DE3730079C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Reinigung eines Diffusions­ widerstandes einer Grenzstrom-Sauerstoffsonde auf Festelektrolytbasis, sowie Grenzstrom-Sauerstoffsonden hierfür.

Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung können im Verlauf der Zeit auftretende Veränderungen der Kennlinie der Sonde aufgrund einer Verunreinigung des Diffusionswiderstandes verhindert werden.

Aus der DE OS 27 36 451 ist ein Verfahren zum Schutz der Meßelektrode einer elektrochemischen Meßzelle zur Sauerstoffmessung mit einem Festelektrolyt bekannt. Der Schutz richtet sich gegen eine verschlechternde Beeinflussung der Meßelektrode durch einen sulfidierenden Anteil in einer Gasatmosphäre, wobei in der Meßzelle ein EMK-Signal in Abhängigkeit von dem Sauerstoffanteil in der Gasatmosphäre erzeugt wird, und wird dadurch erzielt, daß die Meßelektrode in einer Sauerstoff­ atmosphäre gehalten wird. Im einzelnen wird der Schutz dadurch erreicht, daß das EMK-Signal mit einem, über eine Bezugs-Elektrode erhaltenen und eine potentielle Sulfidierungsatmosphäre kennzeichnenden Bezugssignal verglichen wird, um in Abhängigkeit von dem Vergleich der Meßelektrode Sauerstoff durch das Anlegen eines elektrischen Potentials an die Meßelektrode und die Bezugselektrode zuzuführen. Dieses bekannte Verfahren verwendet zu dem genannten Zweck eine Sauerstoffquelle und eine Sauerstoff-Meß- und Steuerstufe.

Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß der Meßelektrode nur dann Sauerstoff zugeführt wird, wenn eine sulfidierende Atmosphäre vorliegt, eine Messung des Sauerstoffgehalts also ggfls. viel vordringlicher wäre. Darüber hinaus ist bei dem Verfahren gemäß der DE OS 27 36 451 eine teure Bezugselektrode notwendig.

Eine andere herkömmliche Sonde zur Erfassung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses, wie z. B. offenbart in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 570 50/1983, hat eine Sondenkennlinie, die gemäß einem bei der Messung von atmosphärischer Luft erfaßten Wert korrigiert werden kann. Jedoch zeigt oben erwähnte herkömmliche Sonde keine Einrichtung zur aktiven Verhinderung der Veränderungen der Sondenkennlinie, die im Verlauf der Zeit auftreten können.

Die oben erwähnte herkömmliche Sonde schlägt keine Einrichtung vor, um verschmutzte Teilchen, wie z. B. Kohlenstoff, Schwefel etc. zu entfernen, die derart verbrennbar sind, daß sie bei einer Oxydation in eine gasförmige Phase übergehen und die sich den Diffusionswiderständen anlagern, sondern betrachtet lediglich eine Einrichtung zur Korrektur der Sondenkennlinie. Somit liegt bei der herkömmlichen Sonde ein Problem darin, die Genauigkeit des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses über eine längere Zeitdauer aufrechtzuerhalten.

Die herkömmliche Sonde mit Korrekturmöglichkeit der Sondenkennlinie zeigt in der Praxis Schwierigkeiten, die Sondenkennlinienkorrekturen mit guter Genauigkeit vorzunehmen, weil die Sondenkennlinie für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis nicht linear ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Reinigung des Diffusionswiderstandes einer Grenzstrom-Sauerstoffsonde auf Festelektrolytbasis anzugeben, bei dem die Reinigung während der Betriebs­ abschnitte der Verbrennungsmaschine oder in einem festen Rhythmus mit dem Meßbetrieb der Sonde durchgeführt wird.

Die oben genannte Aufgabe kann gelöst werden durch Zufuhr von Sauerstoff zu dem Diffusionswiderstand der Sonde, und zwar

• - für die Zeitdauer einer Betriebsphase, in der der Motor mit fettem Gemisch betrieben wird, in der also das Luft/Kraftstoff-Verhältnis kleiner ist als ein theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis,
• - für die Zeitdauer, wenn der Ausgangswert, der durch Messung der atmosphärischen Luft während einer Kraftstoffzufuhr-Unterbrechung gehalten wird, unterhalb eines bestimmten Wertes ist, oder
• - abwechselnd mit der Messung des Luft/Kraftstoffverhältnisses für eine jeweilige bestimmte Dauer.

Die Menge des dem Diffusionswiderstand zugeführten Sauerstoffs ist vorzugsweise größer als die Menge, die für eine Reaktion mit unverbrannten Gaskomponenten in dem Diffusionswiderstand erforderlich ist.

Der Vorgang zum Zuführen des Sauerstoffs zu dem Diffusionswiderstand kann weiterhin für eine bestimmte Zeitdauer wiederholt während des normalen Meßbetriebs durchgeführt werden. Der Festelektrolyt wird vorzugsweise durch eine Heizeinrichtung auf 600°C bis 900°C aufgeheizt, während der Sauerstoff dem Diffusionswiderstand zugeführt wird.

Der Vorgang des Zuführens des Sauerstoffs zu dem Diffusionswiderstand kann auch durchgeführt werden, wenn eine Verschiebung bzw. Drift des Ausgangswertes der Sonde ein Wert wird, der größer als ein bestimmter Wert ist, wobei die Drift durch zwangsweise Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses um einen bestimmten Betrag während des Motorleerlaufs erfaßt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung:

Fig. 1 zeigt eine Schaltung mit der Sonde gemäß einer Ausführungsform.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Sonde.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt von relevanten Teilen der Sonde.

Fig. 4 erläutert die Wirkungsweise der Sonde.

Fig. 5 zeigt eine Sonde, bei der der Diffusionswiderstand verunreinigt ist.

Fig. 6 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ und dem Grenzstromwert I zeigt.

Fig. 7 erläutert die Wirkungsweise der Sonde während des Säuberungsvorganges.

Fig. 8 ist eine Grafik, die das Verhältnis zwischen dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ und dem Grenzstromwert I zeigt.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltung, mit der die Sonde betrieben wird.

Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm eines Betriebsbeispiels der Sonde.

Fig. 11 zeigt eine Kennlinie der Sonde nach einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 12 zeigt den Betrieb des Säuberungsmodus.

Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm des Sondenbetriebs nach einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 14 zeigt eine Schaltung mit der Sonde gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 15 zeigt Signalverläufe des Sondenbetriebs nach einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 16 erläutert das Arbeitsverfahren der Sonde nach einer Ausführungsform.

Fig. 17 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ und den V_out-Kennlinien zeigt.

Fig. 18 erläutert das Arbeitsverfahren der Sonde mit der Sauerstoff- konzentrations-Verteilung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 19 erläutert das Arbeitsverfahren der Sonde mit der Sauerstoff- konzentrations-Verteilung gemäß einer weiteren Ausführungsform..

Fig. 20 zeigt eine Kennlinie von V_out über der Zeit, die aus einem Experiment bei magerem Gemisch erhalten wird.

Fig. 21 zeigt eine Kennlinie von V_out über der Zeit, die aus einem Experiment im Zustand des fetten Kraftstoffgemisches erhalten wird.

Fig. 22 erläutert das Arbeitsverfahren der Sonde mit der Sauerstoff- konzentrations-Verteilung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 23 zeigt eine Schaltung mit der Sonde gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 24 zeigt verschiedene Signalverläufe während des Sondenbetriebs.

Fig.25 zeigt ein Flußdiagramm des Sondenbetriebs gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 26 zeigt die V_out-Kennlinie über der Zeit, die aus einem Experiment erhalten wird.

Fig. 27 zeigt den Aufbau des Lufteinlaß-Systems des Motors.

Fig. 28 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ und den V_out-Kennlinien zeigt.

Fig. 29 zeigt eine Kennlinie, die aus einem Experiment mit dem Lufteinlaß-System der Fig. 27 erhalten wird.

Fig. 30 zeigt eine Schaltung mit der Sonde gemäß einer Ausführungsform, mit der die V_out-Kennlinie der Fig. 29 erhalten wird.

Fig. 31 schließlich zeigt ein weiteres Flußdiagramm des Sondenbetriebs.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 2 zeigt im Querschnitt die Struktur der Sonde 1. Die Sonde 1 umfaßt einen sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyten 2, einen porösen Diffusionswiderstand 3, eine Heizeinrichtung 4, und eine atmosphärenseitige Elektrode 5a bzw. eine abgasseitige Elektrode 5b. Fig. 3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht.

Der Festelektrolyt 2 wird auf 600°C bis 900°C durch die Heizeinrichtung 4 aufgeheizt. Externe atmosphärische Luft wird in das Innere der Heizeinrichtung 4 des Festelektrolyten bzw. Feststoff-Elektrolyten 2 eingeführt und das Abgas wird zu dem Äußeren der Heizeinrichtung 4 geführt.

Wie in Fig. 4 gezeigt wird eine Spannung V so eingeprägt, daß die atmosphärenseitige Elektrode 5a positiv ist und die abgasseitige Elektrode 5b negativ ist. Die Spannung V veranlaßt den Strom I in die Richtung des durchgezogenen Pfeils zu fließen, wobei der Sauerstoff (O₂) sich zu der Atmosphärenseite bewegt. Dann verhindert der Diffusionswiderstand 3 die Diffusion des Sauerstoffs und der Strom I wird ein Grenzstromwert genannt, der zu der Konzentration des Sauerstoffs in dem ausgelassene Gas proportional ist. Diese Sonde 1 mißt den Grenzstromwert I. Das Verhältnis zwischen dem Strom I und dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ wird als durchgezogene Linie A₁, in Fig. 6 gezeigt. Hier wird das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ als ein theoretisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet, und das theoretische Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ=1,0 zeigt ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) von 14,7.

In der Sonde 1 vom obigen Aufbau wird die Diffusion von Sauerstoff behindert und der Strom I fällt, wie als gestrichelte Linie A₂ in Fig. 6 gezeigt ist, wenn verschmutzende Teilchen 6 dem Diffusionswiderstand 3 wie in Fig. 5 gezeigt anhängen. Obwohl es eine Methode zur Erfassung des Abfalls des Stromwertes I gibt und eine entsprechende Korrektur vorgenommen wird, ist es schwierig, eine exakte Korrektur zu machen, da die λ-I-Kennlinie nichtlinear ist. Sodann macht eine Kennlinienkorrektur der Sonde das Lufteinlaß-System komplizierter.

Unter Beachtung der obigen Nachteile bei der herkömmlichen Sonde verhindert die vorliegende Erfindung die Veränderung der Sondenausgangskennlinie, die anderenfalls aus einer langen Gebrauchsdauer entstehen würde, indem die verschmutzenden Teilchen 6 entfernt werden.

Die Fig. 7 und 8 zeigen das Arbeitsprinzip der Sonde. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird für eine bestimmte Dauer während des Betriebs eine Spannung V′ so angelegt, daß die atmosphärenseitige Elektrode 5a negativ und die abgasseitige Elektrode 5b positiv ist, um zu bewirken, daß der Sauerstoff (O₂) sich zu dem Diffusionswiderstand 3 bewegt. Der Festelektrolyt 2 wird auf ungefähr 600°C bis 900°C durch die Heizeinrichtung 4 aufgeheizt. Die atmosphärenseitige Elektrode 5a und die abgasseitige Elektrode 5b sind jeweils aus Platin (Pt) gebildet, welches katalytische Wirkung hat.

Auf diese Weise werden die verschmutzenden Teilchen 6 durch den Sauerstoff (O₂) zu dem Diffusionswiderstand 3 bewegt bzw. geleitet, der dann von Teilchen 6 befreit ist und in seinen ursprünglichen Zustand zurückgeführt ist. Die Kennlinie des Sondenausgangs wird, wie in Fig. 8 gezeigt, von der gestrichelten Linie A₂ zu der durchgezogenen Linie A₁ zurückgewonnen, wobei die durchgezogene Linie A₁ die Sonden-Kennlinie darstellt, bevor die Sonde verschmutzt wird.

Mit dieser Struktur der erfindungsgemäßen Sonde 1 ist es möglich, die anfängliche Sondenausgangs-Kennlinie aufrechtzuerhalten, wobei keine Sonden­ ausgangskennlinien-Korrektur erforderlich ist.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung mit der Sonde zur Verwirklichung der obigen Funktion.

In der in Fig. 1 gezeigten Schaltung veranlaßt ein Mikrocomputer 7 bei der Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, daß D₁ und D₂ ein ON bzw. OFF- Signal erzeugen, um den Schalter S₁ anzuschalten und den Schalter S₂ auszuschalten. Diese legt die Spannung V an den Festelektrolyten 2 an, wodurch bewirkt wird, daß der Strom I in die Richtung des durchgezogenen Pfeils der Fig. 1 fließt.

Der Strom I wird durch einen Pufferverstärker 9 als ein Ausgang V_out herausgenommen, der dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ proportional ist. Danach wird für eine bestimmte Dauer während des Betriebs wie z. B. während einer Dauer nachdem der Zündschlüssel eingeschaltet wird, während des Betriebs mit fettem Luft/Kraftstoff-Verhältnis, während des Leerlaufs oder während des Aufwärm- Betriebs beim Starten, der Sauerstoff dem Diffusionswiderstand 3 zugeführt. In diesem Zeitabschnitt verwendet der Mikrocomputer 7 D₁ als OFF-Signal und D₂ als ON-Signal, um den Schalter S₁ aus und den Schalter S₂ anzuschalten. Dann wird eine Spannung V angelegt, da aber die Polarität entgegengesetzt zu der während des Meßbetriebs ist, fließt der Strom I′ nun in der Richtung des gestrichelten Pfeils. Dies bewirkt, daß der Sauerstoff sich zu dem Diffusionswiderstand 3 hinbewegt und die kontaminierenden Teilchen 6 oxidiert.

Fig. 9 zeigt eine weitere Schaltungs-Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Während des Meßbetriebs wird D₁ als ON-Signal und D₂ als OFF-Signal benutzt, um die Spannung V anzulegen. Aber für einen Betrieb zur Entfernung der verschmutzenden Teilchen, in dem der Sauerstoff dem Diffusionswiderstand 3 zugeführt wird, wird D₁ als OFF-Signal und D₂ als ON-Signal verwendet, um die Spannung V′ an einer Spannungsquelle 10 anzulegen. In diesem Fall fließt der Strom I′ in die Richtung des gestrichelten Pfeils der Fig. 9. Auf diese Weise wird die angelegte Spannung V′ für den Meßbetrieb und für den Betrieb zur Entfernung der Teilchen verändert. Während des letzteren ist es wirkungsvoll, die Spannung V′ größer als die Spannung V zu machen, da der Sauerstoff von der Atmosphäre zugeführt wird.

Fig. 10 zeigt ein Betriebsbeispiel gemäß einer Ausführungsform der Sonde. Zunächst wird geprüft, ob die Sonde 1 in dem Betriebsmodus zur Entfernung der Teilchen ist oder nicht. Wenn sie nicht in diesem Modus ist, wird D₁ als ON- Signal und D₂ als OFF-Signal verwendet, um den Wert V_out zu lesen. Wenn sie in diesem Modus ist, wird D₁ als OFF-Signal und D₂ als ON-Signal verwendet, um den Betrieb zur Entfernung des Teilchen durchzuführen. Der Modus zur Entfernung der verunreinigenden Teilchen wird in Betrieb gesetzt, wie zuvor erwähnt, während einer bestimmten Zeitdauer nachdem der Zündschlüssel eingeschaltet wurde oder während des Betriebs mit fettem Gemisch oder während des Leerlaufs oder während des Aufwärm-Betriebs beim Starten.

Die Fig. 11 und 12 zeigen weitere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Verunreinigung des Diffusionswiderstandes 3 wird erfaßt durch Messung der atmosphärischen Luft, die während der Kraftstoffzufuhrunterbrechung eingelassen wird als Referenzgas. Wenn der Diffusionswiderstand 3 verunreinigt ist, ist der Wert V_out der Wert V′_a, der kleiner ist als der anfängliche Wert von V_a, wie in Fig. 11 gezeigt.

Fig. 12 zeigt den Betrieb des obigen Falles. B₁ stellt den Zustand dar, bei dem das Drosselventil schnell geschlossen wird und die Kraftstoffversorgung für die Verzögerung unterbrochen wird. B₂ stellt die Anzahl der Motorumdrehungen dar, die schnell fällt, wenn das Drosselventil geschlossen ist. B₃ stellt den Wert V_out dar, welcher bis zu einem Spitzenwert V_a zunimmt, wenn die Kraftstoffzufuhr unterbrochen ist und die atmosphärische Luft die Sonde erreicht. Wenn zu dieser Zeit der Diffusionswiderstand 3 verunreinigt ist, wird V_out geringer sein als durch die gestrichelte Kennlinie B₄ von Fig. 12 angezeigt und sein Spitzenwert wird ein Wert V′_a sein, der geringer ist als der Wert V_a, wenn die atmosphärische Luft die Sonde erreicht. Wenn der Wert V′_a gemessen wird, wird die Verunreinigung des Diffusionswiderstandes 3 erfaßt.

Fig. 13 zeigt das Flußdiagramm des Verunreinigungs- Erfassungsbetriebs. Die Schaltung kann, wie in Fig. 1 oder Fig. 9 gezeigt, gebildet sein. Wenn die Kraftstoffzufuhr unterbrochen wird, wird der Wert V_out, wenn die atmosphärische Luft an der Sonde 1 ankommt, oder der Wert V_a, zuerst gelesen, um zu prüfen, ob der Wert V_a größer ist als ein bestimmter Wert V_ref. Wenn der Wert V_a zu nicht größer als der bestimmte Wert V_ref gefunden wird, nimmt die Sonde den Säuberungsmodus ein.

Während des Säuberungsmodus wird für eine bestimmte Zeitdauer tp.r die D₁- Leitung abgeschaltet und D₂-Leitung angeschaltet, um den Sauerstoff zu dem Diffusionswiderstand 3 fließen zu lassen. Der Sauerstoff wird für die Zeit tp hineingeschickt. Wenn dagegen die Kraftstoffzufuhr nicht unterbrochen ist oder V_a < V_ref, dann schaltet die Sonde 1 den Normalmessungs-Säuberungsmodus ein, bei dem D₁ angeschaltet und D₂ abgeschaltet ist, um den Wert V_out zu lesen.

Bei dem obigen Betrieb ist es möglich, eine Verunreinigung zu erfassen und dadurch zu bewirken, daß die Sonde 1 den Säuberungsmodus nur einnimmt, wenn eine Verunreinigung auftritt.

Die Fig. 14 und 15 zeigen weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen der Säuberungsmodus und der Messungs- Säuberungsmodus abwechselnd durchgeführt werden.

Wie in Fig. 15 gezeigt, werden D₁ und D₂ für eine bestimmte Zeitdauer abwechselnd an und abgeschaltet, wie die Kurvenlinien B₅ und B₆ zeigen, so daß die an dem Festelektrolyten 2 angelegte Spannung zwischen dem Wert V und dem Wert V′, wie in den Kurvenlinien B₇ gezeigt, wechselt. Wenn die Spannung V′ angelegt wird, befindet sich die Sonde 1 in dem Säuberungsmodus. In diesem Fall ist es notwendig, in einem Kondensator C₁, die Spannung V_I der atmosphärenseitigen Elektrode 5a während des Messungsmodus zu halten (hold), um sie als Wert V_out durch den Verstärker 9 auszugeben.

Die Sonde 1 der vorliegenden Erfindung erlaubt es, den Säuberungsmodus auszuführen, wobei die Verunreinigung des Diffusionswiderstandes 3 verhindert wird, so daß die Sonde 1 ihre anfängliche Güte behält ohne irgendeine Verschlechterung ihrer Ausgangskennlinie im Verlauf der Zeit.

Fig. 16 und 17 zeigen die Struktur und das Arbeitsprinzip einer Breitband-Sonde 1, die in der Lage ist, einen breiten Bereich von Luft/Kraftstoff-Verhältnissen von der mageren Zone bis zu der fetten Zone zu messen.

Die Elektrode 5b auf der Abgasseite wird mit einer Spannung V_P als Massepotential beaufschlagt und die andere Elektrode 5a auf der Atmosphärenseite wird mit einer Spannung 0,5 V höher als die Spannung V_P beaufschlagt. Die Spannungen bei jeder Elektrode 5a und 5b sind wie folgt ausgedrückt. Wenn das Gemisch mager ist, gilt:

Elektrode 5a (atmosphärenseitig) V+0,5 (V) (1)
Elektrode 5b (abgasseitig) V_p (V) (2)

Wenn es fett ist, wird eine elektromotorische Kraft E (ungefähr 1,0 V) in dem Festelektrolyten 2 erzeugt und die Elektrodenspannung ist

Elektrode 5a (atmosphärenseitig) V_p+0,5 (V) (3)
Elektrode 5b (abgasseitig) V_p+E (V) (4)

Mit andereren Worten, wenn das Gemisch mager ist, ist
Spannung atmosphärenseitig < Spannung abgasseitig (5)

Also fließt der Strom I in der Richtung des durchgezogenen Pfeils der Fig. 16 und der Sauerstoff bewegt sich von der Abgasseite zu der Atmosphärenseite.

Wenn das Kraftstoffgemisch fett ist, gilt

Spannung atmosphärenseitig < Spannung abgasseitig (6)

Dann fließt der Strom I in der Richtung des gestrichelten Pfeils der Fig. 16 und der Sauerstoff bewegt sich von der Atmosphärenseite zu der Abgasseite. Der Sauerstoff (O₂) reagiert mit den unverbrannten Komponenten wie CO, HC, H₂, die in dem Abgas enthalten sind, so daß die Menge von Sauerstoff, d. h. der Strom I, mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) in der Zone fetten Kraftstoffgemisches proportional ist.

Fig. 17 zeigt die V_out-Kennlinie der obigen Ausführungsform. Der Ausgang V_out ist der Wert V_P (Massepotential), wenn λ=1,0 wie durch eine durchgezogene Linie A₅ gezeigt, und ist in der Zone mageren Gemisches größer als der Wert V_P und in der Zone fetten Gemisches geringer als der Wert V_P.

Wenn der Diffusionswiderstand 3 mit Kohlenstoffteilchen verunreinigt ist, ändert sich die V_out-Kennlinie zu der durch eine gestrichelte Linie A₆ angezeigten Kennlinie.

Fig. 18 und 19 zeigen die Sauerstoff-Konzentrationsverteilung in dem Diffusionswiderstand 3 während des Messungsmodus.

Fig. 18 stellt den Fall des Magergemischbetriebs dar, in dem die Sauerstoffkonzentration in dem Diffusionswiderstand 3 auf der Abgasseite gleich dem in der Abgasseite O₂(e) ist. Der Strom I wird so gesteuert, daß die Sauerstoffkonzentration während des Messungsmodus in dem Diffusionswiderstand 3 auf der abgasseitigen Elektrode 5b fast Null ist. Somit ist die Sauerstoff-Konzentrationsverteilung wie in Fig. 18 gezeigt. In einem solchen Zustand des mageren Kraftstoffgemisches gibt es reichlich Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 3, wobei der Sauerstoff den Kohlenstoff oxidiert, der an dem Diffusionswiderstand 3 hängt, und diesen somit vor einer Verunreinigung bewahrt.

Fig. 19 zeigt die Sauerstoff-Konzentrationsverteilung im Zustand des fetten Kraftstoffgemisches. Auf der Abgasseite gibt es in dem Diffusionswiderstand 3 unverbrannte Komponenten (z. B. CO). An der abgasseitigen Elektrode 5b wird die Spannung während des Messungsmodus so gesteuert, daß der Sauerstoff (O₂), der von dem Festelektrolyten 2 zugeführt wird, mit CO reagiert, um die Kohlenmonoxid-Konzentration (CO) auf Null zu bringen. Somit sind die Konzentrationen des Sauerstoffs (O₂) und des Kohlenmonoxids (CO) wie in Fig. 19 gezeigt. Da Kohlenmonoxid (CO) in dem Diffusionswiderstand 3 ist, wird die Sauerstoffkonzentration (O₂) Null, d. h., es gibt keinen Sauerstoff.

Wenn daher Kohlenstoffteilchen sich dem Diffusionswiderstand 3 anlagern, können sie nicht oxidiert werden und somit bleiben sie an ihm hängen. Wenn die Menge des an dem Diffusionswiderstand anhängenden Kohlenstoffs steigt, verschlechtert sich die Kennlinie, wie durch die gestrichelte Linie der Fig. 19 gezeigt.

Die Fig. 20 und 21 zeigen das Ergebnis eines Experiments zur Entfernung des Kohlenstoffs. Fig. 20 zeigt die V_out-Kennlinien der Sonde 1 in Abhängigkeit von der Zeit, wie in einer Linie B₈ gezeigt ist, wenn der Motor mit einem bestimmten mageren Kraftstoffgemisch betrieben wird. Es kann keine Verschiebung bzw. Drift der Sondenkennlinie beobachtet werden.

Fig. 21 zeigt die V_out-Kennlinien der Sonde 1 in Abhängigkeit von der Zeit, wie in einer Linie B₉ gezeigt ist, wenn der Motor mit einem bestimmten fetten Kraftstoffgemisch betrieben wird. Der Ausgang V_out der Sonde, der mit dem Verlauf der Zeit ansteigt, stellt ein Drift-Phänomen dar. Dies wird verursacht durch an dem Diffusionswiderstand 3 angelagerten Kohlenstoff. An einem Punkt t₀ im Verlauf der Zeit, in der eine deutliche Drift beobachtet wurde, wurde das Kraftstoffgemisch auf das magere Luft/Kraftstoff-Gemisch für eine bestimmte Zeitdauer zurückgeführt und dann auf das fette Luft/Kraftstoff-Gemisch gesetzt. Dies brachte es mit sich, daß die V_out-Kennlinien auf den ursprünglichen Wert zurückgingen, und somit die korrekte Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gestatteten.

Dies bedeutet, daß, wenn in dem Diffusionswiderstand 3 Sauerstoff ist oder der Sauerstoff von Zeit zu Zeit zugeführt wird, die Verunreinigung des Diffusionswiderstandes 3 verhindert werden kann. Dies entsteht, weil die Sonde 1 bei hohen Temperaturen zwischen 600°C und 900°C gehalten wird und weil der Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 3 den ihm anhängenden Kohlenstoff oxidiert.

Anstatt das Kraftstoffgemisch zeitweilig auf ein mageres Luft/Kraftstoff-Verhältnis zurückzuführen, während der Motor mit dem fetten Kraftstoffgemisch läuft, wird ein Verfahren geschaffen, bei welchem dem Diffusionswiderstand 3 Sauerstoff zugeführt wird.

Fig. 22 zeigt die Sauerstoff-Konzentrationsverteilung im Zustand des fetten Kraftstoffgemisches, wenn der Strom I veranlaßt wird, in die Richtung des Pfeils zu fließen, um den Sauerstoff zu zwingen, sich zu dem Diffusionswiderstand 3 zu bewegen. Da der Sauerstoff von der Atmosphärenseite zugeführt wird, kann durch den Strom I irgendeine gewünschte Menge zugeführt werden. Die Zuführung des Sauerstoffs in einer Menge, die groß genug ist, um mit dem Kohlenmonoxid (CO) in dem Zustand des fetten Kraftstoffgemisches zu reagieren, bringt die Sauerstoff (O₂)-Konzentrationsverteilung in dem Diffusionswiderstand 3 mit sich wie in Fig. 22 gezeigt. Da der Sauerstoff in dem Diffusionswiderstand 3 vorhanden ist, wird jeder dem Diffusionswiderstand 3 anhängender Kohlenstoff durch den Sauerstoff bei hoher Temperatur oxidiert, womit der Diffusionswiderstand 3 von Kohlenstoff befreit wird. Auf diese Weise wird während des Betriebs mit fettem Kraftstoffgemisch der Sauerstoff veranlaßt, zu dem Diffusionswiderstand 3 zu fließen, um verunreinigenden Kohlenstoff zu entfernen.

Fig. 23 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, um das obige Verfahren zu verwirklichen. Fig. 24 zeigt die Betriebs-Signalverläufe B₁₀, B₁₁, B₁₂, B₁₃ und B₁₄ für jeden Teil der Sonde 1. Fig. 25 zeigt das Flußdiagramm des Betriebs der Sonde. Zunächst wird ein Test gemacht, um zu bestimmen, ob der Motor mit dem fetten Kraftstoffgemisch läuft.

Wenn der Wert V_out kleiner ist als der Wert V_P oder das Kraftstoffgemisch fett ist, schaltet das ON-Signal von D₁ den Schalter SW₁ an und das OFF-Signal von D₂ schaltet den Schalter SW₂ aus. Dann wartet die Sonde 1 eine Zeitdauer von t₁, um eine Beeinflussung durch ein Überschwingen zu vermeiden, das nach dem Schalten auftreten würde, und schaltet dann den Schalter SW₃ durch das ON-Signal von D₃ ein, wobei der Ausgang des Verstärkers 12 durch den Abtast- und Halte-Kreis 9 als der Wert V_out ausgegeben wird.

Nach weiterem Verstreichen der Zeitdauer von (t₂-t₁) werden der Schalter SW₁ und der Schalter SW₃ ausgeschaltet und der Schalter SW₂ eingeschaltet, um zu bewirken, daß eine bestimmte Menge Sauerstoff zu dem Diffusionswiderstand 3 - verursacht durch die Spannung V_B - fließt und dadurch den Kohlenstoff oxidiert. Dann wird der Schalter SW₂ ausgeschaltet, um das obige Verfahren zu wiederholen.

Während des Betriebs mit magerem Kraftstoffgemisch werden der Schalter SW₁ und der Schalter SW₃ eingeschaltet und der Schalter SW₂ wird ausgeschaltet belassen, um den normalen Messungsbetrieb durchzuführen. Dies gestattet den Säuberungs-Betrieb.

Fig. 26 zeigt das Ergebnis des Experiments unter Verwendung des Schaltkreises der Fig. 23 bis 25 während des Betriebs mit fettem Kraftstoffgemisch. Das Luft/Kraftstoff- Gemisch wird auf ein konstantes Verhältnis gehalten. Die V_out-Kennlinie B₁₅ von Fig. 26 ist die in Fig. 21 gezeigte für den Motorbetrieb, bei dem der Säuberungsbetrieb nicht durchgeführt wurde.

Die V_out-Kennlinie B₁₆ von Fig. 26 ist eine, die unter Verwendung des in den Fig. 23 bis 25 gezeigten Verfahrens erhalten wurde. Wie der Fig. 26 zu entnehmen ist, oxidiert im Säuberungsbetrieb der Kohlenstoff und der Diffusionswiderstand 3 wird von verstopfenden Kohlenstoffteilchen befreit, was einen konstante Ausgangskennlinie ohne Drift gewährleistet.

Die Fig. 27 und 28 zeigen das Prinzip zur Erfassung der Kennlinien- Drift der Sonde 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 27 wird während des Leerlaufs des Motors 17 die Luft mit Schallgeschwindigkeit dem Motor 17 durch das Solenoidventil 14 und die Öffnung 15 zugeführt, welche das Drosselventil 14 umgeht. Ein Luftfluß-Meter 16 ist darin vorgesehen. Wenn die Umgehungsluft veranlaßt wird, bei Schallgeschwindigkeit zu fließen, wird die Menge an zugeführter Luft (a) nur durch den Öffnungsbereich der Öffnung 15 bestimmt.

Wenn A und F für die Menge an Luft und die Menge an Kraftstoff stehen, die in den Motor 17 gelangen, wenn das Solenoidventil 14 geschlossen ist, und wenn der Motor 17 mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) von 14,7 leerläuft, wobei das Solenoidventil geschlossen ist, dann wird dasLuft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_OFF wie folgt ausgedrückt

Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F)_ON ist, wenn das Solenoidventil 14 geöffnet ist, gegeben durch

Und die Differenz Δ(A/F) ist gegeben durch

Wenn die Menge an Kraftstoff F konstant ist, ist Δ(A/F) ebenso konstant. Um F konstant zu halten, wird eine geschlossene Schleifensteuerung für λ=1,0 durchgeführt bevor das Solenoidventil 14 geöffnet wird. Der Ausgang V_out der Sonde 1 für λ=1,0 ist das Massepotential V_P und es wird überhaupt keine Veränderung geben außer eines Einflusses durch die Verunreinigung. Das heißt, der Wert F immer konstant und Δ(A/F) ist ebenso konstant.

Mit anderen Worten, während der Motor 17 läuft, wird das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F von Zeit zu Zeit um Δ(A/F) verschoben, um die Drift des Ausgangs V_out zu erfassen. Wie in Fig. 28 gezeigt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F von λ=1,0 um ein bestimmtes Δ(A/F) verändert wird, ist der Meßfühlerausgang V_out 1 bevor die charakteristischen Änderungen auftreten, wie durch eine Linie A₇ angezeigt, wie der Ausgang nach dem Auftreten der Drift ist V_out 2, wie angezeigt durch Linie A₈. Durch Berechnung der Differenz (V_out 1-V_out 2) ist es möglich, den Betrag der Drift genau zu erfassen.

Fig. 29 zeigt das Ergebnis eines Experiments, das die tatsächliche Änderung in dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F während des Motorbetriebs erläutert. Die Kennlinie B₁₇ stellt die Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F)-Änderung vor der Drift dar und B₁₈ die Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F)-Änderung nach der Drift. Zunächst wird eine geschlossene Schleifensteuerung für den Wert V_P bei dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ=1,0 durchgeführt. Dann, wenn das Solenoidventil 14 geöffnet wird, ändern sich die Ausgänge wie angezeigt durch V_out 1 und V_out 2. Wenn das Solenoidventil 14 geschlossen wird, kehren die Meßfühlerausgänge auf den ursprünglichen Wert V_P zurück.

Die Fig. 29 und 30 zeigen eine weitere Ausführungsform, die den Schaltkreis und das Arbeitsverfahren zum Durchführen des Säuberungsbetriebs erläutern, nachdem eine Drift erfaßt bzw. festgestellt wurde. Bei dieser Ausführungsform wird der Säuberungsbetrieb nur durchgeführt, wenn eine Drift auftritt.

Zunächst wird geprüft, ob der Motor 17 im Leerlauf ist oder nicht. Wenn der Motor 17 leerläuft, wird eine geschlossene Schleifensteuerung bei λ=1,0 durchgeführt. Mit Verstreichen einer bestimmten Zeitdauer wird der Wert F festgehalten und das Solenoidventil 14 geöffnet. Danach wird V_out2 für eine bestimmte Zeitdauer gelesen, um V_out2 zu mitteln und es folgt das Schließen des Solenoidventils 14. Wenn die Differenz V_out 1-V_out 2 einen bestimmten Wert ε übersteigt, wird der Schalter SW₁ ausgeschaltet und der Schalter SW₂ angeschaltet, um den Sauerstoff (O₂) zu veranlassen, zu dem Diffusionswiderstand 3 durch eine Spannung V_B für eine bestimmte Dauer zu fließen und dadurch den an dem Diffusionswiderstand 3 anhängenden Kohlenstoff zu oxidieren. Dann wird der Schalter SW₂ ausgeschaltet und der Schalter SW₁ angeschaltet, um zu dem normalen Betrieb zurückzukehren.

Claims (13)

1. Verfahren zur Reinigung des Diffusionswiderstandes einer zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsmaschine dienenden Grenzstrom- Sauerstoffsonde (1) auf Festelektrolytbasis, wobei dem Diffusionswiderstand (3) zur Oxydation von verunreinigenden Teilchen (6) Sauerstoff während eines Betriebsabschnittes zugeführt wird, in dem die Verbrennungsmaschine mit fettem Gemisch betrieben wird.

2. Verfahren zur Reinigung des Diffusionswiderstandes einer zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsmaschine dienenden Grenzstrom- Sauerstoffsonde (1) auf Festelektrolytbasis, wobei dem Diffusionswiderstand (3) zur Oxydation von verunreinigenden Teilchen (6) Sauerstoff zugeführt wird, nachdem erfaßt worden ist, daß das Meßergebnis bei atmosphärischer Luft, die als Referenzgas zur Zeit einer Brennstoffunterbrechung zugeführt wird, unterhalb eines bestimmten Referenzwertes liegt.

3. Verfahren zur Reinigung des Diffusionswiderstandes einer zur Erfassung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Verbrennungsmaschine dienenden Grenzstrom- Sauerstoffsonde auf Festelektrolytbasis, wobei dem Diffusionswiderstand (3) zur Oxydation von verunreinigenden Teilchen (6) während eines Reinigungsbetriebes Sauerstoff zugeführt wird, wobei das Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses und der Reinigungsbetrieb periodisch abwechselnd mit jeweiligen bestimmten Betriebsdauern durchgeführt werden.

4. Grenzstrom-Sauerstoffsonde (1) zur Erfassung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Kraftstoffgemisches für Verbrennungsmotoren (17) aus einem Abgas, mit einem Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyten (2), einem Diffusionswiderstand (3), einer Heizeinrichtung (4), Elektroden (5a, 5b) und mit einer Einrichtung, die dem Diffusionswiderstand (3) Sauerstoff zur Oxydation von den Diffusionswiderstand (3) verunreinigenden Teilchen (6) (Reinigungsbetrieb) während eines Betriebsabschnitts des Verbrennungsmotors (17) zuführt, in dem dem Verbrennungsmotor ein fettes Gemisch zugeführt wird.

5. Grenzstrom-Sauerstoffsonde (1) zur Erfassung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Kraftstoffgemisches für Verbrennungsmotoren (17) aus einem Abgas (Meßbetrieb), mit einem Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyten (2), einem Diffusionswiderstand (3), einer Heizeinrichtung (4), Elektroden (5a, 5b) und mit einer Einrichtung, die dem Diffusionswiderstand (3) Sauerstoff zur Oxydation von den Diffusionswiderstand (3) verunreinigenden Teilchen (6) (Reinigungsbetrieb), und zwar in Antwort auf eine Steuerung, welche erfaßt, daß das Meßergebnis bei atmosphärischer Luft, die als Referenzgas zur Zeit einer Brennstoffunterbrechung zugeführt wird, unterhalb eines vorbestimmten Referenzwertes liegt.

6. Grenzstrom-Sauerstoffsonde (1) zur Erfassung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses eines Kraftstoffgemisches für Verbrennungsmotoren (17) aus einem Abgas (Meßbetrieb), mit einem Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyten (2), einem Diffusionswiderstand (3), einer Heizeinrichtung (4), Elektroden (5a, 5b) und mit einer Einrichtung, die dem Diffusionswiderstand (3) Sauerstoff zur Oxydation von den Diffusionswiderstand (3) verunreinigenden Teilchen (6) (Reinigungsbetrieb), und mit einer Steuerung, die den Reinigungsbetrieb und den Meßbetrieb periodisch abwechselnd mit jeweiligen vorbestimmten Betriebsdauern durchführt.

7. Sonde nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Menge des dem Diffusionswiderstand (3) zugeführten Sauerstoff größer als die Menge ist, die für eine Reaktion mit unverbrannten Gaskomponenten in dem Diffusionswiderstand (3) erforderlich ist.

8. Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführen des Sauerstoffs zu dem Diffusionswiderstand (3) wiederholt durchgeführt wird.

9. Sonde nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt (2) durch die Heizeinrichtung (4) während des Zeitabschnitts der Sauerstoffzufuhr zu dem Diffusionswiderstand (3) auf 600°C bis 900°C aufgeheizt ist.

10. Sonde nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die dem Diffusionswiderstand (3) Sauerstoff zuführt, eine Spannungsquelleneinrichtung (8) enthält, die an die Elektroden (5a, 5b) angeschlossen ist und im Reinigungsbetrieb eine Spannung an den Festelektrolyten (2) derart anlegt, daß Sauerstoff von dem Festelektrolyten (2) zu dem Diffusionswiderstand (3) geführt wird.

11. Sonde nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung, durch die sich die Polarität der Spannung umkehren läßt, so daß die Spannungsquelle (8) auch Sauerstoff von dem Diffusionswiderstand (3) zu dem Festelektrolyten (2) führen kann.

12. Sonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ quelleneinrichtung (8) eine einzelne Spannungsquelle ist.

13. Sonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungs­ quelleneinrichtung (8) aus zwei Spannungsquellen besteht, von denen die eine eine Spannung liefert, durch die Sauerstoff von dem Festelektrolyten zu dem Diffusionswiderstand geführt wird, und von denen die andere eine Spannung liefert, durch die Sauerstoff von dem Diffusionswiderstand (3) zu dem Festelektrolyten (2) geführt wird.