion zwischen diesen zu fördern, welche die Gasmischung in einen Zustand versetzt, der nahe dem chemischen Gleichgewicht ist.
In dieser Ausführungsform wird von dem Zusatzgas-Steuerabschnitt 412 als das Zusatzgas, welches mit dem zu messenden Gas in dem Reaktionsbehälter 414 reagiert, selektiv entweder Wasserstoff oder Sauerstoff zugeführt. Der O&sub2;-Meßfühler 416 erfaßt dann, ob die Mischung des zu messenden Gases und dem Zusatzgas fett oder mager ist, und gibt ein entsprechendes Erfassungssignal an den ersten Berechnungsabschnitt 418 aus.
Der erste Berechnungsabschnitt 418 bestimmt aus der Ausgabe des O&sub2;-Meßfühlers 416, ob die Gasmischung fett oder mager ist und bestimmt die Type und die Strömungsmenge des hinzuzufügenden Gases.
In anderen Worten, die Ausgabe des O&sub2;-Meßfühlers bestimmt, ob die Gasmischung fett oder mager ist, abhängig davon, ob die Ausgabe größer oder kleiner als ein Bezugswert ist. Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung aussagt, daß die Mischung fett ist, wird der Zusatzgas-Steuerabschnitt 412 dadurch gesteuert, um allmählich Sauerstoff (oder Luft) zuzuführen, bis das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht ist. Wenn andererseits die Mischung als mager bestimmt wird, erfolgt die allmähliche Zugabe von Wasserstoff, bis das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht ist. Wenn das Gas, das durch den O&sub2;-Meßfühler 416 erfaßt wird, einen Zustand nahe dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff- Verhältnis erreicht hat, auf Grund dieses Zusatzes von Sauerstoff oder Wasserstoff, berechnet der zweite Berechnungsabschnitt 420 das Luft/Brennstoff-Verhältnis und zeigt es auf dem Anzeigeabschnitt 422 an.
Somit ermöglicht der Meßabschnitt 400 dieser Ausführungsform die genaue Messung des Werts, um welchen das Gas von λ = 1 abweicht, welcher das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis des in Fig. 1 gezeigten O&sub2;-Meßfühlers 10 darstellt.
Das System dieser Ausführungsform reproduziert dieselbe Abgastemperatur, Strömungsgeschwindigkeit, Gaszusammensetzung und Hochgeschwindigkeits-λ-Änderung-Wellenform als jene unter Brennkraftmaschinen-Hochlastbedingungen, wie weiter nachstehend beschrieben ist. Um die Änderung von λ in den Brennkraftmaschinen-Ansaugsystemen, wie z. B. Ansaugventile und Ansaugkrümmer, zu modellieren, kann der Gassteuerabschnitt 200 aufgebaut sein, um Parameter in bezug auf das Brennstoffverdampfungsverhältnis und die Gasströmung-Zeitkonstanten einzufügen, die optimalen Bedingungen zu erkennen und den O&sub2;-Meßfühler zu veranlassen, eine elektromotorische Kraft-Wellenform auszugeben, die nahe jener einer tatsächlichen Brennkraftmaschine ist.
Der vorstehend erläuterte Aufbau macht es möglich, eine Meßumgebung zu reproduzieren, welche dieselbe wie jene ist, wenn der O&sub2;-Meßfühler 10 in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine angeordnet ist, und gestattet die genaue Analyse der Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühlers 10 in dieser Meßumgebung mit einer Genauigkeit von 0,1%.
Wie weiter nachstehend beschrieben wird, ermöglicht es die Verwendung der Vorrichtung dieser Ausführungsform, eine Luftverhältnis-Steuerperiode zu erlangen, welche einen guten Korrelationskoeffizient (r² > 0,75) in bezug auf eine tatsächliche Brennkraftmaschine aufweist, wie in Fig. 19 gezeigt ist. Somit ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung dieser Ausführungsform die Analyse der Eigenschaften des O&sub2;- Meßfühlers 10 in dieser Hinsicht mit äußerst hoher Genauigkeit.
Die Vorrichtung dieser Ausführungsform ist vorzugsweise aufgebaut, daß sie ferner einen Luft/Brennstoff-Verhältnis- Wellenform-Meßabschnitt 500 aufweist. Dieser Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitt 500 ist aus einem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsabschnitt 510 aufgebaut, der in das Auspuffrohr eingefügt ist, und einem separaten Instrument, welche oft durch Kabel verbunden sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß dieser Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsabschnitt 510 abstromseitig des Meßfühleranordnungsabschnitts 300 in Fig. 1 angeordnet ist, doch er kann dazu zustromseitig angeordnet werden. Das Hinzufügen dieses Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitts (Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung) 500 ermöglicht es, nicht nur einen zeitlichen Mittelwert des Luftverhältnisses des gesteuerten Gases zu messen, auf der Grundlage eines Verarbeitungsergebnisses des Ausgangssignals (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, sondern auch der Wellenform der Änderungen. Er ermöglicht auch einen quantitativen, detaillierten Vergleich mit der Wellenform der Änderungen in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine, welcher die Wirkung aufweist, diese Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühlers noch mehr einer tatsächlichen Brennkraftmaschine ähnlich zu machen. Die gemessenen Änderungen des Luftverhältnisses werden an den Steuerabschnitt 100 zur Aufzeichnung und Verarbeitung der Graphikdaten übertragen. Es ist zu bemerken, daß dieses Luftverhältnis durch Teilen des tatsächlichen Luft/Brennstoff-Verhältnisses durch das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gewonnen wird.

Zweite Ausführungsform

Eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;- Meßfühlers gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ist in Fig. 10 gezeigt.
Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform der Vorrichtung zum Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers, wie in Fig. 1 gezeigt, welche ein Brennkraftmaschinensystem voraussetzt, das das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage einer Erfassungsausgabe eines einzelnen O&sub2;-Meßfühlers 10 steuert, setzt die zweite Ausführungsform dieser Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers, wie in Fig. 10 gezeigt, ein Brennkraftmaschinenmodell voraus, das zwei O&sub2;-Meßfühler aufweist, zustromseitig und abstromseitig eines Drei-Wege-Katalysators, und das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage der Ausgaben von beiden dieser O&sub2;- Meßfühler steuert.
In anderen Worten, die Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühlers gemäß dieser Ausführungsform ist aufgebaut, daß sie den Steuerabschnitt 100, den Gassteuerabschnitt 200, zwei Meßfühleranordnungsabschnitte 300 und 800, einen Drei-Wege-Katalysator 600, den Luftverhältnis- (zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400 und den Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitt 500 aufweist.
Der erste (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis und der zweite (O&sub2;)-Meßfühler 12 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, die geprüft werden, sind in den zwei Meßfühleranordnungsabschnitten 300 und 800 angeordnet.
Der Steuerabschnitt 100 ist aufgebaut, ein Verfahren ähnlich dem einer tatsächlichen Brennkraftmaschine zu verwenden, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Gassteuerabschnitts 200 auf der Grundlage der Erfassungsausgaben dieses ersten und zweiten O&sub2;-Meßfühlers 10 und 12 zu steuern.
Dieser Aufbau ermöglicht das Zuführen eines Gases mit denselben Bestandteilen wie die Abgase, die von dieser Type des Brennkraftmaschinenmodells von einem zweiten Meßfühleranordnungsabschnitt 800 zu dem Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400 abgegeben werden. Demzufolge kann dieser Meßabschnitt 400 ein Luft/Brennstoff-Verhältnis der Abgase in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform erlangen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Ausführungsform in einer solchen Weise aufgebaut ist, daß der Bediener eine von beiden in Fig. 1 und Fig. 10 gezeigten Vorrichtungen zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers auswählen und verwenden kann, unter Anwendung des Steuerabschnitts 100, um die Auswahl auszuführen.
Die Beschreibung richtet sich nun auf die Einzelheiten der verschiedenen Elemente der Vorrichtungen zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers, die vorstehend als erste und zweite Ausführungsform dieser Erfindung beschrieben sind.

Spezielle Ausführungsformen

A. Aufbau einer Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers

Der Steuerabschnitt 100 weist einen Meßsteuerabschnitt 110, einen Temperatursteuerabschnitt 120 und einen Luft/ Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 auf.
Zusätzlich zur Ausgabe von Anweisungen an alle Bestandteile der Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;- Meßfühlers, wie z. B. der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130, der Temperatursteuerabschnitt 120 und der Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400, ist der Meßsteuerabschnitt 110 für die Messung der Ausgabe-Wellenform (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das Luft/Brennstoff-Verhältnis verantwortlich, und zum Aufzeichnen, Drucken und Plotten der Meßergebnisse des Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitts 400 und des Luft/Brennstoff- Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitts 500.
Zusätzlich zum Steuern der Temperaturen aller Teile der Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines O&sub2;-Meßfühlers, einschließlich des Gassteuerabschnitts 200, des Meßfühleranordnungsabschnitts 300 und der verschiedenen Längen der Rohrleitung, auf der Grundlage von Anweisungen von dem Meßsteuerabschnitt 110, ist der Temperatursteuerabschnitt 120 ebenfalls für das Übertragen der Einzelheiten des Temperatursteuerzustands zum Meßsteuerabschnitt 110 verantwortlich.
Zusätzlich zur Verarbeitung der Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der in dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 angeordnet ist, und der Berechnung des zu steuernden Luft/Brennstoff-Verhältnisses auf der Grundlage von Anweisungen von dem Meßsteuerabschnitt 110 ist der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 für die Berechnung der Gaszusammensetzung und der Gasströmung entsprechend diesem Luft/Brennstoff-Verhältnis verantwortlich, das Steuern der Ausgabe von Anweisungen an den Gassteuerabschnitt 200 und auch das Übertragen von Einzelheiten des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerzustands an den Meßsteuerabschnitt 110.

A-1 Meßsteuerabschnitt 110

Der Aufbau des Meßsteuerabschnitts 110 ist in Fig. 2 gezeigt. Der Meßsteuerabschnitt 110 weist einen Meßmodus-/bedingung-Einstellabschnitt 112, einen O&sub2;-Meßfühler-Ausgabe- Verarbeitungsabschnitt 114 und einen O&sub2;-Meßfühler-Eigenschaft-Anzeige- und -Ausgabeabschnitt 116 auf.
Der Meßsteuerabschnitt 110 weist auch einen Kommunikationsabschnitt 118 auf, der Signale zwischen dem Luftverhältnis- (zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400, dem Temperatursteuerabschnitt 120 und dem Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerabschnitt 130 überträgt.
Der Meßmodus-/bedingung-Einstellabschnitt 112 weist einen-Meßmodus-Einstellabschnitt 112-1 und einen Meßbedingung- Einstellabschnitt 112-2 auf. Diese Einstellabschnitte 112-1 und 112-2 sind aufgebaut, Setup-Menüs auf einer Kathodenstrahlröhre-Anzeigeeinrichtung (in der Figur nicht gezeigt) anzuzeigen, um einem Bediener zu ermöglichen, die Einstellungen von diesen Menüs auszuwählen.
Der Meßmodus-Einstellabschnitt 112-1 spezifiziert, ob der zu messende Wert eine dynamische Eigenschaft oder eine statische Eigenschaft ist. Da eine dynamische Eigenschaft eine Eigenschaft der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Rückführsteuerung und die Eigenschaft des Übertragungsverhaltens einschließt, müssen diese Faktoren ebenfalls spezifiziert werden, wenn eine dynamische Eigenschaft spezifiziert wird. Die Eigenschaft der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Rückführsteuerung mißt Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerzustände (wie z. B. den zeitlichen Mittelwert des Luftverhältnisses und die Ausgabe- Wellenform (elektromotorische Kraft oder Widerstand) unter Verwendung des Ausgangssignals (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, um eine Rückführsteuerung auszubilden. Eine Eigenschaft Übergangsverhalten zeigt eine Veränderung der Ausgabe-Wellenform (elektromotorische Kraft oder Widerstand), wenn Veränderungen in dem Luft/Brennstoff-Verhältnis einer Rechteck- oder einer anderen bekannten Wellenform vorliegen. In diesem Fall ist eine statische Eigenschaft die Beziehung zwischen der Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für, das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis und des Luft/Brennstoff-Verhältnisses.
Der Meßbedingung-Einstellabschnitt 112-2 wird verwendet, um die Automobiltype zu spezifizieren, in welcher der (O&sub2;)- Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet wird, deren Baujahr, das Brennkraftmaschinenmodell, das Getriebemodell und die Abgasbestimmungen. Daher ist der Aufbau derart, daß die Type und das Modell des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis, das verwendet wird, zusammen mit den Brennkraftmaschinenbedingungen (Motordrehzahl und Ansaugdruck), Abgasströmungsgeschwindigkeit, Abgastemperatur, Abgaszusammensetzung, Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerperiode und Meßfühlertemperatur entsprechend den spezifizierten Bedingungen auf der Grundlage der vorhergehend eingegebenen Daten automatisch ausgewählt werden. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß Kombinationen der Motordrehzahl und des Ansaugdrucks ideal wären, wenn Brennkraftmaschinenbedingungen spezifiziert werden, doch können Drehmoment oder Motorleistung anstelle des Ansaugdrucks spezifiziert werden.
In der Regel ist es vorteilhaft, die Eigenschaften des (O&sub2;)- Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis unter automatisch ausgewählten Brennkraftmaschinenbedingungen und Abgasbedingungen zu messen, die auf dem vorstehend erläuterten Modell und anderen Spezifikationen beruhen, doch der Aufbau kann auch derart sein, daß andere Bedingungen spezifiziert werden, wenn es notwendig sein sollte, um die Eigenschaften unter solchen Bedingungen zu messen.
Der Meßmodus-/bedingung-Einstellabschnitt 112 ist aufgebaut, um Ausgangssignale dem O&sub2;-Meßfühler-Eigenschaft-Anzeige- und -Ausgabeabschnitt 116 und auch dem Temperatur steuerabschnitt 120 sowie dem Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerabschnitt 130 zuzuführen, und er nimmt auch Signale von den zwei Steuerabschnitten 120 und 130 auf.
Der O&sub2;-Meßfühler-Ausgabe-Verarbeitungsabschnitt 114 weist einen Umwandlungsabschnitt 114-1 für die Ausgabe vom (O&sub2;)- Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis 10, einen Ausgabe-Wellenform-(elektromotorische Kraft oder Widerstand)-Aufzeichnungsabschnitt 114-2 und einen Ausgabe-Wellenform-(elektromotorische Kraft oder Widerstand)-Berechnungsabschnitt 114-3 auf.
Der Ausgabeumwandlungsabschnitt 114-1 des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist aufgebaut, um die Einzelheiten der Umwandlung zweckentsprechend der Type und dem Verfahren des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu schalten, der spezifiziert wird, wie vorstehend beschrieben ist. In anderen Worten, wenn der (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis eine Sauerstoffkonzentrationszellentype ist, wird ein Pufferverstärker mit einer extrem hohen Eingangsimpedanz verwendet, um die sachgemäße Messung der elektromotorischen Kraft zu messen, jede Wirkungen zu vermeiden, die durch den Innenwiderstand des Meßfühlers erzeugt werden, wenn dieser hoch ist. Wenn die Type des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis ein Widerstand ist, wird andererseits eine Schaltung zum Umwandeln eines Widerstands in eine Spannung verwendet. Eine Spannungsteilertype der Widerstand-Spannung- Umwandlungsschaltung, die ähnlich jener ist, die in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, ist als die Schaltung zum Umwandeln eines Widerstands in eine Spannung geeignet. Eine Spannungsteilertype der Widerstand-Spannung-Umwandlungsschaltung ist eine, in welcher ein Widerstand mit dem (O&sub2;)- Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis in Reihe geschaltet ist, wie in Fig. 3 gezeigt, wobei eine Spannung an die zwei Enden angelegt wird und die Spannung an einem Spannungsteilerpunkt gemessen wird. In dieser Figur bezeichnet Vs die angelegte Spannung, Rs bezeichnet den Widerstand des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, und Rf bezeichnet einen Festwiderstand. Die Spannung zwischen den zwei Enden von Rf wird als eine Ausgangsspannung verwendet.
Die Schaltung, definiert durch das Japanische Patent Nr. 1898791 ist als eine Schaltung geeignet, die den Widerstand logarithmisch umwandelt.
Ein Signal des Ausgabeumwandlungsabschnitts 114-1 des (O&sub2;)- Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis wird dem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 zugeführt. Ausgangssignale des Ausgabe-Wellenform- (elektromotorische Kraft oder Widerstand)-Aufzeichnungsabschnitts 114-2 und der Ausgabe-Wellenform-(elektromotorische Kraft oder Widerstand)-Berechnungsabschnitt 114-3 werden dem O&sub2;-Meßfühler-Eigenschaft-Anzeige- und Ausgabeabschnitt 116 zugeführt.
Der O&sub2;-Meßfühler-Eigenschaft-Anzeige- und Ausgabeabschnitt 116 zeigt nicht nur Daten an, wie z. B. den zeitlichen Mittelwert des Luftverhältnisses und die Ausgabe-Wellenform (elektromotorische Kraft oder Widerstand) als O&sub2;-Meßfühler- Eigenschaften auf einem Monitor, sondern wandelt auch das Format dieser Daten für eine Ausgabeeinrichtung, wie z. B. einen Drucker oder einen Plotter, um und zeichnet die Daten auf einer Massendaten-Aufzeichnungseinrichtung, wie z. B. ein Diskettenlaufwerk oder eine magneto-optische Platte, auf.
Es ist darauf hinzuweisen, daß Zielwerte für die Messung und die Steuerung sowie Anweisungen in bezug auf die Operationsbedingungen und andere Faktoren durch den Kommunikationsabschnitt 118, der die Kommunikation mit jeweils dem Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400, dem Temperatursteuerabschnitt 120 und dem Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerabschnitt 130 ausführt, an den Meßsteuerabschnitt 110 überträgt. Die Daten zu den Messungen und Steuerergebnissen werden an die anderen Bestandteile in derselben Weise über tragen. Wenn die Vorrichtung dieser Ausführungsform auch einen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitt 500 aufweist, ist ein Signalabrufabschnitt zum Aufnehmen der Meßergebnisse von diesen anderen Bestandteilen ebenfalls vorgesehen.

A-2 Temperatursteuerabschnitt

Der Aufbau des Temperatursteuerabschnitts 120 ist in Fig. 4 gezeigt.
Der Temperatursteuerabschnitt 120 dieser Ausführungsform weist einen Gesamttemperatur-Steuerabschnitt 122, einen Bestandteiltemperatur u. a.-Anzeigeabschnitt 124, Meßfühler- Heizenergiequellenabschnitte 126-1 und 126-2, einen Temperatursteuereinrichtung-Steuerabschnitt 128 und einen Kommunikationsabschnitt 129 auf.
Der Gesamttemperatur-Steuerabschnitt 122 führt die Gesamtsteuerung der Abgastemperatur, der Meßfühlertemperatur, der Abgasströmungsgeschwindigkeit und der Bestandteiltemperaturen auf der Grundlage der Anweisungen des Meßsteuerabschnitts 110 aus.
Der Bestandteiltemperatur und andere-Anzeigeabschnitt 124 zeigt Daten an, wie z. B. die Abgastemperatur, die Meßfühlertemperatur, die Abgasströmungsgeschwindigkeit und die Bestandteiltemperaturen auf einem Monitor an.
Die Meßfühler-Heizenergiequellenabschnitte 126-1 und 126-2 sind spannungseinstellbare Gleichstrom-Energiequellen, welche dieselben Spannungen, wie sie in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine anliegen, anlegen, wenn es notwendig ist, Energie an die eingebaute Meßfühler-Heizeinrichtung unter Brennkraftmaschinenbedingungen anzulegen, die während der Prüfung verwendet werden.
Der Temperatursteuer-Steuerabschnitt 128 gibt Temperatureinstellanweisungen für eine Gruppe von Temperaturreglern aus und nimmt ebenfalls Meldungen zur Isttemperatur auf.
Der Kommunikationsabschnitt 129 überträgt Anweisungen zum Meßsteuerabschnitt 110 und vom Meßsteuerabschnitt 110 und überträgt den Ausführungszustand dieser Anweisungen.
Es ist schwierig, die Schädigung der Heizeinrichtung zu verhindern, und es ist ebenfalls schwierig, deren Ausfall vorherzusagen. Wenn die Heizeinrichtung zufällig ausfallen sollte, wird ein Heizeinrichtung-Ausfallwarnsignal durch den Kommunikationsabschnitt 129 des Temperatursteuerabschnitt 120 dieser Ausführungsform automatisch aufgenommen, und der Kommunikationsabschnitt wird somit verwendet, um den Meßsteuerabschnitt 110 automatisch zu warnen.
Unter Normalbedingungen, wenn kein Ausfall der Heizeinrichtung vorliegt, wird die durch das vorstehend beschriebene Menü spezifizierte Abgastemperatur als ein Sollwert verwendet, und der Kommunikationsabschnitt 129 wird verwendet, um die Temperatureinstellanweisungen automatisch an die Temperaturregler der Heizeinrichtungen zum Erhitzen des Gases oder zum Warmhalten der Rohrleitung gemäß einem Temperaturanstiegsmuster übertragen, das eingestellt ist, um zu gewährleisten, daß die spezifizierte Temperaturanstiegsrate nicht überschritten wird und dadurch die Temperatur eingestellt wird.
Ein Beispiel eines Temperaturanstiegsmusters für den (O&sub2;)- Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist in Fig. 5 gezeigt.
In voreingestellten regelmäßigen Intervallen verwendet der Temperatursteuerabschnitt 120 dieser Ausführungsform den Kommunikationsabschnitt 129 zum Lesen der Temperaturen der Bestandteile von den Temperaturreglern, berechnet die Abweichung zwischen der jeweils eingestellten Temperatur und der Isttemperatur und prüft, daß an dieser Stelle keine Abweichung vorliegt.
Um das Auftreten unerwünschter Schädigung oder einer gefährlichen Situation zu verhindern, das durch die Überhitzung eines Bestandteils verursacht ist, weil dieselbe Art von Abweichung in einem Temperatursteuer-Steuerabschnitt oder dem Temperaturfühler vorliegt, ist jede Heizeinrichtung ebenfalls mit einem Schutztemperaturregler oder einem Temperaturmeßfühler ausgestattet. Wenn die voreingestellte, stabile, zulässige Temperatur durch diesen Schutztemperaturregler überschritten werden sollte, wird das Erhitzen abgebrochen (der Heizstrom wird ausgeschaltet), ohne Rücksichtnahme auf den Steuerzustand und die Anzeige der Temperatursteuer- Steuereinrichtung, und es wird eine Warnung ausgegeben, um den Bediener zu informieren, daß eine Regelwidrigkeit (übermäßiger Temperaturanstieg) eingetreten ist.

A-3 Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt

Der Aufbau dieses Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitts 130 ist in Fig. 6 gezeigt.
Der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 dieser Ausführungsform weist einen Luft/Brennstoff-Verhältnis- und Strömungsmenge-Steuerabschnitt 132, einen Steuerung-Wellenform-Erzeugungsabschnitt 134, einen Bestandteil-Wellenform- Anzeigeabschnitt 136 und einen Kommunikationsabschnitt 138 auf.
Der Luft/Brennstoff-Verhältnis- und Strömungsmenge-Steuerabschnitt 132 weist ferner einen Fett/Mager-Bestimmungsabschnitt 132-1, einen Verzögerungszeit-Zusatzabschnitt 132-2, einen Sprung-Steuerabschnitt 132-3, einen Rampenraten- Steuerabschnitt 132-4, einen Systemverzögerung-Ausgleichabschnitt 132-5, einen Gasbestandteilkonzentration-Berechnungsabschnitt 132-6 und einen Gasbestandteil-Strömungsmenge-Berechnungsabschnitt 132-7 auf.
Der Steuerung-Wellenform-Erzeugungsabschnitt 134 ist aufgebaut, die Erzeugung einer Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform zu veranlassen, die verwendet wird, wenn die Übergangsverhalten-Eigenschaft des zu messenden O&sub2;-Meßfühlers gemessen wird, wenn die Steuerung durch eine spezielle Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform erfolgt.
Der Bestandteil-Wellenform-Anzeigeabschnitt 136 ist aufgebaut, die Anzeige von Daten zu veranlassen, wie z. B. die O&sub2;-Meßfühler-Ausgabe-Wellenform (elektromotorische Kraft oder Widerstand), die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersignal-Wellenform, die Gaszusammensetzung-Wellenform und die Steuerperiode.
Der Kommunikationsabschnitt 138 nimmt Anweisungen in bezug auf den Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuermodus und die Gaszusammensetzung von dem Meßsteuerabschnitt auf und ist auch aufgebaut, den Meßsteuerabschnitt 110 zu veranlassen, über Einzelheiten, wie z. B. den Ausführungszustand der Anweisungen und die Steuerung-Wellenform, informiert zu werden.
Ein in Fig. 7 gezeigter Systemverzögerung-Ausgleich-Berechnungsabschnitt 132-5 weist einen Flüssigbrennstoff- Verdampfungsverhältnis-Berechnungsabschnitt 180, einen Gasbrennstoffverzögerung-Berechnungsabschnitt 182, einen Flüssigbrennstoffverzögerung-Berechnungsabschnitt 184, einen Brennstoffzusatzabschnitt 186 und einen Ist-Luft/Brennstoff- Verhältnis-Berechnungsabschnitt 188. Er ist in einer solchen Weise aufgebaut, daß er eine Luftverhältnis-Wellenform A in Fig. 8, welche in den Berechnungsabschnitt 182 eingegeben ist, in eine Luftverhältnis-Wellenform B in Fig. 8 für die tatsächliche Brennkraftmaschine umwandelt. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Gasbrennstoffverzögerung- und der Flüssigbrennstoffverzögerung-Berechnungsabschnitt aus Verzögerungsberechnungsabschnitten erster Ordnung oder höherer Ordnung ausgebildet sind.

B. Gassteuerabschnitt

Der Aufbau des Gassteuerabschnitts 200 ist in Fig. 9 gezeigt. Der Gassteuerabschnitt 200 dieser Ausführungsform weist einen Zuführabschnitt 200 für Gas- oder Flüssigbestandteile, einen Flüssigkeitsströmung-Steuerabschnitt 240, einen Gasströmung-Steuerabschnitt 250, einen Zerstäubungsabschnitt 260, einen Heizabschnitt 270 und einen Mischabschnitt 280.

B-1 Zuführabschnitte für gasförmige und flüssige Bestandteile

Die genannten Erfinder haben erkannt, daß von den Gasen innerhalb des Abgases der Brennkraftmaschine die folgenden sieben Bestandteile eine große Wirkung auf die Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) eines O&sub2;-Meßfühlers aufweisen: Stickstoff (N&sub2;), Wasserdampf (H&sub2;O), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenwasserstoffe (HC), Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO). Daher ist der Zuführabschnitt 210 dieser Ausführungsform aufgebaut, diese sieben Bestandteile zuzuführen.
Außerdem haben sie erkannt, daß die Kohlenwasserstoffe (HC) innerhalb des Abgases mindestens 20 Bestandteile aufweisen, selbst wenn nur die verhältnismäßig hoch konzentrierten Bestandteile gezählt werden, und sie haben die Konzentrationen dieser Bestandteile quantitativ bestimmt. Sie haben auch unter Berücksichtigung der verbrauchten Sauerstoffmengen bestimmt, daß von diesen Bestandteilen diejenigen, welche die größte Wirkung auf das Ausgangssignal (elektromotorische Kraft) des O&sub2;-Meßfühlers aufweisen, sind: Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Toluol (C&sub7;H&sub8;) und Propylen (C&sub3;H&sub6;). Daher ist der Zuführabschnitt 210 dieser Ausführungsform aufgebaut, um ferner einen Bestandteil oder eine Kombination einer Vielzahl dieser drei Bestandteile ferner zuzuführen.
Da Kohlendioxid (CO&sub2;) wirksam ist, die Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid (CO) in der Nähe der Elektroden des O&sub2;- Meßfühlers zu unterdrücken und somit die elektromotorische Kraft vermindert, ist zu bevorzugen, daß es den vorstehend beschriebenen sieben Bestandteilen zugesetzt wird, um acht Komponenten zu schaffen, die es ermöglichen, eine elektromotorische Kraft-Wellenform nahe jener einer tatsächlichen Brennkraftmaschine zu erreichen.

B-2 Gasströmung-Steuerabschnitt

Um die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform einer Brennkraftmaschine originalgetreu zu reproduzieren, ist es notwendig, die Konzentrations-(Strömungsmenge)-Wellenform jedes der Gasbestandteile originalgetreu zu reproduzieren. Die Konzentrations-(Strömungsmenge)-Wellenform jedes der Gasbestandteile schließt Hochfrequenzbestandteile von mehreren zehn Hertz ein, und es ist notwendig, die Wellenformen zu reproduzieren, welche diese Hochfrequenzbestandteile einschließen. Eine hyperschnelle Gasströmung-Steuereinrichtung ist erforderlich, um diese Hochfrequenzbestandteile der Konzentration (der Strömungsmenge) zu reproduzieren. Daher wird die Steuereinrichtung des Japanischen Patents Nr. 4-287851 als der Gasströmung-Steuerabschnitt 250 dieser Ausführungsform verwendet.
Eine Flüssigkeitstransportpumpe wird als der Flüssigkeitsströmung-Steuerabschnitt 240 verwendet. Es ist darauf hinzuweisen, daß zu bevorzugen ist, eine Flüssigkeitstransportpumpe zu verwenden, die eine Strömungsmenge-Steuerfunktion aufweist, als dieser Flüssigkeitsströmung-Steuerabschnitt 250, und es ist noch mehr zu bevorzugen, daß es eine Flüssigkeitstransportpumpe ist, welche sowohl ein Strömungsmenge-Anweisungssignal als auch eine Kommunikationsfunktion und eine Strömungsmenge-Steuerfunktion aufweist.

B-4 Zerstäubungsabschnitt

Um die flüssigen Bestandteile so gleichmäßig als möglich mit den anderen gasförmigen Bestandteilen zu vermischen, wird eine Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung 262 als der Zerstäubungsabschnitt 260 verwendet.
Um die zerstäubten Bestandteile durch ein Trägergas zu transportieren, kann der Zerstäubungsabschnitt 260 als eine Kombination der Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung 262 und des Zuführabschnitts 264 zum Zuführen von Trägergas, dessen Strömungsmenge gesteuert wird, aufgebaut werden.
Das Trägergas wird zusammen mit den zerstäubten Bestandteilen zum Meßfühleranordnungsabschnitt 300 transportiert, da ein Trägergas, das entweder oxidierend oder reduzierend wirkt, eine Wirkung auf die Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühlers ausüben würde, so daß zu bevorzugen ist, daß das Trägergas weder oxidierend noch reduzierend wirkt. Daher wird das neutrale Gas Stickstoff als das Trägergas verwendet, das dem Zerstäubungsabschnitt 260 dieser Ausführungsform zugeführt wird.
Selbst wenn das Trägergas das neutrale Gas Stickstoff ist, würden in dem Fall, wenn es von einem unabhängigen Rohrleitungssystem zugeführt wird, würden Veränderungen in der Strömung dieses Trägergases Änderungen in der Gesamtströmungsmenge verursachen, und es wäre schwierig, die daraus folgenden Wirkungen auf die Konzentration zu verhindern. Um dieses Problem zu vermeiden, ist zu bevorzugen, daß das Trägergas, das dem Zerstäubungsabschnitt 260 zugeführt wird, als ein abgetrennter Teil des N&sub2; behandelt wird, der bereits durch den Gasströmung-Steuerabschnitt 250 abgemessen ist, so daß an dieser Stelle keine Wirkung auf die Konzentration eintritt, wenn geringe Schwankungen in der Strömungsmenge vorliegen sollten.

B-5 Heizeinrichtungsabschnitt

Um die Kondensation des zerstäubten Wassers, das dem Gas hinzugefügt worden ist, auf den Wandoberflächen zu verhindern, ist der Heizeinrichtungsabschnitt 270 dieser Ausführungsform in zwei Heizeinrichtungsabschnitte 270-1 und 270-2 unterteilt, die in Reihe verbunden sind, und das zerstäubte Wasser wird zwischen diesen Heizeinrichtungsabschnitten hinzugefügt.
Um ferner die Kondensation des zerstäubten Wassers, das dem Gas zugesetzt worden ist, an den Wandoberflächen zu verhindern, verzweigt eine erste Zweigrohrleitung 272 entweder waagerecht oder in einem Winkel von bis zu 30º von der Waagerechten von dem Teilweg entlang der Hauptrohrleitung, welche die zwei in Reihe verbunden Heizeinrichtungsabschnitte 270-1 und 270-2 verbindet, und das zerstäubte Wasser durch diese Zweigrohrleitung 272 hinzugefügt.
Um ferner die Kondensation des zerstäubten Wassers, das dem Gas zugesetzt worden ist, an den Wandoberflächen zu verhindern, ist ein Teilelement innerhalb der ersten Zweigrohrleitung 272 angeordnet, um diese senkrecht zu teilen. Dieses Teilelement ist ausgebildet, um sich entlang annähernd der Mitte der Hauptrohrleitung zu erstrecken, um zwischen 20% und 100% der Querschnittsfläche der Hauptrohrleitung zu versperren. Das gesamte oder ein Teil des Gases, das durch den ersten Heizeinrichtungsabschnitt 270-1 erwärmt worden ist und durch die Hauptrohrleitung strömt, wird unter dem Teilelement in der ersten Zweigrohrleitung 272 geleitet, tritt durch den Abschnitt an dem Endabschnitt der ersten Zweigrohrleitung 272, in welchem das Teilelement nicht angeordnet ist, und wird über das Teilelement geleitet, um zu dem Hauptrohr zurückzukehren. Ein Öffnungsabschnitt ist in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung 272 angeordnet, und zerstäubtes Wasser wird durch diesen Zweigleitungsabschnitt hinzugefügt.
Um zu verhindern, daß die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung 260 beschädigt wird, verursacht durch Erhitzen infolge des Hochtemperatur-Gasstroms durch die erste Zweigrohrleitung 272, kann eine zweite Zweigrohrleitung 274 mit einem Öffnungsabschnitt an einem Endabschnitt entweder senkrecht oder in einem Winkel von bis zu 30º von der Senkrechten von einem Öffnungsabschnitt angeordnet werden, der in der oberen Oberfläche der ersten Zweigrohrleitung 272 angeordnet ist, und die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung kann in einem oberen Abschnitt angeordnet werden.
Um zu verhindern, daß das durch die Ultraschall-Zerstäubungseinrichtung 260 zerstäubte Wasser mit der Innenoberfläche dieser zweiten Zweigrohrleitung 274 in Kontakt gelangt und auf dieser wieder kondensiert, kann ein abwärts gerichteter Gasstrom (ein Gasvorhang) entlang der Innenwandoberfläche der zweiten Zweigrohrleitung 274 angeordnet werden.

B-6 Mischrohr

Um Reaktionen innerhalb der resultierenden Gase, die als Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Propylen (C&sub3;H&sub6;), Sauerstoff (O&sub2;), Stickoxid (NO) und zerstäubtes Toluol (C&sub7;H&sub8;) mit einem Trägergas vermischt sind, welche in gesteuerten Strömungsmengen zugeführt werden, zu unterdrücken und auch die Verfälschung der gesteuerten Strömungsmenge-Wellenformen zu unterdrücken, ist die Rohrleitung für jedes Gas unabhängig mit einem hinteren Abschnitt der zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungsabschnitte 270-1 und 270-2 verbunden.
Ein anderes vorteilhaftes Verfahren zum Unterdrücken von Reaktionen zwischen den brennbaren Gasen und den verbrennungsfördernden Gasen, die eintreten können, wenn sie zusammenströmen, würde darin bestehen, die Rohrleitung zu verbinden, in welchen die brennbaren Gase (Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Propylen (C&sub3;H&sub6;)) in gesteuerten Strömungsmengen zusammengeführt werden, die Rohrleitung, in welcher die verbrennungsfördernden Gase (Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO)) in gesteuerten Strömungsmengen kombiniert werden, und die Rohrleitung, in welcher das zerstäubte Toluol (C&sub7;H&sub8;) mit dem Trägergas vermischt wird, unabhängig zu einem Hinterabschnitt der zwei in Reihe verbundenen Heizeinrichtungsabschnitte.

B-7 Druckfehler-Ausgleicheinrichtung

Eine Laminarströmung-Meßeinrichtung (siehe Japanisches Patent Nr. 4-287851) wird als die Strömungsmenge-Meßeinrichtung in dem Gasströmung-Steuerabschnitt 250 dieser Ausfüh rungsform verwendet. Da diese Laminarströmung-Meßeinrichtung eine volumetrische Strömungsmeßeinrichtung ist, ist eine Strömungsmenge, die damit gemessen ist, eine volumetrische Strömungsmenge, nicht eine Massendurchflußmenge. Wenn eine Massendurchflußmenge notwendig ist, kann sie durch Multiplizieren der volumetrischen Strömungsmenge mit der Gasdichte erhalten werden. Wenn die Temperatur konstant ist, ist die Gasdichte proportional dem absoluten Druck. Sind die Temperatur und der absolute Druck konstant, sind die volumetrische Strömungsmenge und die Massendurchflußmenge einander proportional, so daß es einfach ist, eine Ausgabe entsprechend einer Massendurchflußmenge durch Messen der volumetrischen Strömungsmenge zu erhalten. In diesem Fall verursachen Änderungen des absoluten Drucks Fehler, wenn die Aufgabe darin besteht, eine Massendurchflußmenge zu erlangen. Daher ist eine Absolutdruck-Meßeinrichtung in der Hauptrohrleitung an jedem Verbindungsabschnitt angeordnet, in welchem eines der Gase in die Hauptrohrleitung eintritt, und ein Teil des Gases mit einer Strömungsmenge, die innerhalb der Strömungsmenge-Steuereinrichtung gemessen ist, wird verwendet, um den druckabhängigen Strömungsmenge-Meßfehler auszugleichen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß dieser Aufbau, in welchem eine Absolutdruck-Meßeinrichtung in der Hauptrohrleitung an jedem Gasverbindungsabschnitt angeordnet ist, und eine Einrichtung zum automatischen Justieren des Öffnungsgrads eines Drosselventils an dem Ende des Strömungspfads angeordnet ist, um den Druck auf einen vorbestimmten Konstantwert einzustellen, es unnötig macht, einen druckabhängigen Strömungsmenge-Meßfehler zu kompensieren.

B-8 Mischeinrichtungsabschnitt

Da es schwierig ist, Gase in dem Hauptleitungsrohr durch bloßes Verbinden der Rohrleitung für jedes Gas mit der Hauptrohrleitung gleichmäßig zu vermischen, ist es nicht möglich, die Eigenschaften des O&sub2;-Meßfühler zuverlässig zu messen. Um dieses Problem zu lösen, ist eine statische Type der Innenrohrmischeinrichtung als der Mischeinrichtungsab schnitt 280 in einem hinteren Abschnitt des Verbindungsabschnitts angeordnet, um das Vermischen der Gase zu fördern.

C. Meßfühleranordnungsabschnitt

Der Aufbau um den Meßfühleranordnungsabschnitt unterscheidet sich zwischen der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform und der in Fig. 10 gezeigten zweiten Ausführungsform, wie weiter nachstehend beschrieben ist.
Der Aufbau des Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitts 400 und des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitts 500 wird ebenfalls weiter nachstehend beschrieben.
Spezielle Ausführungsformen der in Fig. 1 und Fig. 10 gezeigten Systeme werden nachstehend ausführlicher beschrieben, zusammen mit der Erläuterung deren Operation.

Meßsteuerabschnitt 110

Der Meßsteuerabschnitt 110 dieser Ausführungsformen weist die Funktion des Messens der Eigenschaften unter denselben Bedingungen wie die Abgas- und Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerbedingungen auf, die unter vorbestimmten Brennkraftmaschinenbedingungen auftreten.
Der Meßmodus-/bedingung-Einstellabschnitt 112 dieser Ausführungsformen ist aufgebaut, um ein Eigenschaftmeßmenü auf einem Monitor anzuzeigen, um den Bediener in die Lage zu versetzen, die Kraftfahrzeugtype, das Brennkraftmaschinenmodell, das Getriebemodell, die Type des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis und einen Abgasprüfmodus auszuwählen.
Die Brennkraftmaschinenbedingungen, die diesen Faktoren entsprechen, werden durch diese Auswahl automatisch spezifiziert.
Wenn Brennkraftmaschinenbedingungen durch die vorstehend beschriebene Spezifikation von Faktoren, wie z. B. die Kraftfahrzeugtype, die Werte der Abgasströmungsgeschwindigkeit, die Abgastemperatur, die Temperatur des (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der Meßfühlererwärmung-Heizeinrichtungsspannung, der Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuerperiode, der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerkonstante (Verzögerungszeit, Sprung und Rampenrate) und die Beziehung zwischen dem Luft/Brennstoff-Verhältnis und der Abgaszusammensetzung, welche vorhergehend unter Verwendung einer tatsächlichen Brennkraftmaschine gemessen wurden, automatisch aus einer Datei abgerufen werden, werden diese Bedingungen automatisch zur Verwendung bei der Prüfung eingestellt. Wenn es jedoch notwendig ist, spezielle Werte für diese Faktoren zu verwenden, kann sie der Bediener spezifizieren.
Es gibt zwei Haupttypen des Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuersystems, die von Faktoren, wie z. B. Kraftfahrzeugtype und Brennkraftmaschinenmodell, abhängen:
- das erste Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem (Fig. 1) und
- das zweite Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem (Fig. 10).
Im Prinzip gibt es drei Eigenschaftmeßpunkte, und der Bediener mißt sie gewöhnlich, doch wenn Punkte vorliegen, die auszulassen sind, kann der Bediener anweisen, sie auszulassen:
- Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuereigenschaft,
- statische elektromotorische Kraft (Widerstand) in Abhängigkeit von der Luft/Brennstoff-Verhältnis-(oder Gasdichte)-Eigenschaft,
- Übergangsverhalten der elektromotorischen Kraft (Widerstand).
Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur zu hoch ist, kann der Temperaturunterschied zwischen den Bestandteilen des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brenn stoff-Verhältnis zu groß werden, was zu hohen thermischen Belastungen führt, die den Ausfall oder die Schädigung verursachen können. Daher wird gewöhnlich eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, die geringfügig geringer als ein zulässiger Wert der Temperaturanstiegsgeschwindigkeit ist, automatisch eingestellt, und der Bediener kann, wenn notwendig, einen besonders niedrigen Wert für die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit spezifizieren.

Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130

Das Luft/Brennstoff-Verhältnis wird unter einem Modus entsprechend dem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem (entweder das in Fig. 1 gezeigte System oder das in Fig. 10 gezeigte) und dem Eigenschaftmeßpunkt gesteuert, auf Grund von Anweisungen, die von dem Meßsteuerabschnitt 110 durch die Kommunikationseinrichtung ausgegeben werden.
Wie in den Abschnitten zu dem Meßsteuerabschnitt 110 beschrieben, gibt es zwei Haupttypen des Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuersystems, die von der Kraftfahrzeugtype und dem Brennkraftmaschinenmodell abhängig sind:
- das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem in Fig. 1 und
- das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem in Fig. 10.
Wie in den Abschnitten zu dem Meßsteuerabschnitt 110 beschrieben, gibt es drei Eigenschaftmeßpunkte:
- Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuereigenschaft,
- statische elektromotorische Kraft (Widerstand) in Abhängigkeit von der Luft/Brennstoff-Verhältnis-(oder Gasdichte)-Eigenschaft,
- Übergangsverhalten der elektromotorischen Kraft (Widerstand).

Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem in Fig. 1

A. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuereigenschaft

Der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 vergleicht ein vorverarbeitetes Ausgangssignal (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis mit einem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Unterscheidungsbezugswert (Spannung oder Widerstand) und bestimmt die Richtung einer Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis. Es ist darauf hinzuweisen, daß dieses Ausgangssignal durch eine Pufferverstärker vorverarbeitet wird, wenn der Meßfühler der Sauerstoffkonzentrationszellentype oder eine Spannungsteilerschaltung oder eine (logarithmische) Widerstandsumwandlungseinrichtung ist, wenn der Meßfühler eine Widerstandstype ist, gemäß den Signalen, die die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung in dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 spezifizieren.
Für eine Sauerstoffkonzentrationszellentype des Meßfühlers bedeutet eine elektromotorische Kraft, die größer als der entsprechende Bezugswert ist, fett, und für eine n-Oxid-(wie z. B. Titandioxid oder Niobpentoxid)-Halbleiterwiderstandstype des Meßfühlers ein Widerstand, der größer als der entsprechende Bezugswert ist, mager.
Der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 führt die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung in dem Gassteuerabschnitt 200 gemäß den Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerkonstanten (Verzögerungszeitdauer, Sprung und Rampenrate) aus, um die Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis zu korrigieren.

A-1 Verzögerungszeitdauer

In diesem Fall gewährleistet eine Verzögerungszeitdauer eine sachgemäße Steuerung unter Verwendung eines Signals, das nur um eine voreingestellte Zeitdauer in bezug auf die Zeitsteuerung einer Inversion in der Richtung der Abweichung ist, wie durch die Ausgabe des (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis bestimmt ist.
Die Verzögerungszeiten in jeder Richtung werden durch die folgenden Symbole ausgedrückt.
DT(R--> L): Verzögerungszeitdauer wird hinzugefügt, wenn die Richtung der Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis von fett nach mager invertiert ist.
DT(L--> R): Verzögerungszeitdauer wird hinzugefügt, wenn die Richtung der Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis in die entgegengesetzte Richtung invertiert ist.
Das Ziel der Hinzufügung dieser Verzögerungszeiten besteht im Ausgleich für jede Unausgeglichenheit der Einschwingzeiten in Abhängigkeit von der Richtung der Änderung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses, welches dem (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis eigen ist.
Die Einschwingzeiten des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis werden durch die folgenden Symbole ausgedrückt.
τ(R--> L): Einschwingzeitdauer, wenn sich das Luft/Brennstoff- Verhältnis von fett nach mager ändert.
τ(L--> R): Einschwingzeitdauer, wenn sich das Luft/Brennstoff- Verhältnis in die entgegengesetzte Richtung verändert.
Diese Einschwingzeiten des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis weisen gewöhnlich die folgende Beziehung auf:
τ(R--> L) > τ(L--> R) (1)
Wenn diese Unausgeglichenheit zwischen den Einschwingzeiten des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis nicht ausgeglichen wird, weicht das gesteuerte Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) geringfügig von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Mager-Richtung ab. Die Größe dieser Abweichung hängt von den Bedingungen ab, wie z. B. die Konzentration von unverbrannten Bestandteilen in dem Abgas, aber ist gewöhnlich in der Größenordnung von 1 bis 5% (1,01 bis 1,05, ausgedrückt als Luftverhältnis). In diesem Fall ist das Luftverhältnis das Luft/Brennstoff-Verhältnis dividiert durch das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis.
Es hat den Anschein, daß diese geringfügige Abweichung des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses von nur 1 bis 5% nach der Magerseite nicht sehr signifikant ist, doch es kann nicht vernachlässigt werden, weil es eine äußerst große Wirkung in einem Drei-Wege-Katalysator aufweist, wie z. B. die wesentliche Verminderung des NOx-Reinigungsgrads, wie vorstehend erwähnt.
Daher wird jede Unausgeglichenheit der Einschwingzeiten des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis durch Verzögerungszeiten ausgeglichen, die in dem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 vorgesehen sind, um die Unausgeglichenheit der aufgetretenen Einschwingzeit zu beseitigen (zu verringern). Zu diesem Zweck kann die Summe der Einschwingzeit und der Verzögerungszeit in jede Richtung, in welche sich das Luft/Brennstoff- Verhältnis ändert, verwendet werden. Die sich ergebende Beziehung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
τ(R--> L) + DT(R--> L) = τ(L--> R) +DT(L--> R) (2)
Dieser Einschwingzeitausgleich hebt praktisch jede Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis nach der Mager-Seite auf, so daß die Steuerung auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gerichtet ist. Dies weist eine äußerst großen praktischen Vorteil beim Erreichen einer hohen Reinigungswirkung in bezug auf NOx auf.

A-2 Sprung

Ein Sprung erzeugt ein Signal, das eine voreingestellte Zeitdauer in bezug auf den Zeitpunkt einer Inversion in der Richtung der Abweichung verzögert ist, wie durch die vorstehend beschriebene Ausgabe des (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis bestimmt ist, und gleicht das Konstantamplituden-Luft/Brennstoff-Verhältnis an dem Punkt aus, an welchem dieses verzögerte Signal invertiert. Dieser Sprung wirkt dahingehend, eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Amplitude zu erzeugen, die immer konstant ist und auch die Steuerperiode verkürzt, während der Durchschnittswert der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis erhalten bleibt. Das Ziel des Hinzufügens dieser Sprünge besteht in der Verbesserung der Reinigungswirkung des Drei- Wege-Katalysators (Verminderung der Menge der schädlichen Bestandteile, die ausgestoßen werden).
Bei einem Platin-(Pt)-Rhodium-(Rh)-Katalysator, welcher im allgemeinen als dieser Drei-Wege-Katalysator verwendet wird, ist bekannt, daß eine Reinigungswirkung, die höher ist, als die, welche sich ergibt, wenn das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis konstantgehalten wird, erzielt wird, indem zugelassen wird, daß das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit konstanter Amplitude zwischen fett und mager schwingt, während der zeitliche Mittelwert bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis gehalten wird. Sprünge werden hinzugefügt, um diese Erscheinung maximal zu nutzen. Es wird angenommen, daß die Sprünge in jeder Richtung durch die folgenden Symbole ausgedrückt werden.
S(R--> L): Der Sprung wird hinzugefügt, wenn die Richtung der Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff- Verhältnis von fett nach mager invertiert ist.
S(L--> R): Der Sprung wird hinzugefügt, wenn die Richtung der Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis in der entgegengesetzten Richtung invertiert ist.
In einem grundlegenden Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem wird derselbe absolute Wert nur mit unterschiedlichen Zeichen für die Sprünge S(R--> L) und S(--> R) in entgegengesetzten Richtungen häufig ausgewählt.
S(R--> L) und S(L--> R) (3)

A-3 Rampenrate

Eine Rampenrate gleicht das Luft/Brennstoff-Verhältnis in einem konstanten Verhältnis aus, d. h. je Zeiteinheit, in dem Punkt, in welchem das vorstehend beschriebene verzögerte Signal invertiert. In dem Fall der Proportional-Integral- und Differential-(PID)-Steuerung oder dergleichen ist es üblich, die Kompensation einer Größe anzuwenden, die proportional der Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Steuerwert ist. Bei dem (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis bedeutet jedoch die plötzliche Änderung der Eigenschaften der Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis, daß nur die Richtung der Abweichung als gültige Information erhalten werden kann, wie in Fig. 21 gezeigt ist, wobei die Größe der Abweichung keine gültige Information ist. Daher ist es nicht möglich, einen Ausgleich einer Größe proportional der Abweichung anzuwenden, und daher wird der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Ausgleich in einem Verhältnis angewendet, der je Zeiteinheit konstant ist. Es wird angenommen, daß die Rampenraten in jeder Richtung durch die folgenden Symbole ausgedrückt werden.
RR(R--> L): Die Rampenrate wird hinzugefügt, wenn die Richtung der Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis von fett nach mager invertiert ist.
RR(L--> R): Die Rampenrate wird hinzugefügt, wenn die Richtung der Abweichung von dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis in die entgegengesetzte Richtung invertiert ist.
In einem grundlegenden Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuersystem werden dieselben absoluten Werte nur mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Rampenraten RR(R--> L), und RR(L-- > R) in entgegengesetzten Richtungen häufig ausgewählt.
RR(R--> L) = -RR(L--> R) (4)
Die vorstehend beschriebene Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerung wird in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine verwendet, und daher verwendet die Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis diese auch.
Der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 dieser Ausführungsform wendet die Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerung unter Nutzung dieser drei Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerkonstanten (Verzögerungszeitdauer, Sprung und Rampenrate) an, wie in Fig. 11 gezeigt ist.

B. Statische elektromotorische Kraft (Widerstand) in Abhängigkeit von den Luft/Brennstoff-Verhältnis- (oder Gasdichte)-Eigenschaften

Für diese statische Eigenschaft verändert der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerabschnitt 130 das Luft/Brennstoff- Verhältnis gemäß Faktoren, wie z. B. die untere Grenze, die obere Grenze, die Haltezeit, die Richtung der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Änderung und das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Änderungsmuster des vorhergehend spezifizierten Luft/Brennstoff-Verhältnisses (oder der Gasdichte).

C. Übergangsverhalten der elektromotorischen Kraft (des Widerstands)

Für dieses Übergangsverhalten verändert der Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuerabschnitt 130 das Luft/Brennstoff-Verhältnis gemäß Faktoren, wie z. B. die untere Grenze, die obere Grenze, die Haltezeiten an der oberen und der unteren Grenze und die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Änderung-Wellenform des vorhergehend spezifizierten Luft/Brennstoff-Verhältnisses (oder der Gasdichte).

Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem in Fig. 10

In dem in Fig. 10 gezeigten zweiten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem sind zwei (O&sub2;)-Meßfühler 10 und 12 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet, einer zustromseitig und einer abstromseitig von dem Drei-Wege- Katalysator 600, und die Ausgangssignale (elektromotorische Kraft oder Widerstand) von diesen werden gemeinsam verwendet, um ein hohes Niveau der Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuerung zu gewährleisten. Dessen Aufbau ist in Fig. 4 gezeigt.
Die Aufgabe der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung, die durch das zweite Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem wahrgenommen wird, besteht darin, während dieselbe Hochgeschwindigkeits-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung (kurze Steuerperiode) wie jene des ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystems durch den (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gewährleistet wird, der zustromseitig des Drei-Wege-Katalysators 600 angeordnet ist, den anderen (O&sub2;)-Meßfühler 12 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der abstromseitig des Drei-Wege- Katalysators 600 angeordnet ist, zum Erfassen der Veränderung in dem gesteuerten Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) zu verwenden, die durch Veränderungen der stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungseigenschaften des zustromseitigen (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis verursacht ist, und diese Veränderungen durch Anwenden des Ausgleichs zu verringern.
Dieser Ausgleich der Veränderungen in dem gesteuerten Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) verringert die Abweichungen in der Menge der ausgestoßenen schädlichen Bestandteile.

A. Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuereigenschaften

Zunächst wird die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung durch den (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ausgeführt, der zustromseitig des Drei- Wege-Katalysators 600 in derselben Weise wie in dem ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem angeordnet ist, un ter Verwendung der drei Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerkonstanten (Verzögerungszeitdauer, Sprung und Rampenrate).
Anschließend wird durch den (O&sub2;)-Meßfühler 12 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der abstromseitig des Drei-Wege-Katalysators 600 angeordnet ist, in derselben Weise wie in dem ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem ein Sprungausgleichsignal erzeugt, unter Verwendung der drei Konstanten (abstromseitige Verzögerungszeitdauer, abstromseitiger Sprung und abstromseitige Rampenrate). Diese drei abstromseitigen Steuerkonstanten weisen Bezeichnungen ähnlich jenen der drei zustromseitigen Steuerkonstanten auf, aber diese sind unabhängig auf zweckentsprechende Werte eingestellt. Dieses Sprungausgleichsignal wird verwendet, um den Sprung zu justieren, der eine der zustromseitigen Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerkonstanten ist.
Wie vorhergehend erwähnt, wird in dem ersten Steuersystem, das in Fig. 1 gezeigt ist, derselbe absolute Wert nur mit unterschiedlichen Vorzeichen häufig für die Sprünge S(R--> L) und S(L--> R) in entgegengesetzten Richtungen ausgewählt. In dem in Fig. 10 gezeigten zweiten Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuersystem wird die Summe der Sprünge S(R--> L) und S(L--> R) in entgegengesetzten Richtungen konstant gehalten, aber das gesteuerte Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) kann durch Verändern (unter automatischer Steuerung) der einzelnen Größen dieser Sprünge justiert werden.
Ein Beispiel ist dazu in Fig. 12 gezeigt. Diese Beispiel zeigt eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung-Wellenform, wobei die Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des abstromseitigen (O&sub2;)-Meßfühlers 12 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu der Fett-Seite neigt, so daß der Sprung S(--> L) behandelt wird, daß er eine Größe annimmt, die 60% des Sprungs S(--> R) ist. Bei dieser Steuerung wird das zeitliche Verhältnis, wobei die ausgegebene (elektromotorische Kraft oder Widerstand) elektromotorische Kraft des zum Katalysator zustromseitigen (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis geringer als die Bezugsspannung ist, verlängert, um das gesteuerte Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) zur Magerseite auszugleichen. Diese automatische Steuerung gleicht die Abweichungen vom stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis der Ausgabe (elektromotorische Kraft oder Widerstand) des (O&sub2;)-Meßfühlers 12 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis aus, der abstromseitig des Katalysators angeordnet ist.

B. Statische elektromotorische Kraft (Widerstand) gegenüber der Luft/Brennstoff-Verhältnis- (oder Gasdichte)- Eigenschaft

Für diese statische Eigenschaft wird das Luft/Brennstoff- Verhältnis gemäß Faktoren, wie z. B. die untere Grenze, die obere Grenze, die Haltezeitdauer, die Richtung der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Änderung und das Luft/Brennstoff- Verhältnis-Änderungsmuster des vorhergehend spezifizierten Luft/Brennstoff-Verhältnisses (oder Gasdichte) verändert.
Diese ist dieselbe wie in dem ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem.

C. Übergangsverhalten der elektromotorischen Kraft (des Widerstands)

Für dieses Übergangsverhalten wird das Luft/Brennstoff-Verhältnis gemäß Faktoren, wie z. B. die untere Grenze, die obere Grenze, die Haltezeiten an der oberen und der unteren Grenze und die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Änderung-Wellenform des vorhergehend spezifizierten Luft/Brennstoff-Verhältnisses (oder der Gasdichte) verändert.
Dieses ist dasselbe wie in dem ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem.

Gassteuerabschnitt 200

Der Gassteuerabschnitt 200 ist ferner in die Strömungsmenge- Steuerabschnitte 240 und 250 sowie die Heizeinrichtung- und Mischeinrichtungsabschnitte 270 und 280 unterteilt.
Die Strömungsmenge-Steuerabschnitte 240 und 250 steuern die Gasströme auf der Grundlage von Anweisungen in bezug auf die Strömungsmenge jedes Gasbestandteils des Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuerabschnitts 130. Für Bestandteile, welche bei Raumtemperatur (20ºC) flüssig sind (Wasserdampf (H&sub2;O) und Toluol (C&sub7;H&sub8;)) steuern diese Abschnitte die Flüssigkeitsströme, zerstäuben sie durch eine Zerstäubungseinrichtung und mischen sie.
Die Heizeinrichtung- und Mischeinrichtungsabschnitte 270 und 280 verwenden eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Stickstoffs (N&sub2;) als einziges der Gase bei gesteuerten Strömungsmengen auf eine vorbestimmte Temperatur, zerstäuben dann das Wasser und mischen es ein. Da die Gastemperatur nach dem Mischen durch die latente Verdampfungswärme des Wassers und die Wärmekapazität des Wasserdampfs verringert wird, wird das Gas durch eine Zweitstufen-Heizeinrichtung erneut auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt.
Die brennbaren Bestandteile (Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenmonoxid (CO) und die Kohlenwasserstoffe (HC)) sowie die verbrennungsfördernden Bestandteile (Sauerstoff (O&sub2;) und die Stickoxide (NOx)) werden dann zugemischt.
Ein Grund dafür, weshalb die brennbaren und die verbrennungsfördernden Bestandteile nach dem Vermischen nicht erwärmt werden, aber vermischt werden, nachdem der Stickstoff und der Wasserdampf erwärmt sind, besteht darin, daß in dem Fall, wenn die brennbaren und die verbrennungsfördernden Bestandteile erwärmt werden, nachdem sie miteinander vermischt sind, Verbrennungsreaktionen zwischen diesen Bestandteilen an örtlichen Abschnitten hoher Temperatur auf den Oberflächen der Heizeinrichtung oder in deren Nähe gefördert würden, welche eine Verringerung der Konzentration von unverbrannten Bestandteilen verursachen. Wenn das Vermischen nach dem Erwärmen erfolgt, gelangt das Gas, das sowohl brennbare als auch verbrennungsfördernde Bestandteile aufweist, nicht mit der Heizeinrichtung in Kontakt, und somit tritt an dieser Stelle keine Förderung der Verbrennungsreaktionen zwischen diesen Bestandteilen in Abschnitten mit örtlich hoher Temperatur in der Nähe der Heizeinrichtung auf. Das Vorliegen von Wasserdampf weist die Wirkung der Unterdrückung der Verbrennungsreaktionen des Wasserstoffs auf.
Ein anderer Grund, weshalb brennbare und verbrennungsfördernde Bestandteile vermischt werden, nachdem der Stickstoff und der Wasserdampf erhitzt worden sind, besteht darin, zu gewährleisten, daß die Heizeinrichtung in einer Atmosphäre aus neutralen Gasen (Stickstoff (N&sub2;) und Wasserdampf (H&sub2;O)) betrieben wird, so daß das Metall der Heizeinrichtungsoberflächen nicht der wiederholten Oxidation und Reduktion ausgesetzt wird. Dies gewährleistet, daß das Wachstum von Oxidschichten auf den Oberflächen der Heizeinrichtung nicht gefördert wird und auch den Vorteil der Unterdrückung der Schädigung der Heizeinrichtung aufweist.
Trotz dieser Vorkehrungen ist jedoch die Heizeinrichtung dieser Vorrichtung harten Betriebsbedingungen ausgesetzt, unter welchen sie eine große Strömungsmenge von Gasen (300 Liter/Minute) auf eine hohe Temperatur (760ºC) erhitzt, so daß die Schädigung der Heizeinrichtung allmählich fortschreitet, und es ist tatsächlich schwierig, diese Schädigung vollständig zu verhindern. Es ist schwierig, die Schädigung der Heizeinrichtung zu verhindern, wenn sie für eine lange Zeitdauer bei hohen Temperaturen verwendet wird, und es ist auch schwierig, vorherzusagen, wann sie ausfallen wird. Wie vorstehend in dem Abschnitt zum Temperatursteuerabschnitt 120 erwähnt, wird in dem Fall, wenn die Heizeinrichtung zufällig ausfallen sollte, ein Heizeinrichtungsausfall-Warnsignal von dem Temperaturregler durch die Kommunikationseinrichtung automatisch aufgenommen, und der Meßsteuerabschnitt 110 wird durch diese Kommunikationseinrichtung automatisch informiert, um rasche Gegenmaßnahmen zu ermöglichen.

Aufbau um den Meßfühleranordnungsabschnitt

Der Aufbau um den Meßfühleranordnungsabschnitt unterscheidet sich zwischen dem ersten Luft/Brennstoff-Verhältnis- Steuersystem in Fig. 1 und dem zweiten Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuersystem, das in Fig. 10 gezeigt ist, und daher werden nachstehend beide Ausführungsformen getrennt erläutert.

Erstes Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem

Das in Fig. 1 gezeigte System ist aufgebaut, um ein Luft/Brennstoff-Verhältnis durch einen zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu erfassen und das Luft/Brennstoff-Verhältnis unter Verwendung eines Signals von diesem zu steuern. Das Gas, das durch den Gassteuerabschnitt 200 geregelt ist, tritt durch den Meßfühleranordnungsabschnitt 300, in welchem der zu messende (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist, und einen Meßfühleranordnung-Halteabschnitt, in welchem der Meßfühler (Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsabschnitt) 510 des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitts 500 angeordnet ist, bis es den Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)- Meßabschnitt 400 erreicht. Ein Breitbereich-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis (Grenzstrom-Sauerstoff- Meßfühler) wird gewöhnlich als der Meßfühler 510 des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitts 500 verwendet, und er weist dieselbe Form wie der zu messende (O&sub2;)- Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis auf. Daher ist es zweckentsprechend, dieselbe Type der Anordnung-Halteeinrichtung für den Meßfühler 510 des Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitts 500 als die für den zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu verwenden.

Zweites Meßfühler-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem

In dem in Fig. 10 gezeigten Aufbau wird das Luft/Brennstoff- Verhältnis durch die (O&sub2;)-Meßfühler 10 und 12 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erfaßt, die zustromseitig und abstromseitig des Drei-Wege-Katalysators 600 angeordnet sind, und die sich ergebenden Signale werden verwendet, um eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung auszuführen. Somit unterscheidet sich dieser Aufbau von dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau dahingehend, daß der Drei-Wege- Katalysator 600 und ein anderer Meßfühleranordnungsabschnitt 800 zwischen dem Meßfühler 510 des Luft/Brennstoff-Verhältis-Wellenform-Meßabschnitts 500 und dem Luftverhältnis- (zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400 angeordnet sind.
Ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuersystem wird gewöhnlich verwendet, in welchem ein (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis als der Luft/Brennstoff- Verhältnis-(O&sub2;)-Meßfühler 10 verwendet wird, der zustromseitig vom Drei-Wege-Katalysator 600 angeordnet ist, doch ein Verfahren, das einen Breitbereich-Luft/Brennstoff-Verhältnis-(O&sub2;)-Meßfühler verwendet, kann ebenfalls verwendet werden, und diese Vorrichtung kann für beide Verfahren ausgelegt sein.
Diese Vorrichtung kann ebenfalls mit einem Verfahren zum Messen von Eigenschaften zurechtkommen, in welchem zu messende (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brenntoff-Verhältnis zustromseitig und abstromseitig vom Drei- Wege-Katalysator 600 angeordnet sind, oder einem Verfahren zum Messen von Eigenschaften, in welchem ein (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis mit einer bekannten Eigenschaft in einer Position angeordnet ist und ein zu messender (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brenntoff-Verhältnis in der anderen Position angeordnet ist.

Meßfühler-Halteeinrichtung

Die Form der Halteeinrichtung in dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 wird nachstehend beschrieben. Ein zu messender (O&sub2;)-Meßfühler für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Ver hältnis ist in einer Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 angeordnet, er wird auf eine eingestellte Temperatur erwärmt, und eine Ausgabe dieses Meßfühlers (elektromotorische Kraft oder Widerstand) wird gemessen. Um die Temperatur der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 und die Gastemperatur zum Messen der Eigenschaften auf einer eingestellten Temperatur zu halten, ist in dem Meßfühleranordnungsabschnitt 300 eine Heizeinrichtung (in den Figuren nicht gezeigt) angeordnet.
Es ist notwendig, zu gewährleisten, daß die Richtung, aus welcher das zugeführte Gas auf den zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, der in der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 angeordnet ist, und die Strömungsgeschwindigkeit und die Strömungslinien dieses Gases dieselben sind wie jene, die der Meßfühler vorfinden würde, wenn er in dem Auspuffrohr einer tatsächlichen Brennkraftmaschine angeordnet wäre. Es ist also notwendig, den wirtschaftlichen Vorteil dieser Vorrichtung durch Verminderung des Gasstroms, der für die Prüfung verwendet wird, so weit als möglich zu erhöhen. Es wurden umfassende Überlegungen zur Form und den Abmessungen der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung in dieser Erfindung angestellt, um diese zwei Bedingungen zu erfüllen.
Beispiele der Querschnittsform einer Meßfühleranordnung- Halteeinrichtung in einer Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik sind in Fig. 13 und in Fig. 14 gezeigt. In jeder dieser Figuren ist eine Einrichtung zum festen Anordnen des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis in der Meßfühleranordnung-Halteinrichtung 310, in anderen Worten, ein Befestigungsmechanismus, wie z. B. Flansche oder ein Schraubengewinde, in dem Abschnitt über den Punkt-Punkt-Strich-Linien angeordnet, aber diese Standardeinrichtung zum Befestigen ist außerhalb des Bereichs dieser Erfindung, und daher wird die weitere Beschreibung ausgelassen. In dem in Fig. 13 gezeigten Beispiel weist die Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 eine rundzylindrische Form mit einem geschlossenen Ende auf und ist aus einem Haupthalteeinrichtungskörper 312 und einem Kern 314 aufgebaut, der in die Halteeinrichtung in einer solchen Weise eingefügt ist, daß er im Innenkontakt damit ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß Fig. 14 die Halteeinrichtung in einem Zustand zeigt, in welchem der Kern 314 entfernt ist.
In diesem Beispiel weist der zu messende (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis einen mechanischen Schutz durch eine doppelwandige Schutzbedeckung 316 mit rundzylindrischer Form auf, die an einem Ende verschlossen ist und eine große Anzahl von kleinen Löchern aufweist, die darin in einem regelmäßigen Muster eröffnet sind, über der Außenseite eines rohrförmigen Keramikkörpers mit einem abgedichteten Ende, das als eine Sauerstoffkonzentrationszelle wirkt. Die Verlagerung der Positionen der kleinen Löcher in der inneren und äußeren Abdeckung sowohl in der Längsrichtung als auch in der Umfangsrichtung verhindert die Beschädigung der Bestandteile, wie z. B. die Elektroden des keramischen Körpers, die durch Abgas bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit verursacht würden, das direkt auf die Oberfläche des keramischen Körpers bläst, und auch gewährleistet, daß Gas rasch zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Schutzbedeckung ausgetauscht wird, um bei maximal möglicher Geschwindigkeit ein Übergangsverhalten zu erzielen.
Gaseinlaß- und Gasauslaßrohre (die oberen rechten schraffierten Abschnitte in den Figuren) mit kleinen Innendurchmessern sind auf beiden Seiten des Zylinders der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 angeordnet, und Gas wird durch diese Gaseinlaß- und -auslaßrohre zugeführt und ausgestoßen. Kleinen Löcher mit demselben Innendurchmesser sind ebenfalls in dem Kern angeordnet, um den Positionen der kleinen Innenlöcher der Gaseinlaß- und -auslaßrohre zu entsprechen. Gaseinlaß- und -auslaßrohre mit solch kleinen Innendurchmessern werden verwendet, um eine große Gasströmungsmenge mit einem kleinen Gasstrom zu erzielen und somit ein Gas mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit auf die Au ßenoberfläche des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis zu blasen.
Der Kern 314 ist angeordnet, weil sich sonst die Stromlinien des Gases hoher Strömungsgeschwindigkeit in einen Kegel innerhalb der Halteeinrichtung an dem Auslaßendabschnitt der Gaseinlaßrohrleitung erstrecken würden, die Gasströmungsmenge reduzieren und gewährleisten, daß das Gas nicht mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf die Außenoberfläche des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis bläst, wobei Bedingungen erzeugt werden, die vollständig verschieden von jenen sind, die in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine vorliegen, und die Brauchbarkeit der auf diese Weise gemessenen Eigenschaften verringern (Fig. 14).
Wird der Kern 314 verwendet, wird natürlich verhindert, daß sie die Gasströmungslinien in einen Kegel innerhalb der Halteeinrichtung erstrecken, so daß das Gas mit seiner ursprünglich hohen Strömungsgeschwindigkeit auf die äußere Oberfläche des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis geblasen werden kann, was den Vorteil aufweist, daß eine Annäherung an die hohen Strömungsgeschwindigkeiten möglich wird, die in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine vorliegen, wenn auch örtlich. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß dieses Verfahren unter Verwendung des Kerns 314 dahingehend ein Problem aufwirft, daß die Relativbeziehung zwischen den Positionen der Öffnungsabschnitte des Kerns 314 und den entsprechenden Positionen der kleinen Löcher in der Schutzbedeckung eine große Wirkung hat. In anderen Worten, wenn die entsprechenden Öffnungsabschnitte einander unmittelbar gegenüberliegen, wird das Gas mit hoher Strömungsgeschwindigkeit nicht an dem Öffnungsabschnitt des Kerns versperrt und kann somit mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in die Schutzbedeckung eindringen (Fig. 13). Wenn andererseits dem Öffnungsabschnitt des Kerns 314 ein Abschnitt gegenüberliegt, der ein Zwischenglied zwischen kleinen Löchern in der Schutzbedeckung, trifft das Gas hoher Strömungsgeschwindigkeit auf den Öffnungsabschnitt der Schutzbedeckung, so daß die Stromlinien sich krümmen (Fig. 15), und das Gas tritt durch die benachbarten kleinen Löcher in einem Zustand, in welchem dessen Strömungsgeschwindigkeit vermindert ist.
Diese Relativbeziehung zwischen der Position jedes Öffnungsabschnitts des Kerns 314 und dem entsprechenden kleinen Loch in der Schutzbedeckung ist nicht nur besonders abhängig von der Auslegung der Positionierung der kleinen Löcher in der Schutzbedeckung 316 des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis, sondern sie ist ebenfalls von dem Zustand abhängig, in welchem der zu messende (O&sub2;)-Meßfühler 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist, selbst wenn derselbe Meßfühler erneut angeordnet wird. Z. B., wenn bei einer Flanschbefestigungstype des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis eine ungerade Anzahl von kleinen Löchern um dessen Umfang angeordnet sind, kann eine Änderung von 180º in der Richtung, in welcher der Meßfühler angeordnet ist (verursacht durch Drehen der Ausrichtung des Flanschs usw.), kann eine Änderung verursachen, ob die kleinen Löcher in der Schutzbedeckung in Gegenüberlage der Positionen der Öffnungsabschnitte sind oder nicht. Selbst wenn die Richtung, in welcher der Meßfühler angeordnet ist, nicht um 180º geändert wird, sind die Abmessungen der Flanschanordnungslöcher oftmals ausgelegt, daß sie etwa 1 mm größer als der Durchmesser der Anordnungsschrauben sind, um einen kritischen Zustand zu verhindern, in dem es Fertigungsfehler unmöglich machen, den Meßfühler anzuordnen, und es kann leicht der Fall eintreten, daß die Anordnungsposition um einen Betrag gleich dem Unterschied zwischen den Abmessungen verschoben wird. Auf diese Weise haben die Relativbeziehung zwischen den kleinen Löchern in der Schutzbedeckung und die Positionen der Öffnungsabschnitte in dem Kern keine geringe Wirkung.
Ähnliche Fehler können auch bei einer Verschraubungstype des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis eintreten, so daß die Kraft, mit welcher die Verschrau bung angezogen wird, wesentlich die Endposition (Winkel) des Meßfühlers verändern.
Da die Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik diese Probleme aufweist, ist die Vorrichtung dieser Erfindung verbessert, wie in Fig. 16 und Fig. 17 gezeigt ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß Fig. 16 einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 17 zeigt, und Fig. 17 ist ein Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 16.
1. Der Querschnitt der Gaseinlaß- und -auslaßrohre ist rechteckförmig ausgebildet, so daß alle der kleinen Löcher des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis von Gas mit derselben Strömungsgeschwindigkeit wie die Abgasströmungsgeschwindigkeit in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine getroffen werden, und dessen seitliche Breite dieselbe Abmessung wie der Durchmesser der äußeren Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist.
2. Der Querschnitt der Gaseinlaß- und -auslaßrohre ist rechteckförmig ausgebildet, so daß alle der kleinen Löcher des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis von Gas mit derselben Strömungsgeschwindigkeit wie die Abgasströmungsgeschwindigkeit in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine getroffen werden, und dessen Höhe weist dieselbe Abmessung wie die Gesamtbreite auf, über welche kleine Löcher in der äußeren Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet sind.
Diese Spezifikationen machen es möglich, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das alle der kleinen Löcher in der zustromseitig vorstehenden Oberfläche der äußeren Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis trifft, dieselbe wie die Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Gaseinlaß- und -auslaßrohre ist. Durch Gewährleisten derselben Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Gaseinlaß- und -auslaßrohre wie jene in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine, kann die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das alle der kleinen Löcher in der zustromseitig vorstehenden Oberfläche der äußeren Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich der in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine ausgebildet werden.
3. Der Unterschied zwischen dem Durchmesser der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung 310 und dem Durchmesser der äußeren Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis ist gehalten, daß er gleich der Breite des rechteckigen Querschnitts der Gaseinlaß- und -auslaßrohre ist, so daß alle der kleinen Löcher in der äußeren Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis durch Gas mit derselben Strömungsgeschwindigkeit wie der Abgasströmungsgeschwindigkeit einer tatsächlichen Brennkraftmaschine getroffen werden. Dieser Aufbau macht es möglich, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das um die äußere Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis strömt, gleich der Gasströmungsgeschwindigkeit in den Gaseinlaß- und -auslaßrohren ist. Demzufolge können die Strömungsgeschwindigkeit und die Stromlinien des Gases, das um die äußere Schutzbedeckung des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis gleich jenem in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine ausgebildet werden.
Ein Aufbau, der mit den vorstehend erwähnten Spezifikationen 1 bis 3 in Übereinstimmung ist, hat die der Meßfühleranordnung-Halteeinrichtung der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik innewohnenden Probleme gelöst.

Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400

Der Luftverhältnis-(zeitlicher Mittelwert)-Meßabschnitt 400 ist ausgelegt, um das gesteuerte Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) als ein Luftverhältnis (Ist-Luft/Brennstoff-Verhältnis/stöchiometrisches Luft/Brennstoff-Verhältnis) genau zu messen, während die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung ausgeführt wird, auf der Grundlage eines Ausgangssignals des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers 10 für das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis. Wie vorstehend erwähnt, besteht die Aufgabe dieser Vorrichtung darin, hochgenaue Messungen mit einer Genauigkeit von 0,1% zu erreichen, was schwierig mit einer Allzweck-Kraftfahrzeug-Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung zu messen, die eine Genauigkeit von nur etwa 2% aufweist.
Eine Vorrichtung, dies diesem Zweck entspricht, ist eine hypergenaue Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung (beschrieben in dem Japanischen Patent Nr. 1531810). Zusätzlich zu einer Funktion als eine hypergenaue Luft/Brennstoff- Verhältnis-Meßeinrichtung nimmt die Vorrichtung dieser Erfindung automatisch Meßanweisungen von einem Meßsteuerabschnitt durch eine Kommunikationseinrichtung auf, prüft automatisch die Genauigkeit des eigenen Instruments und mißt das gesteuerte Luft/Brennstoff-Verhältnis (zeitlicher Mittelwert) und informiert automatisch den Meßsteuerabschnitt von den Ergebnissen durch die Kommunikationseinrichtung.

Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitt 500

Der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitt 500 ist ausgelegt, der Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung- Wellenform eines zu messenden Gases dicht zu folgen und die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung-Wellenform eines zu messenden Gases zu messen, welche sich rasch verändert, während die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerung ausgeführt wird, auf der Grundlage eines Ausgangssignals des zu messenden (O&sub2;)-Meßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff -Verhältnis. Da das Luft/Brennstoff-Verhältnis des zu messenden Gases sich rasch verändert, mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 3 Hz, muß diese Vorrichtung in der Lage sein, diesen Veränderungen zu folgen und sie schnell zu messen.
Mit einer Allzweck-Kraftfahrzeug-Luft/Brennstoff-Verhältnis- Meßeinrichtung (oder einer Abgasanalyseeinrichtung), die einem Abgas Proben entnimmt und ein Abgas trocknet und dann mißt, werden durch das Probennahmesystem lange Verzögerungen verursacht, ferner Verzögerungen der Messungen, so daß ein Hochgeschwindigkeits-Übergangsverhalten nicht erreicht werden kann und es somit schwierig ist, die Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuerung-Wellenform des zu messenden Gases originalgetreu zu messen.
Als ein Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform-Meßabschnitt 500, der diesen Zweck erfüllt, wird die vorstehend beschriebene Breitbereichstype des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis (Stromgrenztype des Sauerstoff-Meßfühlers in dem Kanal angeordnet, durch welchen das zu messende Gas strömt (bei einer tatsächlichen Brennkraftmaschine würde dies das Abgasrohr sein), und mißt das Luft/Brennstoff- Verhältnis direkt auf der Grundlage einer Ausgabe des Meßfühlers (ein Strom, eine elektromotorische Kraft oder ein Widerstand), ohne Probennahme des Abgases. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch mit einer Funktion ausgestattet, die durch den Meßsteuerabschnitt 110 die Luft/Brennstoff- Verhältnis-Steuerung-Wellenform automatisch abruft.

Nachweis der Wirkungen des Systems der Ausführungsformen

Es ist bereits erwähnt worden, daß das gemessene, gesteuerte Luftverhältnis (zeitlicher Mittelwert) einer tatsächlichen Brennkraftmaschine nahezu dem Wert der Abgasemissionen entspricht. Die Beziehung zwischen einem gesteuerten Luftverhältnis (zeitlicher Mittelwert), das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessen ist, und einem gesteuerten Luftverhältnis (zeitlicher Mittelwert), das in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine unter den Bedingungen einer hohen Motordrehzahl und eines hohen Ansaugdrucks gemessen ist, ist in Fig. 18 gezeigt. Wie aus dieser Figur deutlich wird, wur de eine gute Korrelation zwischen diesen zwei Eigenschaften erzielt. Ausgedrückt als das Quadrat des Korrelationskoeffizienten (r²), wurde ein hoher Wert von 0,59 erreicht.
Auf ähnliche Weise ist die Beziehung zwischen einer Luftverhältnis-Steuerperiode, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessen ist, und einer Luftverhältnis-Steuerperiode, die in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine unter den Bedingungen einer hohen Motordrehzahl und eines hohen Ansaugdrucks in Fig. 19 gezeigt. Wie aus dieser Figur klar wird, wurde eine noch bessere Korrelation zwischen diesen zwei Eigenschaften als jene für das gesteuerte Luftverhältnis (zeitlicher Mittelwert) erreicht. Ausgedrückt als das Quadrat des Korrelationskoeffizienten (r²) wurde ein äußerst hoher Wert von 0,77 erzielt.
In einer ähnlichen Weise sind die Korrelationen zwischen elektromotorischen Wellenformen (obere dünne Linien), welche durch diese Vorrichtung gemessen sind, und elektromotorischen Wellenformen (obere dicke Linien), die in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine gemessen sind unter den Bedingungen einer hohen Motordrehzahl und eines hohen Ansaugdrucks in Fig. 23(a) bis 23(d) und Fig. 21(e) bis 21(h) gezeigt. Wie aus diesen Figuren deutlich wird, waren kleine Schwankungen, die in einer unregelmäßigen Weise in der elektromotorischen Kraft-Wellenform auftauchten, welche in der tatsächlichen Brennkraftmaschine gemessen ist, und die Wiederholungsstabilität jeder Periode gering. Andererseits lagen keine kleinen Schwankungen der elektromotorischen Kraft- Wellenform vor, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessen ist, und somit war die Wiederholungsstabilität jeder Periode hoch. Wenn jedoch die mittlere Wellenform für jede Periode der elektromotorischen Kraft-Wellenform, die in der tatsächlichen Brennkraftmaschine gemessen ist, mit der elektromotorischen Kraft-Wellenform, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen ist, verglichen wird, kann eine gute Korrelation zwischen den zwei elektromotorischen Kraft- Wellenformen erzielt werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß die unteren Abschnitte dieser Figuren bereits unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben worden sind.
Wie vorstehend beschrieben, macht es die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, eine Eigenschaft auf leichte Weise und ohne Verwendung einer tatsächlichen Brennkraftmaschine zu messen, die eine gute Übereinstimmung mit der Eigenschaft aufweist, die in einer tatsächlichen Brennkraftmaschine erzielt wurde. Wie vorstehend auch erwähnt, ist diese Eigenschaft unabhängig von den kleinen Schwankungen und Veränderungen für unterschiedliche Perioden, die in elektromotorischen Kraft-Wellenformen speziell in tatsächlichen Brennkraftmaschinen auftreten. Somit hat die vorliegende Erfindung:
- die genaue Messung der Eigenschaften mit einem hohen Niveau der Wiederholungsstabilität ermöglicht,
- die Messung der zweckmäßigen Eigenschaftswerte ermöglicht, welche eine gute Korrelation mit dem Wert der Abgasemissionen aufweisen,
- die Stabilität während der Messung der Eigenschaften erhöht, weil keine Notwendigkeit der Verwendung einer tatsächlichen Brennkraftmaschine besteht,
- die Kosten verringert, die während der Messung der Eigenschaften erforderlich waren, weil keine Notwendigkeit der Verwendung einer tatsächlichen Brennkraftmaschine besteht.
Somit ist diese Vorrichtung äußerst vorteilhaft in Herstellungsprozessen anwendbar.
Eine Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis ermöglicht die Ausführung der hochgenauen Analyse der Eigenschaften eines zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis. Die Vorrichtung weist auf: eine Meßfühleranordnungseinrichtung, in welcher ein zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist, eine Gasregeleinrichtung zum Zuführen eines Gases, das im wesentlichen den Bestandteilen der Abgase aus einer Brennkraftmaschine oder einigen deren Bestandteile gleichwertig ist, eine Steuereinrichtung zum Vergleichen einer Ausgabe des zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, der in der Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet ist, und einer Ausgabe eines Bezugsmeßfühlers für das stöchiometrische Luft/Brennstoff- Verhältnis bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff- Verhältnis der Brennkraftmaschine, um eine Abweichung zwischen diesen zu erhalten und um aus einer Vorgeschichte dieser Abweichung über die Zeit die Zusammensetzung und die Strömungsmenge des zu steuernden Gases zu erhalten, um diese Abweichung zu kompensieren, und das Ausgeben von zweckentsprechenden Anweisungen an die Gasregeleinrichtung, und eine Luftverhältnis-Meßeinrichtung zum Messen eines zeitlichen Mittelwerts des auf diese Weise gesteuerten Luft/Brennstoff- Verhältnisses.

Claims

1. Vorrichtung zur Analyse der Eigenschaften eines Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis, die aufweist:

- eine Meßfühleranordnungseinrichtung, in welcher ein zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist,

- eine Gasregeleinrichtung zum Zuführen eines Abgases von einer Brennkraftmaschine oder einiger Bestandteile davon zu der Meßfühleranordnungseinrichtung,

- eine Steuereinrichtung zum Vergleichen eines Ausgabewerts von dem Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis und eines Ausgabebezugswerts von einem ersten Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis bei dem stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnis der Brennkraftmaschine, um eine Abweichung zu gewinnen, aus einer Vorgeschichte des zeitlichen Verlaufs der Abweichung eine Zusammensetzung und eine Strömungsmenge der Gase zur Korrektur zu erlangen, und zum Steuern der Gasregeleinrichtung, um das Luft/Brennstoff- Verhältnis des Gases zu steuern, und

- eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung zum Messen eines zeitlichen Mittelwerts des auf diese Weise gesteuerten Luft/Brennstoff-Verhältnisses,

wobei die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung aufweist:

- einen zweiten Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis zum Erfassen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des von der Gasregeleinrichtung zugeführten Gases,

- eine erste Berechnungseinrichtung zum Bestimmen der Strömungsmenge eines Gases, das zuzusetzen ist, um das Luft/Brennstoff-Verhältnis des von der Gasregeleinrichtung zugeführten Gases auf der Grundlage eines Ausgabewerts des zweiten Bezugsmeßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis einzustellen,

- eine Zusatzgas-Steuereinrichtung zum Steuern der Strömungsmenge eines Zusatzgases, das zuzusetzen ist, auf der Grundlage des auf diese Weise erhaltenen Berechnungsergebnisses, und

- eine zweite Berechnungseinrichtung zum Berechnen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Gases, das von der Gasregeleinrichtung zugeführt ist, auf der Grundlage der Menge des Zusatzgases, die zugeführt ist,

wobei die Analyse der Eigenschaften des zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage des Luft/Brennstoff-Verhältnisses ausgeführt wird, das durch die zweite Berechnungseinrichtung berechnet ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Luft/Brennstoff-Verhältnis-Meßeinrichtung ferner aufweist:

- eine Festströmungsmenge-Zuführeinrichtung zum Abtrennen eines Gases in einer Festströmungsmenge von einem Abgas von der Meßfühleranordnungseinrichtung und

- eine Gasreaktionseinrichtung, um das abgetrennte Gas zu veranlassen, mit dem Zusatzgas zu reagieren, das durch die Zusatzgas-Steuereinrichtung zugesetzt ist und Zuführen des so reagierten Gases zu dem zweiten Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei:

- die Zusatzgas-Steuereinrichtung aufgebaut ist, um selektiv entweder Wasserstoff oder Sauerstoff als das Zusatzgas zuzuführen,

- der zweite Bezugsmeßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis ausgebildet ist, um zu erfassen, ob das reagierte Gas nach fett oder nach mager verschoben ist,

- die erste Berechnungseinrichtung aus einem Ausgabewert des zweiten Bezugsmeßfühlers für das Luft/Brennstoff- Verhältnis bestimmt, ob das reagierte Gas fett oder mager ist, und die Zusatzgas-Steuereinrichtung in einer solchen Weise steuert, daß Sauerstoff allmählich zugesetzt wird, bis das stöchiometrische Luft/Brennstoff-Verhältnis erreicht ist, wenn das reagierte Gas fett ist, oder allmählich Wasserstoff zugesetzt wird, bis das stöchiometrische Luft/ Brennstoff-Verhältnis erreicht ist, wenn das reagierte Gas mager ist, und

- die zweite Berechnungseinrichtung einen zeitlichen Mittelwert des Luft/Brennstoff-Verhältnisses berechnet und anzeigt, wenn das reagierte Gas durch die Zugabe von Sauerstoff oder Wasserstoff einen Zustand in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhältnisses erreicht hat.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner aufweist:

- eine Luft/Brennstoff-Verhältnis-Wellenform- Meßeinrichtung zum Messen von Änderungen der Wellenform des gesteuerten Luft/Brennstoff-Verhältnisses,

wobei eine zu messende Eigenschaft des Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis auf der Grundlage gemessener Wellenformänderungen analysiert wird.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei:

- die Gasregeleinrichtung aufgebaut ist, um ein Gas zuzuführen, das die folgenden Gasbestandteile aufweist: Stickstoff (N&sub2;), Wasserdampf (H&sub2;O), Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H&sub2;), Kohlenwasserstoffe (HC), Sauerstoff (O&sub2;) und Stickoxid (NO).

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei:

- die Gasregeleinrichtung aufgebaut ist, um ein Gas zuzuführen, das ferner Kohlendioxid (CO&sub2;) aufweist.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6 wobei;

- das Kohlenwasserstoffgas (HC) mindestens eines ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ethylen (C&sub2;H&sub4;), Toluol (C&sub7;H&sub8;) und Propylen (C&sub3;H&sub6;) aufweist.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei:

- die Gasregeleinrichtung aufgebaut ist, um ein Gas mit einer Temperatur, einer Strömungsgeschwindigkeit, einer Zusammensetzung und einem Luft/Brennstoff-Verhältnis bereitzustellen, das einem Brennkraftmaschinenabgas unter Hochlastbedingungen gleichwertig ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Gasregeleinrichtung aufweist:

- eine Flüssigkeitsströmungsmenge-Steuereinrichtung zum Steuern einer Strömungsmenge jener der Abgasbestandteile, welche in einem flüssigen Zustand zugeführt werden,

- eine Flüssigkeitszerstäubungseinrichtung zum Zerstäuben des auf diese Weise zugeführten flüssigen Bestandteils,

- eine Hochgeschwindigkeits-Gasströmungsmenge-Steuereinrichtung zum Steuern einer Zuführströmungsmenge jener der Gasbestandteile mit hoher Geschwindigkeit, welche in einem gasförmigen Zustand zugeführt werden, und

- eine Mischeinrichtung zum Mischen der Abgasbestandteile, welche von der Flüssigkeitszerstäubungseinrichtung und von der Hochgeschwindigkeits-Gasströmungsmenge-Steuereinrichtung zugeführt werden,

wobei die Steuereinrichtung die Strömungsmengen der Gase steuert, die durch die Flüssigkeitsströmungsmenge- Steuereinrichtung und die Hochgeschwindigkeits-Gasströmungsmenge-Steuereinrichtung zugeführt werden.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Meßfühleranordnungseinrichtung ferner eine Einrichtung zum Erwärmen des zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis aufweist.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Steuereinrichtung aufweist:

- eine Speichereinrichtung, in welcher eine Vielzahl von Ausgabebezugsmustern für den Ausgabebezugswert, Luft/Brennstoff-Verhältnis-Steuerbedingungen für die Gasregeleinrichtung und Meßfühler-Temperatursteuerbedingungen für die Meßfühleranordnungseinrichtung gespeichert sind, entsprechend den Abgasprüf- und -meßmoden und Meßbedingungen der Brennkraftmaschine,

- eine Auswahleinrichtung zum Auswählen der gewünschten Abgasprüf- und -meßmoden und Meßbedingungen und

- eine Einrichtung zum Lesen der Ausgabebezugsmuster und Steuerbedingungen in der Speichereinrichtung, entsprechend den auf diese Weise ausgewählten Abgasprüf- und - meßmoden und Meßbedingungen, und zum Steuern der Gasregeleinrichtung und der Meßfühleranordnungseinrichtung auf der Grundlage der gelesenen Steuerbedingungen und einer Abweichung zwischen den gelesenen Ausgabebezugsmustern und einer Ausgabe von dem zu messenden Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Meßfühleranordnungseinrichtung ferner aufweist:

- eine erste Meßfühleranordnungseinrichtung, in welcher ein erster zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff- Verhältnis angeordnet ist und welchem ein Gas von der Gasregeleinrichtung zugeführt wird,

- einen Drei-Wege-Katalysatorabschnitt, der abstromseitig der ersten Meßfühleranordnungseinrichtung angeordnet ist, und

- eine zweite Meßfühleranordnungseinrichtung, die abstromseitig des Drei-Wege-Katalysatorabschnitts angeordnet ist, in welcher ein zweiter zu messender Meßfühler für das Luft/Brennstoff-Verhältnis angeordnet ist,

wobei die Steuereinrichtung die Gasregeleinrichtung auf der Grundlage von Ausgaben des ersten und des zweiten zu messenden Meßfühlers für das Luft/Brennstoff-Verhältnis steuert.