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Die Erfindung betrifft ein Gaskonzentrationserfassungsgerat und insbesondere ein Gaskonzentrationserfassungsgerät zum Erfassen der Konzentrationen von gasförmigen Bestandteilen wie etwa Sauerstoff usw. in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine.
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Es sind Bauarten fur ein Gaskonzentrationserfassungsgerat bekannt, die als Luft/Brennstoff-Verhaltnissensor (allgemein als A/F-Sensor abgekürzt) fur den Motor eines Fahrzeugs verwendet werden, wobei ein derartiger Sensor die Konzentration von Sauerstoff im Abgas des Motors erfasst. Insbesondere ist eine ebene Bauart eines A/F-Sensors bekannt, das ein Sensorelement mit einer Schicht aus einem Festkorperelektrolyten aufweist, wobei ein Elektrodenpaar auf dieser Schicht angebracht ist. Wenn eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt wird, fließt durch sie ein Strom auf einem durch die Konzentration von Sauerstoff im Abgas bestimmten Pegel. Das Luft/Brennstoff-Verhaltnis des Abgases wird basierend auf dem Pegel dieses Stroms gemessen.
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Mit einem derartigen A/F-Sensor ist es für den Sensor erforderlich, sich in einem aktivierten Zustand zu befinden, um die Sauerstoffkonzentration genau zu erfassen. Die Impedanz des Sensorelementes (d. h. bei einem beliebigen spezifischen Wert einer Wechselstromfrequenz) variiert gemaß dem Aktivierungszustand des Sensorelementes, und daher kann die Impedanz zur Bewertung des Aktivierungszustandes des Elementes gemessen werden. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Messen der Sauerstoffkonzentration und gleichzeitig der Sensorelementimpedanz ist, eine Wechselspannung über den Sensorelementelektroden anzulegen, und die Amplitude eines resultierenden Wechselstroms zu erfassen, der durch den Sensor fließt. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der zweiten Veröffentlichung der
Japanischen Patentanmeldung Nr. 4-24657 beschrieben (die nachstehend als Referenzdokument 1 in Bezug genommen ist). Ein Beispiel fur eine Schaltungskonfiguration zur Implementierung eines derartigen Erfassungsverfahrens ist in
10 gezeigt.
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Gemaß 10 ist ein Anschluss eines Sensorelementes 60 in Reihe mit einem Strommesswiderstand 63, einem Oszillator 62 und einer Referenzspannungsquelle 61 geschaltet (wobei die Referenzspannungsquelle 61 gemaß der Darstellung zwischen dem Oszillator 62 und Massepotential verbunden ist), wahrend der andere Anschluss des Sensorelementes 60 mit Massepotential verbunden ist. Die Eingangsanschlusse eines Differenzverstarkers 65 sind über den Anschlüssen des Widerstands 63 verbunden, und das Ausgangssignal des Differenzverstarkers 65 wird durch ein Tiefpassfilter LPF 66 und durch ein Hochpassfilter HPF 67 übertragen. Wenn das Sensorelement 60 einem Abgas ausgesetzt ist, und wenn eine Wechselspannung und eine uberlagerte Gleichspannung an das Sensorelement 60 durch den Oszillator 62 und die Referenzspannungsquelle 61 angelegt werden, und ein resultierender Sensorstrom in dem Sensorelement 60 fließt, enthalt der Strom einen Anteil (Gleichanteil) auf einem durch die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas bestimmten Pegel sowie einen Anteil (Wechselanteil) mit einer durch die Impedanz des Sensorelementes 60 bestimmten Amplitude. Ein proportional zum Sensorstrom variierendes Differenzspannungssignal tritt zwischen den Anschlüssen des Strommesswiderstands 63 auf, wobei dieses Differenzspannungssignal dem Differenzverstarker 65 zugeführt wird, um in ein Spannungssignal verstarkt und umgewandelt zu werden, das bezüglich dem Massepotential des Systems variiert.
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Ein Gleichspannungssignalanteil (entsprechend dem Gleichanteil des Sensorstroms, dessen Pegel durch die Sauerstoffkonzentration bestimmt ist) wird aus der Ausgabe des Differenzverstärkers 65 durch das Tiefpassfilter LPF 66 extrahiert, während ein Wechselspannungssignalanteil (entsprechend dem Wechselanteil des Sensorstroms, dessen Amplitude durch die Sensorimpedanz bestimmt ist) durch das Hochpassfilter 67 aus der Ausgabe des Differenzverstärkers 65 extrahiert. Dieses Wechselspannungssignal wird durch eine Gleichrichterschaltung 68 gleichgerichtet, um ein Spannungssignal zu erhalten, das im Pegel gemäß der Impedanz des Sensorelementes 60 variiert.
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Diese (analogen) Ausgangsspannungssignale des Tiefpassfilters LPF 66 und der Gleichrichterschaltung 68 werden in ein Berechnungsgerät (Digitalverarbeitungsgerät) wie etwa einem Mikrocomputer eingegeben, wobei die Signale in dem Berechnungsgerät oder vor der Eingabe in das Berechnungsgerät in digitale Form umgewandelt werden. Das Berechnungsgerät berechnet die jeweiligen Werte für das Luft/Brennstoff-Verhältnis und die Sensorelementimpedanz auf der Grundlage dieser Eingabesignale.
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Einschlägiger Stand der Technik dazu kann beispielsweise in der Druckschrift
US 4,795,968 A aufgefunden werden, welche ein Gaserfassungsverfahren und -vorrichtung unter Verwendung von Chemosorption und/oder Physosorption offenbart. Darüber hinaus offenbart die Druckschrift
US 4,376,026 A eine Sauerstoffkonzentrationsmessung und -steuerung.
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Im Allgemeinen gibt es eine große Differenz zwischen den jeweiligen Pegeln des Sensorstromanteils, der gemäß der Sauerstoffkonzentration variiert, und des Sensorstromanteils, der gemäß der Sensorelementimpedanz variiert. Folglich wird der das Luft/Brennstoff-Verhältnis repräsentierende Spannungssignalanteil (der von dem Strommesswiderstand 63 in den Differenzverstärker 65 eingegeben wird) wesentlich kleiner (in einigen Fällen um eine Größenordnung) als der Spannungssignalanteil sein, der gemaß der Sensorelementimpedanz variiert.
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Falls daher beispielsweise der Verstarkungsgrad auf der Grundlage des erwarteten Variationsbereiches des Spannungssignalanteils entsprechend dem Luft/Brennstoff-Verhaltnis bestimmt wird, konnen die Variationen bei der Amplitude des Spannungssignalanteils entsprechend der Sensorelementimpedanz den Wertebereich uberschreiten, der durch den Differenzverstarker 65 verstarkt werden kann. Dies fuhrt nicht nur zu einer verringerten Genauigkeit bei der Erfassung der Sensorelementimpedanz, sondern wird außerdem zu einer Verringerung bei der Genauigkeit der Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhaltnisses führen. Dies bedeutet, dass obwohl das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal durch eine Mittelung des Ausgangssignals von dem Differenzverstarker 65 unter Verwendung eines Tiefpassfilters LPF 66 extrahiert wird, das resultierende Signal des Tiefpassfilters LPF 66 den Durchschnittswert nicht genau reprasentieren wird, falls die obere Grenze des Verstarkungsbereichs des Differenzverstarkers 65 uberschritten wird, was Fehler bei dem gemessenen Luft/Brennstoff-Verhaltnis verursacht.
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Falls umgekehrt der Verstarkungsgrad auf der Grundlage des erwarteten Variationsbereichs der Amplitude des Wechselspannungssignalanteils vorbestimmt werden würde, der gemaß der Sensorelementimpedanz variiert, dann ware es dem Differenzverstarker 65 alleine nicht moglich, eine ausreichende Verstärkung auf den Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungsanteil anzuwenden. Daher wäre es notig, eine zusatzliche Verstarkerstufe zu verwenden, um den fur die Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassung verwendeten Spannungssignalanteil weiter zu verstarken. Dies fuhrt jedoch zu dem Problem einer Erhohung bei der Verstarkerversatzspannung, was eine Verringerung der Genauigkeit bei der Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassung verursachen kann.
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Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorstehend angefuhrten Probleme aus dem Stand der Technik zu beseitigen, indem ein Gaskonzentrationserfassungsgerat bereitgestellt wird, durch das sowohl die Erfassung einer Konzentration eines Gasbestandteils in einem Abgas als auch die Erfassung der Impedanz eines Sensorelementes des Gerates mit einem hohen Genauigkeitsgrad durchgefuhrt werden konnen.
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Erfindungsgemäß wird zur Losung dieser Aufgabe ein Gaskonzentrationserfassungsgerat mit einem Sensorelement bereitgestellt, das eine Festkorperelektrolytschicht umfasst, und auf eine angelegte Spannung zum Durchführen eines Sensorstroms anspricht, der im Pegel gemaß der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils (wie etwa Sauerstoff) in einem Testobjektgas (wie etwa dem Abgas einer Verbrennungsmaschine) variiert. Ein Strommesswiderstand ist mit dem Sensorelement in Reihe geschaltet, d. h. jeweilige Anschlüsse des Strommesswiderstands und des Sensorelementes sind an einem Verbindungspunkt verbunden. Eine Wechselspannungsquelle legt eine Wechselspannung an einen der außeren Anschlusse der in Reihe verschalteten Kombination aus dem Widerstand und dem Sensorelement an, wahrend eine Referenzspannungsquelle eine fixierte Gleichspannung an den anderen Anschluss dieser in Reihe geschalteten Kombination anlegt.
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Folglich wird ein Strom, der durch diese in Reihe geschaltete Kombination fließt, aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil ausgebildet. Der vorliegend verwendete Begriff „Gleichstromanteil” bedeutet einen Stromanteil mit einer maximalen Variationsfrequenz, die wesentlich kleiner als die der angelegten Wechselspannung ist. Der Gleichstromanteil variiert gemaß der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils, und der Wechselstromanteil variiert gemaß der Impedanz (d. h. der Impedanz bei der Frequenz der Wechselspannung) des Sensorelementes.
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Im Einzelnen variiert gemäß vorstehender Beschreibung die Sensorelementimpedanz in Übereinstimmung damit, ob das Sensorelement sich im aktivierten Zustand befindet, so dass die Amplitude des Wechselstromanteils diesen Aktivierungszustand angibt.
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Eine erste Erfassungssignalausgabeschaltung ist mit dem Strommesswiderstand zum Erlangen eines Gleichspannungssignalanteils entsprechend dem vorstehend angefuhrten Gleichstromanteil gekoppelt, um dadurch ein erstes Messsignal zu erhalten, wobei dieses erste Messsignal im Pegel gemaß der Gasbestandteilkonzentration variiert. Eine zweite Erfassungssignalausgabeschaltung ist mit dem vorstehend angefuhrten Verbindungspunkt zwischen dem Strommesswiderstand und dem Sensorelement gekoppelt, um einen Wechselspannungssignalanteil entsprechend dem vorstehend angefuhrten Wechselstromanteil zu erlangen, und dadurch das zweite Messsignal zu erhalten, wobei der Pegel des zweiten Messsignals gemaß der Sensorelementimpedanz variiert.
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Indem die erste und die zweite Erfassungssignalausgabeschaltung jeweilige Verstarkerschaltungen umfassen und als jeweils separate Systeme konfiguriert sind, konnen auf diese Weise der die Gasbestandteilkonzentration angebende Gleichspannungssignalanteil und der die Sensorelementimpedanz angebende Wechselspannungssignalanteil durch jeweils verschiedene geeignete Verstärkungsgrade verstarkt werden. Dies ist beim Erzielen eines hoheren Genauigkeitsgrades bei der Erfassung von sowohl dem die Gasbestandteilkonzentration angebenden Spannungssignalanteils als auch dem die Sensorelementimpedanz angebenden Spannungssignalanteils auf der Grundlage der großen Differenz bei den Großenordnungen zwischen diesen Spannungssignalanteilen vorteilhaft.
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Genauer gesagt, indem die angelegte Wechselspannung und die angelegte Gleichspannung der vorstehend angeführten in Reihe geschalteten Kombination jeweils bezuglich des Referenzmassepotentials des Gerätes angelegt werden, variiert die Spannung an dem vorstehend angefuhrten Verbindungspunkt bezüglich dieses Massepotentials gemäß dem Strom, der durch die Reihenschaltung aus Strommesswiderstand und Sensorelement fließt.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es moglich, den Gleichspannungssignalanteil als eine uber dem Strommesswiderstand auftretende Spannungsdifferenz zu extrahieren, d. h. indem jeweilige Eingange eines Differenzverstärkers (über Tiefpassfilter) mit den Anschlussen diese Widerstands verbunden werden. Vorzugsweise wird jedoch ein Eingangsanschluss der ersten Erfassungssignalausgabeschaltung mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Strommesswiderstand und dem Sensorelement gekoppelt, um den Spannungssignalanteil entsprechend dem Gleichstromanteil als ein Signal zu erlangen, das bezuglich dem Massepotential variiert.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung naher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild der Gesamtschaltungskonfiguration von einem ersten Ausfuhrungsbeispiel eines Gaskonzentrationserfassungsgerates zur Anwendung auf ein Motorabgas;
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2 eine Schnittansicht eines bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 verwendeten Sensorelementes;
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3 die Spannungs-/Strom-Charakteristik eines Luft/Brennstoff-Verhältnissensors;
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Die 4(a), 4(b), 4(c), 4(d), 4(e) Zeitablaufdiagramme zur Beschreibung des Betriebes nach dem ersten Ausfuhrungsbeispiel, wobei Anderungen gezeigt sind, die bei Schaltungsparametern auftreten, wenn die Temperatur des Sensorelementes ansteigt;
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5 ein Teilschaltbild entsprechend 1 zur Darstellung von Beispielen fur spezifische Spannungs- und Widerstandswerte;
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6 ein Schaltbild zur Beschreibung des Betriebes von einem bekannten Beispiel fur ein Gaskonzentrationserfassungsgerat zur Luft/Brennstoff-Verhältniserfassung;
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Die 7(a), 7(b), 7(c), 7(d) Diagramme zur Beschreibung von spezifischen bevorzugten Wertebereiche für den Widerstand eines Strommesswiderstandes und fur die Amplitude einer Wechselspannung bei dem ersten Ausfuhrungsbeispiel;
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Die 8(a), 8(b), 8(c) Teilschaltbilder zur Beschreibung von jeweiligen alternativen Konfigurationen für das erste Ausfuhrungsbeispiel;
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9 ein Schaltbild der Gesamtschaltungskonfiguration von einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel fur ein Gaskonzentrationserfassungsgerat zur Anwendung auf ein Motorabgas; und
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10 ein Schaltbild von einem zweiten Beispiel fur eine bekannte Bauart von einem Gaskonzentrationserfassungsgerat zur Anwendung auf ein Motorabgas.
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Nachstehend ist ein Ausfuhrungsbeispiel für ein Gaskonzentrationserfassungsgerat beschrieben, das auf die Erfassung der Konzentration von Sauerstoff im Abgas einer Verbrennungsmaschine anwendbar ist, um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhaltnis zu erfassen, bei dem der Motor betrieben wird. Die aus der Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhaltnisses erhaltenen Ergebnisse konnen beispielsweise durch ein Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Steuersystem einer Fahrzeugmotor-ECU (elektronischen Steuereinheit) usw. verwendet werden. Ein derartiges System kann eine Steuerung zur Bewahrung eines stochiometrischen Wertes fur ein Luft/Brennstoff-Verhältnis oder zur Beibehaltung des Luft/Brennstoff-Verhaltnisses innerhalb eines spezifischen Bereiches für magere Werte durch Ruckkopplung anwenden. Der Begriff „mageres” Luft/Brennstoff-Verhaltnis bedeutet, dass der Motor mit einem Luft/Brennstoff-Verhaltnis mit einer hoheren Sauerstoffkonzentration als dem stochiometrischen Luft/Brennstoff-Verhaltnis betrieben wird, und daher eine hohere Sauerstoffkonzentration in dem resultierenden Abgas als fur den stöchiometrischen Wert vorliegt. Umgekehrt bedeutet ein „fettes” Luft/Brennstoff-Verhältnis ein Luft/Brennstoff-Verhaltnis mit einer geringeren Sauerstoffkonzentration als dem stochiometrischen Wert.
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Die Konfiguration des Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Sensorelementes ist nachstehend zunachst unter Bezugnahme auf die Schnittansicht nach 2 beschrieben, welche die Mehrschichtstruktur eines Sensorelementes 10 zeigt. Das Sensorelement 10 ist von einer mehrschichtigen ebenen Konfiguration, die sich rechtwinkelig in der Zeichnungsebene von 2 erstreckt, und ist in einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) Gehause enthalten.
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Das Sensorelement 10 ist aus einer Festkorperelektrolytschicht 11, einer Diffusionswiderstandsschicht 12 und einer Gasabschirmschicht 13 ausgebildet, die auf einer Isolationsschicht 14 aufeinander folgend von unten nach oben ausgebildet sind. Die außere Oberfläche des Sensorelementes ist durch eine (in der Zeichnung nicht gezeigte) Schutzschicht bedeckt. Die Festkorperelektrolytschicht 11 ist eine rechteckige Schicht aus teilweise stabilisiertem Zirkonoxid, welche auf ihrer unteren und oberen Flache jeweils ausgebildete Elektroden 15 und 16 aufweisen. Die Diffusionswiderstandsschicht 12 ist eine Schicht aus porosem Material zum Durchführen des Abgases zu der Elektrode 15 durch Diffusion, und die Gasabschirmschicht 13 ist eine dunne Schicht aus porosem Material, welche die Diffusion des Abgases steuert. Jede der Schichten 12 und 13 ist als eine Schicht aus einer Keramik wie etwa Aluminiumoxid, Spinell, Zirkonoxid usw. ausgebildet, die mit Mikroporen (d. h. kleinen Kapillaren) ausgebildet ist. Die Schichten 12 und 13 weisen jeweils verschiedene Porositatsgrade auf, indem sie verschiedene Werte fur Durchmesser und/oder Dichte der Mikroporen aufweisen, um jeweils verschiedene Raten der Gasdiffusion bereitzustellen.
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Die Isolationsschicht 14 ist aus einem Keramikmaterial wie etwa Aluminiumoxid mit einem hohen Warmeubertragungskoeffizienten ausgebildet, und ist mit einem in einer Fläche ausgebildeten Atmospharendurchgang 17 (der zur Außenluft fuhrt) ausgebildet, welche der Festkorperelektrolytschicht 11 gegenuberliegt, und zum Freilegen der Elektrode 16 positioniert ist. Ein Heizelement 18 ist in der Isolationsschicht 14 eingebettet und aus einer Leiterbahn ausgebildet, die durch einen von einer (in der Zeichnung nicht gezeigten) Batterie zugeführten Strom erwärmt wird, um eine Gesamterwärmung des Sensorelementes zu bewirken.
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Im Betrieb ist das Sensorelement 10 durch Abgas umgeben, das die Elektrode 15 durch Diffusion durch die Gasabschirmschicht 13 und die Diffusionswiderstandsschicht 12 erreicht. Wenn das Abgas mager ist (d. h. auf der Grundlage eines mageren Luft/Brennstoff-Verhaltnisses), wird Sauerstoff im Abgas durch die Elektrode 15 ionisiert, und ein resultierender Sauerstoffionenstrom fließt von der Elektrode 15 zur Elektrode 16, wobei der Sauerstoff dann in dem Atmospharendurchgang 17 durch die Elektrode 18 entladen wird. Falls das Abgas fett ist (d. h. auf der Grundlage eines fetten Luft/Brennstoff-Verhältnisses), wird der Sauerstoff im Gas innerhalb des Atmospharendurchgangs 17 durch die Elektrode 18 ionisiert, und ein Sauerstoffionenstrom fließt von der Elektrode 16 zur Elektrode 15, wobei dadurch Sauerstoff durch die Elektrode 15 zur Abgasseite des Sensorelementes entladen wird.
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3 zeigt ein Diagramm der Spannung/Strom-Charakteristik eines derartigen A/F-Sensors, wobei die Spannung ein fixierter Gleichspannungswert ist (erfindungsgemaß ein durchschnittlicher fixierter Gleichspannungswert, wie nachstehend beschrieben ist), der zwischen den Anschlussen des Sensors angelegt ist. In 3 entsprechen geradlinige Abschnitte parallel zur Spannungsachse (horizontale Achse) einem Grenzstrombereich im Betrieb, in dem der Sensorstrom nur durch das Luft/Brennstoff-Verhaltnis bestimmt ist. Anderungen im Pegel des Sensorstroms entsprechen einem Anstieg oder Abfall bei dem Luft/Brennstoff-Verhaltnis, d. h. je magerer das Luft/Brennstoff-Verhaltnis wird, desto hoher wird der Sensorstrom, wahrend der Sensorstrom umso niedriger wird, je fetter das Luft/Brennstoff-Verhältnis wird. Durch Anlegen einer Gleichspannung uber das Sensorelement 10, was zu Werten des Sensorstroms fuhrt, die innerhalb des Grenzstrombereiches liegen, kann der Pegel des Sensorstroms geeignet gemessen werden.
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Somit ist verständlich, dass mit einer zwischen den Elektroden eines derartigen Sensorelementes angelegten geeigneten Gleichspannung das Sensorelement einen Strompegel gemaß der Sauerstoffkonzentration in dem Testobjektgas (Abgas) durchfuhrt, d. h. einen eine Konzentration angebenden Strom durchfuhrt.
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Die Hauptabschnitte der Sensorschaltung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Gemaß der Darstellung erzeugt eine Referenzspannungsquelle 21 eine fixierte Gleichspannung von +2,6 V bezuglich des Massepotentials, welche uber einen Operationsverstarker 22 an den positiven Anschluss (Anschluss S+) des Sensorelementes 10 angelegt ist. Der negative Anschuss (S–) des Sensorelementes 10 ist mit einem Anschluss eines Widerstands 26 verbunden. Eine Referenzspannungsquelle 23 und ein Oszillator 24 sind zwischen Massepotential und dem zweiten Anschluss des Strommesswiderstands 26 in Reihe geschaltet. Der Oszillator 24 erzeugt eine Wechselspannung bei einer Frequenz im Bereich von 10 bis 20 kHz und einer Amplitude von 2 V, wahrend die Referenzspannungsquelle 23 eine fixierte Gleichspannung von 2,2 V bezuglich des Massepotentials erzeugt. Daher wird an den zweiten Anschluss des Strommesswiderstands 26 eine Wechselspannung angelegt, die um ±1 V bezuglich eines Gleichspannungspegels von +2,2 V variiert (d. h. der Durchschnittspegel der Wechselspannung ist +2,2 V). Somit gibt es eine Differenz von +0,4 V zwischen der an den Anschluss S+ des Sensorelementes 10 angelegten Gleichspannung und dem Durchschnittspegel der an den Strommesswiderstand 26 von dem Operationsverstarker 25 angelegten Wechselspannung. Ein geeigneter Wert einer (Durchschnitts-)Gleichspannung wird dadurch über das Sensorelement 10 angelegt, um eine Sensorstrommessung innerhalb des vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Grenzbereiches durchzuführen.
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Kondensatoren 28 und 20 sind zwischen Massepotential und dem positiven Anschluss S+ bzw. dem negativen Anschluss S– des Sensorelementes 10 zur Unterdruckung von elektrischem Rauschen verbunden.
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Zwei Messsignalausgabeabschnitte 31 und 32 sind mit der Verbindung des Strommesswiderstands 26 und dem negativen Anschluss S– des Sensorelementes 10 verbunden. Die Amplitude eines Wechselspannungsanteils (d. h. einer eine Impedanz angebenden Spannung), der an dieser Verbindung auftritt, ist durch das Verhaltnis des Widerstands des Strommesswiderstands 26 zu der Impedanz des Sensorelementes 10 bestimmt (wobei „Impedanz” die bei der Frequenz der Wechselspannung gezeigte Impedanz bedeutet). Der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 erlangt ein Ausgangssignal, das die Sauerstoffkonzentration in einem Abgas angibt, welches einer Erfassung unterzogen wird (wobei ein derartiges Gas nachstehend und in den beigefugten Patentanspruchen als Testobjektgas in Bezug genommen ist). Das hierdurch durch den A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 erhaltene Ausgangssignal ist nachstehend als das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal in Bezug genommen. Der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 erlangt ein Ausgangssignal, das die vorstehend angeführte Impedanz des Sensorelementes 10 angibt, was nachstehend als Impedanzerfassungssignal in Bezug genommen ist.
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Gemaß der Darstellung ist der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 aus einem Tiefpassfilter 7 (LPF) ausgebildet, das aus einem Operationsverstärker 33, Widerstanden 1 und 2 und einem Kondensator 6 ausgebildet ist, wobei der Widerstand 1 und der Kondensator 6 zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss als Filterschaltung 34 verbunden sind. Das Tiefpassfilter 7 wirkt als eine Verstärkerschaltung bei Frequenzen unter der Tiefpassfiltergrenzfrequenz, wobei der Verstärkungsfaktor bei Gleichspannung durch die Werte der Widerstande 1 und 2 bestimmt ist (genauer durch das Verhaltnis dieser Widerstandswerte).
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Der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 ist aus einem Hochpassfilter 35 (HPF), einer aus einem Operationsverstarker 5 und Widerstanden 3, 4 ausgebildeten Verstarkerschaltung sowie einer Spitzenwerthalteschaltung 36 (P/H) ausgebildet. Die Spitzenwerthalteschaltung 36 erfasst Spitzenwerte eines durch das Hochpassfilter 35 extrahierten verstarkten Wechselspannungssignals, um das Impedanzerfassungssignal zu erzeugen.
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Das von dem A/F-Verhältnis-Erfassungsabschnitt 31 ausgegebene Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungssignal wird einem Mikrocomputer 38 zusammen mit dem Impedanzerfassungssignal von dem Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 zugefuhrt. Der Mikrocomputer 38 ist eine typische Bauart von einem Digitalprozessorgerat (Mikrocomputer) mit einer CPU, Speichervorrichtung usw., umfasst aber außerdem einen A/D-Wandler zum Umwandeln sowohl des Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignals als auch des Impedanzerfassungssignals (d. h. jeweiliger analoge Signale) in digitale Signale. Alternativ konnte ein extern zu dem Mikrocomputer 38 angeordneter A/D-Wandler verwendet werden.
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Die Signalspannungsverstarkung wird sowohl in dem A/F-Verhältnis-Erfassungsabschnitt 31 als auch dem Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 durchgefuhrt, wobei jeweils verschiedene Verstarkungsfaktoren angewendet werden. Die Verstärkungsfaktoren werden gemaß dem Bereich der Eingangssignalspannungen (bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel 0–5 V) etabliert, der durch den A/D-Wandler in dem Mikrocomputer 38 gehandhabt werden kann. Bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel ist der Verstärkungsfaktor des A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitts 31 innerhalb des Bereiches von 10–20 eingestellt, wahrend der des Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 auf 5 eingestellt ist.
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Eine Referenzspannungsquelle 37 legt eine fixierte positive Spannung an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstarkers 33 zum Einstellen des Ausgangssignalspannungspegels von dem A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 geeignet an, beispielsweise in der Mitte des vorstehend angeführten Eingangssignalbereiches von 0–5 V, wenn der Gleichspannungspegel der Spannung an der Verbindung zwischen dem Widerstand 26 und dem Sensorelement 10 einem stochiometrischen Luft/Brennstoff-Verhaltnis entspricht.
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Als Folge der durch den Oszillator 25 an das Sensorelement 10 angelegten Wechselspannung fließt ein Sensorstrom in dem Sensorelement 10, wobei der Sensorstrom eine Kombination aus einem ersten (Gleich-)Stromanteil, d. h. dem vorstehend angefuhrten, eine Konzentration angebenden Strom, dessen Pegel durch die Sauerstoffkonzentration im Abgas bestimmt ist, und einem zweiten (Wechsel-)Stromanteil ist, dessen Pegel durch die Impedanz des Sensorelementes 10 bestimmt ist. Der Verbindungspunkt zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 wird als ein Messpunkt zur Erfassung dieser jeweiligen Sensorstromanteile als jeweilige Spannungssignalanteile verwendet, um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungssignal und das Impedanzerfassungssignal zu erlangen. Im Einzelnen ist die Spannung an diesem Verbindungspunkt eine Wechselspannung (mit der Frequenz der durch den Oszillator 24 erzeugten Wechselspannung), die einer Gleichspannung überlagert ist (genauer einer Spannung, deren maximale Variationsfrequenz wesentlich kleiner als die Wechselspannungsfrequenz ist), wobei die Verbindungspunktspannung proportional zum Sensorstrom variiert. Der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 extrahiert den Gleichspannungsanteil (der bezüglich dem Schaltungsmassepotential variiert) am Verbindungspunkt, und verstarkt ihn, um das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal zu erhalten, das dem Mikrocomputer 38 zugefuhrt wird. Der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 extrahiert den Wechselanteil der Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 (als eine bezuglich Massepotential variierende Spannung), und erfasst die Spitzenwerte des extrahierten Wechselanteils nach Verstarkung, um das Impedanzerfassungssignal zu erhalten, das dem Mikrocomputer 38 zugefuhrt wird.
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Der Mikrocomputer 38 verarbeitet das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal zum Berechnen des Luft/Brennstoff-Verhaltnisses des Abgases, und verarbeitet das Impedanzerfassungssignal zum Berechnen der Impedanz des Sensorelementes 10 zu diesem Zeitpunkt.
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Somit ist ersichtlich, dass der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 und der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 zwei getrennte Systeme zum Extrahieren von jeweiligen Signalanteilen aus einem Spannungssignal bilden, das an der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 auftritt, wobei dieses Spannungssignal gemäß dem Strom variiert, der in dem Sensorelement 10 fließt, und wobei die extrahierten Spannungssignalanteile verarbeitet werden, um jeweils das Luft/Brennstoff-Verhaltnis des Abgases und die Impedanz des Sensorelementes 10 zu erfassen. Als Folge der Verwendung von zwei getrennten Systemen auf diese Weise konnen jeweils geeignete Verstarkungsgrade in diesen Systemen angewendet werden.
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Falls im Falle der bekannten Technologie wie der in 10 gezeigten der erwartete Variationsbereich des Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignalanteils als Basis zur Bestimmung des Signalverstarkungsfaktors verwendet wird, ist auf der anderen Seite die Genauigkeit zur Erfassung der Sensorelementimpedanz reduziert, wohingegen falls der erwartete Variationsbereich des Impedanzerfassungssignalanteils als Basis zur Bestimmung des Verstarkungssignals verwendet wird, die Genauigkeit zur Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses dann reduziert wird.
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Die 4(a) bis 4(e) zeigen Zeitverlaufsdiagramme zur Darstellung von Anderungen, die bei jeweiligen Parametern auftreten, wenn die Temperatur des Sensorelementes 10 ansteigt, unmittelbar nachdem der Fahrzeugmotor aus kaltem Zustand gestartet wird. 4(a) stellt die entsprechenden Anderungen dar, die bei der Sensorelementimpedanz und der Sensorelementtemperatur auftreten, wahrend 4(b) entsprechende Anderungen darstellt, die bei der Spannung am Anschluss S+ des Sensorelementes 10 auftreten. Jede der 4(c) und 4(d) zeigt fur jeweils verschiedene Werte des Luft/Brennstoff-Verhaltnisses Anderungen, die bei der Spannung am Anschluss S– des Sensorelementes 10 auftreten (das heißt an dem Verbindungspunkt zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26). 4(e) stellt die entsprechenden Anderungen dar, die im Ausgangssignal von dem Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 (Impedanzerfassungssignal) auftreten.
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4(c) stellt den Fall dar, bei dem das Luft/Brennstoff-Verhaltnis den stochiometrischen Wert annimmt, wahrend 4(d) einen Zustand darstellt, bei dem das Luft/Brennstoff-Verhaltnis mager ist.
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Wenn der Motorstart durchgefuhrt wird, und die Zufuhr von Erwarmungsstrom an das Sensorelement 10 begonnen wird, ist die Temperatur des Sensorelementes 10 anfanglich nahe bei der Umgebungstemperatur, so dass die Elementimpedanz im Wesentlichen hoch ist. Unmittelbar nach dem Motorstart beginnt die Elementtemperatur auf der Grundlage der Erwarmung von dem Abgas des Motors und der aus dem Stromfluss in dem Heizelement des Sensorelementes 10 resultierenden Erwarmung graduell anzusteigen. Dadurch fallt die Elementimpedanz allmahlich ab. Bei Abschluss der Aktivierung des Sensorelementes 10 betragt die Elementtemperatur ungefahr 750°C, und die Elementimpedanz liegt beispielsweise bei ungefähr 39 Ohm.
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Wahrend bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel die Temperatur des Sensorelementes 10 ansteigt, ist die Spannung am Anschluss S+ des Sensorelementes 10 auf 2,6 V fixiert, und die Spannung am Anschluss S+ variiert mit der Frequenz der Wechselspannungsausgabe von dem Oszillator 24. Wenn das Sensorelement 10 sich in dem anfanglichen Niedertemperaturzustand befindet, ist auf der Grundlage der sehr hohen Impedanz des Elementes die Amplitude des Wechselanteils der Spannung am Anschluss S– im Wesentlichen identisch zu der Ausgangswechselspannung von dem Oszillator 24. Im Einzelnen variiert die Spannung am Anschluss S– in positiver Richtung und negativer Richtung bezuglich eines zentralen Gleichspannungspegels (das heißt Durchschnittsspannungspegels) von ungefahr 2,2 V mit einer Spitzenamplitude von ungefahr 1 V. Wenn die Temperatur des Sensorelementes 10 ansteigt und die Elementimpedanz demgemaß abfallt, fallt die Amplitude des Wechselanteils der an dem Anschluss S– auftretenden Spannung allmahlich ab.
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Im Falle eines stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Verhaltnisses verbleibt der Gleichspannungspegel (Durchschnittspegel) der Spannung am Anschluss S– konstant auf dem Durchschnittspegel der angelegten Wechselspannung (2,2 V), wie es in 4(c) dargestellt ist. Falls das Luft/Brennstoff-Verhaltnis mager ist, dann steigt mit Aktivierung des Sensorelementes 10 der Sensorstrom an, so dass der Gleichspannungspegel der an dem Anschluss S– auftretenden Spannung erhoht wird (das heißt positiver wird), wie es in 4(d) dargestellt ist. Dies bedeutet, dass ein Gleichanteil der Spannung am Anschluss S– des Sensorelementes 10 auf der Grundlage eines Gleichstroms (Sensorstroms) überlagert wird, der durch das Sensorelement fließt. Dieser Gleichspannungsanteil wird durch den A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 extrahiert, um das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal zu erhalten, das dem Mikrocomputer 38 zugeführt wird. Gemäß vorstehender Beschreibung bedeutet „Gleichanteil” tatsachlich einen Anteil, der innerhalb eines Frequenzbereiches variiert, der wesentlich kleiner als die Frequenz der Wechselspannung ist.
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Der Wechselanteil der an dem Anschluss S– auftretenden Spannung wird durch das Hochpassfilter HPF 35 des Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitts 32 gemaß der Darstellung aus 4(e) extrahiert. Nach vorstehender Beschreibung wird das Ausgangssignal von dem Hochpassfilter HPF 35 nur bis zu einem Ausmaß verstarkt, bei dem die Spitzenwert-zu-Spitzenwert-Amplitude des verstärkten Signals nicht den erlaubten Eingangsspannungsbereich (5 V) des A/D-Wandlers des Mikrocomputers 38 uberschreitet. Die Spitzenwerterfassung dieses verstarkten Signals wird durch die Spitzenwerthalteschaltung 36 durchgeführt, um das Impedanzerfassungssignal gemaß 4(e) zu erhalten. Das erhaltene Impedanzerfassungssignal wird identisch sein, ungeachtet dessen, ob die an dem Anschluss S– auftretende Spannung gemaß 4(c) oder gemaß 4(d) ist. Auf diese Weise werden gleichzeitig eine Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassung und eine Elementimpedanzerfassung durch das Gerat durchgefuhrt.
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Unter Bezeichnung der Elementimpedanz als Zac ist nachstehend ein spezifisches Verfahren zur Berechnung der Sensorelementimpedanz unter Bezugnahme auf ein in 5 gezeigtes numerisches Beispiel beschrieben. Dabei wird angenommen, dass der Mittelpegel der Spannung am Anschluss S– 2,2 V betragt, die Wechselspannungsamplitude ±1 V bezuglich dieses Mittelwerts betragt (das heißt die Spitzenwert-zu-Spitzenwert-Amplitude ΔV beträgt 2 V), der Widerstand R des Strommesswiderstands 26 200 Ω betragt, und die Impedanz Zac des Sensorelementes 10 bei Aktivierung 20 Ω betragt. Dies bedeutet, dass angenommen wird, dass wenn das Sensorelement 10 durch das Abgas erwarmt wurde, um den geringsten Wert fur die Impedanz Zac anzunehmen, dann betragt dieser Wert 20 Ω.
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Die Ausgangsspannung des Hochpassfilters 35, was die Variationsamplitude ΔVA des Wechselanteils der an dem Verbindungspunkt zwischen dem Strommesswiderstand 26 und dem Sensorelement 10 auftretende Spannung ist, ist gegeben durch: ΔVA = ΔV × Zac/(Zac + R) (1)
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Mit den vorstehend angegebenen spezifischen numerischen Werten ergibt sich ΔVA = 2 × 20/(20 + 200) = 0,182 [V]
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Falls angenommen wird, dass der Wert von Zac vor der Aktivierung des Sensorelementes 10 250 Ω beträgt, dann gilt unter dieser Bedingung: ΔVA = 2 × 250/(250 + 200) = 1,111 [V]
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Der Mikrocomputer 38 berechnet den Impedanzwert Zac nach Berechnung von ΔVA unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (1) wie folgt: Zac = ΔVA × R/(ΔV – ΔVA) (2)
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Die Große der Spannungsänderung gleich der Spitzenwertamplitude der Wechselspannung (das heißt 1 V) an der Verbindung zwischen dem Strommesswiderstand 26 und dem Sensorelement 10 entspricht einer Anderungsgröße ΔI beim Stromfluss durch diese Verbindung, wobei (nach Aktivierung des Sensorelementes 10): ΔI = 1/(20 + 200) = 4,55 [mA]
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Dies bedeutet, dass der Spitzenwert des Stroms, der von dem Operationsverstarker 25 zugeführt werden muss, gleich dem Gleichstromanteil ist, der durch das Sensorelement 10 fließt, erhöht um 4,55 mA.
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Falls beispielsweise der vorstehend beschriebene Gleichstromanteil als IL bezeichnet wird, und angenommen sei, dass der Maximalwert, den IL annehmen wird, 2 mA ist, dann betragt der Spitzenwert des Stroms, der von dem Operationsverstärker 25 zugefuhrt werden muss, 6,55 mA.
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Ein weiteres Beispiel fur eine bekannte Bauart eines Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Sensorgerates ist in 6 gezeigt, das zum Vergleich mit der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben ist. Gemaß 6 sind eine Referenzspannungsquelle 41, ein Operationsverstärker 42 und ein Strommesswiderstand 43 mit einem Anschluss eines Sensorelementes 10 verbunden, wie es gezeigt ist, während eine Spannungsanlegesteuerschaltung 44 und ein Operationsverstärker 45 mit dem anderen Anschluss des Sensorelementes 10 verbunden sind. Wenn ein Sensorstrom gemaß dem Luft/Brennstoff-Verhaltnis eines Abgases fließt, wird der Sensorelementstrom auf der Grundlage einer Spannung gemessen, die zwischen den Anschlussen des Strommesswiderstands 43 auftritt, wobei dieses Spannungssignal durch den A/F-Verhaltnis-Erfassungssignalverstarker 46 verstärkt wird, und das resultierende Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungssignal einem (in der Zeichnung nicht gezeigten) Mikrocomputer zugefuhrt wird.
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Wenn die Impedanzerfassung durchgefuhrt wird, wird eine Uberschussspannung (eine Wechselspannung bei einer vorbestimmten Frequenz) von der Spannungsanlegesteuerschaltung 44 augenblicklich angelegt, und ein Impedanzerfassungssignal wird auf der Grundlage einer Stromänderung erhalten, die in Reaktion auf diese Uberschussspannung auftritt. Dies bedeutet, dass als Folge der fur einen Moment ausgegebenen Überschussspannung eine entsprechende Änderung im Strom auftritt, die gemaß der Impedanz des Sensorelementes 10 zu diesem Zeitpunkt erfolgt. Die Große dieser Stromanderung wird unter Verwendung des Strommesswiderstands 43 gemessen. Die Signalverarbeitung wird sodann durch das Hochpassfilter 47 und die Spitzenwerthalteschaltung 48 zur Extrahierung eines die Große der Stromanderung reprasentierenden Signals durchgefuhrt, und dieses Signal wird an den Mikrocomputer als Impedanzerfassungssignal ausgegeben. Der Mikrocomputer berechnet dann die Sensorelementimpedanz auf der Grundlage der Große der Spannungsanderung und der Größe der Stromanderung (wie sie durch das Impedanzerfassungssignal reprasentiert sind).
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Mit der Konfiguration nach 6 wird die Impedanz Zac des Sensorelementes auf der Grundlage der Größe der Spannungsanderung ΔV und der Große der Stromanderung ΔI berechnet, die bei Anlegung der Wechselspannung auftreten, das heißt Zac = ΔV/ΔI. In diesem Fall ist die Große der Spannungsanderung ΔV ein fixierter Wert, und falls die Sensorelementimpedanz niedrig ist (das heißt auf der Grundlage des aktivierten Zustands des Sensorelementes), dann ist der Pegel des Sensorstroms hoch. Falls beispielsweise ΔV = 0,2 V und Zac = 20 Ω ist, dann wird die Große der Stromanderung ΔI 10 mA sein.
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Unter der erneuten Annahme, dass ein maximaler Gleichstrom von 2 mA durch den Sensor fließt, wird daher mit der Schaltungskonfiguration nach 6 der Spitzenpegel des Stroms, der von dem Operationsverstarker 45 zur Durchfuhrung einer Impedanzerfassung zugefuhrt werden muss, 12 mA (das heißt Spitzenstrom = 2 mA + 10 mA) im Vergleich zu den 6,5 mA fur das vorstehend beschriebene Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sein. Somit fließen mit dem vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel wesentlich geringere Strompegel in der Schaltung, so dass ein geringerer Pegel des Ausgangsstroms von dem Operationsverstärker 25 als bei dem bekannten Beispiel erforderlich ist.
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Daher kann die Chipflache des Operationsverstarkers 25 im Vergleich zu der fur den Operationsverstarker 45 nach dem Beispiel von 6 erforderlichen klein ausgebildet werden, das heißt der durch Transistoren auf dem Chip eingenommene Raum kann klein sein, so dass die Gesamtgroße der gesamten Schaltung des Ausfuhrungsbeispiels (wenn sie als integrierte Schaltung implementiert ist) klein sein kann. Dies ist in Anbetracht der ansteigenden Nachfrage nach kleinformatigeren ECU (Motorsteuereinheit) für ein Motorfahrzeug bedeutend.
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Nachstehend sind bevorzugte Bereiche fur den Wert R des Widerstands für den Strommesswiderstand 26 und fur die Amplitude ΔV der Wechselspannung unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7(a) stellt den Zusammenhang zwischen dem Widerstand R des Strommesswiderstands 26 und dem Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassungsfehler dar. 7(b) stellt den Zusammenhang zwischen dem Widerstand R und der Erfassungsauflosung fur die Sensorelementimpedanz dar. 7(c) stellt den Zusammenhang zwischen dem Sensorelementstrom und der Wechselspannungsamplitude ΔV dar. 7(d) stellt den Zusammenhang zwischen der Wechselspannungsamplitude ΔV und der Erfassungsgenauigkeit fur die Sensorelementimpedanz dar. Die 7(c) und 7(d) zeigen Messergebnisse, die erhalten werden, wenn der Wert von R 200 Ω betragt.
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Gemäß 7(a) kann das Luft/Brennstoff-Verhaltnis umso genauer erfasst werden, je großer der Wert für den Widerstand R des Strommesswiderstands 26 ist. Andererseits wird gemaß 7(b) die Erfassungsgenauigkeit der Sensorelementimpedanz umso geringer, je großer der Wert des Widerstandes R ist. Daher ist auf der Grundlage dieser Betrachtungen der optimale Wertebereich fur den Widerstand R 150 bis 250 Ω, und der Optimalwert liegt bei 200 Ω.
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Alternativ kann der Widerstand des Strommesswiderstandes auf der Grundlage der Impedanz des Sensorelementes bei Aktivierung bestimmt werden, das heißt der Widerstand des Strommesswiderstands kann auf das 5 bis 10fache des Wertes der (aktivierten) Sensorelementimpedanz eingestellt werden.
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Wie ferner in 7(c) gezeigt ist, wird der Sensorelementstrom umso kleiner, je kleiner die Amplitude ΔV der Wechselspannung ist, so dass die Große des von dem Operationsverstarker 25 erforderlichen Ansteuerungsstroms demgemaß reduziert ist, und daher die Große einer die Sensorschaltung enthaltenden integrierten Schaltung kleiner ausgebildet werden kann.
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Andererseits wird die Erfassungsgenauigkeit fur die Sensorelementimpedanz umso kleiner, je geringer die Amplitude ΔV ausgebildet wird. Daher betragt auf der Grundlage dieser Betrachtungen der optimale Wertebereich fur die Amplitude ΔV 1,5 bis 2,5 V, wobei der Optimalwert fur ΔV bei 2 V liegt.
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Nachstehend ist die Frequenz der Wechselspannung betrachtet. Zunachst sollte im Falle eines Sensorelementes mit einer Festkorperelektrolytschicht wie das Sensorelement 10 die Wechselspannungsfrequenz in Anbetracht der Sensoreigenschaften hoher als 1 kHz sein. Zudem ist die Verwendung eines Hochpassfilters im A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 notig, um den Wechselanteil des Messspannungssignals (das heißt der an der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 auftretenden Spannung) zu extrahieren, um das Impedanzerfassungssignal gemaß vorstehender Beschreibung zu erlangen. Die Variationen in der Amplitude des Messspannungssignals auf der Grundlage von Variationen im Luft/Brennstoff-Verhaltnis treten jedoch bei Frequenzen von ungefähr 100 kHz in Abhangigkeit der Motorgeschwindigkeit auf. Um somit eine zuverlassige Unterscheidung zwischen dem Wechselanteil der Messspannung und den bei der Messspannung auf der Grundlage von Anderungen des Luft/Brennstoff-Verhaltnisses auftretenden Variationen zu ermöglichen, muss es eine ausrechende Differenz zwischen der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters, das zum Extrahieren der Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Variationsanteile verwendet wird (das heißt das LPF 7 aus 1), und der Grenzfrequenz des Hochpassfilters geben, das zum Extrahieren des Wechselanteils verwendet wird (das heißt das HPF 35 aus 1).
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In Anbetracht dessen wird die durch den Oszillator 24 erzeugte Wechselspannungsfrequenz vorzugsweise zumindest zu 10 kHz ausgebildet.
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Zudem mussen die Wirkungen der Induktivitaten der Leiterbahn ebenfalls in Betracht gezogen werden, welche die Computer der Sensorschaltung verbindet, so dass die Wechselspannungsfrequenz nicht ubermaßig hoch ausgebildet werden kann. Auf der Grundlage dieser Tatsache und außerdem auf der Grundlage der Betriebseigenschaften eines Operationsverstarkers, der fur den Operationsverstarker 25 verwendet wird, und in Anbetracht der Herstellungsvariationen bei den Bauteileigenschaften kann ferner 20 kHz als die obere Grenze fur die Wechselspannungsfrequenz betrachtet werden. In Anbetracht aller vorstehenden Überlegungen wird somit die Wechselspannungsfrequenz vorzugsweise innerhalb des Bereiches 10 bis 20 kHz eingestellt.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel werden die nachstehend aufgefuhrten Wirkungen erhalten. Aufgrund der Tatsache, dass das an der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 auftretende Spannungssignal über jeweils separate Systeme übertragen wird, die durch den A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 und den Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 gebildet werden, kann eine geeignete (jeweils separate) Signalverarbeitung verwendet werden, um ein das Luft/Brennstoff-Verhaltnis angebendes Signal und ein die Sensorelementimpedanz angebendes Signal zu erlangen. Daher kann eine geeignete Verarbeitung ungeachtet der großen Differenz bei der Amplitude zwischen diesen beiden Signalen angewendet werden, da die Signale durch separate Systeme verstarkt werden.
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Zudem ist es unnotig, eine zweistufige Verstärkung auf das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal anzuwenden, und sowohl die Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassung als auch die Sensorelementimpedanzerfassung konnen mit einem hohen Genauigkeitsgrad erzielt werden.
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Aufgrund der Tatsache, dass sowohl die Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassung als auch die Sensorelementimpedanzerfassung durch Messen eines Spannungssignals durchgefuhrt werden, das an einem gemeinsamen Punkt (das heißt der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26) auftritt und bezuglich des Systemmassepotentials variiert, wird es daruber hinaus unnötig, Schaltungselemente zum Umwandeln eines Differenzspannungssignals (das beispielsweise zwischen den Anschlussen des Widerstands 63 aus 10 auftritt) in ein Signal bereitzustellen, das bezüglich des Systemmassepotentials variiert. Im Einzelnen wird es entbehrlich, ein Schaltungselement wie etwa den Differenzverstarker 65 aus 10 zur Durchfuhrung einer derartigen Umwandlung zu verwenden, wie es bei der Technologie aus dem Stand der Technik wie etwa bei der Schaltung nach 10 erforderlich ist, bei der sowohl eine Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erassungssignalspannung als auch eine Sensorelementimpedanzerfassungssignalspannung zwischen den Anschlussen des Widerstands 63 gemessen werden. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Vereinfachung der Gesamtkonfiguration der Schaltung.
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Die vorstehend angefuhrten Punkte sind nachstehend im Einzelnen beschrieben. Mit dem vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel ist die Ausgangsspannung von dem Operationsverstärker 25 eine Wechselspannung, deren Durchschnittswert (das heißt Mittelwert) bei +2,2 V über Massepotential fixiert ist. Daher kann das Luft/Brennstoff-Verhaltnis durch Überwachung von Anderungen erfasst werden, die bei der am Messpunkt (das heißt der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26) auftretenden Durchschnittsspannung erscheinen, indem der Gleichanteil der Spannungsvariationen am Messpunkt extrahiert wird. Dies bedeutet, dass ein Spannungssignal erlangt wird, das bezuglich des Systemmassepotentials variiert.
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Wenn andererseits beispielsweise bei der Technologie aus dem Stand der Technik nach 10 der Stromfluss durch den Strommesswiderstand 63 als ein Ergebnis der durch den Oszillator 62 der Gleichspannung von der Referenzspannungsquelle 61 uberlagerten Wechselspannung sowie als Folge der Wirkungen von Veranderungen im Luft/Brennstoff-Verhaltnis des Sensorelementes 60 variieren, variiert die Spannung zwischen den Anschlussen des Strommesswiderstands 63 in Ubereinstimmung mit diesen Variationen im Strom. Daher ist es notig, den Differenzverstarker 65 zum Umwandeln dieser Anderungen im Stromfluss auf Änderungen in die bezuglich des Schaltungsmassepotentials gemessene Spannung umzuwandeln.
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Bei der in 1 gezeigten erfindungsgemaßen Schaltung kann jedoch mit einem das Luft/Brennstoff-Verhältnis angebenden Signal und einem die Elementimpedanz angebenden Signal, die durch jeweils unterschiedliche Systeme direkt von einem gemeinsamen Punkt in der Schaltung extrahiert werden, eine geeignete Verstarkung auf jedes der Signale angewendet werden, um eine genaue Luft/Brennstoff-Verhältnis-Erfassung sowie Sensorelementimpedanzerfassung zu erzielen, ohne die Verwendung eines Differenzverstärkers zu erfordern. Eine geeignete Signalverarbeitung kann für die Luft/Brennstoff-Verhaltniserfassung und die Sensorelementimpedanzerfassung gemaß dem Verarbeitungsbereich der Eingangsschaltungen eines digitalen Prozessors wie etwa des Mikrocomputers 38 angewendet werden. Daher kann die Auflosung der Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassung und der Sensorelementimpedanzerfassung im Vergleich zum Stand der Technik erhoht werden. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beschrankt ist, und dass beispielsweise die nachstehend beschriebenen alternativen Ausfuhrungsbeispiele ins Auge gefasst werden konnen.
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Zunachst sei bei dem vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel nach 1 eine fixierte Gleichspannung (2,6 V) an den Anschluss S+ des Sensorelementes 10 angelegt, und eine Wechselspannung mit einem Gleichanteil (2,2 V ± 1 V) sei an den Anschluss S– von der Wechselspannungssignalquelle (Oszillator 24) angelegt, wobei der Strommesswiderstand 26 zwischen der Wechselspannungssignalquelle und dem Sensorelement 10 angeordnet ist. Dies konnte jedoch in eine beliebige der alternativen Konfigurationen fur das erste Ausfuhrungsbeispiel geandert werden, die in den nachstehend beschriebenen 8(a) bis 8(c) dargestellt sind. Zur Verkurzung der Beschreibung werden vereinfachte Teilschaltbilder in der Form von 5 verwendet, wobei nur die gegenüber dem Ausfuhrungsbeispiel nach 1 verschiedenen Punkte beschrieben sind.
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Die in 8(a) gezeigte Konfiguration unterscheidet sich von der nach 1 (5) dahingehend, dass die Wechselspannung an den Anschluss S+ des Sensorelementes 10 uber den Operationsverstarker 22 angelegt ist, wobei die fixierte Gleichspannung von 2,6 V der Referenzspannungsquelle 21 als der Mittelwert (das heißt Durchschnittswert) der Wechselspannung eingestellt ist (die somit als 2,6 V ± 1 V variiert), wahrend die fixierte Gleichspannung von 2,2 V an den Anschluss S– angelegt ist.
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Mit der Konfiguration nach 8(b) sind die Schaltungspositionen des Strommesswiderstands 26 und des Sensorelementes 10 gegenuber dem Ausfuhrungsbeispiel nach 1 vertauscht, das heißt die (mit 2,2 V ± 1 V variierende) Wechselspannung ist an den Anschluss S– des Sensorelementes 10 angelegt, und die auf 2,6 V fixierte Gleichspannung ist an den entgegengesetzten Anschluss des Strommesswiderstands 26 von der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 angelegt.
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Mit der Konfiguration nach 8(c) sind die Schaltungspositionen des Strommesswiderstands 26 und des Sensorelementes 10 gegenuber der Konfiguration nach 8(a) vertauscht, das heißt die (mit 2,6 V ± 1 V variierende) Wechselspannung ist von der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 an den entgegengesetzten Anschluss des Strommesswiderstands 26 angelegt, und die auf 2,2 V fixierte Gleichspannung ist an den Anschluss S– des Sensorelementes 10 angelegt.
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Mit jeder der Konfigurationen nach 8(a), 8(b) und 8(c) konnen die an der Verbindung zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 auftretenden Spannungssignalanteile jeweils durch den A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 und den Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 extrahiert werden, wie es fur das erste Ausfuhrungsbeispiel beschrieben ist, um das Luft/Brennstoff-Verhaltniserfassungssignal und das Impedanzerfassungssignal von jeweiligen Signalverarbeitungssystemen zu erhalten. Daher konnen die vorstehend beschriebenen Vorteile des ersten Ausführungsbeispiels ebenfalls mit jeder der alternativen Konfigurationen der 8(a), 8(b) und 8(c) erhalten werden.
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Die Erfindung ist vorstehend fur den Fall beschrieben, bei dem das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal als an dem Ubergang zwischen dem Sensorelement 10 und dem Strommesswiderstand 26 auftretender Spannungssignalanteil extrahiert wird, das heißt ein Spannungssignalanteil, der bezuglich dem Schaltungsmassepotential variiert. Mit einem in 9 dargestellten weiteren alternativen Ausfuhrungsbeispiel kann jedoch das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal als ein zwischen den Anschlussen des Strommesswiderstands 26 auftretender Spannungssignalanteil extrahiert werden. Gemaß 9 sind die Eingangsanschlusse der Tiefpassfilter 51 und 52 jeweils mit den entgegengesetzten Anschlussen des Strommesswiderstands 26 verbunden, wobei die Ausgangsanschlusse der Tiefpassfilter 51 und 52 mit jeweiligen Eingangsanschlussen eines Differenzverstarkers 53 verbunden sind. Das dadurch von dem Differenzverstarker 53 erzeugte Ausgangssignal wird dem Mikrocomputer 38 als das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal eingegeben.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, weisen das Ausfuhrungsbeispiel nach 1, jede der alternativen Konfigurationen nach den 8(a), 8(b) und 8(c) und das Ausfuhrungsbeispiel nach 9 jeweils die nachstehend aufgeführten Grundmerkmale auf:
- (a) Ein Wechselspannungsschaltungspfad wird ausgebildet (im Einzelnen von dem Ausgangsanschluss des Oszillators 24 durch den Strommesswiderstand 26 und das Sensorelement 10, bis zu dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 22), an den eine Wechselspannung von dem Oszillator 24 angelegt wird, was das Fließen eines Wechselstromanteils in dem Wechselspannungspfad verursacht.
- (b) Der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 ist mit der Verbindung zwischen dem Strommesswiderstand 26 und dem Sensorelement 10 zum Extrahieren eines Wechselspannungssignalanteils entsprechend dem Wechselstromanteil verbunden. Das heißt, der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 ist mit einem Punkt in dem vorstehend angefuhrten Wechselspannungsschaltungspfad zum Extrahieren dieses Wechselspannungssignalanteils gekoppelt.
- (c) Der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 ist mit zumindest einem Punkt in dem Wechselspannungsschaltungspfad (als einem separaten System von dem Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32) verbunden, um einen Gleichspannungssignalanteil entsprechend einem Gleichstromanteil zu extrahieren, der ebenfalls in diesem Schaltungspfad fließt, wobei der Begriff „Gleichstromanteil” die vorstehend definierte Bedeutung aufweist.
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Alternativ betrachtet weisen das Ausfuhrungsbeispiel nach 1, jede der alternativen Konfigurationen gemaß den 8(a), 8(b) und 8(c) sowie das Ausfuhrungsbeispiel nach 9 alle die nachstehend aufgefuhrten Grundmerkmale auf. Das Sensorelement 10 und der Strommesswiderstand 26 bilden eine Reihenschaltungskombination von Schaltungselementen, wobei jeweils erste Anschlusse des Sensorelementes 10 und des Strommesswiderstands 26 an einem Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, und ihre jeweils zweiten Anschlusse ein Paar außere Anschlusse der Reihenschaltungskombination bilden. Die Referenzspannungsquelle 23 und der Oszillator 24 erzeugen eine Wechselspannung mit einem Durchschnittswert, der sich von dem Massepotential durch eine erste Große unterscheidet, wobei die Wechselspannung an einen ersten der außeren Anschlusse angelegt ist. Die Referenzspannungsquelle 21 legt eine fixierte Gleichspannung, die sich von dem Massepotential durch eine (von der ersten Große verschiedene) zweite Größe unterscheidet, an einen zweiten der äußeren Anschlüsse an. Der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 ist mit dem vorstehend beschriebenen Verbindungspunkt zum Extrahieren eines Gleichanteils der zwischen dem Verbindungspunkt und Massepotential auftretenden Spannung gekoppelt, um dadurch das Luft/Brennstoff-Verhaltnis-Erfassungssignal zu erlangen. Alternativ (vergleiche 9) ist der A/F-Verhaltnis-Erfassungsabschnitt 31 mit den entgegengesetzten Anschlussen des Strommesswiderstands 26 zum Extrahieren des Gleichanteils gekoppelt. Der Sensorelementimpedanzerfassungsabschnitt 32 ist mit dem vorstehend beschriebenen Verbindungspunkt zum Extrahieren eines Wechselanteils des an dem Verbindungspunkt auftretenden Spannungssignals gekoppelt, um dadurch das Sensorimpedanzerfassungssignal zu erlangen.
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Es versteht sich, dass die Erfindung in ihrem Bereich nicht auf die Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses von dem Abgas eines Verbrennungsmotors beschrankt ist, und gleichermaßen auf verschiedene andere Anwendungen anwendbar ist, Eine Verbundbauart eines Gaskonzentrationssensors umfasst beispielsweise eine Vielzahl von Zellen, die jeweils aus einem Festkorperelektrolyten ausgebildet sind. Eine Pumpzelle stoßt in einem untersuchten Gas enthaltenen Sauerstoff aus, und erfasst außerdem die Sauerstoffkonzentration. Eine zweite Zelle (Sensorzelle) erfasst die Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils, der verbleibt, nachdem der Sauerstoff ausgestoßen wurde. Ein derartiger Gaskonzentrationssensor kann beispielsweise als ein NOx-Sensor zur Erfassung der Konzentration von Stickoxid im Abgas eines Motorfahrzeugs angewendet werden. Die Erfindung ware auf die Erhohung der Genauigkeit zur Erfassung von Gaskonzentrationen wie etwa Stickoxid und der Erfassung der Sensorelementimpedanz mit derartigen Bauarten eines Gaskonzentrationssensors anwendbar.
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Weiterhin ist die Erfindung auf die Bauart eines Gaskonzentrationssensors anwendbar, der zusatzlich zu der vorstehend beschriebenen zweiten Zelle (Sensorzelle) eine dritte Zelle aufweist (die als Uberwachungszelle oder zweite Pumpzelle in Bezug genommen ist). Nachdem Sauerstoff ausgestoßen wurde, erfasst dabei die dritte Zelle die Konzentration von Restsauerstoff.
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Die Erfindung ist daruber hinaus auf eine Bauart eines Gaskonzentrationssensors anwendbar, der zur Erfassung von Konzentrationen von gasformigen Komponenten wie etwa Hydrokarbone und Kohlenstoffmonoxide befahigt ist. Mit einer derartigen Bauart eines Gaskonzentrationssensors stoßt eine Pumpzelle in dem untersuchten Gas enthaltenen uberschussigen Sauerstoff aus, und eine Sensorzelle analysiert das nach Entfernung des uberschüssigen Sauerstoffs verbleibende Gas, um die Konzentrationen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxiden zu erfassen.
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Die Erfindung ist außerdem auf Bauarten von Gaskonzentrationssensoren, die sich von denen zur Verwendung mit einem Fahrzeugmotor unterscheiden, sowie auf Bauarten eines Gaskonzentrationssensors zur Erfassung von gasförmigen Komponenten anwendbar, die von denen verschieden sind, die in einem Motorabgas enthalten sind. Wenn ein erfindungsgemaßes Gaskonzentrationserfassungsgerät auf ein Gas angewendet wird, das von dem Abgas von einem Fahrzeugmotor verschieden ist, wird bevorzugt, dass die Frequenz der Wechselspannung auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 1 bis 20 kHz eingestellt wird.
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Nach vorstehender Beschreibung umfasst die Erfindung ein Gaskonzentrationserfassungsgerät mit einer Reihenschaltungskombination aus einem Sensorelement und einem Widerstand, wobei eine Wechselspannung an einen der außeren Anschlusse dieser Kombination angelegt ist, und der andere äußere Anschluss auf einem fixierten Potential gehalten wird. Ein Gleichspannungssignal auf einem Pegel, der durch eine durch das Sensorelement erfasste Sauerstoffkonzentration bestimmt ist, und ein Wechselspannungssignal mit einer durch die Sensorelementimpedanz und somit durch den Sensorelementaktivierungszustand bestimmten Amplitude werden aus der Reihenschaltungskombination durch jeweils separate Schaltungen extrahiert, die separat bestimmte Verstarkungsfaktoren anwenden.
