DE4321243A1

DE4321243A1 - Luft-Kraftstoffverhältnissensor

Info

Publication number: DE4321243A1
Application number: DE4321243A
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1993-06-25
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2013-06-26
Also published as: JP2855971B2; US5340462A; DE4321243C2; JPH0611482A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Sachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luft-Kraftstoffverhältnissensor zur Erfassung des Luft-Kraftstoffverhältnisses eines Verbrennungsmotors.

Besprechung des Standes der Technik

Zur Erfassung der mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis verbundenen Abgasluftkomponente ist bisher vorgeschlagen worden, eine Rückführungsregelung der Kraftstoffversorgungsmenge durch einen Vollbereichtsluft-Kraftstoffsensor im Abgassystem eines Verbrennungsmotors durchzuführen, so daß das Luft-Kraftstoffverhältnis einer Luft-Kraftstoffmischung für den Motor so gesteuert werden kann, daß es über den ganzen Bereich des benutzten Luft-Kraftstoffverhältnisses einen Zielwert genau einhält. Der im Rahmen der bekannten Technik benutzte Luft-Kraftstoffverhältnissensor funktioniert nur, wenn die Temperatur des Sensorelementabschnittes etwa 400°C bis 500°C oder mehr erreicht. Daher wurde zum Erwärmen des Sensorelementabschnittes ein Heizer vorgesehen, wobei der Sensorelementabschnitt bestimmungsgemäß bei der Aktivierungstemperatur bzw. einer höheren Temperatur arbeiten soll. Wenn der Motor in einem Zustand angelassen wurde, bei dem die Temperatur des Sensors niedrig war, bestand die Möglichkeit, daß ein Versagen des Sensors auftrat, es sei denn, daß der Sensor unter der Bedingung benutzt wurde, daß nach dem Einschalten des Heizers die Temperatur des Sensorelementabschnittes die Aktivierungstemperatur bzw. eine höhere Temperatur erreichte.

Es hat verschiedene Vorschläge in bezug auf die Entscheidung gegeben, daß sich der Luft-Kraftstoffverhältnissensor im Aktivierungszustand befindet. Beispielsweise wird in der japanischen unveröffentlichten Patentpublikation Nr. 241652/1986 das Ende der Aktivierung des Sensors unterstellt, wenn nach dem Beginn der Erwärmung des Sensors durch einen Heizer eine vorbestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Weiter wird in der japanischen unveröffentlichten Patentpublikation Nr. 93457/1989 der Aktivierungszustand angenommen, wenn die an den Elektroden des Zellenelementes und des Pumpelementes anliegende Spannung in einen vorbestimmten Bereich gelangt, unter der Bedingung, daß ein elektrischer Strom an das Pumpelement des Sensors geliefert wird.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein herkömmlicher Luft-Kraftstoffsensor beschrieben.

Fig. 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Motorsteuersystems, bei der die Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung unter Benutzung eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors durchgeführt wird. In Fig. 6 bezeichnen die Bezugszeichen: 1 einen Luft-Kraftstoffsensor, der an der Abgasleitung 31 des Motors 30 befestigt ist; 2 einen Steuerverstärker im Luft-Kraftstoffverhältnissensor; 3 einen Motordrehzahlsensor; 4 einen Ansaugluftmengensensor; 5 einen Kühlwassertemperatursensor, der im Motor 30 angebracht ist; 6 eine Einspritzvorrichtung; 7 einen Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil; 8 ein Drosselventil; 9 einen Drosselpositionssensor; und 12 eine Ansaugluftleitung. Die Sensoren 3 bis 5 und 9 erfassen jeweils die Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e, die Ansaugluftmenge Q_a, die Kühlwassertemperatur WT und die Drosselposition R, wobei die von den Sensoren erfaßten Werte an den Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil 7 geliefert werden. Die Luft, die durch das Drosselventil 8 in die Ansaugluftleitung 32 gelangt, und das Luft-Kraftstoffverhältnis der Mischung aus Luft und Kraftstoff, die durch die Einspritzvorrichtung 6 eingespritzt wird, werden durch den Luft-Kraftstoffverhältnissensor 1 erfaßt. Die erfaßte Information wird durch den Steuerverstärker 2 verstärkt, um an den Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil 7 geliefert zu werden.

Fig. 7 stellt eine Schaltung zur detaillierten Veranschaulichung des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1, des Steuerverstärkers 2 und des Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteils 7 dar. Der Luft-Kraftstoffverhältnissensor 1 umfaßt eine Sensoreinrichtung 11 und einen Heizer 12. Die Sensoreinrichtung 11 umfaßt ein Sauerstoffpumpelement 11a, ein Sauerstoffkonzentrationszellenelement 11b, eine Diffusionskammer 11c und eine Umgebungsluftkammer 11d. Das Sauerstoffpumpelement 11a und das Sauerstoffkonzentrationszellenelement 11b bestehen aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten; sie sind jeweils mit einer Elektrode versehen. Sie weisen eine zwischen sich eingefügte Diffusionskammer 11c auf, in die Abgas des Motors im diffusen Zustand eingeleitet wird.

Der Heizer 12 dient zum Erwärmen und Aktivieren der Sensoreinrichtung 11. Der Steuerverstärker 2 umfaßt einen Differenz-Integrationsverstärker 21 als Pumpstromsteuereinrichtung, einen Differentialverstärker 22 als Pumpstromerfassungseinrichtung, einen ersten nicht invertierenden Verstärker 23, einen zweiten nicht invertierenden Verstärker 33 als Pumpspannungserfassungseinrichtung, und eine Heizersteuerschaltung 25.

Beim Betrieb des Steuerverstärkers 2 wird eine Spannung V_S des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes 11b an eine invertierende Eingangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21 angelegt, während eine Bezugsspannung V_ref an eine nicht invertierende Eingangsklemme des Verstärkers angelegt wird. Das Ausgangssignal des Differenz-Integrationsverstärkers 21 wird über einen Stromerfassungswiderstand R_S an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert. Eine an beiden Enden des Stromerfassungswiderstandes V_S auftretende Spannung wird an den Differentialverstärker 22 angelegt. Das Ausgangssignal des Differentialverstärkers 22 wird an eine nicht invertierende Eingangsklemme des nicht invertierenden Verstärkers 23 angelegt, während eine Gegenspannung V_D an eine invertierende Eingangsklemme des nicht invertierenden Verstärkers 23 angelegt wird. Weiter wird eine an das Sauerstoffpumpelement 11a anzulegende Spannung an eine nicht invertierende Eingangsklemme eines nicht invertierenden Verstärkers 22 geliefert, während eine Gegenspannung V_PB an eine invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 33 angelegt wird.

Der Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil 7 umfaßt die Multiplexer 21a, 21b; die A/D-Umsetzer 72a, 72b; eine Eingangsschnittstelle 73; einen Mikroprozessor 74, einen ROM 75; einen RAM 76; die Ausgangsschnittstellen 77a, 77b und eine Einspritzvorrichtungstreiberschaltung 78. In den Mikroprozessor 74 werden eingegeben: ein Ausgangssignal N_e des Motordrehzahlsensors 3 über die Eingangsschnittstelle 73; ein Ausgangssignal Q_a des Ansaugluftmengensensors 4 über den Multiplexer 71a; ein Ausgangssignal WT des Kühlwassertemperatursensors 5 durch den Multiplexer 71a und den A/D-Umsetzer 72a; und ein Ausgangssignal V_O des nicht invertierenden Verstärkers 23 durch den Multiplexer 71b; ein Ausgangssignal V_PO des nicht invertierenden Verstärkers wird durch den Multiplexer 72b und den A/D-Umsetzer 72b eingegeben. Andererseits ist die Einspritzvorrichtung 6 an die Einspritztreiberschaltung 78 angeschlossen, die über die Ausgangsschnittstelle 77a vom Mikroprozessor 74 gesteuert wird. Die Heizersteuerschaltung 25 wird über die Ausgangsschnittstelle 77b vom Mikroprozessor 74 gesteuert.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des herkömmlichen Luft-Kraftstoffverhältnissensors unter Bezugnahme auf die Schaltung der Fig. 7 und das Zeitdiagramm der Fig. 8 beschrieben.

Mit dem Anlassen des Motors wird der Heizer 12 des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1 eingeschaltet und durch die Heizersteuerschaltung 25 gesteuert. Wenn die Sensoreinrichtung 11 erwärmt und aktiviert ist, erzeugt die Zwischenelektrodenspannung des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes 11b eine elektromotorische Kraft V_S, die dem Unterschied der Sauerstoffkonzentration zwischen der Diffusionskammer 11c und der Umgebungsluftkammer 11d entspricht. Wenn ein Pumpstrom I_p an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert wird, so daß die elektromotorische Kraft V_S der Sensoreinrichtung mit Hilfe des Differenz-Integrationsverstärkers 21 einer vorbestimmten Bezugsspannung V_ref entspricht, ist der Strom I_p dem Luft-Kraftstoffverhältnis proportional. Der Strom I_p wird durch den Erfassungswiderstand R_S erfaßt, und der erfaßte Wert wird vom Differentialverstärker 22 verstärkt. Der verstärkten Komponente wird im nicht invertierenden Verstärker 23 eine Gegenspannung V_B hinzugefügt, wodurch ein Luft-Kraftstoffausgangssignal V_O gewonnen werden kann. Die Gegenspannung V_B ist so festgelegt, daß das Luft-Kraftsoffausgangssignal V_O ein positives Ausgangssignal ist, unabhängig von der Fließrichtung des Pumpstromes I_p, zumal die Richtung des Pumpstromes I_p zwischen dem fetten Bereich und dem mageren Bereich des Luft-Kraftstoffverhältnisses unterschiedlich ist.

Der Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil 7 empfängt die Daten der Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e, der Ansaugluftmenge Q_a, der Drosselposition R, der Kühlwassertemperatur WD, und so weiter, und sie berechnet einen Zielwert des Luft-Kraftstoffverhältnisses mit Hilfe des Mikroprozessors 74 auf der Basis der genannten Daten sowie eines zuvor im ROM 75 gespeicherten Programms. Weiter korrigiert der Steuerteil 7 die Zeit zum Öffnen des Ventils der Einspritzvorrichtung 6 auf der Basis des Luft-Kraftstoffzielverhältnisses, das aus dem Ausgangssignal V_O des durch Messen erhaltenen Luft-Kraftstoffverhältnisses gewonnen wird; und er bewirkt eine Rückführungsregelung des dem Motor 30 zugeführten Luft-Kraftstoffverhältnisses in Richtung des Luft-Kraftstoffzielverhältnisses durch Einspritzen von Kraftstoff während der Öffnungszeit des Ventils der Einspritzvorrichtung 6.

Der RAM 76 speichert vorübergehend die vom Steuerteil 7 verarbeiteten Daten.

Nachfolgend wird eine Beschreibung des Zeitdiagramms der Fig. 8 für den Fall der Auslösung des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1 gegeben, wobei das Luft-Kraftstoffverhältnis nach dem Anlassen des Motors fett ist.

Beim Anlassen des Motors 30 löst der Heizer 12 aufgrund eines vom Mikroprozessor 74 über die Ausgangsschnittstelle 77b zur Heizersteuerschaltung 25 gelieferten Befehls die Erwärmung aus.

Beim Erwärmen bleibt, wenn die Temperatur T_S der Sensoreinrichtung 11 etwa 400°C oder weniger beträgt, die elektromotorische Kraft V_S des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes 11b niedrig. Infolgedessen ist die Eingang am Differenz-Integrationsverstärker 21 groß, so daß ein hohe Pumpspannung V_P an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt wird. Es erscheint eine Pumpausgangsspannung V_PO als positives Ausgangssignal, weil im nicht invertierenden Verstärker 33 die Gegenspannung V_PB der Pumpenspannung V_P hinzugefügt wird. In diesem Falle fließt nur ein kleiner Pumpstrom I_p, weil die Impedanz des Sauerstoffpumpelementes 11a groß ist, so daß die Ausgangsspannung V_O des Luft-Kraftstoffverhältnisses im wesentlichen der Gegenspannung V_B entspricht.

Wenn die Temperatur T_S der Sensoreinrichtung 11 etwa 400°C bis 500°C erreicht, steigt die elektromotorische Kraft V_S des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes 11b auf ungefähr die Bezugsspannung V_ref an. In diesem Zeitpunkt wird eine Konstantregelung der elektromotorischen Kraft V_S des Sensors auf den Pegel V_ref herbeigeführt, so daß die Pumpspannung V_B allmählich so konvergiert, daß Sauerstoff an die Diffusionskammer 11c geliefert wird; das heißt, die Ausgangspumpspannung V_PO folgt der Beziehung V_PO V_PB, so daß der Pumpenstrom I_p einen Wert annimmt, der das Luft-Kraftstoffverhältnis in der momentan gegebenen Situation anzeigt. Die Konvergenz der Pumpspannung V_B und des Pumpstromes I_p endet, wenn die Temperatur T_S der Sensoreinrichtung 11 ungefähr 700°C erreicht.

Bei den herkömmlichen Techniken wird die Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnissensors wie folgt angesetzt. Entsprechend der Berechnung der Zeitdauer, in der die Temperatur T_S etwa 700°C erreicht, wird eine Zeitperiode festgesetzt; und die Entscheidung über die Aktivierung erfolgt, wenn die durch den Zeitgeber gesetzte Zeitperiode abgelaufen ist. Bei einer anderen Technik erfolgt die Entscheidung über die Aktivierung dann, wenn die Ausgangspumpspannung V_PO in einem zulässigen Spannungsbereich V_PO ± V_P liegt. Bei einer weiteren Technik erfolgt die Entscheidung über die Aktivierung des Sensors durch eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung der elektromotorischen Kraft V_F des Sensors sowie durch die Feststellung, daß ein Fehler V_S zwischen der elektromotorischen Kraft V_S und der Bezugsspannung V_ref in einem vorbestimmten Bereich liegt, und daß die Pumpausgangsspannung V_PO innerhalb eines vorbestimmten, zulässigen Spannungsbereiches V_PB ± V_PB liegt. Die konventionellen Verfahren zur Entscheidung über die Aktivierung des Sensors weisen jedoch Nachteile auf, wie folgt.

Bei Feststellung des Endes der Aktivierung nach Ablauf eines vorbestimmten Zeitdauer seit Beginn der Erwärmung durch den Heizer 12 wird der Sensor manchmal nicht aktiviert, obwohl die durch den Zeitgeber in Abhängigkeit vom Betrieb des Motors nach dem Anlassen bestimmte Zeitperiode abgelaufen ist. Somit kann keine richtige Entscheidung über die Aktivierung getroffen werden. Dementsprechend mußte für die Zeitperiode ein großer Sicherheitsfaktor festgelegt werden, selbst wenn mit Zeitgeber gearbeitet wurde. Dies hatte eine relativ lange Zeitdauer für die Entscheidung über die Aktivierung des Sensors zur Folge.

Wird über die Aktivierung des Sensors in Abhängigkeit davon entschieden, daß die Zwischenelektrodenspannung zwischen dem Zellenelement 11b und dem Pumpelement 11a in einem vorbestimmten Bereich liegt, unter der Bedingung, daß elektrischer Strom an das Sauerstoffpumpelement geliefert wird, wird eine zusätzliche Erfassungsschaltung benötigt, um die Zwischenelektrodenspannung zwischen dem Zellenelementen 11b und dem Pumpelement 11a zu erfassen. Die zusätzliche Erfassungsschaltung vergrößert die Schaltungsstruktur. Weiter wird dauernd eine große Spannung an das Pumpelement 11a angelegt, während die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig ist, mit der Folge, daß sich die Eigenschaften des Sensors verschlechtern und die Dauerhaftigkeit des Sensors Schaden nimmt. Da weiter die Temperatur, für die die Aktivierung des Sensors festgesetzt ist, nur 400°C bis etwa 500°C beträgt, und die Temperatur des Sensors keine 700°C erreicht, was der übliche Wert ist, wird der Fehler des Luft-Kraftstoffausgangsverhältnisses wegen der Temperaturabhängigkeit der Sensoreinrichtung 11 groß.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Luft-Kraftstoffverhältnissensor zu schaffen, der die Hinzufügung einer Erfassungsschaltung zur Erfassung der Spannung zwischen einem Zellenelement und einem Pumpelement vermeidet, und der in der Lage ist, den Aktivierungszeitpunkt des Sensors mit hoher Präzision zu erfassen, ohne eine Verschlechterung der Eigenschaften des Sensors zu verursachen, und der eine Anomalie des Sensors erfassen kann.

Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung sind durch einen Luft-Kraftstoffverhältnissensors erreicht worden, der aufweist:
ein Sauerstoffkonzentrationszellenelement und ein Sauerstoffpumpelement mit einer zwischen beiden Elementen eingefügten Diffusionskammer, in die Abgas eines Motors eingeleitet wird, wobei das Sauerstoffkonzentrationszellenelement und das Sauerstoffpumpelement in einem Abgassystem für den Motor angeordnet sind und aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten bestehen und jeweils mit einer Elektrode versehen sind;
einen Heizer zum Erwärmen des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes und des Sauerstoffpumpelements;
eine Pumpstromsteuereinrichtung zum Steuern des in das Sauerstoffpumpelement fließenden Pumpstromes, so daß die Spannung des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes einen vorbestimmen Wert annimmt;
eine Pumpstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Pumpstromes;
eine Pumpstromabschalteinrichtung zum Unterbrechen der Zufuhr des Pumpstromes;
eine Leistungsversorgungseinrichtung zum Liefern von Leistung an den Heizer;
erste und zweite Zeitgebereinrichtungen zum Steuern der Bedingung für das Unterbrechen des Pumpstromes; und
eine Steuereinrichtung zum Auslösen der Zufuhr von Leistung durch die Leistungsversorgungseinrichtung an den Heizer unter der Bedingung, daß der Pumpstrom unterbrochen wird, und zum Beseitigen der Bedingung für das Unterbrechen des Pumpstromes während einer vorbestimmten Zeitdauer in vorbestimmten Intervallen seit der Auslösung der Zufuhr der Leistung an den Heizer mit Hilfe der ersten Zeitgabeeinrichtung.

Weiter wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Luft-Kraftstoffverhältnissensor geschaffen, der aufweist:
ein Sauerstoffkonzentrationszellenelement und ein Sauerstoffpumpelement mit einer zwischen beiden Elementen eingefügten Diffusionskammer, in die Abgas eines Motors eingeleitet wird, wobei das Sauerstoffkonzentrationszellenelement und das Sauerstoffpumpelement in einem Abgassystem für den Motor angeordnet sind und aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten bestehen und jeweils mit einer Elektrode versehen sind;
einen Heizer zum Erwärmen des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes und des Sauerstoffpumpelements;
eine Pumpstromsteuereinrichtung zum Steuern des in das Sauerstoffpumpelement fließenden Pumpstromes, so daß die Spannung des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes einen vorbestimmen Wert annimmt;
eine Zweirichtungsspannungsbegrenzereinrichtung, die parallel zum Sauerstoffpumpelement geschaltet ist;
eine Steuerstromerfassungseinrichtung zur Erfassung des in die Parallelschaltung fließenden Steuerstromes;
eine Steuerstromabschalteinrichtung zum Unterbrechen der Zufuhr des Steuerstromes;
eine Leistungsversorgungseinrichtung zum Liefern von Leistung an den Heizer;
erste und zweite Zeitgebereinrichtungen zum Steuern der Bedingung für das Unterbrechen des Pumpstromes; und
eine Steuereinrichtung zum Auslösen der Zufuhr von Leistung durch die Leistungsversorgungseinrichtung an den Heizer unter der Bedingung, daß der Pumpstrom unterbrochen wird, und zum Aufheben der Bedingung für das Unterbrechen des Steuerstromes während einer vorbestimmten Zeitdauer in vorbestimmten Intervallen seit der Auslösung der Zufuhr der Leistung an den Heizer mit Hilfe der ersten Zeitgebereinrichtung.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Eine vollständigere Würdigung der Erfindung und vieler ihrer Vorteile ergibt sich aufgrund des besseren Verständnisses derselben unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform des Luft-Kraftstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform des Luft-Kraftstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Luft-Kraftstoffverhältnissteuereinrichtung;

Fig. 7 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Luft-Kraftstoffverhältnissensors;

Fig. 8 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise des herkömmlichen Luft-Kraftstoffverhältnissensors wiedergibt;

Fig. 9 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer dritten Ausführungsform des Luft-Kraftstoffsensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 12 ist ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm, das die Betriebsweise der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergibt;

Fig. 14 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 15 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in allen verschiedenen Ansichten bezeichnen, und insbesondere bezugnehmend auf Fig. 1, zeigt diese das Schaltbild eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1, eines Steuerverstärkers 2A und eines Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteils 7A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das die Operation der Entscheidung über die Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1 wiedergibt; und Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, das die Operation der Bestimmung der Aktivierung wiedergibt.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 24 einen Pumpstromaschalttransistor, der mit dem Kollektor an eine Ausgangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21, und mit der Basis an die Ausgangsschnittstelle 77b angeschlossen ist, so daß der Transistor ein- bzw. ausgeschaltet wird, entsprechend dem von der Ausgangsschnittstelle 77b gelieferten Ausgangssignal. Bei der ersten Ausführungsform ist kein Multiplexer 71b vorgesehen. Die anderen Bauelemente sind die gleichen wie die des herkömmlichen Luft-Kraftstoffverhältnissensors.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der ersten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben. Wenn der Motor 30 angelassen ist, werden Daten wie etwa die Motorumdrehungszahl N_e, die Ansaugluftmenge Q_a, und dergleichen, in den Mikroprozessor 74 im Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil 7A eingegeben; und in Schritt 101 der Fig. 2 wird ermittelt, ob der Motor 30 regelmäßig arbeitet, oder nicht. Wenn der Motor nicht regelmäßig arbeitet, wird in Schritt 102 über den Anlaßmodus entschieden. Im vorliegenden Falle wird die Entscheidung über den Anlaßmodus nicht getroffen, wenn die Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e einen vorbestimmten Wert erreicht, oder darunter liegt.

Dann wird in Schritt 103 durch die Ausgangsschnittstelle 77b der Pumpstromabschalttransistor 24 im Steuerverstärker 2A eingeschaltet. Durch Einschalten des Transistors 24 wird die Ausgangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an Masse gelegt, so daß kein Pumpstrom E_b an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert wird.

In Schritt 104 wird durch die gleiche Ausgangsschnittstelle 77b wie in Schritt 103 die Heizersteuerschaltung 25 eingeschaltet. Dadurch wird Leistung an den Heizer 12 geliefert, so daß die Sensoreinrichtung 11 erwärmt wird.

In Schritt 105 erfolgt die Steuerung des Kraftstoffes während der Anlaufzeit des Motors im rückführungslosen (O/L) Luft/Kraftstoff (L/K) Steuermodus.

In Schritt 106 wird ein Zeitgeber auf die Zeitdauer t₀ eingestellt. Wenn in Schritt 107 die Zeitdauer t₀ im Zeitgeber abgelaufen ist, wird in Schritt 108 der Pumpstromabschalttransistor 24 abgeschaltet. Dann wird die Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an das Pumpelement 11a angelegt, so daß die Zwischenelektrodenspannung des Zellenelementes 11b die Bezugsspannung V_ref annimmt, wodurch der Pumpstrom I_p an das Sauerstoffpumpelement 11a geliefert wird.

In Schritt 109 wird ein Zeitgeber auf die Zeitdauer t₁ eingestellt, sobald der Pumpstromabschalttransistor 24 abgeschaltet ist, woraufhin die Zufuhr des Pumpstromes während der Betriebsdauer t₁ des Zeitgebers fortgesetzt wird. Während des Betriebes des Zeitgebers wird das Luft-Kraftstoffverhältnisausgabesignal V_O, das dem Pumpstrom I_p entspricht, vom Analog-Digital-Umsetzer 72b entsprechend umgesetzt; und in Schritt 110 wird das in die Digitalform umgewandelte Datum vom Mikroprozessor 74 gelesen.

Die durch den Zeitgeber t₁ bestimmte Betriebsdauer kann einen Wert von nicht mehr als wie 100 msek annehmen oder noch kleiner sein, je nach der Ansprechcharakteristik des Sensors und der PI-Konstanten des Differenz-Integrationsverstärkers 21, wohingegen die Betriebsdauer des Zeitgebers t₀ auf etwa 1 sek bis etwa 2 sek festgesetzt ist.

Wenn in Schritt 111 die Betriebsdauer des Zeitgebers t₁ abgelaufen ist, wird in Schritt 112 der Pumpstromabschalttransistor 24 erneut eingeschaltet, um die Zufuhr des Pumpstromes I_p zu unterbrechen.

In Schritt 113 wird darüber entschieden, ob das Ausgangssignal V_O des Luft-Kraftstoffverhältnisses kurz vor Ende der Betriebsdauer des Zeitgebers t₁ einen vorbestimmten oder größeren Wert erreicht, das heißt, es wird darüber entschieden, ob der Absolutwert des Pumpstromes I_p einem vorbestimmten Wert entspricht oder größer als dieser ist. Wenn das Ausgangssignal V_O des Luft-Kraftstoffverhältnisses den vorbestimmten Wert nicht erreicht, werden die Prozeduren der Schritte 106 bis 113 wiederholt.

Falls jedoch das Ausgangssignal V_O des Luft-Kraftstoffverhältnisses den vorbestimmten Wert erreicht oder größer als dieser ist, wird in Schritt 114 ein Zeitgeber auf eine Zeitdauer t₂ eingestellt. Wenn in Schritt 115 der Zeitgeber t₂ abgelaufen ist, trifft in Schritt 116 der Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteil 7A die Entscheidung, daß der Sensor aktiviert und der Transistor 24 abgeschaltet wird, um den Pumpstrom I_p zu liefern, wodurch eine Regelung zur Vergleichmäßigung des Anlegens einer Spannung an das Zellenelement 11b erfolgt.

In Schritt 117 wird der Wert des Ausgabesignals V_O des Luft-Kraftstoffverhältnisses gelesen, so daß in Schritt 118 eine Regelung des Luft-Kraftstoffzielverhältnisses unter Benutzung des Luft-Kraftstoffverhältnisausgabesignals V_O durchgeführt wird.

Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm das angibt, wie über die Aktivierung des Luft-Kraftstoffsensors beim Anlassen des Motors entschieden wird, wobei das Luft-Kraftstoffverhältnis beim Anlassen fett ist. Fig. 3a zeigt, daß der Heizer 12 bei Anlassen des Motors 30 eingeschaltet wird. Fig. 3b zeigt, daß der Pumpstrom I_p während der Zeitdauer t₁, an das Pumpelement 11a in jedem Intervall t₀ + t₁ geliefert wird. Die Fig. 3c bzw. 3d zeigen die Änderungen der Spannung V_S des Zellenelementes 11b unter der Bedingung der Fig. 3 bzw. des Luft-Kraftstoffverhältnisausgabesignals V_O; und sie zeigen den oberen und den unteren Bestimmungspegel V_H und V_L für die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe V_O.

Gemäß Fig. 3 ist die Temperatur des Sensors während des ersten und des zweiten Zeitablaufs t₁, in denen der Pumpstrom I1_p nach dem Anlassen des Motors geliefert wird, niedrig. Dabei ist auch die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b klein, während der Innenwiderstand des Pumpelementes 11a zu groß ist, um den Pumpstrom I_p zu liefern. Infolgedessen verläuft das Luft-Kraftstoffverhältnisausgabesignal entsprechend der Gegenspannung V_B (weil I_p = 0 ist), obwohl die Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 groß ist.

In dem Maße, wie die Temperatur des Sensors ansteigt und die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b zunimmt, nimmt der Innenwiderstand des Pumpelementes 11a ab, wodurch der Pumpstrom I_p geliefert wird, um Sauerstoff freizusetzen. Wenn der Pumpstrom I_p geliefert wird, wird durch den Differenz-Integrationsverstärker 21 Spannung an das Pumpelement 11a gelegt, so daß Sauerstoff von der Diffusionskammer 11c zum Pumpelement 11a gespeist wird, mit der Folge, daß die Spannung V_S des Zellenelementes 11b auf die Bezugsspannung V_ref ansteigt, so daß der Pumpstrom I_pp geliefert wird. Infolgedessen wächst das Luft-Kraftstoffverhältnisausgabesignal V_O allmählich relativ zur Gegenspannung V_B an.

Fig. 3d zeigt, daß das Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe signal V_O einen vorbestimmten, oberen Entscheidungspegel V_OH nach dem vierten Ablauf der Zeitdauer t₁ übersteigt. Die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 liegt in diesem Moment bei 500°C oder darüber. Die Prozedur zum Unterbrechen des Pumpstromes I_p wird solange fortgesetzt, bis durch Einstellen des Zeitgebers auf die Zeitdauer t₂ die Temperatur des Sensors stabil wird, das heißt, etwa 700°C oder mehr annimmt, was eine in der Praxis benutzte Temperatur ist.

Bei der ersten Ausführungsform wird, wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig und die Regelung zur Stabilisierung der Spannung des Zellenelementes 11b nicht erreicht wird, die Spannung nur für eine kurze Zeit, die vom Zeitgeber t₁ bestimmt wird, an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt. Infolgedessen besteht keine Gefahr, daß eine Schädigung oder ein Bruch des Sensors durch die Aktivierungsbehandlung verursacht wird. Weiter ermöglicht die oben beschriebene erste Ausführungsform das Treffen der Entscheidung über die Aktivierung ohne eine Erfassungsschaltung zur Erfassung der Spannung V_S des Zellenelementes 11b und der Spannung V_T des Pumpelementes 11a.

Bei der ersten Ausführungsform wird der letzte Wert des Luft-Kraftstoffverhältnisausgabesignals, der während der Betriebsdauer des Zeitgebers t₁ gemessen wurde, dazu benutzt, den Zeitgeber t₂ in Betrieb zu setzen. Da aber die Zeitperiode des Zeitgebers t₁ unveränderlich ist, kann die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe V_O benutzt werden, die nur ein einziges Mal kurz vor dem Ende des Betriebs des Zeitgebers t₁ gemessen wurde.

Weiter wurde bei der ersten Ausführungsform der Fall beschrieben, daß die Zeitperiode jedes Zeitgebers t₀ und t₂ fest eingestellt ist. Die Zeiten können jedoch entsprechend einem gegebenen Betriebszustand geändert werden, um eine schnellere Entscheidung über die Aktivierung zu erhalten. Speziell kann die Zeitperiode als eine rekurrierende Funktion für die Kühlwassertemperatur WT festgesetzt werden.

Fig. 4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1A und eines Steuerverstärkers 2B entsprechend einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Luft-Kraftstoffverhältnissensor 1A umfaßt eine Sensoreinrichtung 11A und den Heizer 2, der auch bei der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die Sensoreinrichtung 11A umfaßt ein Sauerstoffpumpelement 11a, ein Sauerstoffkonzentrationszellenelemente 11b, eine Diffusionskammer 11c und einen Bezugselektrodenspalt 11e. Der Bezugselektrodenspalt 11e steht einer Elektrode gegenüber, die ein Elektrodenpaar mit einer anderen Elektrode bildet, die an der der Diffusionskammer 11c des Zellenelementes 11b gegenüberliegenden Seite befestigt ist.

Der Steuerverstärker 2B umfaßt einen Pufferspeicher 27 und eine Konstantstromquelle 28, die nicht in dem bei der ersten Ausführungsform benutzten Steuerverstärker 2A vorgesehen sind. Der Puffer 27 besitzt eine nicht invertierende Eingangsquelle, die an die Elektrode auf Seiten des Bezugselektrodenspaltes 11e des Zellenelementes 11b angeschlossen ist, sowie eine Ausgangsklemme, die an den Differenz-Integrationsverstärker 21 angeschlossen ist. Die Konstantstromquelle 28 ist mit der Elektrode auf Seiten des Bezugselektrodenspaltes 11e des Zellenelementes 11b verbunden.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das in Fig. 5 dargestellte Zeitdiagramm beschrieben. Das in Fig. 2 dargestellte Zeitdiagramm ist auch bei der zweiten Ausführungsform anwendbar.

Wenn die Sensoreinrichtung 11A aktiviert wird, fließt ein Injektionsstrom I_C von einigen 10 µmA von der Konstantstromquelle 28 durch die auf Seiten des Bezugselektrodenspaltes 11e des Zellenelementes 11b angeordnete Elektrode zu der auf Seiten der Diffusionskammer 11e angeordnete Elektrode, wodurch der Parzialdruck des Sauerstoffs auf einigen Prozent gehalten werden kann. Der Bezugselektrodenspalt 11e hat nämlich die gleiche Funktion wie die Umgebungsluftkammer 11d der ersten Ausführungsform.

Wenn der Innenwiderstand des Zellenelementes 11b mit R, die elektromotorische Kraft mit E und der durch das Zellenelement fließende Strom mit I_C bezeichnet wird, kann die Spannung V_S des Zellenelementes 11b wie folgt berechnet werden:

V_S = R·I_C+E.

Gemäß Fig. 5 besteht die Beziehung R·I_C » E bis zum ersten und zweiten Ablauf der Zeitdauer t₁, bei denen die Temperatur des Sensors niedrig ist. Entsprechend zeigt die Spannung V_S des Zellenelementes 11b einen Wert, der größer als V_ref ist, was im Gegensatz zur ersten Ausführungsform steht, wobei die Richtung der Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 derjenigen der ersten Ausführungsform entgegengesetzt ist. Dennoch fließt kein Pumpstrom I_t, weil der Innenwiderstand des Pumpelementes 11a ebenso groß ist wie bei der ersten Ausführungsform. Infolgedessen die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O in Höhe der Gegenspannung V_B. Wenn die Temperatur des Sensorelementes 11a erhöht wird, nimmt der Innenwiderstand R ab und die elektromotorische Kraft E steigt an, so daß die Spannung V_S allmählich bis zur Konvergenz mit der Abgasatmosphäre abnimmt. Fig. 5 zeigt, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis fett ist und daß der Konvergenzwert etwa 1 Volt beträgt.

Wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung hoch wird, nimmt die Spannung V_S ab. Der Innenwiderstand des Pumpelementes 11a nimmt ab und für den Transport von Sauerstoff wird der Pumpstrom I_p hindurchgeleitet. Durch den Differenz-Integrationsverstärker 21 wird während der Zeit der Zufuhr des Stromes I_p eine Spannung an das Pumpenelement 11a angelegt, so daß die Spannung V_S auf den Bezugswert V_ref reduziert wird. Dadurch wird der Pumpstrom I_p in der Richtung der Einspeisung des Sauerstoff in die Diffusionskammer 11c geliefert. Demgemäß steigt der Pumpstrom I_B allmählich in einer Richtung an, die dem bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Fall entgegengesetzt ist. Die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O wird nämlich zunehmend kleiner als die Gegenspannung V_B, so daß die Ausgangsspannung V_O niedriger als der Ausgangsentscheidungswert V_OL nach dem vierten Ablauf der Zeitdauer t₁ wird. Entsprechend kann die Entscheidung über die Aktivierung in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform getroffen werden.

Fig. 9 zeigt das Schaltbild eines Luft-Kraftstoffverhältnissensors 1, eines Steuerverstärkers 2C und eines Luft-Kraftstoffverhältnissteuerteils 7A entsprechend einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Bei der dritten Ausführungsform ist die Schaltung des Steuerverstärkers 2C die gleiche wie die des in der zweiten Ausführungsform benutzten Steuerverstärkers 2A, außer daß ein Zweirichtungsspannungsbegrenzer 26 hinzugefügt worden ist, und daß ein Steuerstromabschalttransistor 29 anstelle des Pumpstromabschalttransistors 24 verwendet wird. Der Zweirichtungsspannungsbegrenzer 26 ist parallel an das Sauerstoffpumpelement 11a angeschlossen und besteht aus einem Paar von jeweils drei in Reihe geschalteten Dioden.

Bei der dritten Ausführungsform mit dem Zweirichtungsspannungsbegrenzer 26 kann der Bereich einer an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegten Spannung in den Grenzen von ± 1.8 Volt gesteuert werden. In der Parallelschaltung fließt der Steuerstrom I_p.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 10 beschrieben.

Wenn der Motor 30 angelassen wird, werden Informationen wie etwa die Motorumdrehungsgeschwindigkeit N_e, die Ansaugluftmenge Q_a, und dergleichen, an den Mikroprozessor 74 geliefert. In Schritt 201 erfolgt dann die Entscheidung darüber, ob der Motor 30 einwandfrei läuft, oder nicht. Wenn der Motor nicht regelmäßig läuft, wird in Schritt 202 darüber entschieden, ob der Motor im Startmodus läuft. Die Entscheidung über den Startmodus wird getroffen, wenn die Motorumdrehungszahl N_e einen vorbestimmten Wert aufweist oder darunterliegt.

In Schritt 203 wird der Steuerstromabschalttransistor 29 durch die Ausgangsschnittstelle 77b eingeschaltet, wodurch die Ausgangsklemme des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an Masse gelegt wird, so daß sie keinen Steuerstrom an das Pumpelement 11a liefert.

In Schritt 204 wird eine Heizersteuerschaltung 25 eingeschaltet, um Leistung an den Heizer 12 zu liefern. Dann wird die Erwärmung des Sensorelementes 11 eingeleitet. In Schritt 205 erfolgt die Kraftstoffsteuerung während der Startzeit des Motors.

In Schritt 206 wird ein Zeitgeber t₀ eingestellt. Wenn in Schritt 207 der Zeitgeber t₀ abgelaufen ist, wird in Schritt 208 der Steuerstromabschalttransistor 29 abgeschaltet. Dann wird die Ausgangsspannung des Differenz-Integrationsverstärkers 21 an eine Parallelschaltung angelegt, die aus dem Pumpelement 11a und dem Zweirichtungsspannungsbegrenzer 26 besteht, so daß die Zwischenelektrodenspannung V_S des Zellenelementes 11b einer Bezugsspannung V_ref entspricht und ein Steuerstrom I_p durchgeleitet wird.

In Schritt 209 wird ein Zeitgeber t₁ eingestellt. Das Auslösen der Steuerstromunterbrechungsoperation des Transistors 29 wird während des Betriebs des Zeitgebers t₁ fortgesetzt.

In Schritt 210 wird die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O entsprechend dem Steuerstrom I_P durch einen Analog-Digitalumsetzer 72b umgewandelt, und der umgewandelte Wert wird vom Mikroprozessor 74 gelesen.

Wie bei der ersten Ausführungsform kann die Zeitperiode des Zeitgebers t₁ kurz sein und etwa 100 µsek oder weniger betragen, während die Periode des Zeitgebers t₀ im Bereich von etwa 1 bis 2 sek liegt.

Wenn in Schritt 211 die Zeitperiode des Zeitgebers t₁ abgelaufen ist, wird in Schritt 212 der Steuerstromabschalttransistor 29 erneut eingeschaltet, um die Zufuhr des Steuerstromes I_p zu unterbrechen.

In Schritt 213 erfolgt die Entscheidung darüber, ob die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O im Zeitpunkt kurz bevor die Zeitperiode des Zeitgebers t₁ endete, im vorbestimmten, zulässigen Bereich lag oder nicht. Wenn die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O außerhalb dieses Bereiches liegt, werden die Prozeduren der Schritte 206 bis 213 wiederholt.

Falls jedoch die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespanung V_O in den zulässigen Bereich fällt, wird in Schritt 214 ein Zeitgeber t₂ eingestellt.

Wenn in Schritt 215 die Zeitperiode des Zeitgebers t₂ abgelaufen ist, wird entschieden, daß die Sensoreinrichtung 11 aktiviert worden ist. Dann wird der Steuerstromabschalttransistor 29 ausgeschaltet, um in Schritt 216 den Steuerstrom I_p durchzulassen, und am Zellenelement 11b wird eine Konstantspannungsregelung durchgeführt.

In Schritt 217 wird die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O gelesen, und in Schritt 218 wird eine Luft-Kraftstoffverhältniszielsteuerung durchgeführt.

Fig. 11 ist ein Zeitdiagramm zur Bestimmung der Aktivierung des Sensors beim Starten des Motors, wobei das Luft-Kraftstoffverhältnis zur Startzeit fett ist.

Fig. 11a zeigt, daß der Heizer 12 mit dem Anlassen des Motors 30 eingeschaltet wird. Fig. 11b zeigt, daß der Steuerstrom während jeder Zeitperiode von t₁ im Intervall t₀ + t₁ geflossen ist. Die Fig. 11c und 11d zeigen Änderungen der Spannung V_S der Zelleneinrichtung und der Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O, sowie einen zulässigen Bereich V_OH der Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O entsprechend dem Betrieb des Steuerstromabschalttransistors.

Gemäß Fig. 11 ist beim ersten und zweiten Ablauf der Zeitdauer t₁, in welchem der Steuerstrom I_p durchgelassen wird, die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig. Entsprechend ist die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b niedrig und der Innenwiderstand des Pumpelementes 11a hoch. In diesem Zustand fließt kein Pumpstrom, und entsprechend umgeht der Steuerstrom des Differenz-Integrationsverstärkers 21 den Zweirichtungs-Spannungsbegrenzer 26, wodurch die Spannung an beiden Enden des Pumpelementes 11a auf etwa 1.8 V gehalten wird. Demgemäß weist die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O wegen des Bypassstromes einen hohen Wert auf.

In dem Maße, wie die Temperatur des Sensorelementes 11 erhöht wird, steigt die elektromotorische Kraft V_S des Zellenelementes 11b an, während der Innenwiderstand des Pumpelementes 11a verringert wird und einen Pumpstrom erzeugt. Wenn der Pumpstrom zur Lieferung von Sauerstoff durchgeleitet wird, während der Auslösung der Steuerstromunterbrechungsoperation durch den Transistor 29 wird eine Konstantspannungsregelung des Zellenelementes 11b durchgeführt. Dann erreicht die Spannung an beiden Enden des Pumpelementes 11a etwa 1.8 V oder weniger. Anschließend wird die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O durch den Steuerstrom bestimmt, der im Pumpelement 11a fließt.

Fig. 11 zeigt den Fall, daß die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O beim vierten Ablauf der Zeitdauer t₁ in den zulässigen Bereich V_OH fällt. Die Temperatur des Sensors beträgt im Falle, daß die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_A im zulässigen Bereich V_OH liegt, 500°C oder mehr. Die Zufuhr des Steuerstromes I_p wird jedoch solange fortgesetzt, bis die Temperatur durch den Zeitgeber t₂ etwa 700°C oder mehr erreicht, was der praktisch benutzte Temperaturbereich ist. Der zulässige Bereich V_OH kann unter Berücksichtigung des Bereiches der Sensorausgangsspannung in bezug auf das benutzte Luft-Kraftstoffverhältnis bestimmt werden.

Bei der dritten Ausführungsform wird, wenn die Temperatur der Sensoreinrichtung 11 niedrig ist und eine Konstantspannungsregelung an dem Zellenelemente 11b nicht bewirkt wird, während einer nur kurzen Zeitdauer des Zeitgebers t₁ eine Spannung an das Sauerstoffpumpelement 11a angelegt. Daher besteht keine Gefahr der Beschädigung oder des Bruches des Sensors während der Entscheidungsfindung über die Aktivierung des Sensors. Weiter kann die Entscheidung über die Aktivierung ohne eine Erfassungsschaltung zur Erfassung der Spannung V_S des Zellenelementes 11b und der Pumpspannung V_t getroffen werden.

Bei der dritten Ausführungsform wird die Operationsdauer der Zeitgeber t₀ und t₂ konstant gehalten. Die Operationsdauer der Zeitgeber kann als Rekursionsfunktion für die Kühlwassertemperatur WT festgesetzt werden, so daß die Operationsdauer in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen geändert wird, um eine schnellere Entscheidung über die Aktivierung zu treffen.

Fig. 12 zeigt das Schaltbild eines Luft-Kraftstoffsensors 1A und eines Steuerverstärkers 2B gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des Steuerverstärkers 2D ist der gleiche wie der des Steuerverstärkers 2B, der bei der zweiten Ausführungsform verwendet wurde, ausgenommen, daß ein Zweirichtungsspannungsbegrenzer 26 einbezogen ist. Weiter hat der Bezugselektrodenspalt 11a die gleiche Funktion wie die Umgebungsluftkammer 11d.

Nachfolgend wird die Betriebsweise der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der Fig. 10 und auf das Zeitdiagramm der Fig. 13 beschrieben.

Beim ersten und zweiten Durchlauf der Operation des Zeitgebers t₁ ist die Temperatur des Sensors niedrig, so daß die Beziehung R·E_C » E besteht. In diesem Falle besitzt die Spannung V_S des Zellenelementes 11b einen höheren Wert als V_ref, was im Gegensatz zu dem zum Falle der dritten Ausführungsform steht. Ein Steuerstrom des Differenz-Integrationsverstärkers 21 fließt in einer Richtung, die derjenigen des Falles der dritten Ausführungsform entgegengesetzt ist, und die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O nimmt das Massepotential an. Wenn die Temperatur des Sensors erhöht und der Innenwiderstand R verringert und damit die elektromotorische Kraft E gesteigert wird, wird die Spannung V_S des Zellenelementes 11b allmählich kleiner, so daß die Spannung V_S zur Spannung der Umgebungsluft im Abgassystem konvergiert.

Fig. 13 zeigt den Fall, daß das Luft-Kraftstoffverhältnis fett ist und der Konvergenzwert etwa 1 Volt beträgt.

Während der Dauer des vierten Durchlaufs der Operation des Zeitgebers t₁ wird die Steuerstromunterbrechungsoperation durch den Steuerstromabschalttransistor 29 unter der Bedingung ausgelöst, daß die Temperatur der Sensoreinrichtung gestiegen ist. In diesem Falle liefert das Pumpelement 11a Sauerstoff. Am Zellenelement 11b erfolgt eine Konstantspannungssteuerung, und das Luft-Kraftstoffverhältnis V_O nimmt einen durch den Steuerstrom bestimmten Wert an.

Bei der vierten Ausführungsform gelangt die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O in den zulässigen Bereich V_OL. Somit kann die Entscheidung über die Aktivierung des Sensors getroffen werden.

Fig. 14 ist ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Operationen der Schritte 201 bis 218 sind die gleichen wie die der dritten Ausführungsform.

In Schritt 220 wird ein Zähler N rückgesetzt.

In Schritt 213 erfolgt im Falle der Fällung eines Urteils darüber, daß die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_RO außerhalb des zulässigen Bereiches liegt in Schritt 221 eine Entscheidung darüber, ob ein gegebener Wert des Zählers N einer vorbestimmten Zahl NL entspricht oder größer als diese ist. Wenn der Wert einen geringeren Betrag als NL besitzt, wird in Schritt 222 der Wert +1 dem Zähler N hinzugefügt. Dann werden die Operationen der Schritte 206 bis 213 wiederholt.

Wenn in Schritt 221 der Wert N < NL ist, wird die Entscheidung gefällt, daß der Sensor anormal arbeitet. Dann wird in Schritt 223 die an den Heizer 12 gelieferte Leistung unterbrochen, woraufhin in Schritt 224 eine Behandlung der Sensoranomalie durchgeführt wird. Wenn beispielsweise beim Pumpelement 11a der Schaden eines Drahtbruches auftritt, wird keinerlei Steuerstrom an das Pumpelement 11a geliefert, und demgemäß wird am Zellenelemente 11b auch keine Konstantspannungsregelung durchgeführt, so daß der vom Differenz-Integrationsverstärker 21 gelieferte Steuerstrom vom Zweirichtungs-Spannungsbegrenzer 26 absorbiert wird und die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O ungeachtet der Temperatur des Sensors stets den zulässigen Bereich überschreitet. In diesem Falle wird in Schritt 221 die Beziehung N < NL aufgestellt, also eine Entscheidung über die Anomalie des Sensors getroffen.

Gemäß der fünften Ausführungsform kann eine Störung betreffend eine Sensoranomalie, wie etwa den Drahtbruch im Heizer 12 oder am Pumpelement 11a oder eine Anomalie der elektromotorischen Kraft des Zellenelementes 11b, oder dergleichen, auch dann erfaßt werden, wenn eine Aktivierungsentscheidung abgewickelt wird, und zwar ohne die Einrichtung einer weiteren Erfassungsschaltung zur Erfassung der Sensoranomalie. Weiter kann eine rasche Anomalieentscheidung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors durch Ändern des Zählwertes NL des Zählers gemäß der Kühlwassertemperatur WT durchgeführt werden.

Fig. 15 zeigt ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsweise des Luft-Kraftstoffverhältnissensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Operationen der Schritte 201 bis 218 und 220 bis 224 sind dieselben wie die bei der fünften Ausführungsform.

Nach der Entscheidung über das Vorliegen des regulären Betriebsmodus in Schritt 201 wird in Schritt 217 die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O gelesen. Dann wird in Schritt 230 eine Entscheidung darüber getroffen, ob die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O in den vorbestimmten Bereich fällt. Fällt die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O in den vorbestimmten Bereich, wird in Schritt 231 ein Zeitgeber t₃ eingestellt.

In Schritt 218 wird die Regelung für das Luft-Kraftstoffzielverhältnis durchgeführt, und die Operation kehrt nach Schritt 201 zurück.

Wenn in Schritt 230 die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O außerhalb des vorbestimmten Bereiches liegt, wird in Schritt 232 der den anormalen Zustand betreffende rückführungslose Luft-Kraftstoffregelungsmodus ohne Benutzung der Luft-Kraftstoffverhältnisausgabespannung V_O durchgeführt.

In Schritt 233 wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob die Zeitperiode des Zeitgeber t₃ abgelaufen ist, oder nicht. Im Falle der Antwort JA, wenn also die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe während des regelmäßigen Betriebs des Motors über eine vorbestimmte Zeitdauer außerhalb des zulässigen Bereiches liegt, wird in Schritt 234 der Steuerstrom unterbrochen. Dann geht die Folgeoperation nach Schritt 220 zurück, um die Entscheidung über die Aktivierung und die Entscheidung der Anomalie zu treffen.

Gemäß der sechsten Ausführungsform ist es möglich, eine Entscheidung darüber zu fällen, ob eine Anomalie durch die zeitweise Inaktivierung aufgrund der Verringerung der Temperatur des Sensors oder durch den Sensor selbst verursacht wird, und zwar im Falle, daß die Anomalie dauernd während des Betriebs des Motors bei der Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe verursacht wird.

Bei der dritten bis sechsten Ausführungsform wird als Zweirichtungsspannungsbegrenzer 26 ein Paar von in Reihe geschalteten Dioden verwendet. Es kann aber auch ein anderer Typ einer Spannungsbegrenzerschaltung verwendet werden.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Qualitätsverminderung oder ein Bruch von Sensorelementen verhindert werden, weil der Pumpstrom oder der Steuerstrom während der Durchführung der Entscheidung über die Aktivierung des Sensors im wesentlichen nicht durchgelassen wird. Da weiter die Entscheidung über die Aktivierung ohne Erfassung einer Spannung in der Sensoreinrichtung durchgeführt werden kann, kann eine Erfassungsschaltung entfallen. Weiter kann eine korrekte Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe erzielt werden, da die Luft-Kraftstoffverhältnisausgabe erst nach der ausreichenden Steigerung der Temperatur der Sensoreinrichtung verwendet wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in einem vorbestimmten Intervall seit Beginn der Leistungszufuhr an den Heizer ein Steuerstrom geliefert. Sodann erfolgt das Urteil über die Sensoranomalie dann, wenn die Anzahl der Abläufe der sich wiederholenden Operationen eines ersten Zeitgebers eine vorbestimmte Anzahl von Abläufen erreicht, wobei die Wiederholungsoperationen wiederholt werden, wenn die Größe des Steuerstroms außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der anormale Zustand des Sensors leicht ohne Hinzufügen einer speziellen Schaltung zur Erfassung der Anomalie ermittelt werden.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die Entscheidung über die Aktivierung und die Entscheidung über die Anomalie gleichzeitig durchgeführt, wenn die Größe des Steuerstroms während einer vorbestimmten Zeitdauer ständig außerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Unterscheidung getroffen werden, ob eine Anomalie im Sensorausgangssignal durch die zeitweilige Inaktivierung aufgrund der Verringerung der Temperatur, oder durch den Sensor selber verursacht wird.

Natürlich ergeben sich zahlreiche Abänderungen und Varianten der vorliegenden Erfindung aufgrund der oben mitgeteilten Lehren. Es wird daher davon ausgegangen, daß die Erfindung im Rahmen der beigefügten Ansprüche auch in anderer Weise praktiziert werden kann, als es hier im einzelnen beschrieben wurde.

Claims

1. Luft-Kraftstoffverhältnissensor, der aufweist:
ein Sauerstoffkonzentrationszellenelement und ein Sauerstoffpumpelement mit einer zwischen beiden eingefügten Diffusionskammer, in die Abgas eines Motors eingeleitet wird, wobei das Sauerstoffkonzentrationszellenelement und das Sauerstoffpumpelement in einem Abgassystem für den Motor angeordnet sind und aus einem, Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten bestehen und jeweils mit einer Elektrode versehen sind;
einen Heizer zum Erwärmen des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes und des Sauerstoffpumpelementes;
eine Pumpstromsteuereinrichtung zum Steuern des in das Sauerstoffpumpelement fließenden Pumpstromes, so daß die Spannung des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes einen vorbestimmen Wert annimmt;
eine Pumpstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des Pumpstromes;
eine Pumpstromabschalteinrichtung zum Unterbrechen der Zufuhr des Pumpstromes;
eine Leistungsversorgungseinrichtung zum Liefern von Leistung an den Heizer;
erste und zweite Zeitgebereinrichtungen zum Steuern der Bedingung für das Unterbrechen des Pumpstromes; und
eine Steuereinrichtung zum Auslösen der Zufuhr von Leistung durch die Leistungsversorgungseinrichtung an den Heizer, unter der Bedingung, daß der Pumpstrom unterbrochen wird; und zum Beseitigen der Bedingung für das Unterbrechen des Pumpstromes während einer vorbestimmten Zeitdauer in vorbestimmten Intervallen seit der Auslösung der Zufuhr der Leistung an den Heizer mit Hilfe der ersten Zeitgebereinrichtung.

2. Luft-Kraftstoffverhältnissensor nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung die Zufuhr des Pumpstromes durch Betätigen der zweiten Zeitgebereinrichtung unterbricht, wenn der Pumpstrom einen vorbestimmten oder einen höheren Wert annimmt; und entscheidet, daß das Sauerstoffkonzentrationszellenelement und das Sauerstoffpumpelement aktiviert wird, wenn der Betrieb der zweiten Zeitgebereinrichtung beendet ist, wobei aufgrund der Entscheidung die Bedingung zum Unterbrechen des Pumpstromes beseitigt wird.

3. Luft-Kraftstoffverhältnissensor, der aufweist:
ein Sauerstoffkonzentrationszellenelement und ein Sauerstoffpumpelement mit einer zwischen beiden Elementen eingefügten Diffusionskammer, in die Abgas eines Motors eingeleitet wird, wobei das Sauerstoffkonzentrationszellenelement und das Sauerstoffpumpelement in einem Abgassystem für den Motor angeordnet sind und aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten bestehen und jeweils mit einer Elektrode versehen sind;
einen Heizer zum Erwärmen des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes und des Sauerstoffpumpelementes;
eine Pumpstromsteuereinrichtung zum Steuern des in das Sauerstoffpumpelement fließenden Pumpstromes, so daß die Spannung des Sauerstoffkonzentrationszellenelementes einen vorbestimmen Wert annimmt;
eine Zweirichtungs-Spannungsbegrenzereinrichtung, die parallel zum Sauerstoffpumpelement geschaltet ist;
eine Steuerstromerfassungseinrichtung zur Erfassung des in die Parallelschaltung fließenden Steuerstromes;
eine Steuerstromabschalteinrichtung zum Unterbrechen der Zufuhr des Steuerstromes;
eine Leistungsversorgungseinrichtung zum Liefern von Leistung an den Heizer;
erste und zweite Zeitgebereinrichtungen zum Steuern der Bedingung für das Unterbrechen des Pumpstromes; und
eine Steuereinrichtung zum Auslösen der Zufuhr von Leistung durch die Leistungsversorgungseinrichtung an den Heizer, unter der Bedingung, daß der Pumpstrom unterbrochen wird; und zum Aufheben der Bedingung für das Unterbrechen des Steuerstromes während einer vorbestimmten Zeitdauer in vorbestimmten Intervallen seit der Auslösung der Zufuhr der Leistung an den Heizer mit Hilfe der ersten Zeitgebereinrichtung.

4. Luft-Kraftstoffverhältnissensor nach Anspruch 3, bei dem die Steuereinrichtung die Zufuhr des Steuerstromes durch Betätigen der zweiten Zeitgebereinrichtung unterbricht, wenn der Steuerstrom einen vorbestimmten oder einen höheren Wert annimmt; und entscheidet, daß das Sauerstoffkonzentrationszellenelement und das Sauerstoffpumpelement aktiviert wird, wenn der Betrieb der zweiten Zeitgebereinrichtung beendet ist, wobei aufgrund der Entscheidung die Bedingung zum Unterbrechen des Steuerstromes aufgehoben wird.

5. Luft-Kraftstoffverhältnissensor nach Anspruch 3, der weiter eine Integriereinrichtung zum Integrieren der Anzahl der Wiederholungen des Betriebes der ersten Zeitgebereinrichtung, und eine Anomalie-Beurteilungseinrichtung umfaßt, die die Anomalieentscheidung trifft, wenn die Integrationsanzahl einen vorbestimmten Wert überschreitet, und die Zufuhr der Leistung an den Heizer unterbricht.

6. Luft-Kraftstoffverhältnissensor nach Anspruch 3, bei dem die Steuereinrichtung die Entscheidung der Aktivierung oder der Anomalie trifft, wenn der Steuerstrom während des Betriebs des Motors einen vorbestimmten Bereich während einer vorbestimmten Zeitdauer überschreitet.