DE102004062410A1

DE102004062410A1 - Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung und zugehöriges Verfahren

Info

Publication number: DE102004062410A1
Application number: DE102004062410A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Isesaki Ohkuma
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2005-07-28
Also published as: CN1637413A; JP2005208045A; US20050139491A1

Abstract

Bei einer Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung zur Messung der elektromotorischen Kraft, die entsprechend der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck einer Normalelektrode und dem Sauerstoffpartialdruck einer Messelektrode erzeugt wird, durch Anlegen einer Spannung zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode, wird dann, wenn ein Zustand mit überschüssigem Sauerstoff oder ein Hochtemperaturzustand eines Detektorelements über zumindest eine vorbestimmte Zeitdauer andauert, die Spannung verringert, die zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode angelegt wird, oder eine Heizvorrichtungsspannung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration beispielsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine.
Die japanische Veröffentlichung eines ungeprüften Patents Nr. 59-148857 beschreibt eine Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration in einem Gas. Die Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung ist so ausgebildet, dass ein Substrat, eine Normalelektrode, ein für Sauerstoffionen durchlässiger Feststoffelektrolyt, und eine Messelektrode zusammenlaminiert sind, wobei die Messelektrode in eine Stromversorgungselektrode und eine Bezugselektrode aufgeteilt ist, der Sauerstoffpartialdruck in der Normalelektrode so gesteuert wird, dass ein Strom zwischen der Normalelektrode und der Stromversorgungselektrode angelegt wird, und die Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas auf Grundlage der elektromotorischen Kraft erfasst wird, die zwischen der Normalelektrode und der Bezugselektrode erzeugt wird.
Da Brennkraftmaschinen mit geringem Hubraum, die bei Motorrädern verwendet werden, ein Auspuffrohr aufweisen, das einen kleinen Durchmesser aufweist, müssen die Abmessungen eines Sauerstoffkonzentrations-Detektorelements verkleinert werden, das bei dem Auspuff vorgesehen ist.
Allerdings muss die Dicke zusammenlaminierter Teile verringert werden, um die Abmessungen des Detektorelements zu verringern, wodurch die mechanische Festigkeit des Detektorelements verringert wird.
Im Gegensatz hierzu kann bei der voranstehend geschilderten Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung der Druck in dem Detektorelement ansteigen, durch Sauerstoff, der sich in zu großem Ausmaß an der Normalelektrode ansammelt. Wenn die Festigkeit des Detektorelements verringert wird, besteht daher die Möglichkeit, dass das Detektorelement infolge einer Erhöhung seines Innendrucks bricht.

Daher besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, den Bruch eines Detektorelements infolge einer zu starken Ansammlung von Sauerstoff an einer Normalelektrode zu verhindern.

Um diesen Vorteil zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Sauerstoffmenge, die sich bei einer Normalelektrode angesammelt hat, abgeschätzt, und wird dann, wenn geschätzt wird, dass die angesammelte Sauerstoffmenge einen Schwellenwert erreicht, das Ausmaß der Betätigung eines Detektorelements in einer solchen Richtung geändert, dass die Menge an Sauerstoff, die zur Normalelektrode fließt, unterdrückt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild der Ausbildung einer Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Schnittansicht der Ausbildung eines Sauerstoffkonzentrations-Detektorelements gemäß der Ausführungsform; und
3 ein Flussdiagramm der Abfolge von Schritten zur Einstellung einer Vorspannung und einer Heizvorrichtungsspannung bei der Ausführungsform.
1 ist ein Blockschaltbild, das ein Luft/Kraftstoffverhältnissteuersystem einer Brennkraftmaschine zeigt, die eine Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Die Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung gemäß der Ausführungsform stellt die Sauerstoffkonzentration in Abgas fest, die in enger Beziehung zum Luft/Kraftstoffverhältnis in der Brennkraftmaschine steht, durch Anbringen eines Detektorelements 12 an einem Auspuff der Brennkraftmaschine.
Bei dem Luft/Kraftstoffverhältnissteuersystem wird die Kraftstoffmenge, die in die Brennkraftmaschine eingespritzt werden soll, rückgekoppelt, auf Grundlage des Luft/Kraftstoffverhältnisses, das aus der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas bestimmt wird.
Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise bei einem Motorrad vorgesehen.
In 1 weist eine Brennkraftmaschinensteuereinheit (ECU) 11, welche die Kraftstoffeinspritzmenge und das Detektorelement 12 steuert, einen Mikrocomputer 111 auf.
Das Detektorelement 12 wird durch den Mikrocomputer 111 gesteuert, durch eine Vorspannungsausgabeeinheit 112, und eine Heizvorrichtungsspannungsausgabeeinheit 113.
Der Mikrocomputer 111 weist eine Luft/Kraftstoff-Detektor/Korrekturwertberechnungseinheit 1111 auf, eine Kraftstoffeinspritzmengenberechnungseinheit 1112, eine Fahrzustandsbestimmungseinheit 1113, eine Elementenzustandsbestimmungseinheit 1114, eine Spannungskorrekturbestimmungseinheit 1115, eine Vorspannungsberechnungseinheit 1116, und eine Heizvorrichtungsspannungsberechnungseinheit 1117.
Die Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor/Korrekturwertberechnungseinheit 1111 erfasst das Luft/Kraftstoffverhältnis in Reaktion auf die Vorspannung, die von der Vorspannungsausgabeeinheit 112 ausgegeben wird, und auf das Sauerstoffkonzentrationssignal, das von dem Detektorelement 12 ermittelt wird. Weiterhin berechnet die Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor/Korrekturwertberechnungseinheit 1111 den Korrekturwert für die Kraftstoffeinspritzmenge, auf Grundlage eines Messergebnisses des Luft/Kraftstoffverhältnisses, und gibt den Korrekturwert an die Kraftstoffeinspritzmengenberechnungseinheit 1112 aus.
Die Kraftstoffeinspritzmengenberechnungseinheit 1112 korrigiert die Kraftstoffeinspritzmenge auf Grundlage des Korrekturwerts, der von der Luft/Kraftstoffverhältnis-Detektor/Korrekturwertberechnungseinheit 1111 geliefert wird, und steuert eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 13 auf Grundlage der korrigierten Kraftstoffeinspritzmenge.
Der Fahrzustandsbestimmungseinheit 1113 wird beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine zugeführt, die Kraftstoffeinspritzmenge, der Ansaugrohrdruck, die Fahrzeuggeschwindigkeit, das Luft/Kraftstoffverhältnis, die Abgastemperatur, und dergleichen, als Indikatoren für den Fahrzustand eines Fahrzeugs, und sie bestimmt den Fahrzustand des Fahrzeugs auf Grundlage der ihr zugeführten Information.
Der Elementenzustandsbestimmungseinheit 1114 werden tatsächlich gemessene Werte beispielsweise der Temperatur des Elements, der Impedanz des Elements, der inneren Spannungen des Elements, und dergleichen als Zustand des Detektorelements 12 zugeführt, und sie bestimmt den Zustand des Detektorelements 12 auf Grundlage der ihr zugeführten Information.
Geschätzte Werte für die Temperatur des Elements, die Impedanz des Elements, und die inneren Spannungen des Elements können anstelle der entsprechenden, tatsächlich gemessenen Werte verwendet werden. Die Temperatur des Elements kann auf Grundlage der Abgastemperatur abgeschätzt werden, und die Impedanz des Elements kann auf Grundlage der Impedanz einer Heizvorrichtung zum Erwärmen des Detektorelements abgeschätzt werden.
Die Ergebnisse der Bestimmung der Fahrzustandsbestimmungseinheit 1113 und der Elementenzustandsbestimmungseinheit 1114 werden an die Spannungskorrekturbestimmungseinheit 1115 ausgegeben.
Die Spannungskorrekturbestimmungseinheit 1115 schätzt die Menge an Sauerstoff, die sich an der Normalelektrode des Detektorelements 12 angesammelt hat, auf Grundlage des Fahrzustands und des Zustands des Elements ab, und bestimmt, ob eine Vorspannung und eine Heizvorrichtungsspannung, die an das Detektorelement 12 angelegt werden, geändert werden sollen. Die Spannungskorrekturbestimmungseinheit 1115 gibt Ergebnisse der Bestimmung in Bezug darauf hin aus, ob die Spannungen geändert werden sollen, und zwar an die Vorspannungsberechnungseinheit 1116 und die Heizvorrichtungsspannungsberechnungseinheit 1117.
Wenn die Temperatur des Detektorelements 12, die aus der Brennkraftmaschinendrehzahl, der Kraftstoffeinspritzmenge, dem Ansaugrohrdruck, der Fahrzeuggeschwindigkeit, dem Luft/Kraftstoffverhältnis, der Abgastemperatur und dergleichen abgeschätzt wird, beispielsweise 650°C überschreitet, oder die Temperatur des Detektorelements 12, die von einem Sensor erfasst wird, beispielsweise einen Wert von 650°C über einen vorbestimmten Zeitraum aufweist, so stellt die Spannungskorrekturbestimmungseinheit 1115 fest, dass die Menge an Sauerstoff, die sich an der Normalelektrode des Detektorelements 12 angesammelt hat, einen Schwellenwert erreicht hat, und gibt den Befehl aus, die Vorspannung und die Heizvorrichtungsspannung zu verringern.
Wenn der Zustand über eine vorbestimmte Zeit andauert, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis magerer ist als beispielsweise ein theoretisches Luft/Kraftstoffverhältnis, stellt die Spannungskorrekturbestimmungseinheit 1115 fest, dass die Menge an Sauerstoff, die sich an der Normalelektrode des Detektorelements 12 angesammelt hat, den Schwellenwert erreicht hat, und gibt den Befehl aus, die Vorspannung und die Heizvorrichtungsspannung zu verringern.
Nach Empfang des Befehls zur Verringerung der Vorspannung verringert die Vorspannungsberechnungseinheit 1116 die Vorspannung auf etwa 1,0 V, wenn der normale Spannungswert etwa 1,2 V beträgt.
Beim Empfang des Befehls zur Verringerung der Heizvorrichtungsspannung verringert die Heizvorrichtungsspannungsberechnungseinheit 1117 die Heizvorrichtungsspannung auf etwa 10 V, wenn die normale Spannung etwa 13 V beträgt.
Die Vorspannungsausgabeeinheit 112 legt die von der Vorspannungsberechnungseinheit 1116 berechnete Vorspannung an das Detektorelement 12 an.
Die Heizvorrichtungsspannungsausgabeeinheit 113 steuert das Ein- und Ausschalten einer Schalteinheit 15 so, dass eine Sollspannung, die von der Heizvorrichtungsspannungsberechnungseinheit 1117 berechnet wird, an eine Heizvorrichtungseinheit 122 angelegt wird.
Die Schalteinheit 15 dient dazu, einen Heizvorrichtungsantriebsstrom stromaufwärts der Heizvorrichtungseinheit 112 auszuschalten.
Wenn der Heizvorrichtungsantriebsstrom, der an die Heizvorrichtungseinheit 112 angelegt wird, durch eine Schaltvorrichtung ausgeschaltet wird, die stromabwärts der Heizvorrichtungseinheit 122 angeordnet ist, also zwischen der Heizvorrichtungseinheit 122 und Massepotential angeordnet ist, wird ein solches Potential bei der Heizvorrichtungseinheit 122 erzeugt, bevor der Heizvorrichtungstreiberstrom ausgeschaltet wird. Wenn der Heizvorrichtungstreiberstrom ausgeschaltet ist, fließt eine große Menge an Sauerstoff von der Heizvorrichtungseinheit 122 zur Normalelektrode des Detektorelements 12. Dies führt dazu, dass die Möglichkeit besteht, dass das Detektorelement 12 infolge einer Erhöhung des inneren Drucks des Detektorelements 12 bricht.
Im Gegensatz hierzu kann die Schalteinheit 15, die stromaufwärts der Heizvorrichtungseinheit 122 angeordnet ist, verhindern, dass der Sauerstoff zur Normalelektrode fließt, wenn der Treiberstrom für die Heizvorrichtungseinheit 122 ausgeschaltet wird, so dass ein Bruch des Detektorelements 12 verhindert werden kann.
Das Detektorelement 12 weist eine Signaleinheit 121 und die Heizvorrichtungseinheit 122 auf, wobei die Signaleinheit 121 die Sauerstoffkonzentration in einem zu messenden Gas (Abgas) misst, auf Grundlage der Vorspannung, die von der Vorspannungsausgabeeinheit 112 angelegt wird, und die Heizvorrichtungseinheit 122 das Detektorelement 12 erwärmt, auf Grundlage der Heizvorrichtungsspannung, die von der Heizvorrichtungsspannungsausgabeeinheit 113 geliefert wird.
2 ist eine Schnittansicht, welche einen Aufbau des Detektorelements 12 zeigt.
In 2 weist das Detektorelement 12 ein Basisteil 22 auf, eine für Sauerstoffionen durchlässige Feststoff-Elektrolytenschicht 23, eine poröse Schicht 24, eine innenseitige Elektrode 25 (Normalelektrode), eine Innendichteschicht 26, eine außenseitige Elektrode 27 (Messelektrode), eine Außendichteschicht 28, sowie eine Schutzschicht 29. Die Feststoff-Elektrolytschicht 23 ist an der Seite der äußeren Oberfläche des Basisteils 22 vorgesehen. Die poröse Schicht 24 ist zwischen der innenseitigen Oberfläche der Feststoff-Elektrolytschicht 23 und der außenseitigen Oberfläche des Basisteils 22 angeordnet, und besteht aus einem porösen Material. Die Elektrode 25 im Inneren (Normalelektrode) ist auf der innenseitigen Oberfläche der Feststoff-Elektrolytschicht 23 vorgesehen. Die innere, dichte Schicht 26 ist auf der äußeren Oberfläche der Feststoff-Elektrolytschicht 23 vorgesehen, und weist ein Elektrodenfenster 26a auf. Die äußere Elektrode 27 (Messelektrode) ist auf der äußeren Oberfläche der inneren, dichten Schicht 26 und auf der Außenoberfläche der Feststoff-Elektrolytschicht 23 vorgesehen, die durch das Elektrodenfenster 26a freiliegt. Die äußere dichte Schicht 28 ist auf der Außenoberfläche der äußeren Elektrode 27 vorgesehen, und weist ein Sauerstoffzufuhrfenster 28a an demselben Ort wie jenem des Elektrodenfensters 26a auf. Die Schutzschicht 29 ist auf der Außenoberfläche der äußeren, dichten Schicht 28 und der Außenoberfläche der äußeren Elektrode 27 vorgesehen, die durch das Sauerstoffzufuhrfenster 28a freiliegt.
Die äußere, dichte Schicht 28 und die Schutzschicht 29 sind dem zu messenden Gas (Abgas im Auspuff) an ihren Außenseiten ausgesetzt.
Das Basisteil 22 besteht aus einer Stange 210, einem Heizvorrichtungsmuster 211, das sich um den Außenumfang der Stange 210 herum erstreckt, und einer Heizvorrichtungsabdeckschicht 212 als Isoliermaterial, die auf dem Außenumfang der Stange 210 so vorgesehen ist, dass sie den Heizvorrichtungsabschnitt 211 abdeckt.
Die Stange 210 besteht aus einem Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid und dergleichen.
Das Heizvorrichtungsmuster 211 besteht aus einem wärmeerzeugenden, leitfähigen Material wie beispielsweise Wolfram, Platin und dergleichen, und die Temperatur der Feststoff-Elektrolytschicht 23 und dergleichen wird auf eine Aktivierungstemperatur durch die Wärme erhöht, die von dem Heizvorrichtungsmuster 211 erzeugt wird.
Die Feststoff-Elektrolytschicht 23 besteht aus beispielsweise einem pastenartigen Material, das etwa aus Zirkoniumdioxidpulver, gemischt mit Yttriumoxidpulver in einem vorbestimmten Gewichtsmischverhältnis besteht.
Die Feststoff-Elektrolytschicht 23 kann eine elektromotorische Kraft zwischen der inneren Elektrode 25 (Normalelektrode) und der äußeren Elektrode 27 (Messelektrode) erzeugen, entsprechend den unterschiedlichen Sauerstoffdichten, und kann Sauerstoffionen transportieren.
Die poröse Schicht 24 besteht aus einem Keramikmaterial wie beispielsweise Aluminiumoxid und dergleichen, und bildet einen Weg für das Entweichen des Sauerstoffs, der zur inneren Elektrode 25 durch die Feststoff-Elektrolytschicht 23 transportiert wurde.
Die innere Elektrode 25 und die äußere Elektrode 27 bestehen aus Platin und dergleichen, also einem Material, das leitfähig ist, und durch welches der Sauerstoff hindurchgehen kann.
Leitungsdrähte 25a und 27a sind an den inneren Elektroden 25 und den äußeren Elektroden 27 vereinigt mit diesen angeordnet, so dass die Potentialdifferenz zwischen der inneren Elektrode 25 und der äußeren Elektrode 27 unter Verwendung der Leitungsdrähte 25a und 27a erfasst werden kann.
Die innere, dichte Schicht 26 besteht aus einem Material wie beispielsweise einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid und dergleichen, durch welches der Sauerstoff in dem zu messenden Gas nicht zu ihrer Innenoberfläche hindurchgehen kann.
Die innere, dichte Schicht 26 deckt die gesamte Außenoberfläche der Feststoff-Elektrolytschicht 23 ab, und das Elektrodenfenster 26a wird dadurch hergestellt, dass ein Teil der inneren, dichten Schicht 26 abgeschnitten wird.
Das Elektrodenfenster 26a weist Abmessungen auf, die kleiner sind als jene der inneren Elektrode 25, sowohl in Axialrichtung als auch in Umfangsrichtung.
Die äußere, dichte Schicht 28 besteht aus einem Material wie beispielsweise einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid und dergleichen, durch welches das zu messende Gas nicht zu ihrer inneren Oberfläche hindurchgehen kann, wie bei der inneren, dichten Schicht 26, und das Sauerstoffzufuhrfenster 28a wird so hergestellt, dass ein Teil der äußeren, dichten Schicht 28 an demselben Ort wie jenem des Elektrodenfensters 26a abgeschnitten wird. Die Schutzschicht 29 deckt die äußere Elektrode 27 ab, die nach außerhalb durch das Sauerstoffzufuhrfenster 28a der äußeren, dichten Schicht 28 freiliegt, von außerhalb aus, und besteht aus einem porösen Bauteil, das beispielsweise aus einem Material wie einer Mischung aus Aluminiumoxid und Magnesiumoxid besteht, durch welches schädliche Gas, Staub, und dergleichen in dem zu messenden Gas nicht zur Seite der Innenoberfläche hindurchgehen können, jedoch der Sauerstoff in dem zu messenden Gas zur Seite der inneren Oberfläche hin durchgehen kann.
Das Detektorelement 12 mit dem voranstehend geschilderten Aufbau steuert den Sauerstoffpartialdruck in der inneren Elektrode 25 (Normalelektrode) dadurch, dass die Sauerstoffionen in der Feststoff-Elektrolytschicht 23 dazu veranlasst werden, sich zu bewegen, durch Anschluss einer externen Stromversorgung zwischen der inneren Elektrode 25 und der äußeren Elektrode 27. Weiterhin misst die Detektorvorrichtung 12 eine elektromotorische Kraft, welche der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck in der inneren Elektrode 25 (Normalelektrode) und dem Sauerstoffpartialdruck in der äußeren Elektrode 27 (Messelektrode) entspricht, die dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, als Wert entsprechend der Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas.
Als nächstes wird ein Betriebsablauf zur Einstellung der Vorspannung und der Heizvorrichtungsspannung, die an das Detektorelement 12 angelegt wird, unter Bezugnahme auf das in 3 dargestellte Flussdiagramm erläutert.
Die verschiedenen Fahrzustände, beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Brennkraftmaschinenbelastung, das Luft/Kraftstoffverhältnis, und dergleichen werden dann im Schritt S1 zugeführt, und im Schritt S2 werden bestimmt, ob das momentane Luft/Kraftstoffverhältnis der Brennkraftmaschine magerer ist als ein theoretisches Luft/Kraftstoffverhältnis.
Die Ermittlung, dass es mager ist, wird auf Grundlage des Luft/Kraftstoffverhältnisses durchgeführt, das von dem Detektorelement 12 erfasst wird, oder auf Grundlage eines Soll-Luft/Kraftstoffverhältnisses zu diesem Zeitpunkt.
Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist, geht der Vorgang zum Schritt S3 über, in welchem die Zeit des Andauerns des mageren Zustands gemessen wird, durch Inkrementieren eines Zählers CL für mager um 1.
Im Schritt S4 wird bestimmt, ob die Zeit des Andauerns des mageren Zustands eine vorbestimmte Zeit (beispielsweise 10 Sekunden) erreicht, durch Vergleichen des Wertes des Zählers CL für mager mit einem vorbestimmten Wert CL1.
Wenn der Wert des Zählers CL für mager größer oder gleich dem vorbestimmten Wert CL1 ist, geht der Vorgang zum Schritt S5 über, in welchem eine Spannungsänderungsflag FL auf 1 eingestellt wird.
Im Gegensatz hierzu, wenn der Wert des Zählers CL für mager kleiner ist als der vorbestimmte Wert CL1, geht der Vorgang unter Umgehung des Schrittes S5 zum Schritt S8 über, wodurch die Spannungsänderungsflag FL bis zum letzten Zeitpunkt beibehalten wird.
Wenn im Schritt S2 festgestellt wird, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis nicht mager ist, geht der Vorgang zum Schritt S6 über, in welchem der Zähler CL für mager auf Null zurückgesetzt wird, und darüber hinaus die Spannungsänderungsflag FL im nächsten Schritt S7 auf Null zurückgesetzt wird.
Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis mager ist, fließt Sauerstoff ständig zur inneren Elektrode 25 als Normalelektrode, und sammelt sich übermäßig an der inneren Elektrode 25 an, so dass der Innendruck der inneren Elektrode 25 ansteigt.
Ob die Menge an Sauerstoff, die sich an der inneren Elektrode 25 ansammelt, den Schwellenwert erreicht, wird aus der Zeit des Andauerns des mageren Zustands bestimmt, und wenn festgestellt wird, dass die Menge an Sauerstoff, die sich an der inneren Elektrode 25 angesammelt hat, den Schwellenwert erreicht, wird die Spannungsänderungsflag FL auf 1 gesetzt.
Wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis magerer ist, kann der Zähler CL für mager um einen höheren Wert inkrementiert werden, und wenn eine größere Menge an Sauerstoff zur inneren Elektrode 25 fließt, kann der Zähler CL für mager mit höherer Geschwindigkeit inkrementiert werden.
Weiterhin kann, als vereinfachtes Verfahren, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis magerer ist, der vorbestimmte Wert CL1 auf einen kleineren Wert geändert werden.
Im Schritt S8 wird bestimmt, ob die Temperatur des Detektorelements 12 größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist (beispielsweise 650°C).
Die Temperatur des Detektorelements 12 kann durch einen Sensor erfasst werden, und darüber hinaus kann sie abgeschätzt werden, anhand des Fahrzustands und der Umgebungstemperatur.
Wenn die Temperatur des Detektorelements 12 größer oder gleich der vorbestimmten Temperatur ist, geht der Vorgang zum Schritt S9 über, in welchem ein Temperaturzähler CT um 1 inkrementiert wird, wodurch eine Zeit gemessen wird, während derer sich das Detektorelement 12 auf hoher Temperatur befindet.
Wenn das Detektorelement 12 eine höhere Temperatur aufweist, kann der Temperaturzähler CT um einen höheren Wert inkrementiert werden, und wenn eine größere Menge an Sauerstoff zur inneren Elektrode 25 fließt, kann der Temperaturzähler CT mit höherer Geschwindigkeit inkrementiert werden.
Weiterhin kann, als vereinfachtes Verfahren, wenn das Detektorelement 12 eine höhere Temperatur aufweist, der vorbestimmte Wert CT1 auf einen kleineren Wert geändert werden.
Im Schritt 10 wird bestimmt, ob die Zeit für das Andauern der hohen Temperatur eine vorbestimmte Zeit erreicht, durch Vergleichen des Wertes des Temperaturzählers CT mit dem vorbestimmten Wert CT1.
Wenn der Wert des Temperaturzählers CT größer oder gleich dem vorbestimmten Wert CT1 ist, geht der Vorgang zum Schritt S11 über, in welchem eine Spannungsänderungsflag FT auf 1 eingestellt wird.
Im Gegensatz hierzu geht, wenn der Wert des Temperaturzählers CT kleiner ist als der vorbestimmte Wert CT1, der Vorgang zum Schritt S14 über, unter Umgehung des Schrittes S11, wodurch die Spannungsänderungsflag FT bis zum letzten Zeitpunkt beibehalten bleibt.
Wenn im Schritt S8 festgestellt wird, dass die Temperatur des Detektorelements 12 kleiner ist als die vorbestimmte Temperatur, geht der Vorgang zum Schritt S12 über, in welchem der Temperaturzähler CT auf Null zurückgesetzt wird, und darüber hinaus die Spannungsänderungsflag FT auf Null zurückgesetzt wird, im nächsten Schritt S13.
Wenn das Detektorelement 12 eine hohe Temperatur aufweist, nimmt sein innerer Widerstand ab, und fließt ein zu hoher Strom zwischen den Elektroden 25 und 27, so dass eine große Menge an Sauerstoff zur inneren Elektrode 25 als Normalelektrode fließt. Bei diesem Vorgang sammelt sich Sauerstoff im Übermaß an der inneren Elektrode 25 an, und wird deren Innendruck erhöht.
Ob die Menge an Sauerstoff, die sich an der inneren Elektrode 25 ansammelt, den Schwellenwert erreicht, wird aus der Zeit bestimmt, über welche die hohe Temperatur andauert, und wenn abgeschätzt wird, dass die Menge an Sauerstoff, die sich an der inneren Elektrode 25 angesammelt hat, den Schwellenwert erreicht, wir die Spannungsänderungsflag FT auf 1 gesetzt.
Im Schritt S14 wird bestimmt, ob die Spannungsänderungsflag FL auf 1 gesetzt ist.
Wenn die Spannungsänderungsflag FL auf 1 gesetzt ist, wird festgestellt, dass das magere Luft/Kraftstoffverhältnis andauert, und dass die Menge an Sauerstoff, die sich an der inneren Elektrode 25 angesammelt hat, den Schwellenwert erreicht. Daher geht der Vorgang zum Schritt S16 über, in welchem eine Verarbeitung zur Verringerung der Vorspannung und/oder der Heizvorrichtungsspannung durchgeführt wird, um die Ansammlung von Sauerstoff zu unterdrücken.
Im Gegensatz hierzu geht, wenn die Spannungsänderungsflag FL auf Null gesetzt ist, der Vorgang zum Schritt S15 über, in welchem festgelegt wird, ob die Spannungsänderungsflag FT auf 1 gesetzt wird.
Wenn die Spannungsänderungsflag FT auf 1 gesetzt ist, so wird ermittelt, dass die hohe Temperatur des Detektorelements 12 andauert, und dass die Menge an Sauerstoff, die sich an der inneren Elektrode 25 angesammelt hat, den Schwellenwert erreicht. Daher geht der Vorgang zum Schritt S16 über, in welchem die Verarbeitung zur Verringerung der Vorspannung und/oder der Heizvorrichtungsspannung durchgeführt wird, um die Ansammlung von Sauerstoff zu unterdrücken.
Wenn beide Spannungsänderungsflags FL und FT auf Null gesetzt sind, so wird nicht festgestellt, dass sich eine übermäßige Menge an Sauerstoff an der inneren Elektrode 25 ansammelt. Daher geht der Vorgang zum Schritt S17 über, in welchem die Vorspannung und die Heizvorrichtungsspannung auf normale Werte eingestellt werden.
Wenn der normale Wert der Vorspannung beispielsweise 1,2 V beträgt, und die Ansammlung von Sauerstoff unterdrückt werden soll, wird die Vorspannung auf beispielsweise etwa 1,0 V herabgesetzt.
Wenn der normale Wert der Heizvorrichtungsspannung beispielsweise 13 V beträgt, und eine Ansammlung von Sauerstoff unterdrückt werden soll, wird die Heizvorrichtungsspannung auf beispielsweise etwa 10 V herabgesetzt.
Das Ausmaß der Verringerung der Vorspannung und der Heizvorrichtungsspannung wird auf innerhalb eines Bereiches begrenzt, bei welchem die Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses nicht beeinflusst wird. Weiterhin kann das Ausmaß der Verringerung der Vorspannung und der Heizvorrichtungsspannung entsprechend dem Luft/Kraftstoffverhältnis und dem Atmosphärendruck des Detektorelements 12 zu diesem Zeitpunkt geändert werden.
Da eine Verringerung der Vorspannung den Strom herabsetzt, der zwischen den Elektroden 25 und 27 fließt, kann die Menge an Sauerstoff, die zur inneren Elektrode 25 fließt, herabgesetzt werden. Im Gegensatz hierzu kann eine Verringerung der Heizvorrichtungsspannung den inneren Widerstand der Detektorvorrichtung 12 erhöhen, durch Absenken von dessen Temperatur, so dass die Menge an Sauerstoff, die zur inneren Elektrode 25 fließt, verringert werden kann.
Wenn der Sauerstoff verringert werden kann, der zur inneren Elektrode 25 fließt, kann eine Erhöhung des inneren Drucks der Detektorvorrichtung 12 infolge der Ansammlung von Sauerstoff unterdrückt werden, so dass verhindert werden kann, dass das Detektorelement 12 infolge eines zu hohen Innendruckes bricht.
Dieselben Betriebs-Arbeitsauswirkungen können dadurch erzielt werden, dass die voranstehend geschilderte Verarbeitung zur Einstellung der Vorspannung und der Heizvorrichtungsspannung auch bei einem Detektorelement eingesetzt wird, bei welchem die äußere Elektrode als Messelektrode in eine Stromversorgungselektrode und die Bezugselektrode aufgeteilt ist.
Der Gesamtinhalt der japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-435777, eingereicht am 26. Dezember 2003, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-331453, eingereicht am 16. November 2004, wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
Zwar wurden nur ausgewählte Ausführungsformen dazu ausgewählt, um die vorliegende Erfindung zu erläutern, jedoch werden Fachleute auf diesem Gebiet aufgrund der Offenbarung merken, dass insoweit verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt, und von den beigefügten Patentansprüchen umfasst sein soll.
Weiterhin dient die voranstehende Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nur zur Erläuterung, und nicht dazu, die Erfindung einzuschränken, die sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt.

Claims

Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung, welche aufweist: ein Detektorelement, das aus einer Normalelektrode, einem für Sauerstoffionen durchlässigen Feststoff-Elektrolyten und einer Messelektrode besteht, die zusammenlaminiert sind; und einen Messabschnitt zur Messung der elektromotorischen Kraft, die entsprechend der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck der Normalelektrode und dem Sauerstoffpartialdruck der Messelektrode erzeugt wird, durch Anlegen einer Spannung zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode, dadurch gekennzeichnet , dass die Einrichtung weiterhin aufweist: einen Schätzabschnitt zum Abschätzen der Menge an Sauerstoff, die sich an der Normalelektrode ansammelt; und einen Korrekturabschnitt zum Ändern, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff einen Schwellenwert erreicht, des Ausmaßes der Betätigung des Detektorelements in eine solche Richtung, in welcher die Menge an Sauerstoff verringert wird, die zur Standardelektrode fließt.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturabschnitt die Spannung ändert, die zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode angelegt wird.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Detektorelements vorgesehen ist, und der Korrekturabschnitt die Heiztemperatur des von der Heizvorrichtung erwärmten Detektorelements ändert.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzabschnitt die angesammelte Menge an Sauerstoff auf Grundlage der Temperatur des Detektorelements abschätzt.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schätzabschnitt die angesammelte Menge an Sauerstoff auf Grundlage der Sauerstoffkonzentration in einem zu messenden Gas abschätzt.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn der Zustand, dass die Temperatur des Detektorelements größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist, über zumindest eine vorbestimmte Zeit andauert, der Schätzabschnitt abschätzt, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff den Schwellenwert erreicht.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine erfasst, und der Schätzabschnitt abschätzt, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff den Schwellenwert erreicht, wenn der Zustand, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis der Brennkraftmaschine magerer ist als ein theoretisches Luft/Kraftstoffverhältnis, über zumindest eine vorbestimmte Zeit andauert.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff den Schwellenwert erreicht, der Korrekturabschnitt die Spannung, die zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode angelegt wird, niedriger als eine normale Spannung einstellt.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff den Schwellenwert erreicht, der Korrekturabschnitt die Spannung der Heizvorrichtung niedriger als eine normale Spannung einstellt.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement an einem Auspuff einer Brennkraftmaschine angebracht ist, die bei einem Motorrad vorgesehen ist.
Sauerstoffkonzentrations-Detektoreinrichtung, welche aufweist: eine Detektorvorrichtung, die eine Normalelektrode aufweist, einen für Sauerstoffionen durchlässigen Feststoff-Elektrolyten, und eine Messelektrode, die zusammenlaminiert sind; und eine Messvorrichtung zur Messung der elektromotorischen Kraft, die entsprechend der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck der Normalelektrode und dem Sauerstoffpartialdruck der Messelektrode erzeugt wird, durch Anlegen einer Spannung zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung weiterhin aufweist: eine Schätzvorrichtung zum Abschätzen der Menge an Sauerstoff, die sich an der Normalelektrode ansammelt; und eine Korrekturvorrichtung zum Ändern, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff einen Schwellenwert erreicht, des Ausmaßes der Betätigung des Detektorelements in einer solchen Richtung, in welcher die Menge an Sauerstoff verringert wird, die zur Normalelektrode fließt.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration unter Verwendung eines Detektorelements, das eine Normalelektrode aufweist, einen für Sauerstoffionen durchlässigen Feststoff-Elektrolyten, und eine Messelektrode, die zusammenlaminiert sind, mit folgenden Schritten: Anlegen einer Spannung zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode; Erfassung der Sauerstoffkonzentration in einem zu messenden Gas auf Grundlage der elektromotorischen Kraft, die entsprechend der Differenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck der Normalelektrode und dem Sauerstoffpartialdruck der Messelektrode erzeugt wird; gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte: Abschätzen der Menge an Sauerstoff, die sich an der Normalelektrode ansammelt; und Ändern, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff einen Schwellenwert erreicht, des Ausmaßes der Betätigung des Detektorelements in einer solchen Richtung, in welcher die Menge an Sauerstoff verringert wird, die zur Normalelektrode fließt.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Änderung des Ausmaßes der Betätigung den Schritt umfasst, die Spannung zu ändern, die zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode angelegt wird.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Änderung des Ausmaßes der Betätigung den Schritt umfasst, die Heiztemperatur des von einer Heizvorrichtung erwärmten Detektorelements zu ändern.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Abschätzung der angesammelten Menge an Sauerstoff folgende Schritte umfasst: Erfassung der Temperatur des Detektorelements; und Abschätzen der angesammelten Menge an Sauerstoff auf Grundlage der Temperatur des Detektorelements.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Abschätzung der angesammelten Menge an Sauerstoff folgende Schritte umfasst: Erfassung der Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas; und Abschätzen der angesammelten Menge an Sauerstoff auf Grundlage der Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Abschätzung der angesammelten Menge an Sauerstoff auf Grundlage der Temperatur des Detektorelements folgende Schritte umfasst: Bestimmung, ob die Temperatur des Detektorelements größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist; Messen der Zeit, in welcher der Zustand andauert, dass die Temperatur des Detektorelements größer oder gleich einer vorbestimmten Temperatur ist; und Abschätzen, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff einen Schwellenwert erreicht, wenn die Zeit für das Andauern größer oder gleich einer vorbestimmten Zeit ist.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas einer Brennkraftmaschine erfasst, und der Schritt der Abschätzung der angesammelten Menge von Sauerstoff auf Grundlage der Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gas folgende Schritte umfasst: Bestimmung, ob das Luft/Kraftstoffverhältnis in der Brennkraftmaschine magerer ist als ein theoretisches Luft/Kraftstoffverhältnis; Messen der Zeit, während derer der Zustand andauert, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis magerer ist als das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis; und Abschätzen, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff den Schwellenwert erreicht, wenn die Zeit für das Andauern größer oder gleich einer vorbestimmten Zeit ist.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Änderns der Spannung, die zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode angelegt wird, den Schritt umfasst, die zwischen der Normalelektrode und der Messelektrode angelegte Spannung auf weniger als eine normale Spannung einzustellen, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff den Schwellenwert erreicht.
Verfahren zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Änderung der Heiztemperatur des Detektorelements, das von einer Heizvorrichtung erwärmt wird, den Schritt umfasst, die Spannung der Heizvorrichtung niedriger einzustellen als eine normale Spannung, wenn abgeschätzt wird, dass die angesammelte Menge an Sauerstoff einen Schwellenwert erreicht.