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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtungssteuervorrichtung für seinen Gaskonzentrationssensor.
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An einem Fahrzeugmotor wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage eines Erfassungswerts eines Gaskonzentrationssensors gesteuert. Im Allgemeinen ist ein Gaskonzentrationssensor mit einem Erfassungselement ausgestattet, das ein Zirkonoxyd-Trockenelektrolytsubstrat beziehungsweise ein Zirkonerde-Trockenelektrolytsubstrat beinhaltet. Zur Sicherstellung einer genauen Erfassung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (das heißt einer Sauerstoffkonzentration) auf der Grundlage des Erfassungselements ist es notwendig, die Temperatur des Erfassungselements in einem vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereich zu halten. Zu diesem Zweck ist eine Heizeinrichtung an dem Sensorkörper angebracht. Die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung wird auf der Grundlage eines Einschaltverhältnisses bzw. eines Betriebsverhältnisses gesteuert.
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Gemäß diesem Typ des Gaskonzentrationssensors ist eine schnelle Erwärmung des Erfassungselements von großer Bedeutung, um einen genauen Betrieb des Sensors sicherzustellen, insbesondere wenn der Motor sich in einem Kaltstartzustand befindet. Ein derartig schneller Anstieg der Temperatur kann den Bruch des Sensorelements oder des Heizeinrichtungskörpers verursachen und kann ebenso das Abschälen beziehungsweise Abblättern der den Sensor bildenden Substrate verursachen.
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Weiterer Stand der Technik kann in der Druckschrift
US 4 561 402 A gefunden werden, die sich mit einem Verfahren und einem System für eine Heizsteuerung eines Sauerstoffsensors einer Brennkraftmaschine auseinandersetzt. Gemäß dieser Druckschrift weist eine Brennkraftmaschine eine Abgasanlage und einen in die Abgasanlage eingepassten Sauerstoffsensor auf. Der Sauerstoffsensor umfasst ein Sensorelement und eine elektrisch betriebene Heizvorrichtung zum Heizen des Sensorelements. Die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Leistung wird dabei abhängig von Betriebsparametern der Maschine gesteuert. Dazu wird eine intermittierende Spannung mit einem solchen Tastverhältnis an die Heizvorrichtung angelegt, dass ein Mittelwert der zugeführten Leistung in einem Zeitintervall einer Sollleistung entspricht. Insbesondere thematisiert diese Druckschrift das Halten einer benötigten Temperatur bzw. eines benötigten Temperaturbereichs des Sensorelements.
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Weiterer Stand der Technik kann in der Druckschrift
US 6 009 866 A gefunden werden, die sich mit einer Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung auseinandersetzt. Weiterer Stand der Technik kann in der Druckschrift
US 4 694 809 A gefunden werden, die sich mit einer Heizsteuerung für einen Sauerstoffsensor einer Brennkraftmaschine mit Zeitglättung auseinandersetzt. Weiterer Stand der Technik kann in der Druckschrift
EP 0 994 345 A2 gefunden werden, die sich mit einer Leistungsversorgung für ein Heizen eines Gaskonzentrationsfühlers auseinandersetzt.
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Angesichts der vorstehend beschriebenen Probleme hat die Erfindung als Aufgabe, eine Heizeinrichtungssteuervorrichtung für einen Gaskonzentrationssensor bereitzustellen, welche eine adäquate Erwärmungsausführung beziehungsweise Erwärmungsfunktionsweise ohne dem Brechen des Sensorelements oder des Heizeinrichtungskörpers und diesbezüglicher beziehungsweise verwandter Probleme sicherstellen kann.
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Um das vorstehende und weitere Ziele zu erreichen, stellt die Erfindung eine Heizeinrichtungssteuervorrichtung für einen Gaskonzentrationssensor mit einem Erfassungselement bereit, das ein Trockenelektrolytsubstrat und eine Heizeinrichtung zur Erwärmung und Aktivierung des Erfassungselements beinhaltet. Die Heizeinrichtungssteuervorrichtung der Erfindung beinhaltet eine Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung zur Steuerung einer der Heizeinrichtung zugeführten elektrischen Leistung auf der Grundlage eines gemäß einem vorbestimmten Einschaltverhältnis festgelegten Steuergrundwerts beinhaltet, wenn das Erfassungselement auf eine Aktivierungstemperatur hin erwärmt wird. Ein Leistungsprofil ist vorab zur Festlegung einer Heizeinrichtungssollleistung bestimmt. Die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung steuert die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung so, dass eine tatsächliche Heizeinrichtungsleistung gleich zu der gemäß dem Leistungsprofil bestimmten Heizeinrichtungssollleistung gemacht ist. Zudem berechnet die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung einen Anfangswiderstandswert oder eine Anfangsleistung der Heizeinrichtung und legt eine Erwärmungssteuerzeitdauer entsprechend dem Anfangswiderstandswert oder der Anfangsleistung der Heizeinrichtung zur Durchführung eines Heizeinrichtungsanwärmsteuervorgangs während einer durch die Erwärmungssteuerzeitdauer definierten begrenzten Zeitdauer fest.
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Insbesondere zur schnellen Aktivierung des Sensorelements ist der Steuergrundwert auf einen vorbestimmten Wert (beispielsweise auf ein Einschaltverhältnis bzw. ein Betriebsverhältnis bzw. ein Leistungsverhältnis = 100%) festgelegt, um umgehend eine elektrische Leistung der Heizeinrichtung zuzuführen. Zur Unterdrückung einer übermäßigen Zufuhr einer elektrischen Leistung zu der Heizeinrichtung nimmt die Erfindung ein Leistungsprofil an, das eine ideale Übergangsänderung der Heizeinrichtungssollleistung ausdrückt, wodurch der Bruch des Sensorelements und des Heizeinrichtungskörpers in sicherer Weise eliminiert wird. Zudem ist es beispielsweise eher möglich, dass das Erfassungselement einen Bruch verursachen kann, wenn der Heizeinrichtungswiderstand gering ist. Somit wird die Erwärmungssteuerzeitdauer auf einen relativ kleinen Wert festgelegt.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung führt die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung eine auf den Steuergrundwert angewendete Korrektur auf der Grundlage einer Beziehung zwischen einer momentanen Heizeinrichtungsleistung und der Heizeinrichtungssollleistung aus und steuert die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung auf der Grundlage eines korrigierten Einschaltverhältnisses.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung einen Rückführungssteuervorgang auf der Grundlage einer Abweichung der momentanen Heizeinrichtungsleistung von der Heizeinrichtungssollleistung ausführt.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass das Leistungsprofil in Kennfelddaten gewandelt ist und die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung auf der Grundlage einer verstrichenen Zeitdauer oder einer kumulierten Leistung unter Bezugnahme auf die Kenndaten während eines Heizeinrichtungssteuervorgangs steuert.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung die Heizeinrichtungssollleistung so korrigiert, dass eine Abweichung in einer Beziehung zwischen einer verstrichenen Zeit und einer kumulierten Leistung oder eine Abweichung in einer Beziehung zwischen der Heizeinrichtungssollleistung und einer Heizeinrichtungsmomentanleistung eliminiert ist.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung so beschränkt, dass verhindert wird, dass die tatsächliche Heizeinrichtungsleistung die Heizeinrichtungssollleistung übersteigt.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass das Leistungsprofil unter einer Bedingung bestimmt ist, dass das Einschaltverhältnis des Steuergrundwerts auf 100% festgelegt ist.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass das Leistungsprofil unter einer Bedingung bestimmt ist, dass eine stationäre Bezugsspannung der Heizeinrichtung zugeführt ist.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass das Leistungsprofil unter einer Bedingung bestimmt ist, dass eine stationäre Bezugsspannung der Heizeinrichtung zugeführt ist, und die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung eine auf den Steuergrundwert angewendete Korrektur auf der Grundlage einer Beziehung zwischen einer momentanen Heizeinrichtungsspannung und der stationären Bezugsspannung ausführt und die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung auf der Grundlage eines korrigierten Einschaltverhältnisses steuert. Beispielsweise wird die Korrektur der Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung gemäß einem Verhältnis der stationären Bezugsspannung zu der momentanen Heizeinrichtungsspannung ausgeführt.
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Die Erfindung stellt die gleichen Effekte bereit, selbst wenn das Leistungsprofil durch ein äquivalentes oder vergleichbares Profil ersetzt wird.
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Beispielsweise wird anstelle der Verwendung des Leistungsprofils ein Stromprofil vorab angenommen, um einen Heizeinrichtungssollstrom festzulegen. Die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung steuert die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung, so dass ein aktueller beziehungsweise tatsächlicher Heizeinrichtungsstrom einem gemäß dem Stromprofil bestimmten Heizeinrichtungssollstrom gleichgemacht wird. Die Erwärmungsfunktion wird in angemessener Weise aufrecht erhalten. Der Bruch des Sensorelements oder des Heizeinrichtungskörpers kann sicher verhindert werden.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass der Gaskonzentrationssensor zur Erfassung der Konzentration einer Auslassgaskomponente dient, welche von einer an einem Kraftfahrzeug installierten Kraftmaschine emittiert wird. Die eine elektrische Leistung empfängt, die von einer an dem Kraftfahrzeug angebrachten Batterie zugeführt wird. Die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung legt entsprechend einer Spannungsänderung der Batterie zur Begrenzung des Einschaltverhältnisses des Steuergrundwerts einen Schutzwert fest. Dies unterdrückt in effektiver Weise die übermäßige Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung.
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Andererseits wird ebenso bevorzugt, dass die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung die Erwärmungssteuerzeitdauer vergrößert, wenn eine der Heizeinrichtung zugeführte tatsächliche bzw. aktuelle Spannung geringer als die Bezugsspannung ist.
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Es wird ebenso bevorzugt, dass die Heizeinrichtungsanwärmsteuereinrichtung einen Erwärmungsvorgang während einer begrenzten Zeitdauer vor dem Start eines gewöhnlichen Heizeinrichtungsleistungssteuervorgangs auf der Grundlage eines Erfassungselementwiderstands oder eines Heizeinrichtungswiderstands ausführt.
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Das vorstehende und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der angefügten Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer prinzipiellen Anordnung einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine vertikale Querschnittansicht zur Veranschaulichung einer Gesamtanordnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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3 eine Querschnittansicht zur Veranschaulichung einer grundlegenden Anordnung eines Erfassungselements gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Einzelheiten einer Heizeinrichtungssteuereinrichtung der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Hauptroutine des durch einen Mikrocomputer ausgeführten Steuervorgangs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer durch den Mikrocomputer verwendeten Elementimpedanzerfassungsroutine gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer durch den Mikrocomputer verwendeten Heizeinrichtungsleistungssteuerroutine gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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8 eine Darstellung bzgl. der Zeit zur Veranschaulichung einer Sensorspannungsänderung und einer Sensorstromänderung während der Erfassung einer Elementimpedanz,
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9 eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Elementimpedanz und der Elementtemperatur,
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10A eine Darstellung bzgl. der Zeit zur Veranschaulichung eines in der Heizeinrichtungsleistungssteuerung verwendeten Heizeinrichtungsleistungsprofils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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10B eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung des Heizeinrichtungsstroms während der Heizeinrichtungsleistungssteuerung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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10C eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung des Heizeinrichtungswiderstands während der Heizeinrichtungsleistungssteuerung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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11A eine Darstellung zur Erläuterung einer Einstellung einer Erwärmungssteuerzeitdauer gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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11B eine Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Einstellung einer Erwärmungssteuerzeitdauer gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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11C eine Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Einstellung der Erwärmungssteuerzeitdauer gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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12A eine Darstellung zur Erläuterung einer Einstellung eines Einschaltverhältniskorrekturwerts gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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12B eine Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Einstellung eines Einschaltverhältniskorrekturwerts gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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13 eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung des Betriebsverhältnisses beziehungsweise des Einschaltverhältnisses, der Heizeinrichtungsleistung, der kumulierten Leistung und des Heizeinrichtungswiderstands während des Erwärmungsvorgangs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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14A eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung der Heizeinrichtungsleistung während des Erwärmungsvorgangs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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14B eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung der kumulierten Leistung beziehungsweise der Summenleistung während des Erwärmungsvorgangs gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die angefügte Zeichnung erläutert. Identische Teile sind durch die gleichen Bezugszeichen in der Zeichnung bezeichnet.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung, welche an einem Kraftstoffeinspritzsteuersystem für eine an einem Kraftfahrzeug angebrachte Brennkraftmaschine (das heißt für eine Benzinkraftmaschine beziehungsweise einen Benzinmotor) beinhaltet ist. Das Kraftstoffeinspritzsteuersystem legt auf der Grundlage eines durch die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung erzielten Erfassungsergebnisses das Maß des in einen Brennraum der Kraftmaschine eingeführten oder geladenen Kraftstoffs fest, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen Sollwert während der Verbrennung des Kraftstoffs zu optimieren. Ferner wird ein Begrenzungsstromtyp-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (nachstehend als A/F-Sensor bezeichnet) zur Erfassung einer Sauerstoffkonzentration in dem Auslassgas verwendet. Um den A/F-Sensor in einem Aktivierungszustand zu halten, wird eine Elementimpedanz des Sensors erfasst und wird die einer eingebauten Heizeinrichtung dieses Sensors zugeführte elektrische Leistung gesteuert.
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1 zeigt ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer prinzipiellen Anordnung einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung 15 beinhaltet einen Mikrocomputer 20. Der Mikrocomputer 20 ist zur Ausführung interaktiver Datenkommunikationen für eine Kraftstoffeinspritzsteuerung, eine Zündungssteuerung und dergleichen mit einer Kraftmaschinensteuereinheit (das heißt mit einer elektronischen Steuereinheit beziehungsweise einer ECU) 16 verbunden.
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Ein A/F-Sensor 30 ist an einem Auslassrohr 12 angebracht, das sich von einem Kraftmaschinenkörper 11 einer Kraftmaschine 10 erstreckt. Der A/F-Sensor 30 spricht auf eine von dem Mikrocomputer 20 zugeführte Steuerspannung an und erzeugt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungssignal (das heißt ein Sensorstromsignal), das linear und proportional zu der Sauerstoffkonzentration des Auslassgases ist.
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Der Mikrocomputer 20, der bekannte Komponenten wie etwa eine Zentraleinheit beziehungsweise eine CPU, einen Nur-Lese-Speicher beziehungsweise ein ROM, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff beziehungsweise ein RAM zur Ausführung verschiedener Berechnungsvorgänge beinhaltet, steuert eine Vorspannungssteuereinrichtung 24 und eine Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26 gemäß einem vorbestimmten Steuerprogramm. Der Mikrocomputer 20 ist mit einer Batterie +B verbunden und empfängt eine elektrische Leistung für den Betrieb.
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2 zeigt eine vertikale Querschnittansicht zur Veranschaulichung einer Gesamtanordnung des A/F-Sensors 30. Gemäß der Darstellung von 2 beinhaltet der A/F-Sensor 30 ein metallenes, zylindrisches Gehäuse 31 mit einem äußeren Gewindeabschnitt, der fest an einer Wand des Auslassrohrs 12 befestigt ist. Der untere Teil des Gehäuses 31 ragt von der Wand des Auslassrohrs 12 vor und ist dem in dem Auslassrohr 12 fließenden Auslassgas ausgesetzt. Eine doppelte Elementabdeckung 32, die aus einer inneren und einer äußeren becherförmigen Abdeckung besteht, ist am unteren Öffnungsende des Gehäuses 31 angebracht. Ein mehrschichtiges Erfassungselement 50, das in einer länglichen Plattenform ausgebildet ist, erstreckt sich in der axialen Richtung des Gehäuses 31, so dass das untere Ende des Erfassungselements 50 im Innenraum der Elementabdeckung 32 angeordnet ist. Die Elementabdeckung 32 ist mit einer Vielzahl von Öffnungen 32a ausgestattet, die das Auslassgas in den Innenraum der Elementabdeckung 32 zur Ausbildung einer das untere Ende des Erfassungselementes 50 umgebenden Auslassgasatmosphäre einbringen.
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Ein zwischen dem Erfassungselement 50 und der Innenwand des Gehäuses 31 eingebrachtes Isolierelement 33 trägt das Erfassungselement 50. Ein Glasabdichtelement 41, das in einer am oberen Abschnitt des Isolierelements 33 ausgebildeten Bohrung angeordnet ist, dichtet den Zwischenraum zwischen dem Erfassungselement 50 und dem Isolierelement 33 luftdicht ab. Ein weiteres an dem Isolierelement 33 vorgesehenes Isolierelement 34 weist einen Innenraum auf, in dem das Erfassungselement 50 mit vier Leitern 35 verbunden ist. Zwei der Leiter 35 sind mit Elektroden des Erfassungselements 50 zur Ausgabe eines Erfassungssignals verbunden, während die verbleibenden zwei Leiter 35 zur Zufuhr elektrischer Leistung zu einer Heizeinrichtung des Erfassungselements 50 verwendet werden. Diese Leiter 35 sind über Verbinder 36 mit externen Signalleitungen 37 verbunden.
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Eine Körperabdeckung 38 ist an dem oberen Ende des Gehäuses 31 angeschweißt. Eine Staubabdeckung 39 ist an dem oberen Ende der Körperabdeckung 38 angebracht. Die Abdeckungen 37 und 38 schützen in zusammenwirkender Weise den oberen Abschnitt des Sensors. Ein wasserabweisendes Filter 40 ist zwischen den Abdeckungen 37 und 38 an einem überlappenden Abschnitt davon eingefügt. Die Abdeckungen 37 und 38 sind mit einer Vielzahl von Öffnungen 38a und 39a ausgestattet, welche Luft in den Innenraum der Abdeckungen 37 und 38 einbringen.
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Gemäß der Darstellung von 3 beinhaltet das Erfassungselement 50 ein Trockenelektrolytsubstrat 51, das einem teilweise stabilisierten Zirkonerdeelement beziehungsweise einem Zirkonoxydelement mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit entspricht und in plattenförmiger Weise ausgebildet ist. Eine Auslassgasseitenelektrode 52 ist an einer Oberfläche des Trockenelektrolytsubstrats 51 vorgesehen. Eine Bezugsgasseitenelektrode 53 ist an einer gegenüberliegenden Oberfläche des Trockenelektrolytsubstrats 51 vorgesehen, so dass sie einem in einem Bezugsgasraum 65 vorgehaltenen Bezugsgas ausgesetzt ist. Eine poröse diffusionsresistive Schicht 54, die aus einem Aluminiumkeramikelement mit einer Porosität von etwa 10% hergestellt ist, ist an der oberen Fläche des Trockenelektrolytsubstrats 51 gestapelt oder geschichtet, so dass sie die Auslassgasseitenelektrode 52 vollständig abdeckt. Eine Gasabschirmschicht 55, die aus einem Aluminiumkeramikelement mit Gasabschirmungseigenschaften hergestellt ist, ist an der porösen diffusionsresistiven Schicht 54 geschichtet oder gestapelt.
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Ein Abstandhalter 64, der aus einer Aluminiumkeramik mit einer elektrischer isolierenden und gasundurchlässigen Aluminiumkeramik hergestellt ist, an der gegenüberliegenden (unteren) Oberfläche des Trockenelektrolytsubstrats 51 geschichtet. Der Abstandhalter 64 weist eine Nut 64a auf, die den Bezugsgasraum 65 definiert. Ein Heizeinrichtungssubstrat 66 ist unter dem Abstandhalter 64 schichtweise angeordnet oder geschichtet, so dass es dazwischen eine Heizeinrichtung (das heißt ein Wärmeerzeugungselement) 67 einbettet. Die Heizeinrichtung 67 erzeugt als Reaktion auf zugeführte elektrische Leistung zur Erwärmung der Substrate und der Elektroden des Erfassungselements 50 Wärme.
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Wiederum bezüglich 1 erzeugt der Mikrocomputer 20 ein Vorspannungsbefehlssignal Vr zur Zufuhr einer Spannung zu dem A/F-Sensor 30, (das heißt zu dem Erfassungselement 50). Ein Digital/Analog(D/A)-Wandler 21 empfängt das als ein digitales Signal erzeugte Vorspannungsbefehlssignal Vr von dem Mikrocomputer 20 und wandelt es in ein analoges Signal Vb um. Ein Tiefpassfilter (LPF) 22 empfängt das von dem D/A-Wandler 21 erzeugte Analogsignal Vb und entfernt Hochfrequenzkomponenten von dem Analogsignal Vb zur Erzeugung einer zu der Vorspannungssteuereinrichtung 24 gesendeten Tiefpassfilterausgabe Vc. Die Vorspannungssteuereinrichtung 24 erzeugt eine Spannung entsprechend einem momentanen Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Bezugnahme auf eine vorbestimmte Anlege- bzw. Arbeitsspannungscharakteristik und führt die erzeugte Spannung dem A/F-Sensor 30 während eines A/F-Erfassungsvorgangs zu. Ferner erzeugt die Vorspannungssteuereinrichtung 24 eine Spannung als ein vorbestimmtes Frequenzsignal, das einem A/F-Sensor 30 in einer Einkreisweise beziehungsweise einer Ein-Schritt-Weise mit einer vorbestimmten Zeitkonstanten während eines Elementimpedanzerfassungsvorgangs zugeführt wird.
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Die Vorspannungssteuereinrichtung 24 beinhaltet eine Stromerfassungsschaltung 25, welche einen über den A/F-Sensor 30 fließenden Stromwert als Reaktion auf die angelegte Spannung erfasst. Ein Analog/Digital-Wandler(A/D)-Wandler 23 empfängt ein Analogsignal, das den durch die Stromerfassungsschaltung 25 erfassten Stromwert darstellt, und wandelt es in ein Digitalsignal um. Das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 23 wird zu dem Mikrocomputer 20 gesendet. Die Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26 steuert den Betrieb der an dem Erfassungselement 50 vorgesehenen Heizeinrichtung 67. Insbesondere führt die Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26 einen Einschaltverhältnissteuervorgang hinsichtlich der der Heizeinrichtung 67 zugeführten elektrischen Leistung auf der Grundlage der Elementimpedanz des A/F-Sensors 30 aus.
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4 zeigt eine Schaltungsanordnung der Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26. Die Heizeinrichtung 67 hat ein mit der Batterie +B verbundenes Ende beziehungsweise einen mit der Batterie +B verbundenen Anschluss und ein mit einem Kollektor eines Transistors 26a verbundenes weiteres Ende beziehungsweise einen mit einem Kollektor des Transistor 26a verbundenen weiteren Anschluss. Ein Emitter des Transistors 26a ist über einen Heizeinrichtungsstromerfassungswiderstand 26b geerdet. Die Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26 erfasst eine Heizeinrichtungsspannung Vh als eine Potentialdifferenz (Spannungsdifferenz) zwischen den Anschlüssen der Heizeinrichtung 67. Die erfasste Heizeinrichtungsspannung Vh wird über einen Operationsverstärker 26c und einen A/D-Wandler 27 zu dem Mikrocomputer 20 gesendet. Die Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26 erfasst einen Heizeinrichtungsstrom Ih auf der Grundlage einer Potentialdifferenz (Spannungsdifferenz) zwischen den Anschlüssen des Heizeinrichtungsstromerfassungswiderstands 26b. Der erfasste Heizeinrichtungsstrom Ih wird über einen Operationsverstärker 26d und einen A/D-Wandler 28 zu dem Mikrocomputer 20 gesendet.
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Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung 25 arbeitet in der nachstehenden Weise.
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5 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer Hauptroutine des durch den Mikrocomputer 20 ausgeführten Steuervorgangs. Die Hauptroutine wird als Reaktion auf die Zufuhr elektrischer Leistung zu dem Mikrocomputer 20 aktiviert.
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In Schritt 100 wird überprüft, ob eine vorbestimmte Zeitdauer Ta seit dem vorhergehenden A/F-Erfassungsvorgang verstrichen ist oder nicht. Die vorbestimmte Zeitdauer Ta entspricht einem Zyklus (das heißt einer Zeitperiode) des A/F-Erfassungsvorgangs. Ein praktikabler Wert von Ta entspricht beispielsweise 4 msek.
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Ist die Zeitdauer Ta bereits verstrichen (das heißt ergibt sich in Schritt 100 JA), schreitet der Steuerablauf zu Schritt 110 zur Ausführung des A/F-Erfassungsvorgangs voran. In dem A/F-Erfassungsvorgang wird eine Anwendungs- bzw. Betriebsspannung gemäß dem momentanen Sensorstrom bestimmt und dem Erfassungselement 50 des A/F-Sensors 30 zugeführt. Die Stromerfassungsschaltung 25 erfasst den durch das Erfassungselement 50 fließenden Sensorstrom als Reaktion auf die angelegte Spannung. Der erfasste Sensorstrom wird in einen A/F-Wert gewandelt.
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Nachfolgend wird in Schritt 120 überprüft, ob eine vorbestimmte Zeitdauer Tb seit dem vorhergehenden Elementimpedanzerfassungsvorgang verstrichen ist. Die vorbestimmte Zeit Tb entspricht einem Zyklus (das heißt einer Zeitperiode) des Elementimpedanzerfassungsvorgangs. Beispielsweise ist ein praktikabler Wert von Tb von 128 msek. bis 2 sek. gemäß Kraftmaschinenbetriebszuständen veränderbar.
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Ist die Zeitdauer Tb bereits verstrichen (das heißt ergibt sich in Schritt 120 JA) schreitet der Steuerablauf zu Schritt 130 zur Ausführung des Elementimpedanzerfassungsvorgangs voran und schreitet dann zur Ausführung der Heizeinrichtungsleistungssteuervorgangs zu Schritt 140 voran. Einzelheiten des Elementimpedanzerfassungsvorgangs und des Heizeinrichtungsleistungssteuervorgangs werden nachstehend beschrieben.
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6 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Einzelheiten des in Schritt 130 ausgeführten Elementimpedanzerfassungsvorgangs beziehungsweise des ZAC-Erfassungsvorgangs. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird die Elementimpedanz ZAC als „Wechselstromimpedanz“ auf der Grundlage eines Durchlaufverfahrens erfasst.
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In Schritt 131 von 6 wird die zur A/F-Erfassung angelegte Spannung für eine kurze Periode von mehreren 10 bis 100µs durch Einstellung des Vorspannungsbefehlssignals Vr auf einen positiven Wert geändert.
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Danach misst in Schritt 132 die Stromerfassungsschaltung 25 eine Stromänderung (∆I) als Reaktion auf eine Spannungsänderung (∆V).
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Im nächsten Schritt 133 wird die Elementimpedanz ZAC (= ∆V/∆I) auf der Grundlage der gemessenen Stromänderung (∆I) und der Spannungsänderung (∆V) berechnet.
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Nach Abschluss des Schrittes 133 kehrt der Steuerablauf zu Schritt 140 von 5 zurück.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Vorgang wird eine einstufige beziehungsweise monostabile Spannung mit einer vorbestimmten Zeitkonstanten dem A/F-Sensor 30 über die LPF-Einheit 22 und die Vorspannungssteuerschaltung 24 gemäß 1 zugeführt. Folglich ändert sich gemäß der Darstellung von 8 der Sensorstrom als Reaktion auf die zugeführte Spannung und es tritt ein Spitzenstrom ∆I nach einer vorbestimmten Zeit „t“ auf. Die Elementimpedanz ZAC wird als Verhältnis der Spannungsänderung (∆V) bezüglich der Stromänderung (∆I) erlangt, welche in dem transienten Zustand gemessen wird.
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Das Einfügen der LPF-Einheit 22 zur Zufuhr der einstufigen Spannung zu dem A/F-Sensor 30 ist zur Verhinderung eines übermäßigen Anstiegs oder eines Überschwingens des Spitzenstroms wirksam. Dies verwirklicht eine zuverlässige Erfassung der Elementimpedanz ZAC. Gemäß der Darstellung von 9 steigt die Elementimpedanz ZAC mit abnehmender Elementtemperatur stark an.
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Die vorliegende Erfindung verbessert den Erwärmungsvorgang des Erfassungselements 50 und verhindert das Brechen des Erfassungselements 50. Zu diesem Zweck steuert das Ausführungsbeispiel die Heizeinrichtungsstromversorgung (das heißt die der Heizeinrichtung 67 zugeführte elektrische Leistung) gemäß einem vorbestimmten Leistungsprofil in der nachstehenden Weise.
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Die der Heizeinrichtung 67 zugeführte Spannung ist auf eine vorbestimmte Bezugsspannung (beispielsweise 13V) festgelegt. Die Heizeinrichtungsleistung wird auf der Grundlage eines Steuergrundwerts gesteuert, welcher gemäß einem vorbestimmten Einschaltverhältnis beziehungsweise Betriebsverhältnis festgelegt ist. 10A zeigt eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung eines in der Heizeinrichtungsleistungssteuerung des Ausführungsbeispiels verwendeten Heizeinrichtungsleistungsprofils. 10B zeigt eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung des Heizeinrichtungsstroms während der Heizeinrichtungsleistungssteuerung. 10C zeigt eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Veranschaulichung der Änderung des Heizeinrichtungswiderstands während der Heizeinrichtungsleitungssteuerung.
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Die Heizeinrichtungstemperatur und der Heizeinrichtungswiderstand wachsen mit zunehmender Zeit an. Entsprechend fallen der Heizeinrichtungsstrom und die Heizeinrichtungsleistung allmählich.
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Gemäß 10A stellt eine Linie P1 ein Leistungsprofil entsprechend einem Einschaltverhältnis von 100% (das heißt einem Modus mit vollständiger Leistungszufuhr) dar. Ist mit anderen Worten die volle Leistungszufuhr (Einschaltverhältnis = 100%) in der Heizeinrichtungsleistungssteuerung erforderlich, wird die elektrische Leistung gemäß dem Leistungsprofil P1 der Heizeinrichtung 67 zugeführt. Dies verhindert in effektiver Weise, dass die elektrische Leistung der Heizeinrichtung 67 in übermäßiger Weise zugeführt wird, und verhindert das Brechen des Erfassungselements oder des Heizeinrichtungskörpers. Die weitere Linie P2 stellt ein zusätzliches Leistungsprofil gemäß dem Einschaltverhältnis von 80% dar. Ist mit anderen Worten die Leistungszufuhr mit einem Einschaltverhältnis = 80% in der Heizeinrichtungsleistungssteuerung erforderlich, wird die elektrische Leistung der Heizeinrichtung 67 gemäß dem Leistungsprofil P2 zugeführt.
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7 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Details der Heizeinrichtungsleistungssteuerung von Schritt 140 gemäß 5.
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In Schritt 141 wird überprüft, ob die Bedingungen zur Ausführung der Heizeinrichtungsanwärmsteuerung erfüllt sind.
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Die Bedingungen zur Ausführung der Heizeinrichtungsanwärmsteuerung sind beispielsweise wie nachstehend angeführt:
- – Die Elementimpedanz ZAC ist gleich einem vorbestimmten Schwellenwert (beispielsweise 50 Ω) oder größer als dieser, und
- – eine nachstehend beschriebene Erwärmungssteuerzeitdauer Tz ist noch nicht verstrichen.
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In der Praxis ist unmittelbar nach dem Kraftmaschinenstartvorgang oder während des Kraftmaschinenanwärmvorgangs die Elementimpedanz ZAC groß und ist entsprechend die Heizeinrichtungsanwärmsteuerung notwendig. Somit wird das Beurteilungsergebnis von Schritt 141 JA.
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Ist das Beurteilungsergebnis in Schritt 141 JA, schreitet der Steuerablauf zu Schritt 142 und die nachfolgenden Schritte 143 bis 145 zur Ausführung der Heizeinrichtungsanwärmsteuerung voran. Das Ausführungsbeispiel führt die Heizeinrichtungsanwärmsteuerung auf der Grundlage des Modus mit der vollen Leistungszufuhr (Einschaltverhältnis = 100%) aus. In diesem Fall wird das Einschaltverhältnis „Einschaltverhältnis“ etwa so eingestellt, dass die tatsächliche Heizeinrichtungsleitung sich gemäß dem Leistungsprofil P1 (das heißt der Heizeinrichtungssollleistung) ändert, wie es gemäß 10A gezeigt ist.
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Insbesondere wird im Schritt 142 überprüft, ob die Heizeinrichtungsanwärmsteuerung erstmalig ausgeführt wird oder nicht. Ergibt sich im Schritt 142 bei der Beurteilung JA, schreitet der Steuerablauf zu Schritt 143 zum Lesen der Heizeinrichtungsspannung Vh und des Heizeinrichtungsstrom Ih und zum darauffolgenden Berechnen eines Heizeinrichtungsanfangswiderstands Rhi (= Vh/Ih) voran. Danach wird in Schritt 144 eine Erwärmungssteuerzeitdauer Tz gemäß einer in 11A gezeigten Kennlinie berechnet. Die Erwärmungssteuerzeitdauer Tz legt eine Zeitdauer fest, die zur Fortführung der Heizeinrichtungsanwärmsteuerung erforderlich ist. Gemäß der in 11A gezeigten Kennlinie wird mit abnehmenden Heizeinrichtungsanfangswiderstand Rhi die Erwärmungssteuerzeitdauer Tz klein (das heißt sie wird mit abnehmender Temperatur der Heizeinrichtung 67 oder des Erfassungselements 50 kurz). Mit anderen Worten wird die Erwärmungssteuerzeitdauer Tz mit zunehmendem Heizeinrichtungsanfangswiderstand Rhi lange (das heißt sie wird mit abnehmender Temperatur der Heizeinrichtung 67 oder des Erfassungselements 50 lange).
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Anstelle der Verwendung der Kennlinie gemäß der Darstellung von 11A ist es möglich, die Erwärmungssteuerzeitdauer Tz gemäß einer in 11B oder 11C dargestellten Kennlinie zu berechnen. Wird die Kennlinie gemäß der Darstellung von 11B verwendet, wird der Schritt 143 so modifiziert, dass eine Anfangsleistung der Heizeinrichtung 67 auf der Grundlage der Heizeinrichtungsspannung Vh und des Heizeinrichtungsstroms Ih berechnet wird. Die Erwärmungssteuerzeitdauer Tz entsprechend der berechneten Anfangsleistung wird unter Bezugnahme auf die Kennlinie gemäß der Darstellung von 11B erlangt. Wird jedoch die Kennlinie gemäß der Darstellung von 11C verwendet, wird der Schritt 143 so modifiziert, dass die Erwärmungssteuerzeitdauer Tz entsprechend der Heizeinrichtungsspannung Vh unter Bezugnahme auf die Kennlinie gemäß der Darstellung von 11C erlangt wird.
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Obwohl die in 7 gezeigte Heizeinrichtungsleistungssteuerungsroutine die Festlegung der Erwärmungssteuerzeitdauer Tz nur ausführt, wenn die Heizeinrichtungsanwärmsteuerung erstmalig ausgeführt wird, ist es ebenso möglich, die Festlegung der Erwärmungssteuerzeitdauer Tz gemäß einer der Kennlinien der 11A bis 11C in wiederholter Weise auszuführen.
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Ferner kann die Abszisse in 11C durch die Batteriespannung ersetzt werden.
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Nachfolgend wird in Schritt 145 ein Erwärmungs- bzw. Anwärmeinschaltverhältnis berechnet. Das Erwärmungseinschaltverhältnis entspricht einem Steuereinschaltverhältnis, das für die Heizeinrichtungsleistungssteuerung festgelegt ist. In diesem Fall ist als ein Steuergrundwert das Einschaltverhältnis von 100% festgelegt. Eine momentane Heizeinrichtungsleistung wird auf der Grundlage der Heizeinrichtungsspannung Vh und des Heizeinrichtungsstroms Ih berechnet und mit einer Heizeinrichtungssollleistung verglichen, die gemäß dem Leistungsprofil P1 festgelegt ist. Das Erwärmungseinschaltverhältnis wird durch eine Korrektur berechnet, die auf einem Verhältnis der Heizeinrichtungssollleistung zu der momentanen Heizeinrichtungsleistung beruht.
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Insbesondere wird ein Einschaltverhältniskorrekturwert unter Bezugnahme auf die Kennlinie von 12A festgelegt, so dass eine Abweichung der tatsächlichen Heizeinrichtungsleistung von dem Sollwert eliminiert wird. Danach wird der erlangte Einschaltverhältniskorrekturwert mit dem Steuergrundwert (Einschaltverhältnis = 100%) multipliziert, um schließlich das Erwärmungseinschaltverhältnis zu bestimmen. Gemäß dieser Korrektur wird das Einschaltverhältnis geringer, wenn die momentane Heizeinrichtungsleistung die Heizeinrichtungssollleistung übersteigt. Nach Abschluss der Berechnung des Erwärmungseinschaltverhältnisses kehrt der Steuerablauf zu der Hauptroutine gemäß der Darstellung von 5 zurück. Die Heizeinrichtungssteuereinrichtung 26 führt die elektrische Leistung der Heizeinrichtung 67 auf der Grundlage des Erwärmungseinschaltverhältnisses zu, das durch die vorstehend beschriebene Heizeinrichtungsleistungssteuerungsroutine gemäß der Darstellung von 7 bestimmt ist.
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Gemäß dem Schritt 145 von 7 wird die Abweichung der Heizeinrichtungsleistung von dem Sollwert momentan erlangt und wird der Steuergrundwert (Einschaltverhältnis = 100%) korrigiert, um die Abweichung der Heizeinrichtungsleistung von dem Sollwert zu eliminieren. Somit ist die der Heizeinrichtung 67 zugeführte elektrische Leistung immer gleich dem Sollwert des Leistungsprofils P1.
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In Schritt 145 von 7 kann das Erwärmungseinschaltverhältnis beispielsweise gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet werden. Erwärmungseinschaltverhältnis = {Heizeinrichtungssollleistung/Heizeinrichtungsmomentanleistung (das heißt den berechneten Wert)} × 100%.
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In diesem Fall wird die Abweichung der Heizeinrichtungsleistung von dem Sollwert momentan erlangt und wird der Steuergrundwert (Einschaltverhältnis = 100%) korrigiert, so dass die Abweichung der Heizeinrichtungsleistung von dem Sollwert eliminiert wird. Somit wird die der Heizeinrichtung 67 zugeführte elektrische Leistung immer gleich dem Sollwert an dem Leistungsprofil P1.
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Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich wird die Korrektur ausgeführt, um die momentane (das heißt die tatsächliche) Heizeinrichtungsleistung gleich dem Sollwert zu machen. Die Korrektur des Ausführungsbeispiels kann jedoch so modifiziert werden, dass die momentane Heizeinrichtungsleistung Vh gleich einer Heizeinrichtungsbezugsspannung wird. Insbesondere wird der Erwärmungseinschaltverhältnis-Korrekturwert unter Bezugnahme auf die Kennlinie von 12B festgelegt, so dass eine Abweichung der momentanen Heizeinrichtungsleistung Vh von der Heizeinrichtungsbezugsspannung eliminiert wird. Danach wird der erlangte Einschaltverhältniskorrekturwert mit dem Steuergrundwert (Einschaltverhältnisses = 100%) zur Bestimmung des Erwärmungseinschaltverhältnisses multipliziert.
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Alternativ kann das Erwärmungseinschaltverhältnis gemäß der nachstehenden Gleichung bestimmt werden. Erwärmungseinschaltverhältnis = {Heizeinrichtungsbezugsspannung/Heizeinrichtungsmomentanspannung (das heißt den erfassten Wert)} × 100%.
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In diesen Fällen kann die Abweichung der Heizeinrichtungsleistung von dem Sollwert reduziert werden. Somit wird die der Heizeinrichtung 67 zugeführte elektrische Leistung immer gleich dem Sollwert auf dem Leistungsprofil P1 gemacht. Die Abszisse von 12B kann durch die Batteriespannung ersetzt werden.
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Wird andererseits in Schritt 141 als Beurteilung NEIN festgelegt, schreitet der Steuerablauf zur Ausführung eines gewöhnlichen Heizeinrichtungssteuervorgangs auf der Grundlage eines Erfassungselementwiderstands oder auf der Grundlage eines Heizeinrichtungswiderstands zu den Schritten 146 bis 149 voran.
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Im Einzelnen wird im Schritt 146 eine Elementimpedanz ZAC des vorhergehenden Vorgangs als vorhergehender Wert ZAC0 festgelegt. Danach schreitet der Steuerablauf zum Lesen der momentanen Elementimpedanz ZAC (das heißt eines Erfassungswerts der in der 6 gezeigten Routine) zu Schritt 147 voran.
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Danach schreitet der Steuerablauf zur Berechnung eines proportionalen Ausdrucks Gp, eines Integralausdrucks Gi und eines Ableitungsausdrucks Gd gemäß dem nachstehenden Gleichungen voran Gp = Kp·(ZAC – ZACref) Gi = Gi + Ki·(ZAC – ZACref) Gd = Kd·(ZAC – ZAC0), wobei Kp eine proportionale Konstante darstellt, Ki eine Integrationskonstante darstellt, Kd eine Ableitungskonstante darstellt und ZACref eine Bezugsimpedanz darstellt.
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Schließlich schreitet der Steuerablauf zur Berechnung des Steuereinschaltverhältnisses durch Summation des proportionalen Ausdrucks Gp, des Integralausdrucks Gi und des Ableitungsausdrucks Gd (das heißt Einschaltverhältnis = Gp + Gi + Gd) zu Schritt 149 voran. Bei Abschluss der Berechnung des Steuereinschaltverhältnisses kehrt der Steuerablauf zu der Hauptroutine gemäß der Darstellung von 5 zurück.
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13 zeigt eine Darstellung bezüglich der Zeit zur Erläuterung des Betriebs der Heizeinrichtungsleistungsteuerung des Ausführungsbeispiels.
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Zum Zeitpunkt t1 ist die Erwärmungssteuerzeitdauer gemäß dem Heizeinrichtungsanfangswiderstand Rhi festgelegt. Die Heizeinrichtungsanwärmsteuerung wird während einer begrenzten Zeitdauer Tz zum Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 (das heißt t2 – t1 = Tz) gemäß dem Modus für eine volle Leistungszufuhr (Einschaltverhältnisses = 100%) ausgeführt. Weicht in diesem Fall die momentane Heizeinrichtungsleistung von der Heizeinrichtungssollleistung auf dem Leistungsprofil P1 ab, wird das Steuereinschaltverhältnis zur Eliminierung der Abweichung korrigiert. 13 zeigt die Änderung der kumulierten Leistung sowie der Änderung des Heizeinrichtungswiderstands. Nachdem der Zeitpunkt „t2“ verstrichen ist, beginnt die Rückführungssteuerung der Elementimpedanz ZAC.
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Das vorstehende erläuterte Ausführungsbeispiel erzielt die nachstehenden Effekte.
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Die Heizeinrichtungsanwärmsteuerung (beispielsweise die Steuerung mit voller Leistung) wird auf der Grundlage des Leistungsprofils ausgeführt, das unter der Bedingung bestimmt ist, dass der Steuergrundwert auf das Einschaltverhältnis = 100% eingestellt ist, während die Bezugsspannung der Heizeinrichtung 67 zugeführt wird. Die Heizeinrichtungssteuerung verhindert eine übermäßige Zufuhr elektrischer Leistung zu der Heizeinrichtung 67. Somit kann verhindert werden, dass das Verfassungselement oder der Heizeinrichtungskörper infolge einer übermäßigen Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung bricht. Entsprechend stellt das Ausführungsbeispiel eine adäquate Erwärmungscharakteristik für den A/F-Sensor 30 bereit und verhindert ein Brechen des Erfassungselements oder des Heizeinrichtungskörpers.
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In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Heizeinrichtungsbezugsspannung (beispielsweise 13V) geringer als ein gewöhnlicher Wert (beispielsweise 14V) ist. Die Heizeinrichtungsbezugsspannung dient als ein Kriterium zur Einstellung des Leistungsprofils. Die Festlegung einer derartigen geringeren Heizeinrichtungsspannung kann einen großen Zeitbereich sicherstellen, in dem das Erfassungselement oder der Heizeinrichtungskörper den Bruchzustand erreicht.
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Insbesondere wenn der A/F-Sensor 30 eine mehrschichtige Struktur aufweist, ist das Trockenelektrolytelement 51 nahe an der Heizeinrichtung 67 positioniert. In dieser Hinsicht ist der mehrschichtige Sensor empfindlich hinsichtlich des Problems des Elementbruchs oder des Heizeinrichtungsbruchs. Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Problem lösen.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und kann daher in der nachstehenden Weise modifiziert sein.
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Der Schritt 145 von 7 kann so modifiziert sein, dass eine Rückführungssteuerung der Heizeinrichtungsleistung ausgeführt wird. Zunächst werden ein Proportionalausdruck, ein Integralausdruck und ein Ableitungsausdruck zusätzlich zur Abweichung ∆Q der Heizeinrichtungsmomentanleistung (berechneter Wert) von der Heizeinrichtungssollleistung an dem Leistungsprofil P1 erlangt. Danach wird das Erwärmungseinschaltverhältnis gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet. Erwärmungseinschaltverhältnis = Kp·∆Q + ΣKi·∆Q + Kd (gegenwärtiges ∆Q – vorhergehendes ∆Q)
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Das in 10A gezeigte Leistungsprofil P1 kann in Kennfelddaten gewandelt und in einem Speicher des Mikrocomputers 20 gespeichert werden. Der Heizeinrichtungsanwärmsteuervorgang kann auf der Grundlage der verstrichenen Zeit von dem Start der Steuerung unter Bezugnahme auf die Kennfelddaten ausgeführt werden. Die kumulierte Leistung steigt während der Heizeinrichtungsleistungssteuerung monoton an. Somit kann die verstrichene Zeit durch die kumulierte Leistung ersetzt werden.
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Fällt die Heizeinrichtungsspannung oder der Heizeinrichtungsstrom, steigt die kumulierte Leistung langsam an. Mit anderen Worten kann die Beziehung zwischen der kumulierte Leistung und der verstrichenen Zeit von einer erwartenden Beziehung bzw. einem erwarteten Verhältnis abweichen. In einem derartigen Fall wird die Sollleistung zur Eliminierung dieser Abweichung korrigiert.
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In einem gewöhnlichen Fall steigt insbesondere die kumulierte Leistung gemäß einer in 14B gezeigten durchgezogenen Linie. Die Sollleistung wird gemäß dem Leistungsprofil P1 bestimmt. Ist jedoch der Anstieg der kumulierten Leistung verzögert (siehe gestrichelte Linie mit abwechselnd einem langen und zwei kurzen Strichen gemäß 14B), verzögert sich der Zeitpunkt, in dem die kumulierte Leistung den Punkt A1 erreicht, vom Zeitpunkt t11 zum Zeitpunkt t12. Um in diesem Fall das Erfassungselement schnell zu erwärmen, ist die Erhöhung der Heizeinrichtungsleistung notwendig. Somit wird die Heizeinrichtungsleistung nach dem Zeitpunkt t11 auf der Grundlage der Kennfelddaten ausgeführt (Sollleistung B1 des Leistungsprofils P1). Insbesondere wird die Sollleistung zum Zeitpunkt t12 von B2 auf B1 geändert. Gemäß dieser Korrektur kann eine gleichmäßige und unmittelbare Erwärmungsfunktion des A/F-Sensor 30 sichergestellt werden.
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Fällt ferner die Heizeinrichtungsleistung oder der Heizeinrichtungsstrom, ist es ebenso bevorzugt, die Sollleitung zu korrigieren, so dass die Abweichung der Heizeinrichtungsleistung von der Sollleistung eliminiert wird.
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Ferner wird bevorzugt, dass das Einschaltverhältnis für die Heizeinrichtungsstromversorgung so gesteuert wird, dass verhindert wird, dass die Heizeinrichtungsleistung einen Wert an dem Leistungsprofil P1 übersteigt (das heißt so dass sie gleich oder kleiner als diese wird). Dies entspricht der grundlegenden Einstellung eines Schutzwerts bzw. eines Überwachungswerts gemäß dem auf die Heizeinrichtungsleistung angewandten Leistungsprofil P1. In diesem Fall kann verhindert werden, dass die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Leistung übermäßig ansteigt.
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Neben der Verwendung des Leistungsprofils P1 (Einschaltverhältnisses = 100%) kann ein zusätzliches Leistungsprofil P2 (Einschaltverhältnisses = 80%) zur Ausführung der Heizeinrichtungsanwärmsteuerung verwendet werden. In diesem Fall ist der Steuergrundwert auf das Einschaltverhältnisses = 80% eingestellt. Die elektrische Leistung wird der Heizeinrichtung 67 gemäß dem Leistungsprofil P2 zugeführt.
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Ferner kann selektiv das Einschaltverhältnis während des Heizeinrichtungsleistungssteuervorgangs geändert werden. Beispielsweise kann das Einschaltverhältnis von 100% (das heißt dem Leistungsprofil P1) auf 80% (das heißt dem Leistungsprofil P2) oder in umgekehrter Weise während des Heizeinrichtungsanwärmsteuervorgangs geändert werden. Die Anwendung eines derartigen Schaltvorgangs des Einschaltverhältnisses ist zur Reduzierung des auf das Erfassungselement einwirkenden Thermoschocks wirksam, wenn die Elementtemperatur gering ist.
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Es wird jedoch bevorzugt, dass der Spannungsabfall an einem Leitungsverkabelungsabschnitt bzw. einem Leitungsverbindungsabschnitt bei der Einstellung des Leistungsprofils berücksichtigt wird. Der Leitungsverkabelungsabschnitt ist üblicherweise zur Verbindung des A/F-Sensors mit einer Steuervorrichtung (das heißt einer Luft-Kraftstoff-Erfassungsvorrichtung) notwendig. Zur Kompensierung des Spannungsabfalls an dem Leitungsverkabelungsabschnitt wird das Leistungsprofil insbesondere auf die erhöhte Seite hin verschoben. Alternativ wird eine Korrektur des Erwärmungseinschaltverhältnisses zur Kompensation des Spannungsabfalls am Leitungsverkabelungsabschnitt bevorzugt.
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Es wird ebenso bevorzugt, den Schutzwert für die Heizeinrichtungsleistung zu korrigieren, so dass eine Abweichung der momentanen Spannung von der Bezugsspannung eliminiert wird. Es wird ebenso bevorzugt, den Schutzwert unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an den Leitungsverkabelungsabschnitt zu korrigieren.
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Ferner wird bevorzugt, ein „Stromprofil“ gemäß der Darstellung von 10B anstelle der Verwendung des Leistungsprofils zu verwenden. Die Kennlinie gemäß der Darstellung von 10B definiert eine ideale Übergangsänderung des Heizeinrichtungsstroms während des Heizeinrichtungsleistungssteuerungsvorgangs oder drückt diese aus, welche unter der Bedingung ausgeführt wird, dass das Einschaltverhältnis auf 100% festgelegt ist und die Bezugsspannung der Heizeinrichtung 67 zugeführt wird. Gemäß dem in 10B gezeigten Stromprofil fällt der Heizeinrichtungsstrom allmählich mit ansteigender Zeitdauer. In der Heizeinrichtungsanwärmsteuerung wird die elektrische Leistung der Heizeinrichtung 67 gemäß diesem Stromprofil zugeführt. Ist insbesondere der Steuergrundwert auf ein vorbestimmtes Einschaltverhältnis (beispielsweise 100%) festgelegt, wird die Korrektur auf der Grundlage eines Verhältnisses des Heizeinrichtungssollstroms gemäß dem Stromprofil zu dem Heizeinrichtungsmomentanstrom ausgeführt.
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Das Erwärmungseinschaltverhältnis wird gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet. Erwärmungseinschaltverhältnis = {Heizeinrichtungssollstrom/Heizeinrichtungsmomentanstrom (erfasster Wert)} × 100%.
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In diesem Fall wird die Abweichung des Heizeinrichtungsstroms von dem Sollstrom momentan erlangt und wird der Steuergrundwert (Einschaltverhältnis = 100%) so korrigiert, dass die Abweichung des Heizeinrichtungsstroms von dem Sollwert eliminiert wird. Somit ist die der Heizeinrichtung 67 zugeführte elektrische Leistung immer gleich dem Sollwert des in 10B gezeigten Stromprofils.
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Das Stromprofil gemäß der Darstellung von 10B kann in Kennfelddaten gewandelt und in einem Speicher des Mikrocomputers 20 gespeichert werden. Die Kennfelddaten können zeitweilig aus diesem Speicher gelesen werden, nachdem die Steuerung gestartet ist.
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Während des Heizeinrichtungsanwärmsteuervorgangs wird ferner bevorzugt, eine Rückführungssteuerung der Heizeinrichtungsleistung durch Anwendung von PID-Techniken auszuführen, so dass eine Abweichung des momentanen Heizeinrichtungsstroms von dem Heizeinrichtungssollstrom eliminiert wird. Ferner wird bevorzugt, das Heizeinrichtungsleistungszufuhrmaß (oder das Steuereinschaltverhältnis) zu beschränken, so dass verhindert wird, dass der Heizeinrichtungsstrom einen Wert auf dem Stromprofil übersteigt (das heißt, dass er gleich oder größer als dieser wird).
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Bei der Bestimmung des Leistungsprofils oder des Stromprofils ist es ferner nicht immer notwendig, eine stationäre Bezugsspannung der Heizeinrichtung zuzuführen. Ändert sich die der Heizeinrichtung zugeführte Spannung (das heißt die Heizeinrichtungsbezugsspannung), wird die Änderung der Heizeinrichtungsleistung oder des Heizeinrichtungsstrom der Änderung des Heizeinrichtungswiderstands nachfolgen. Entsprechend kann das Leistungsprofil oder das Stromprofil bestimmt werden, so dass ein Bruch des Erfassungselements oder des Heizeinrichtungskörpers nicht verursacht wird. Das Leistungsprofil oder das Stromprofil sollte unter der Bedingung bestimmt werden, dass das Heizeinrichtungsleistungszufuhrmaß (oder das Steuereinschaltverhältnis) auf einen vorbestimmten Steuergrundwert festgelegt ist.
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Die Heizeinrichtungsleistungssteuerung der Erfindung kann auf eine Vielzahl von Gaskonzentrationssensoren angewendet werden, die die Konzentration von O2, NOx, HC, CO oder weiterer Gaskomponenten, die in einem zu messenden Auslassgas oder einem zu messenden weiteren Probegas enthalten sind, erfassen können. Die Zahl der Sensorzellen ist nicht auf einen bestimmten Wert beschränkt. Die Verwendung der Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung des Ausführungsbeispiels ist nicht auf eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassung beschränkt und kann daher für verschiedene Zwecke angewendet werden.
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Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor (30) ist mit einem Erfassungselement (50) mit einem Trockenelektrolytsubstrat (51) ausgestattet. Ist das Erfassungselement (50) im Anwärmzustand und im Aktivierungszustand durch eine Heizeinrichtung (67), steuert ein Mikrocomputer (20) eine der Heizeinrichtung (67) zugeführte elektrische Leistung auf der Grundlage eines Steuergrundwerts, der gemäß einem Einschaltverhältnis = 100% festgelegt ist. Ein Leistungsprofil (P1) ist vorab zur Festlegung einer Heizeinrichtungssollleistung bestimmt. Durch die Heizeinrichtungsanwärmleistungssteuerung wird eine der Heizeinrichtung (67) zugeführte tatsächliche Heizeinrichtungsleistung gleich der gemäß dem Leistungsprofil (P1) bestimmten Heizeinrichtungssollleistung.
