DE102005013298B4

DE102005013298B4 - Steuervorrichtung für einen Gassensor

Info

Publication number: DE102005013298B4
Application number: DE102005013298.7A
Authority: DE
Inventors: Takuya Saito; Takeshi Kawai; Satoshi Teramoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: US7084379B2; US20050205550A1; DE102005013298A1; CN1673728A; CN100529749C

Abstract

Eine Steuervorrichtung (100) für einen Gassensor (30), wobei die Vorrichtung mit einem Gassensorelement (10) verbunden ist, welches ein Detektorelement (12), das ein in einem durch ein Abgasrohr einer Verbrennungsmaschine strömenden Abgas enthaltenes spezifisches Gas nachweisen kann, und einen Heizer (14) zum Heizen des Detektorelements (12) umfasst, wobei die Steuervorrichtung Heizerelektrifizierungsmittel (34, 44, S17) zur Versorgung des Heizers (14) mit Elektrizität umfasst, so daß das Detektorelement (12) auf oder über eine Aktivierungstemperatur hinaus geheizt werden kann, wobei die Steuervorrichtung angepaßt ist und weiterhin umfasst:• Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser zur Bestimmung, ob Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs erzeugt wird; und• Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) zur Versorgung des Heizers (14) mit Elektrizität anstelle und vor Nutzung der Heizerelektrifizierungsmittel (34, 44, S17) für den Fall, daß die Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser eine Erzeugung von Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs messen, wobei die Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) den Heizer (14) so mit elektrischer Leistung versorgen, daß die Temperatur des Detektorelements (12) innerhalb eines Temperaturbereichs von nicht weniger als 100°C aber unterhalb der Spritzwasserrisserzeugungstemperatur, bei der oder oberhalb der das Gassensorelement (10) beim Bespritzen mit Kondensationswasser Risse bildet, gehalten wird, wobei die Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) den Heizer (14) mit elektrischer Leistung eines ersten Niveaus während einer vorbestimmten Zeitdauer versorgen, nachdem die Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser gemessen haben, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs gebildet wird, und den Heizer (14) nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer mit elektrischer Leistung eines zweiten Niveaus, das kleiner ist als das erste Niveau, versorgen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung, die mit einem Gassensor ausgerüstet ist, der dazu verwendet wird, um zum Beispiel das Verhältnis von Luft und Kraftstoff in einer Verbrennungsmaschine zu steuern.
Beschreibung des Standes der Technik
Im Allgemeinen ist ein Gassensor mit einem Gaselement in einem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine angebracht, um das Lufttreibstoff-Verhältnis der Verbrennungsmaschine zu steuern. Ein wohlbekannter Gassensortyp umfasst ein Detektorelement, das aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festkörperelektrolyten (zum Beispiel Zirkonium) besteht, und Elektroden, die auf der Oberfläche des Detektorelements gebildet sind, und einen Heizer zum Heizen des Detektorelements auf eine Aktivierungstemperatur oder eine höhere Temperatur. Der Heizer erzeugt Hitze, sobald elektrische Leistung von einer externen Stromversorgung dorthin geliefert wird, wobei die Heizerzeugungsmenge durch Steuerung der Elektrizitätsversorgung gesteuert werden kann.
Um ein spezifisches Gas genau messen zu können, ist es wünschenswert, dass Elektrizität in einer solchen Weise zum Heizer geliefert wird, dass die Temperatur des Detektorelements rasch ansteigt, wodurch die Gasnachweiseinheit des Detektorelements rasch aktiviert wird. Unter Bedingungen jedoch, bei denen die Temperatur des Inneren des Abgasrohres niedrig ist (z.B. bei einem Kaltstart der Maschine), kondensiert die im Abgas enthaltene und von der Maschine abgegebene Feuchtigkeit innerhalb des Abgasrohres. Das heißt, dass unter Bedingungen, bei denen das Kondensat innerhalb des Abgasrohres erzeugt wird, und während das Detektorelement durch die Versorgung mit Elektrizität zu einer hohen Temperatur erhitzt wird, ein Phänomen auftritt, das Spritzwasserrissbildung genannt wird. Das heißt, das Gassensorelement kann durch den thermischen Schock Risse bilden, wenn Kondensationswasser am Gassensorelement anliegt, um es schnell zu kühlen.
Angesichts dieser Probleme, und um die Spritzwasserrissbildung des Gassensors zu unterdrücken, ist eine Technik vorgeschlagen worden, die unter Verwendung eines an der Wand des Abgasrohres befestigten Temperaturnachweiselements bestimmt, ob Wasser innerhalb des Abgasrohres vorhanden ist oder nicht, und die die Versorgung mit Elektrizität an den Heizer begrenzt, wenn Wasser innerhalb des Abgasrohres nachgewiesen wird (siehe zum Beispiel Patentschrift Nr. 1). In dieser Technik wird, wenn festgestellt wird, dass Kondensationswasser generiert worden ist, die Versorgung mit Elektrizität an den Heizer reduziert, um den thermischen Schock zu reduzieren, der beim Gassensor vorliegt, wenn Kondensationswasser am Gassensorelement anliegt. Wenn festgestellt wird, dass Kondensationswasser nicht innerhalb des Abgasrohres erzeugt worden ist, wird die Begrenzung der Elektrizitätsversorgung an den Heizer beseitigt und die Hauptelektrifizierung beginnt, um das Detektorelement zu aktivieren.
(Patentdokument 1) Japanische Patent Offenlegungsschrift Nr. 2001-41923 .
Aus JP 2003-083152 A ist ein Luft/Kraftstoffsensor mit einem Heizer bekannt, wobei der Heizer so angesteuert wird, daß die Temperatur des Luft/Kraftstoffsensors unterhalb einer Betriebstemperatur bleibt, solange Wasser an den Wänden des Abgasrohres vorhanden ist.
In der DE 199 41 878 A1 wird eine Vorrichtung zur Zeitsteuerung des Einschaltens der elektrischen Energiezufuhr zu einem Heizorgan beschrieben, wobei die Energiezufuhr solange unterbleibt, solange Kondenswasser in einem Abgasrohr vorhanden ist.
Die US 2003/0084892 A1 beschreibt einen Luft/Kraftstoffsensor mit einem Heizer, der so angesteuert wird, daß die Temperatur des Luft/Kraftstoffsensors unterhalb einer Betriebstemperatur bleibt, wenn Wasser an den Wänden des Abgasrohres vorhanden ist.
Ein Heizungsregler für einen Sauerstoffsensor ist in der DE 103 21 926 A1 beschrieben. Der Heizungsregler steuert die Heizung des Sauerstoffreglers in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur.
Die DE 100 19 465 C2 beschreibt ein Steuersystem zum Steuern der Temperatur einer Heizung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors mittels Pulsweitenmodulation.
Das zu lösende Problem
Studien durch die Erfinder haben jedoch ergeben, dass das Phänomen der Rissbildung der Gassensorelemente nicht nur für den Fall beobachtet wird, wenn mit Kondensationswasser am Gassensor eine Erhitzung auf hohe Temperaturen durchgeführt wird, wobei das Gassensorelement einem thermischen Schock ausgesetzt wird, der in die Spritzwasserrisserzeugung führt, sondern auch in dem Fall, wenn Wasser am Detektorelement anhaftet, bevor die Versorgung der Elektrizität zum Heizer anfängt oder wenn Kondensationswasser am Detektorelement haftet, das zu einer Temperatur von weniger als 100 °C aufgeheizt worden ist (nachfolgend als „Kondensationswasserrissbildung“ benannt).
Das bedeutet, dass das Gassensorelement zum Zeitpunkt eines kalten Starts der Verbrennungsmaschine das Gassensorelement selbst kalt ist und von Anfang an Kondensationswasser an der äußeren Oberfläche des Detektorelements anhaften kann. Wenn in diesem Zustand die Elektrizitätsversorgung zum Heizer angefangen hat, steigt die Temperatur des Heizers kontinuierlich. Jedoch steigt die Temperatur des Detektorelements aufgrund des Kondensationswassers an der Oberfläche des Detektorelements nicht über 100 °C an, bis das Kondensationswasser verdampft ist. Wenn zu einem Zeitpunkt, bei dem das an der Oberfläche des Detektorelements anhaftende Kondensationswasser komplett verdampft ist, eine große Temperaturdifferenz zwischen Heizer und Detektorelement vorliegt, steigt die Temperatur des Detektorelements abrupt an. Das geschieht durch den Einfluss des Heizers, wodurch durch den thermischen Schock Rissbildung (Kondensationswasserrissbildung) im Detektorelement erzeugt werden kann.
Die Technik des oben genannten Patentdokumentes 1 limitiert die Elektrizitätsversorgung zum Heizer sobald festgestellt worden ist, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres generiert wird. Patentdokument 1 beschreibt jedoch nicht die Temperatur zu einer Zeit, während der die Limitierung der Elektrizitätsversorgung zum Heizer beseitigt worden ist. Daher kann die Elektrizitätsversorgung zum Heizer gemäß dieser Technik in einer solchen Weise begrenzt werden, dass die Temperatur des Detektorelements in einer Region unterhalb von 100 °C gehalten wird. Jedoch wird in einigen Fällen die oben genannte Kondenswasserrissbildung erzeugt, wenn der Modus der Elektrizitätsversorgung des Heizers auf die Hauptelektrifizierung gewechselt ist, nachdem die Temperatur des Detektorelements auf unterhalb 100 °C begrenzt worden ist. Insbesondere, in den Fällen, wo das Wasser an den Oberfläche des Detektorelements vor dem Start der Elektrizitätsversorgung des Heizers anhaftet, verursacht die oben genannte Heizersteuerung das folgende Phänomen. Obwohl die Temperatur des Heizers nach dem Start der Hauptelektrifizierung kontinuierlich ansteigt, steigt die Temperatur des Detektorelementes nicht schnell an und übersteigt 100 °C, mit dem Resultat einer Kondensationswasserrissbildung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden angesichts der oben genannten Probleme des Standes der Technik, und ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung für einen Gassensor bereitzustellen, der nicht nur Spritzwasserrissbildung sondern auch Kondensationswasserrissbildung zu einem Zeitpunkt des kalten Starts in einer Verbrennungsmaschine unterdrücken kann.
Das oben genannte Ziel wird dadurch erreicht, dass eine Steuervorrichtung für einen Gassensor bereitgestellt wird, wobei die Vorrichtung mit einem Gassensorelement, der ein Detektorelement umfasst, das ein in einem durch ein Abgasrohr einer Verbrennungsmaschine durchfließenden Abgas enthaltenes spezifisches Gas nachweisen kann, und einem Heizer zum Heizen des Detektorelements verbunden ist. Die Steuervorrichtung umfasst Heizerelektrifizierungsmittel für die Versorgung des Heizers mit Elektrizität, sodass das Detektorelement auf eine Aktivierungstemperatur oder auf eine höhere Temperatur erhitzt wird. Die Steuervorrichtung umfasst weiterhin Mittel zum Messen von Kondensationswasser, um festzustellen, ob Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres erzeugt wird; und Vorelektrifizierungsmittel zur Versorgung des Heizers mit Elektrizität als Ersatz für die Heizerelektrifizierungsmittel für den Fall, dass die Mittel zum Messen von Kondensationswasser feststellen, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres erzeugt wird, wobei die Vorelektrifizierungsmittel den Heizer mit elektrischer Leistung eines ersten Niveaus während einer vorbestimmten Zeitdauer versorgen, nachdem die Mittel zum Messen von Kondensationswasser gemessen haben, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs gebildet wird, und den Heizer nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer mit elektrischer Leistung eines zweiten Niveaus, das kleiner ist als das erste Niveau, versorgen. Die Vorelektrifizierungssmittel versorgen den Heizer mit elektrischer Leistung, um die Temperatur des Detektorelements innerhalb eines Temperaturbereichs von nicht weniger als 100 °C aber unterhalb der Spritzwasserrissbildungstemperatur, bei der oder oberhalb der das Gassensorelement Risse bildet, wenn es mit Kondensationswasser bespritzt wird.
Eine charakteristische Eigenschaft der Steuervorrichtung für einen Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass, wenn die Mittel zum Messen von Kondensationswasser feststellen, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres generiert wird, die Vorelektrifizierungsmittel den Heizer mit elektrischer Leistung versorgen, um die Temperatur des Detektorelements innerhalb eines Temperaturbereichs von nicht weniger als 100 °C, aber unterhalb der Spritzwasserrissbildungstemperatur zu halten.
Wie oben beschrieben wird gemäß der vorliegenden Erfindung, sobald festgestellt worden ist, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres generiert wird, mit den Vorelektrifizierungsmitteln elektrische Leistung an den Heizer geliefert, sodass die Temperatur des Detektorelements gleich oder höher als 100 °C wird. Dadurch wird selbst in dem Fall, wenn bei Beginn eines Kaltstarts oder direkt danach Kondensationswasser an der Oberfläche des Detektorelements der Verbrennungsmaschine anhaftet, die Verdampfung des Kondensationswassers während der Vorelektrifizierung beschleunigt. Weiterhin liefern die Vorelektrifizierungsmittel elektrische Leistung an den Heizer, um die Temperatur des Detektorelements innerhalb eines Bereichs von unterhalb der Spritzwasserrissbildungstemperatur zu halten während die Temperatur des Detektorelements gleich oder höher als 100 °C wächst. Daher kann die Temperaturdifferenz zwischen dem Detektorelement und dem Heizer auf ein kleines Niveau gedrückt werden, selbst wenn das an dem Detektorelement anhaftende Kondenswasser während der Vorelektrifizierung verdampft, wobei eine Bildung von Kondensationswasserrissbildung während der Vorelektrifizierung verhindert werden kann.
Darüber hinaus kann die Spritzwasserrissbildung, weil die Vorelektrifizierungsmittel den Heizer mit elektrischer Leistung für den Erhalt der Temperatur des Detektorelements innerhalb eines Bereichs unterhalb der Spritzwasserrissbildungstemperatur versorgt, unterdrückt werden, die anderenfalls passieren würde, wenn ein Tröpfchen von atmosphärischem Kondenswasser innerhalb des Abgasrohres Kontakt mit dem Gassensor bildet. In der vorliegenden Spezifizierung bedeutet Spritzwasserrissbildungstemperatur eine Temperatur, bei der ein Riss in dem Gassensorelement erzeugt wird, wenn ein Wassertröpfchen von 2 µl auf die Oberfläche des Gassensorelements während einer Periode fällt, in der die Temperatur des Detektorelements durch kontinuierliche Anwendung eines konstanten Gleichstroms an den Heizer leicht angehoben wird. Die Temperatur des Detektorelements kann durch ein Thermoelementpaar gemessen werden, das auf einem Gasdetektorbereich des Detektorelements angeordnet ist, der dem Abgas ausgesetzt ist. Insbesondere liegt die Spritzwasserrissbildungstemperatur in einen Bereich nicht niedriger als 250 °C aber niedriger als 350 °C. Mehr bevorzugt liegt der Bereich, um Spritzwasserrissbildung ohne Fehler zu unterdrücken, nicht unterhalb von 250 °C aber nicht höher als 350 °C.
Für die vorliegende Erfindung sei insbesondere darauf hingewiesen, dass es keine besondere Begrenzung darüber gibt, in welcher Weise der Heizer versorgt wird, solange der Heizer in der Nähe des Detektorelements angeordnet ist. Zum Beispiel, wenn das Detektorelement in der Form eines Zylinders mit Boden ausgebildet ist, kann der Heizer in das Innere des Detektorelements eingeführt sein. Wenn das Detektorelement die Form einer Platte, die sich entlang einer longitudinalen Richtung erstreckt, gebildet ist, kann der Heizer auf dem Detektorelement laminiert sein. Insbesondere wenn der Heizer auf dem Platten-geformten Detektorelement laminiert ist, können Detektorelement und Heizer einstückig gebrannt oder mittels einer Verbindungsschicht verbunden werden. Ein Gassensor mit einer Struktur, in der ein planares Detektorelement und ein planarer Heizer laminiert verbunden sind, kann im Vergleich zu einem zylindrischen Gassensorelements (Detektorelements) kompakt ausgebildet werden, was die Verdampfung des an dem Detektorelement anliegenden Kondensationswassers während der Vorelektrifizierung erheblich beschleunigen kann. Daher hat ein Gassensorelement, das für die Gassensorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, bevorzugt eine Struktur, in der ein planares Detektorelement und Heizelement geschichtet sind. Eine wohlbekannte Leistungssteuerungsmethode kann dazu verwendet werden, unter Verwendung von Vorelektrifizierungsmitteln oder Heizerelektrifizierungsmitteln elektrische Leistung (vorbestimmte elektrische Leistung) für den Heizer zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel einer solchen wohlbekannten Leistungssteuerungsmethode umfasst die Pulslängenmodulationssteuerung (PLM).
In der oben beschriebenen Steuervorrichtung für einen Gassensor bestimmen bevorzugt die Mittel zum Messen von Kondensationswasser auf der Basis der Temperatur des Kühlwassers der Verbrennungsmaschine, ob Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres erzeugt wird. Weil die Kühlwassertemperatur stark mit der Wandtemperatur des Abgasrohres korreliert, kann die Bestimmung in einer einfachen Weise genau durchgeführt werden.
Darüber hinaus beliefern die Vorelektrifizierungsmittel in der oben beschriebenen GassensorSteuervorrichtung, nachdem die Mittel zum Messen von Kondensationswasser festgestellt haben, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres generiert wird, den Heizer während einer vorbestimmten Zeitdauer bevorzugt mit elektrischer Leistung eines ersten Leistungsniveaus, und nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer bevorzugt mit elektrischer Leistung eines zweiten Leistungsniveaus, das niedriger als das erste Leistungsniveau ist.
Kondensationswasserrissbildung kann nicht nur vorkommen, wenn vor Starten der Verbrennungsmaschine Kondensationswasser am Detektorelement anhaftet, sondern auch wenn ein innerhalb des Abgasrohres vorbeifliegender Kondensationswassertropfen nach dem Start der Elektrizitätsversorgung des Heizers aber vor Erreichung einer Detektorelementtemperatur von 100 °C auf das Detektorelement trifft. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Erfindung während einer vorbestimmten Zeitdauer, nachdem Kondensationswasser festgestellt worden ist, elektrische Leistung bei einem relativ hohen ersten Leistungsniveau für den Heizer bereitgestellt, um schnell eine Detektorelementtemperatur von 100 °C zu erreichen. Danach wird für den Heizer eine elektrische Leistung bei einem zweiten Leistungsniveau, das niedriger als das erste Leistungsniveau ist, bereitgestellt. Dadurch kann Kondensationswasserrissbildung des Detektorelements während eines kalten Starts der Verbrennungsmaschine verlässlicher verhindert werden.
Darüber hinaus berechnen die Vorelektrifizierungsmittel der oben beschriebenen GassensorSteuervorrichtung auf der Basis eines Spannungswertes der Stromversorgung eine relative Einschaltzeit („duty ratio“) der an den Heizer anzulegenden Spannungspulsform und steuern die Elektrizitätsversorgung des Heizers mittels Pulslängenmodulation (PLM), um dadurch die elektrische Leistungsversorgung des Heizers bei einem ersten und einem zweiten Leistungsniveau zu steuern. Die Pulslängenmodulation ist auch als „pulse width modulation“ (PWM) bekannt. Der Vorteil einer PLM-Steuerung liegt darin, dass die dem Heizer zuzuführende Leistung durch Steuerung der relativen Einschaltzeit auf einfache Weise gesteuert werden kann. Insbesondere kann durch PLM-Steuerung die Elektrizitätsversorgung des Heizers bei ersten und zweiten Leistungsniveaus während der Vorelektrifizierung ohne Verwendung von komplexen Steuerungsmethoden genau kontrolliert werden.
Figurenliste

1 ist ein Querschnitt eines laminaren Sauerstoffsensorelements für den Einbau in einen Gassensor (Sauerstoffsensor) entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Querschnitt senkrecht zu der longitudinalen Richtung des Sensorelements genommen ist.
2 ist eine Explosionszeichnungsansicht des laminaren Sauerstoffsensorelements entsprechend der Ausführungsform.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Steuervorrichtung für den Gassensor (Sauerstoffsensor) entsprechend der Ausführungsform.
4 ist ein Flussdiagramm einer Heizerelektrifizierungssteuerung (Heizersteuerungsroutine), die bei dem Steuerungsapparat der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
5 ist eine Zeichnung, die sich auf die Steuervorrichtung für den Gassensor (Sauerstoffsensor) entsprechend der Ausführung bezieht, und zeigt die Temperaturänderung des Detektorelements in Abhängigkeit der elektrischen Leistung, die an den Heizer geliefert wird, wobei das Detektorelement auf den Heizer laminiert ist.

Bezugszeichenliste
Die Bezugsnummer, die zur Identifizierung gewisser struktureller Elemente in den Zeichnungen verwendet werden, beinhalten die folgenden Zahlen:

100: Steuervorrichtung
10: Sauerstoffsensorelement vom laminaren Typ (Gassensorelement)
11: Festkörperelektrolytplatte
12: Detektorelement
131: Detektorelektrode
132: Referenzelektrode
14: Heizer
21: Heizwiderstandselement
30: Gassensor (Sauerstoffsensor)
32: Sensorschaltung
34: Heizersteuerungsschaltung
36: Stromversorgungsspannungsdetektorschaltung
38: Wassertemperatursensor
42: Batterie
44: Mikrocomputer

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es wird nun mit Bezug auf die 1 bis 4 eine Steuervorrichtung für einen Gassensor entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Gassensor ein Sauerstoffsensor zum Nachweis der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas, das von einer Verbrennungsmaschine abgeschieden wird (eine Automobilverbrennungsmaschine). Weiterhin wird unten eine Steuervorrichtung 100, die mit einem Sauerstoffsensor ausgerüstet ist, beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht durch die Ausführungsbeispiele begrenzt werden.
Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst der Sauerstoffsensor der Steuervorrichtung 100 der vorliegenden Ausführung ein laminares Sauerstoffsensorelement 10 mit einem Detektorelement 12 und einem Heizer 14, die laminiert worden sind und durch Brennung integral miteinander verbunden sind. 1 zeigt einen querverlaufenden Querschnitt (querverlaufenden Querschnitt einschließlich des Detektorelements 31, der weiter unten beschrieben werden wird) eines laminaren Sauerstoffsensorelements 10 der vorliegenden Ausführung, der entlang einer Richtung senkrecht zu der longitudinalen Richtung verläuft. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur des laminaren Sauerstoffsensorelements 10 von 1 zeigt. Man beachte insbesondere, dass das laminare Sauerstoffsensorelement 10 innerhalb einer metallischen Schale angeordnet ist. Der Sauerstoffsensor 30 ist an einen vorbestimmten Befestigungsteil eines Abgasrohres durch die metallische Schale befestigt, wobei der Sauerstoffsensor 30 an einer vorbestimmten Position innerhalb des Abgasrohres angeordnet ist.
Das Detektorelement 12 umfasst ein Festkörperelektrolyten-Schichtelement 11, das vor allem aus Zirkonium geformt ist. Eine Referenzelektrode 132 ist auf der Oberfläche des Festkörperelektrolyten-Schichtelements 11 ausgebildet, wobei die Oberfläche dem Heizer 14 gegenüber liegt, und eine Detektorelektrode 131 ist auf der Oberfläche des Festkörperelektrolyten-Schichtelements 11, dessen Oberfläche gegenüber der Referenzelektrode 132 anliegt. Leitungsbereiche 133 und 134 erstrecken sich von der Detektorelektrode 131 und der Referenzelektrode 132 jeweils entlang der longitudinalen Richtung des Festkörperelektrolyten-Schichtelements 11. Das entfernte Ende des leitenden Leitungselements 133 ist an einen externen Anschluss (nicht gezeigt) angeschlossen, zu welchem die Sensorschaltung verbunden ist. Ein entferntes Ende des leitenden Leitungselement 134 ist mit einem Signalausgangsanschluss 136 mittels eines Durchgangsloches 135 verbunden, das sich durch das Festkörperelektrolyten-Schichtelement 11 hindurch erstreckt. Der Signalausgangsanschluss 136 ist an einen externen Anschluss (nicht gezeigt) angeschlossen, an welchem eine Sensorschaltung angeschlossen ist. Eine poröse Elektrodenschutzschicht 15 ist auf der Detektorelektrode 131 ausgebildet, um die Detektorelektrode 131 vor Verschmutzung zu schützen. Eine Verstärkungsschutzschicht 16 ist auf dem leitenden Leitungselement 133 ausgebildet, wobei ein Bereich, der an einen externen Anschluss angeschlossen wird, ausgeschlossen ist, um das Festkörperelektrolyten-Schichtelement 11 zu schützen.
Der Heizer 14 umfasst ein Heizwiderstandelement 21, das im Wesentlichen aus Platin gebildet ist, und das Heizwiderstandelement 21 ist geschichtet zwischen einem ersten Substrat 22 und einem zweiten Substrat 23, die im Wesentliche aus Aluminiumoxyd geformt sind, das eine hohe Isolationseigenschaft hat. Um einen Bereich des Festkörperelektrolyten-Schichtelements 11 lokal zu erhitzen (einen so genannten Gasdetektorbereich), der zwischen Detektorelektrode 131 und Referenzelektrode 132 geschichtet ist, hat das Heizwiderstandelement 21 einen Heizgenerationsbereich 212, der in einem meanderförmigen Muster ausgebildet ist, und ein Paar von Heizverbindungsbereichen 213, die mit den jeweilig gegenüberliegenden Endbereichen der Heizgenerationsbereiche 212 verbunden sind und sich entlang der longitudinalen Richtung erstrecken. Die Endbereiche 211 der Heizleitungsbereiche 213, die gegenüber den Endbereichen, die mit den Heizgenerationsbereichen 212 verbunden sind, angeordnet sind, sind durch zwei Durchführungen 231 mit einem Paar von Heizelektrifizierungsanschlüssen 232, die sich durch das zweite Substrat 23 erstrecken, elektrisch verbunden. Die Heizelektrifizierungsanschlüsse 232 sind mit den entsprechenden externen Anschlüssen verbunden.
Als nächstes wird die allgemeine Anordnung der mit einem Sauerstoffsensor 30 ausgerüsteten Steuervorrichtung 100, in die das oben beschriebene laminare Sauerstoffsensorelement 10 eingebaut ist, unter Bezugnahme auf das Systemdiagramm in 3 beschrieben. Der Sauerstoffsensor 30 umfasst das laminare Sauerstoffsensorelement 10, in welchem das Detektorelement 12 und der Heizer 14 wie oben beschrieben laminiert sind. Eine Sensorschaltung 32 ist mit dem Detektorelement 12 verbunden (im Speziellen die Detektorelektrode 131 und die Referenzelektrode 132 des Detektorelements 12). Ein Anschluss des Heizers 14 (spezifisch, das Heizwiderstandelement 21 des Heizers 14) ist an eine Batterie (Fahrzeugleistungsquelle) 42 verbunden, und der andere Anschluss des Heizers 14 ist verbunden mit der Heizersteuerungsschaltung 34. Auf diese Weise bildet der Heizer eine geschlossene Schleife im Zusammenwirken mit der Batterie 32 und der Heizsteuerungsschaltung 34. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Batterie 42 eine Bleisäurebatterie, die eine Nennspannung von 12 V hat.
Sensorschaltung 32 und die Heizersteuerschaltung 34 sind an einen Mikrocomputer 44 angeschlossen. Da die Schaltungsanordnungen von Sensorschaltung 32 und Heizersteuerschaltung 34 bekannt sind, werden ihre Details nicht näher beschrieben. Die Heizersteuerschaltung 34 weist ein Schaltungselement (zum Beispiel ein FET) auf, um den Heizer 14 mit Pulsen aufgrund eines Pulssignals Sh (weiter unten beschrieben) vom Ausgang des Mikrocomputers 44 zu treiben. Obwohl die Details des Mikrocomputers 44 nicht beschrieben werden, hat der Mikrocomputer 44 eine bekannte Konfiguration und umfasst einen Mikroprozessor für eine Durchführung von Berechnungen, ein RAM für das zwischenzeitliche Speichern eines Programms und Daten, ein ROM zum Speichern des Programms und von Daten, einen A/D-Wandler, einen Eingangsanschluss („input port“), etc.
Zusätzlich zu der Sensorschaltung 32 und der Heizersteuerschaltung 34 ist eine Stromversorgungsdetektorschaltung 36 zum Detektieren der Spannung Vb der Batterie 42 an den Mikrocomputer 44 angeschlossen. Weiterhin ist ein Wassertemperatursensor 38, der dem inneren des Wassermantel der Maschine ausgesetzt ist und die Kühlwassertemperatur Tw detektiert, an den Mikrocomputer 44 angeschlossen, wobei ein Signal des Wassertemperatursensors 38 in den Mikrocomputer 44 geführt wird. Der Mikrocomputer 44 hat insbesondere die Funktion (die durch den Heizelektrifizierungsprozess realisiert wird, der weiter unten beschrieben ist), die relative Einschaltzeit („duty ratio“) der Pulsform der Spannung, die an den Heizer 14 angelegt wird (insbesondere des Heizerwiderstandelements 21) basierend auf der Spannung Vb der Batterie 42 (weiterhin als Batteriespannung Vb bezeichnet) und der Kühlwassertemperatur Tw zu berechnen. Der Mikrocomputer 44 hat einen PLM-Ausgang für das Ausgeben des Pulssignals Sh, um eine PLM-Steuerung für die Elektrizitätsversorgung des Heizers 14 im Einklang mit der berechneten relativen Einschaltzeit zu steuern.
Als nächstes wird anhand von 4 eine Heizerelektrifizierungssteuerung (eine Heizsteuerroutine), die durch den Mikrocomputer 44 der Steuervorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, beschrieben. Wenn der Motor des Automobils betrieben wird, wird eine konstante Spannung für den Mikrocomputer 44 mittels einer nicht gezeigten Wandlerschaltung zur Verfügung gestellt. Dadurch wird ein benötigtes Programm vom ROM gelesen, sodass die Heizerkontrollschaltung 34 auf die folgende Weise gesteuert wird.
In einem ersten Schritt S1 führt der Mikrocomputer 44 eine Initialisierung des Programms durch. Während dieser Initialisierung führt der Mikrocomputer 44 die folgenden Schritte durch, (a) Initialisierung der Zeitvariable (TIME = 0), (b) Setzen eines Anfangswertes LL auf 121 (= 11²), wobei der Wert für die Berechnung der relativen Einschaltzeit der Hauptelektrifizierung Dm während einerelektrischen Stromversorgung, die 11 V entspricht, verwendet wird, (c) Setzen eines Anfangswertes MM auf 9 (= 3²), wobei der Wert für die Berechnung der relativen Einschaltzeit Dsk für die Kaltzeitfortsetzungselektrifizierung während einer elektrischen Stromversorgung, die einem Wert von 3 V entspricht, verwendet wird, und (d) Setzen eines Anfangswertes NN auf 100 (= 10²), wobei der Wert für die Berechnung einer relativen Einschaltzeit Dss für eine Kaltanfangselektrifizierung während einer elektrische Stromversorgung, die 10 V entspricht, verwendet wird. Diese Werte basieren auf einer elektrischen Leistung, die proportional zu dem Quadrat der Spannung ist.
Danach fährt der Mikrocomputer 44 mit Stufe S2 fort, um ein Signal vom Wassertemperatursensor 38 über einen Eingangsanschluss zu erhalten, um dabei die Kühlwassertemperatur Tw zu detektieren. Im folgenden Schritt S3 bestimmt der Mikrocomputer 44, ob die Kühlwassertemperatur Tw 0 °C oder niedriger ist. Wenn die Kühlwassertemperatur Tw höher als 0 °C (nein) ist, bestimmt der Mikrocomputer 44, dass kein Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres generiert worden ist, was heißt, dass es keine Rissbildung (Spritzwasserrissbildung) auf dem Detektorelement 12, das von anhaftendem Kondensationswasser stammt, geben kann. In diesem Fall schreitet der Mikrocomputer 44 mit Schritt S15 fort.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht der Sauerstoffsensor 30 aus dem Detektorelement 12, das die oben beschriebene Konfiguration hat. Angesichts der Dicke, des Materials, etc., des Detektorelements 12 kann Rissbildung (Spritzwasserrissbildung) im Detektorelement 12 aufgrund eines thermischen Schocks passieren, wenn Kondensationswasser an der Oberfläche des Detektorelements 12 in einem Zustand anhaftet, in dem das Detektorelement auf eine Temperatur oberhalb von 300 °C oder höher erhitzt wird. Wenn daher die Kühlwassertemperatur Tw gleich oder niedriger als 0 °C ist (ja), bestimmt der Mikrocomputer 44, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres generiert worden ist und fährt mit Schritt S4 fort. In Schritt S4 misst der Mikrocomputer 44 die Batteriespannung Vb.
Danach fährt der Mikrocomputer 44 mit Schritt S5 fort, um eine relative Einschaltzeit Dss der Kaltzeitanfangselektrifizierung gemäß der Gleichung „Dss = NN/Vb²“ zu erhalten. Wenn zum Beispiel Vb = 12 V ist, ist die relative Einschaltzeit Dss der Kaltzeitanfangselektrifizierung 0,69 (= 69 %) (Dss = 100/12² = 0,69). Danach gibt der Mikrocomputer 44 in Schritt S6 ein Pulssignal Sh vom PLM-Ausgang aus, das sich in Abhängigkeit von der erhaltenen relativen Einschaltzeit Dss (zum Beispiel 0,69) der Kaltzeitanfangselektrifizierung ändert und somit den Heizer 14 (speziell das Heizerwiderstandelement) unter Verwendung der Heizersteuerschaltung 34 gemäß der relativen Einschaltzeit Dss der Kaltzeitanfangselektrifizierung gepulst antreibt. Da der Heizer 14 bei einer relativen Einschaltzeit der Kaltzeitanfangselektrifizierung, die von der Batteriespannung Vb stammt, gepulst wird, wird elektrische Leistung für den Heizer 14 bereitgestellt, die einer Spannung von 10 V (auf DC 10 V) an den Heizer 14 äquivalent ist.
Danach wartet der Mikrocomputer 44 in Schritt S7 auf den Ablauf eines vorbestimmten Zeitintervalls (zum Beispiel 0,25 Sekunden), während der Mikrocomputer 44 in Schritt S8 bestimmt, ob die Zeitvariable TIME die Beziehung TIME = 3 Sekunden erfüllt. Wenn die Periode von 3 Sekunden noch nicht abgelaufen ist (nein), geht der Mikrocomputer 44 auf Schritt 4 zurück. Nachdem die Zeitperiode von 3 Sekunden abgelaufen ist (ja), geht der Mikrocomputer 44 auf Schritt S9 und initialisiert die Zeitvariable (TIME = 0). Mit dieser Operation endet die erhöhte Versorgung mit einer 10 V entsprechenden elektrischer Leistung, während der Zeit des kalten Anfangsstarts nach 3 Sekunden.
Danach fahrt der Mikrocomputer 44 mit Schritt S10 fort und liest die Batteriespannung Vb auf die gleiche Weise wie in Schritt S4. Danach fährt der Mikrocomputer 44 mit Schritt S11 fort, um die relative Einschaltzeit Dsk der Kaltzeitfortsetzungselektrifizierung im Einklang mit der Gleichung „Dsk = MM/Vb²“ zu erhalten. Zum Beispiel, wenn Vb = 12 V ist, erhält man einen relativen Einschaltzeit Dsk der Kaltzeitfortsetzungselektrifizierung von 0,06 (= 6 %) (Dsk = 9/12² = 0,06). Danach gibt der Mikrocomputer 44 in Schritt S12 vom PLM-Ausgang aus das Pulssignal Sh, das sich in Abhängigkeit von der erhaltenen relativen Einschaltzeit der Kaltzeitfortsetzungselektrifizierung ändert (zum Beispiel 0,06), um mittels der Heizersteuerschaltung 34 den Heizer 14 bei einer relativen Einschaltzeit Dsk für die Kaltzeitfortsetzungselektrifizierung gepulst anzutreiben. Da der Heizer 14 bei einer relativen Einschaltzeit Dsk der Kaltzeitfortsetzungselektrifizierung, die von der Batteriespannung Vb hergeleitet wird, gepulst angetrieben wird, entspricht die elektrische Leistung für den Heizer einem Wert, der für den Heizer 14 äquivalent zu 3 V (DC 3 V) ist.
Danach wartet der Mikrocomputer in Schritt S13 auf den Ablauf einer vorgegebenen Zeitperiode (zum Beispiel 0,25 Sekunden), während der Mikrocomputer in Schritt S14 feststellt, ob die Zeitvariable TIME die Beziehung TIME = 27 Sekunden erfüllt. Wenn die Zeitperiode von 27 Sekunden noch nicht abgelaufen ist (nein), geht der Mikrocomputer 44 auf Schritt S10 zurück. Wenn jedoch die Zeitdauer von 27 Sekunden abgelaufen ist (ja), das heißt, wenn 30 Sekunden abgelaufen sind, nachdem festgestellt worden ist, dass die Kühlwassertemperatur gleich oder niedriger als 0 °C ist, geht der Mikrocomputer 44 auf Schritt S15. Man beachte, dass die oben beschriebenen Prozesse von Schritt S4 bis S14 der Vorelektrifizierung entsprechen, die vor der Hauptelektrifizierung in Schritt S15 und darüber hinaus ausgeführt werden.
In Schritt S15 erfasst der Mikrocomputer 44 die Batteriespannung Vb auf die gleiche Weise wie in den Schritten S4 und S10. Danach erhält der Mikrocomputer 44 in Schritt S16 die relative Einschaltzeit Dm für die Hauptelektrifizierung im Einklang mit der Gleichung „Dm = LL/Vb²“. Zum Beispiel wird für den Fall, bei dem Vb = 12 Volt ist, ein Wert von 0,84 (= 84 %) für die relative Einschaltzeit Dm für die Hauptelektrifizierung (Dm = 121/12² = 0,84) erhalten. Danach gibt der Mikrocomputer 44 in Schritt S16 vom PLM-Ausgang aus das Pulssignal Sh heraus, das in Abhängigkeit von der relativen Einschaltzeit Dm (zum Beispiel 0,84) der Hauptelektrifizierung sich ändert, um dabei den Heizer 14 mit einer relativen Einschaltzeit Dm für die Hauptelektrifizierung unter Verwendung der Heizersteuerschaltung 34 gepulst zu treiben. Da der Heizer bei einer relativen Einschaltzeit Dm für die Hauptelektrifizierung, die von der Batteriespannung Vb abgeleitet wird, gepulst getrieben wird, entspricht die elektrische Leistung für den Heizer 14 einem Wert, der äquivalent zu 11 V (DC 11 V) ist.
Danach wartet der Mikrocomputer 44 in Schritt S18 auf den Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer (zum Beispiel 0,25 Sekunden) während der Mikrocomputer 44 danach auf Schritt S15 zurückgeht. Nach diesem Zeitpunkt wird elektrische Leistung kontinuierlich für den Heizer 14 bereitgestellt mit einem Wert, der dem Fall entspricht, bei dem 11 V Gleichstrom für den Heizer bereitgestellt werden, bis der Betrieb des Automobils (Motor) gestoppt wird und der Mikrocomputer 44 ebenfalls gestoppt wird.
Unter den Heizerelektrifizierungssteuerungen, die durch den Mikrocomputer 44 ausgeführt werden, zeigt 5 eine Heizerelektrifizierungssteuerung, die durchgeführt wird, wenn die Kühlwassertemperatur Tw gleich oder niedriger als 0 °C in Schritt 3 ist, einschließlich dem Verhalten der Temperatur (Temperaturwechsel) des Detektorelements 12 zur gleichen Zeit. In 5 repräsentiert die Linie „a“ das Muster der elektrischen Leistungsversorgung für den Heizer 14 (genauer gesagt das Heizerwiderstandelement 21), und Linie „b“ repräsentiert den Temperaturwechsel des Detektorbereichs des Detektorelements 12, der auf den Heizer 14 aufliegt. Man beachte, dass im Test eine gewisse Wassermenge auf die Oberfläche des Detektorelements aufgebracht war, bevor die Elektrifizierung begonnen hat, und die Temperatur war ungefähr 0 °C vor dem Start der Elektrifizierung.
Da die oben beschriebene Heizerelektrifizierungssteuer durch den Mikrocomputer 44 durchgeführt wird, wird erst eine elektrische Leistung von 10 V an den Heizer für 3 Sekunden nach Start der Maschine geliefert, und dann 3 V elektrische Leistung für den Heizer für 27 Sekunden. Daraus resultiert, dass die Temperatur des Heizers 14 schnell anwächst und bei ungefähr 200 °C während der Vorelektrifizierungsperiode vor Ablauf der Zeit von 30 Sekunden stabil wird. Währenddessen steigt die Temperatur des Detektorelements 12, um dem Temperaturanstieg des Heizers 14 zu folgen. Weil jedoch Wasser an der Oberfläche des Detektorelements 12 anhaftet, stoppt der Temperaturanstieg des Detektorelements 12 zwischenzeitlich bei ungefähr 100 °C. Dadurch ist die Temperatur des Detektorelements 12 bei ungefähr 100 °C gehalten, bis das an der Oberfläche des Detektorelements 12 anhaftende Wasser aufgrund der Erhitzung durch den Heizer 14 verdampft ist. Sobald das Wasser verdampft ist, steigt die Temperatur des Detektorelements 12 wieder an und wird bei ungefähr 200 °C stabil.
Wie oben beschrieben wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn festgestellt worden ist, dass eine Kondensationswasserbildung innerhalb des Abgasrohres erwartet wird (das heisst, wenn die Kühlwassertemperatur Tw gleich oder unterhalb von 0 °C ist), elektrische Leistung in einer solchen Weise für den Heizer 14 zur Verfügung gestellt, dass die Temperatur des Detektorelements 12 auf 100 °C oder höher (in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 200 °C) erhitzt wird. Durch diese Operation verdampft das am Detektorelement 12 anhaftende Wasser während der oben beschriebenen Vorelektrifizierung selbst dann, wenn Wasser (Kondensationswasser) an der Oberfläche des Detektorelements 12 von Beginn an (zum Beispiel kalter Start) anhaftet. Weiterhin wird in der Vorelektrifizierungsphase elektrische Leistung für den Heizer 14 in einer Menge zugeführt, dass die Temperatur des Detektorelements 12 innerhalb eines Bereichs unterhalb der Spritzwasserrissbildungstemperatur (in der vorliegenden Ausführungsform ungefähr 300 °C wie oben beschrieben) bleibt, während die Temperatur des Detektorelements gleich oder höher als 100 °C ist (in der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur des Detektorelements 12 auf ungefähr 200 °C gehalten). Daher wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Detektorelement 12 und dem Heizer 14 auf einen niedrigen Wert gedrückt, selbst wenn Wasser an dem Detektorelement 12 anhaftet und während der Vorelektrifizierung verdampft, wodurch die Bildung von Kondensationswasserrissbildung im Detektorelement 12 während der Vorelektrifizierung verhindert werden kann.
Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform auch Spritzwasserrissbildung unterdrückt, weil die elektrische Leistung für den Heizer 14 in einer Weise zugeführt wird, dass die Temperatur des Detektorelements innerhalb eines Bereichs unterhalb der Spritzwasserrissbildungstemperatur (ungefähr 300 °C) des laminaren Sauerstoffsensorelements 10 bleibt (in der vorliegenden Ausfiihrungsform ist die Temperatur des Detektorelements 12 bei ungefähr 200 °C gehalten).
Nochmals Bezug nehmend auf 5 wird die Elektrizitätsversorgung des Heizer 14 von Vorelektrifizierung auf Hauptelektrifizierung gewechselt, wenn 30 Sekunden seit dem Start der Maschine vergangen sind. Mit diesem Wechsel wird 11 V elektrische Leistung an den Heizer 14 geliefert und die Heizerzeugungsmenge des Heizers 14 wächst an. Als Resultat davon wechselt die Temperatur des Detektorelements 12 und wird bei ungefähr 800 °C stabil, was eine Temperatur ist, die oberhalb der Aktivierungstemperatur liegt. Auf diese Weise ist das Detektorelement 12 aktiviert und der Sauerstoffsensor 30 wird in die Lage versetzt, Sauerstoffkonzentration zu messen. Es ist dabei generell bekannt, dass im Fall eines kalten Starts der Verbrennungsmaschine die Erzeugung von Spritzwasser gestoppt ist, bevor 30 Sekunden nach Start der Maschine vergangen sind. Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die Versorgung des Heizers mit Elektrizität erst nach Ablauf von 30 Sekunden nach Start der Maschine in den Hauptelektrifizierungsmodus gewechselt. Es sei insbesondere vermerkt, dass die Zeitdauer der Vorelektrifizierung nicht auf 30 Sekunden begrenzt ist und auch länger sein kann.
In der Steuervorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Schritte S2 und S3, die im Mikrocomputer 44 prozessiert werden, der Funktion des „Mittels zum Messen von Kondensationswasser“. Weiterhin entsprechen die Schritte S6 und S12 der Funktion der „Vorelektrifizierungsmittel“, und Schritt S17 entspricht der Funktion der „Heizerelektrifizierungsmittel“.
Die vorliegende Erfindung ist entsprechend einer Ausführungsform beschrieben worden. Es braucht jedoch nicht extra darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die Ausführungsform limitiert ist und auch modifiziert werden kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel wird in der vorliegenden Ausführungsform die Bestimmung, ob Bildung von Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres erwartet wird, auf der Basis von der Kühlwassertemperatur Tw mittels des Wassertemperatursensors 38 detektiert. Jedoch ist die Nachweismethode der Kondensationswassererzeugung innerhalb des Abgasrohres nicht auf diese Methode begrenzt. Insbesondere kann, wie in der gestrichelten Linie von 3 gezeigt, der Mikrocomputer 44 nicht nur die Kühlwassertemperatur Tw, die durch den Wassertemperatursensor 38 detektiert wird, zum Nachweis von Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohres in Betracht gezogen werden, sondern auch Information eines Außenlufttemperatursensors und eines Einlaßluft-Temperatursensors.
Alternativ können anstatt des Wassertemperatursensors 38 der oben genannte Außenluft-Temperatursensor oder Einlassluft-Temperatursensor mit dem Mikrocomputer 44 verbunden werden, um die oben genannte Bestimmung auf der Basis von der Information des Sensors durchzuführen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Sauerstoffsensor ein laminares einzelzellentypartiges Sauerstoffsensorelement 10 als beispielhafter Gassensor zu verstehen. Jedoch ist der Gassensor nicht auf diesen Typ limitiert. Zum Beispiel kann die Steuervorrichtung der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung eines Sauerstoffsensors, der aus einem Detektorelement, das die Form eines Zylinders mit Boden und eines balkenartigen Heizers, der in das Detektorelement hineingeführt ist, zusammengesetzt sein. Es kann auch ein allgemeiner Lufttreibstoffverhältnissensor verwendet werden, der so konfiguriert ist, dass eine Sauerstoffionenpumpenzelle und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle schichtartig sind mit einer hohlen Messkammer dazwischen miteinander verbunden, um damit ein Detektorelement zu bilden (ein so genannter Zweizellentypdetektorelement), wobei ein Heizer mit dem Detektorelement verbunden ist. Darüber hinaus kann die Steuereinheit der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Heizerausgerüsteten NOx-Sensors oder eines HC-Sensors so konfiguriert sein.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet ein elektrisches Leistungsversorgungsmuster, bei dem 10 V elektrische Leistung für den Heizer für 3 Sekunden und dann 3 V elektrische Leistung für 27 Sekunden als Vorelektrifizierung zur Verfügung gestellt werden. Jedoch ist das elektrische Leistungsversorgungsmuster nicht darauf limitiert. Andere Muster können frei gewählt werden, solange das ausgewählte Muster den Heizer mit elektrischer Leistung in der Weise versorgen kann, dass die Temperatur des Detektorelements 12 innerhalb eines Temperaturbereichs von nicht weniger als 100 °C aber weniger als die Spritzwasserrissbildungstemperatur, bei der oder oberhalb der wegen der Kondensationswasserspritzer Risse im Gassensorelement enstehen. Zum Beispiel kann ein Muster, bei dem 3 V elektrische Leistung die ganze Zeit zum Heizer geliefert werden, als Vorelektrifizierung verwendet werden. Genauso kann ein Muster für Vorelektrifizierung verwendet werden, bei dem nach einem Start mit 10 V elektrischer Leistung diese Leitung graduell 3 V annähert. Darüber hinaus ist das Muster für die elektrische Leistungsversorgung für die Hauptelektrifizierung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform begrenzt.
Diese Anmeldung basiert auf der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-83737 und 2005-13882 , die am 22. März 2004 und am 21. Januar 2005 jeweils angemeldet wurden und hiermit in ihrer Gesamtheit in diese Anmeldung mit einbezogen werden.

Claims

Eine Steuervorrichtung (100) für einen Gassensor (30), wobei die Vorrichtung mit einem Gassensorelement (10) verbunden ist, welches ein Detektorelement (12), das ein in einem durch ein Abgasrohr einer Verbrennungsmaschine strömenden Abgas enthaltenes spezifisches Gas nachweisen kann, und einen Heizer (14) zum Heizen des Detektorelements (12) umfasst, wobei die Steuervorrichtung Heizerelektrifizierungsmittel (34, 44, S17) zur Versorgung des Heizers (14) mit Elektrizität umfasst, so daß das Detektorelement (12) auf oder über eine Aktivierungstemperatur hinaus geheizt werden kann, wobei die Steuervorrichtung angepaßt ist und weiterhin umfasst: • Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser zur Bestimmung, ob Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs erzeugt wird; und • Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) zur Versorgung des Heizers (14) mit Elektrizität anstelle und vor Nutzung der Heizerelektrifizierungsmittel (34, 44, S17) für den Fall, daß die Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser eine Erzeugung von Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs messen, wobei die Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) den Heizer (14) so mit elektrischer Leistung versorgen, daß die Temperatur des Detektorelements (12) innerhalb eines Temperaturbereichs von nicht weniger als 100°C aber unterhalb der Spritzwasserrisserzeugungstemperatur, bei der oder oberhalb der das Gassensorelement (10) beim Bespritzen mit Kondensationswasser Risse bildet, gehalten wird, wobei die Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) den Heizer (14) mit elektrischer Leistung eines ersten Niveaus während einer vorbestimmten Zeitdauer versorgen, nachdem die Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser gemessen haben, dass Kondensationswasser innerhalb des Abgasrohrs gebildet wird, und den Heizer (14) nach Ablauf der vorbestimmten Zeitdauer mit elektrischer Leistung eines zweiten Niveaus, das kleiner ist als das erste Niveau, versorgen.
Die Steuervorrichtung für einen Gassensor gemäß Anspruch 1, wobei die Verbrennungsmaschine durch Kühlwasser gekühlt ist und wobei die Mittel (44, S2, S3) zum Messen von Kondensationswasser aufgrund der Temperatur des Kühlwassers bestimmen, ob Kondensationswasser im Abgasrohr erzeugt wird.
Die Steuervorrichtung für einen Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorelektrifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) den Heizer (14) mit pulslängenmodulierter elektrischer Leistung versorgen, die eine Spannungs-Pulsform von einer Stromquelle mit Stromquellenspannung hat, und wobei die Vorelektrizifizierungsmittel (34, 44, S6, S12) auf der Basis der Spannungswerte der Stromquelle eine relative Einschaltdauer der an den Heizer (14) angelegten Spannungs-Pulsform berechnet und die Elektrizitätsversorgung des Heizers (14) durch Pulslängenmodulation steuert, um dabei den Heizer (14) mit elektrischer Leistung bei besagten ersten und zweiten Leistungsniveaus zu versorgen.
Die Steuervorrichtung für einen Gassensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gassensorelement (10) ein Laminat eines flach-geformten Detektorelements (12) und einen Heizer (14) umfaßt .