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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und/oder
Verfahren zum Steuern eines Gassensors, wie z. B. einen Gassensor
umfassend mindestens eine Zelle, welche ein Festelektrolytelement
und ein auf dem Festelektrolytelement gebildetes Elektrodenpaar
voneinander beinhaltet. Konkret bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf eine Technik zum Erfassen der Impedanz einer Zelle des Gassensos
und Steuern der Stromversorgung einer Heizvorrichtung des Gassensors
in Übereinstimmung mit der erfassten Zellenimpedanz.
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Ein
Gassensor wie z. B. Sauerstoffsensor und Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor
ist weit verbreitet für einen Verbrennungsmotor für
ein Motorfahrzeug oder andere Anwendungen, um den Kraftstoffverbrauch
zu verbessern und die Verbrennung zu steuern. Ferner erhöhen
sich in Verbindung mit dem Umweltanliegen und Verschärfung
der Regelungen zur Begrenzung von Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen
die Anforderungen zum Reduzieren der Menge an Stickoxiden (NOx)
in der Abgasgasmischung und treibt die Entwicklung eines NOx-Sensors,
welcher in der Lage ist, die Konzentration von NOx direkt zu messen.
Diese Gassensoren benutzen ein Gaserfassungselement mit einer oder
mehreren Zellen, welche jeweils ein Festelektrolytelement eines
Sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolyten wie z. B. Zirkonoxid
und ein auf dem Festelektrolytelement gebildetes Elektrodenpaar
beinhaltet. Das Gaserfassungselement erzeugt eine Ausgabe, von welcher die
Konzentration eines spezifischen Gases bestimmt werden kann.
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Als
Gassensor ist ein Gesamtbereichs-Mischungsverhältnis-Sensor
(auch UEGO-Sensor genannt) zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration
eines Messgases mit einer Konstruktion bekannt, welche zwei Zellen
(Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle und Sauerstoff-Pumpzelle)
beinhaltet, welche auf beiden Seiten einer Messkammer angeordnet sind,
zu der ein Messgas eingeführt wird durch ein Diffusionswiderstandselement.
Darüber hinaus ist ein NOx-Gassensor bekannt, welcher eine
Zelle zum Erfassen der NOx-Konzentration zusätzlich zu
den zwei Zellen beinhaltet (Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle
und Sauerstoff-Pumpzelle).
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Der
Gassensor ist mit einer Sensortreiberschaltung zur Elektrizitätsversorgung
einer Zelle des Gassensors verbunden und eingerichtet, die Konzentration
eines spezifischen Gases im Messgas (Gasmischung) von einem Ausgang
der Zelle zu erfassen. Ein solcher Gassensor beinhaltet eine Heizvorrichtung
zum Heizen der Zelle (das Festelektrolytelement der Zelle) auf eine
höhere Temperatur, welche höher oder gleich einer
Aktivierungstemperatur ist, so dass das Festelektrolytelement Sauerstoffionen-leitend
wird. Die Stromversorgung der Heizvorrichtung wird gesteuert, um
die Zelle schnell zu aktivieren und die Zelle bei Temperaturen,
welche gleich oder höher als die Aktivierungstemperatur
sind, aktiv stabil zu halten.
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Ein
japanisches Patentdokument (
JP 10-48180A )
zeigt ein Temperatur-Steuerungssystem, welches eingerichtet ist,
die Impedanz einer Zelle (Element-Impedanz oder Zellenimpedanz)
zu erfassen, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur der
Zelle ändert, und die Temperatur der Zelle durch Steuern
der Stromversorgung der Heizvorrichtung zu steuern. Es ist möglich,
die Temperatur der Zelle durch Steuern der zur Heizvorrichtung gespeisten Strommenge
so zu steuern, dass die periodisch erfasste Impedanz der Zelle auf
eine gewünschte Zielimpedanz gebracht wird. Es ist möglich,
die Zellenimpedanz durch Eingeben eines Impedanzerfassungssignals
(oder Strom) in eine überwachte Zelle, deren Impedanz zu
erfassen ist, zu erfassen, und die Impedanz von einer Ausgabe (Antwortsignal)
der überwachten Zelle, welche auf das Impedanzerfassungssignal
reagieren, zu bestimmen.
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Wenn
eine zur überwachten Zelle leitende Leiterbahn durch einige
Defekte getrennt wird, erhöht sich die durch das Steuerungssystem
erfassten Impedanz der überwachten Zelle übermäßig
oder unendlich. Als Ergebnis schätzt das Steuerungssystem falsch
ein, dass die Zelle (Gassensor) kalt ist, und fährt fort,
die maximale Effektivspannung an die Heizvorrichtung zu speisen.
Die Fortdauer des Anlegens der maximalen Effektivspannung kann die
Temperatur des Gassensors anomal erhöhen und den Gassensor
beschädigen. Deshalb schlägt ein japanisches Patentdokument
(
JP 2000-121600 )
ein Diagnosesystem zum Erkennen eines anomalen Zustands wie z. B.
Trennung oder Kurzschluß des Gaserfassungselements und
der Heizvorrichtung durch Überwachen einer ungewöhnlichen
Schwankung der Elementimpedanz vor.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Jedoch
verhindert, wenn die Anomalie festgestellt wurde, das oben erwähnte
Diagnosesystem die Stromversorgung der Heizvorrichtung, so dass der
Gassensor gekühlt wird und Fremdstoffe wie z. B. Kohlenstoff
an die Oberfläche des Sensors (die Oberfläche
des Erfassungselements) anhaften können. Das an den Gassensor
anhaftende Material kann die Funktion des Gaserfassungselements
behindern, wenn der Normalzustand wiedererlangt wird und der normale
Heizvorrichtungs-Steuermodus neu gestartet wird. In Anbetracht eines
solchen Problems ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Technik bereitzustellen, wie eine Gassensor-Steuer-Vorrichtung
und/oder -Verfahren, welche geeignet sind, unsachgemäße Überhitzung
eines Gassensors infolge von Defekten wie z. B. Unterbrechung der Verdrahtung
zu verhinden und Wiederherstellung eines normalen Gassensor-Betriebs
ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Technik, wie z. B. eine Gassensor-Steuervorrichtung
und/oder -Verfahren bereitzustellen, welche geeignet sind, die unsachgemäße Überhitzung
eines Gassensors infolge von Überhitzung der Heizvorrichtung
zu vermeiden, wenn eine solche Bedingung fortdauert, dass eine Impedanz
des Gassensors, welche bei Verdrahtungs-Trennung der Zelle oder
dergleichen festgestellt wird, einen übermäßig
hohen Pegel zeigt, und geeignet sind, das Anhaften von Fremdsubstanzen
wie z. B. Kohlenstoff an der Oberfläche des Sensors beim
Abkühlen des Sensors ohne Stoppe der Stromversorgung der
Heizvorrichtung zu verhindern.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, umfasst eine Gassensorsteuervorrichtung
zum Steuern eines Gassensors zum Erfassen einer Konzentration eines
spezifischen Gases, wobei der Gassensor eine Zelle umfasst, die
ein Festelektrolytelement und ein auf dem Festelektrolytelement
gebildetes Elektrodenpaar umfasst und als überwachte Zelle dient:
einen Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt, um eine Stromversorgung
für eine im Gassensor enthaltene Heizvorrichtung zu regeln;
einen Impedanz-Erfassungs-Abschnitt, um von einem Ausgang der Zelle
eine Impedanz der (überwachten) Zelle des Gassensors zu erfassen;
einen Impedanz-Zustands-Untersuchungs-Abschnitt, um zu untersuchen,
ob die vom Impedanz-Erfassungs-Abschnitt erfasste Impedanz größer
oder gleich einer vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist;
ein Spannungszustands-Untersuchungs-Abschnitt, um zu untersuchen,
ob an die Heizvorrichtung eine maximale Effektivspannung angelegt
ist, wenn beurteilt wird, dass die Impedanz größer
oder gleich der vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist;
einen Zeitdauer-Mess-Abschnitt, um zu untersuchen, ob eine Anlegzeitdauer
des Anlegens der maximalen Effektivspannung an die Heizvorrichtung
gleich oder länger als eine vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungsvermeidungszeit
wird; und einen Spannungs-Verminderungs-Abschnitt, um den Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt
anzuweisen, an die Heizvorrichtung eine niedrigere Effektivspannung
anzulegen, welche niedriger als die maximale Effektivspannung ist
und welche so gewählt ist, dass die Temperatur der Zelle
höher oder gleich 500°C gehalten wird, wenn die
Anlegzeitdauer gleich oder länger als die vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungsvermeidungszeit
wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung, umfasst ein Gassensorsteuerverfahren
zum Steuern eines Gassensors zum Erfassen einer Konzentration eines
spezifischen Gases, wobei der Gassensor eine Heizvorrichtung und
mindestens eine Zelle umfasst, die ein Festelektrolytelement und
ein auf dem Festelektrolytelement gebildetes Elektrodenpaar umfasst und
als eine überwachte Zelle dient: einen Impedanz-Erfassungs-Schritt
zum Erfassen einer Impedanz der (überwachten) Zelle des
Gassensors von einem Ausgang der (überwachten) Zelle; einen
Impedanz-Zustands-Untersuchungs-Schritt zum Untersuchen, ob die
vom Impedanz-Erfassung-Schritt erfasste Impedanz größer
oder gleich einer vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist;
einen Spannungs-Zustands-Untersuchungs-Schritt zum Untersuchen,
ob eine maximale Effektivspannung an die Heizvorrichtung angelegt
ist, wenn beurteilt wird, dass die Impedanz größer
oder gleich der vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist;
einen Zeitdauer-Mess-Schritt zum Untersuchen, ob eine Anlege-Zeitdauer
des Anlegens der maximalen Effektivspannung an die Heizvorrichtung
gleich oder länger als eine vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungsvermeidungszeit
wird; und einen Spannung-Verminderungs-Schritt zum Anlegen einer
unteren bzw. niedrigeren Effektivspannung, welche niedriger als
die maximale Effektivspannung ist und welche so eingestellt wird,
dass die Temperatur der Zelle höher oder gleich 500°C
gehalten wird, an die Heizvorrichtung, wenn die Anlegzeitdauer gleich oder
länger als die vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungsvermeidungszeit
wird.
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Nach
noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine
Gassensorsteuervorrichtung oder -verfahren ein Teil oder alle der
nachfolgenden Elemente (Abschnitte oder Schritte): ein Heizvorrichtungs-Regel-Element,
um die Heizvorrichtung, welche in einem Gassensor zum Erfassen einer
Konzentration eines spezifischen Gases enthalten ist, mit Elektrizität
oder elektrischer Leistung zu versorgen; ein Impedanz-Erfassungs-Element zum
Erfassen einer Impedanz einer (überwachten) Zelle des Gassensors;
und ein Kontroll-Element, um eine erste Bedingung zu kontrollieren,
welche erfüllt ist, wenn die Impedanz größer
oder gleich einer vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist,
um eine zweite Bedingung zu kontrollieren, welche erfüllt ist,
wenn die an die Heizvorrichtung gelieferte elektrische Leistung
höher oder gleich einem vorgegebenen höheren Leistungspegel
ist, um eine Fortdauer (oder Zeitdauer) einer dritten Bedingung
zu messen, welche erfüllt ist, wenn die erste und zweite
Bedingung beide gleichzeitig erfüllt sind, und um die an
die Heizvorrichtung geliefert elektrische Leistung oder Elektrizitätsmenge
von einem höheren Leistungspegel auf ein niedrigeres Leistungspegel,
welches niedriger als der höhere Leistungspegel ist, zu
vermindern, wenn die Fortdauer der dritten Bedingung gleich oder
länger als eine vorgegebene Überhitzungsvermeidungszeit
wird. Das Steuerelement kann die nachfolgenden Teilelemente umfassen
(Unterabschnitte oder Unterschritte) ein erstes Teilelement zum Überprüfen
der erste Bedingung, ein zweites Teilelement zum Überprüfen
der zweiten Bedingung, ein drittes Teilelement zum Messen der Fortdauer
der dritten Bedingung, und ein viertes Teilelement zum Vermindern
der elektrischen Leistung auf das niedrige Leistungspegel, wenn
die Fortdauer der dritten Bedingung gleich oder länger
als die vorgegebene Überhitzung-Vermeidungszeit wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht, die ein Gassensor-Steuerungssystem nach
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
welches mindestens einen Teil eines Verbrennungsmotor-Steuerungssystems
bildet.
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2 ist
ein Schaltplan, welcher die Konstruktion einer elektronischen Steuereinheit
im Gassensor-Steuerungssystem von 1 schematisch zeigt.
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3 ist
eine graphische Ansicht zum Illustrieren eines Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahrens, welches
durch das Gassensor Steuerungssystem von 1 ausgeführt
wird.
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, welches ein Heizvorrichtungs-Steuerverfahren
zeigt, welches durch das Gassensor-Steuerungssystem von 1 ausgeführt
wird.
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5 ist
ein Ablaufdiagramm, welches das Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
zeigt, welches durch das Gassensor-Steuerungssystem von 1 ausgeführt
wird.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
schematisch ein Steuerungssystem 1, welches eine Gassensor-Steuereinheit
(elektronische Steuereinheit ECU) 5 beinhaltet. Das Steuerungssystem 1 dieses
Beispiels ist als ein Verbrennungsmotor-Steuerungssystem konstruiert,
welches unterschiedliche Steuervorgänge zum Steuern eines oder
mehrerer Betriebszustände eines Verbrennungsmotors (Motor),
und Vorgänge zum Erfassen eines spezifischen Gasbestandteils
(wie z. B. Sauerstoff) in einem zu untersuchenden Messgas (wie z.
B. Abgasgemisch) durchführt.
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Dieses
Steuerungssystem 1 beinhaltet die elektronische Steuereinheit 5 und
einen an einem Abgasrohr des Motors befestigten Gassensor 8. Elektronische
Steuereinheit 5 beinhaltet eine Sensor-Steuerschaltung 2 zum
Steuern des Gassensors 8 (Erfassungselement 10),
eine Motorsteuereinrichtung 9 (nachstehend als Motor-CPU 9 bezeichnet), und
eine Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 zum Steuern einer
Heizvorrichtung (oder Heizelement) 43. Die Sensor-Steuerschaltung 2 beinhaltet
eine Sensortreiberschaltung 52. Die Motorsteuereinrichtung 9 ist
verbunden mit der Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60,
und konfiguriert, die Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 so
zu steuern, dass die Temperatur von Erfassungselement 10 auf
eine Betriebstemperatur (oder Aktivierungstemperatur) geregelt wird.
Die Motorsteuereinrichtung 9 ist mit der Sensor-Steuerschaltung 2 durch
ein Übertragungskabel 71 verbunden und konfiguriert,
die Sensor-Steuerschaltung 2 zu steuern.
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Der
Gassensor 8 beinhaltet das Erfassungselement 10 zum
Erfassen der Sauerstoffkonzentration in einem weiten Bereich im
Messgas (Abgasgemisch), welches das zu messende Gas ist, und die Heizvorrichtung
oder Heizelement 43 zum Halten der Temperatur von Erfassungselement 10 auf
der Betriebstemperatur. Dieser Gassensor 8 fungiert als
ein Gesamtbereichs-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor. Das
Erfassungselement 10 beinhaltet eine Sauerstoff-Pumpzelle 14,
eine poröse Diffusionsschicht 18, eine Sensorzelle 24,
und eine Verstärkungsplatte 30, wie später
ausführlicher erwähnt wird.
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Die
Sensor-Steuerschaltung 2 beinhaltet die mit Gassensor 8 elektrisch
verbundene Sensortreiberschaltung 52, und andere Schaltungen.
Die Sensortreiberschaltung 52 steuert Gassensor 8 durch Speisen
von Elektrizität zu Gassensor 8 (Sauerstoff-Pumpzelle 14 und
Sensorzelle 24), und erfasst ein Ausgangssignal von Sauerstoff-Pumpzelle 14 (Gassensorsignal)
und eine Elementimpedanz oder Zellenimpedanz (ein Impedanzsignal
Vrpvs, welches in diesem Beispiel mit der Elementimpedanz der Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 schwankt). Sensor-Steuerschaltung 2 liefert
das Gassensorsignal und das Elementimpedanzsignal an die Motorsteuereinrichtung 9.
In diesem Beispiel ist Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 eine
Zelle, deren Impedanz zu erfassen ist, und somit kann Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 als ”(Impedanz-)überwachte
Zelle” dienen.
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Die
Sensor-Steuerschaltung 2 kann zum Beispiel in Form eines
ASIC (anwendungs-spezifischer integrierter Schaltkreis) realisiert
werden. Das Gassensorsignal ist ein Signal, welches in Abhängigkeit
der Sauerstoffkonzentration des Messgases schwankt, und welches
zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration benutzt wird. Die Elementimpedanz (Impedanzsignal)
stellt den elektrischen Widerstand von Gassensor 8 dar,
welcher mit der Temperatur von Gassensor 8 schwankt. Der
Gassensor 8 (Heizvorrichtung 43) wird in Übereinstimmung
mit der Elementimpedanz gesteuert, wie später ausführlicher erwähnt
wird.
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Die
Sensor-Steuerschaltung 2 (Sensortreiberschaltung 52)
beinhaltet einen Vs+-Anschluss, einen COM-Anschluss und einen Ip+-Anschluss,
welche jeweils mit einer ersten Anschlussklemme 15, einer
zweiten Anschlussklemme 17 und einer dritten Anschlussklemme 19 elektrisch
verbunden sind. Der Vs+-Anschluss der Sensor-Steuerschaltung 2 ist durch
erste Anschlussklemme 15 und eine Leiterbahn bzw. Leitung 61 mit
einer später erwähnten zweiten Messelektrode 28 von
Erfassungselement 10 verbunden. Der COM-Anschluss von Sensor-Steuerschaltung 2 ist
durch zweite Anschlussklemme 17 und eine Leiterbahn bzw.
Leitung 62 mit einer ersten Messelektrode 22 und
einer zweite Pumpelektrode 16 von Erfassungselement 10 verbunden. Der
Ip+-Anschluss von Sensor-Steuerschaltung 2 ist durch dritte
Anschlussklemme 19 und eine Leiterbahn bzw. Leitung 63 mit
einer ersten Pumpelektrode 12 von Erfassungselement 10 verbunden.
Folglich ist Sensortreiberschaltung 52 mit Gassensor 8 verbunden,
und konfiguriert, das Gassensorsignal und das Impedanzsignal entgegenzunehmen.
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In
der nachfolgenden Erklärung, wird zwischen dem Vs+-Anschluss
und erster Anschlussklemme 15, zwischen dem COM-Anschluss
und zweiter Anschlussklemme 17, und zwischen dem Ip+-Anschluss
und dritter Anschlussklemme 19 keine Unterscheidung gemacht.
In der nachfolgenden Erklärung wird ”Vs+-Leitung” nach
dem Bedürfnis benutzt, den Teil zu bezeichnen, welcher
eine übermäßige Erhöhung der
Elementimpedanz verursacht, wenn ein Verdrahtungsdefekt oder -anomalie
(wie z. B. Trennung oder Bruch von Leiterbahn bzw. Leitung) in dem
Teil anftritt. Der Vs+-Leitung beinhaltet mindestens die Leiterbahnen 61 und 62,
welche sich von den Messelektroden 28 und 22 der
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 zum Erfassen der
Elementimpedanz erstrecken, und den mit den Leiterbahnen 61 und 62 verbundenen
Verdrahtungsabschnitt der Sensortreiberschaltung 52. Ein
Steuerabschnitt 55 kann zum Beispiel konstruiert werden
als ein Analogschaltkreis.
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Die
Motorsteuereinrichtung 9 kann aus einem Mikrokomputer bestehen,
welcher eine zentrale Steuereinheit CPU, einen Speicherabschnitt
(RAM und ROM) zum Speichern von Information wie z. B. Daten und
Programmen, und Eingabe- und Ausgabe-Kanälen zum Eingeben
und Ausgeben von Signalen von und zu einem externen Gerät
oder externen Geräten einschließt. Die Motorsteuereinrichtung 9 führt
CPU unterschiedliche Rechenoperationen nach einem im Speicher-Abschnitt
gespeicherten Programm aus und steuert die Berechnung, Datentransfer
und die Ausführung von Befehlen. Ferner reflektiert Motorsteuereinrichtung 9 ein
in den Eingabekanal eingegebenes Signal auf die Inhalte eines Eingabekanalregisters,
und liefert die in einem Ausgabeportregister gespeicherten Inhalte
als ein Signal an den Ausgabekanal.
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In Übereinstimmung
mit dem von Sensor-Steuerschaltung 2 ausgegebenen Gassensorsignal
Vip, bestimmt oder beurteilt die Motorsteuereinrichtung 9 den
energieverleihenden Zustand oder den Stromversorgungszustand (wie
z. B. die Stromrichtung und die Stromgröße) eines
durch Sauerstoff-Pumpzelle 14 fließenden Ip-Stroms,
und berechnet die Sauerstoffkonzentration vom energieverleihenden
Zustand des Ip-Stroms. Durch Benutzen der berechneten Sauerstoffkonzentration,
steuert die Motorsteuereinrichtung 9 die Verbrennung und
andere Betriebsbedingungen des Motors.
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In Übereinstimmung
mit dem von der Sensor-Steuerschaltung 2 ausgegebenen Impedanzsignal
Vrpvs berechnet die Motorsteuereinrichtung 9 die Impedanz
Rpvs der Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24, und führt
ein Heizvorrichtungstrom-Steuerverfahren zum Ausgeben einer Heizvorrichtungsstrom-Anweisung
für die Heizvorrichtung 43 in Übereinstimmung
mit der berechneten Impedanz Rpvs an Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 aus.
In einer von möglichen Interpretationen entspricht diese Heizvorrichtungstromanweisung
der ”Anweisung”, und die Motorsteuereinrichtung 9 entspricht
dem ”Impedanz-Anomalie-Beurteilungsmittel”, ”Spannung-Anlege-Beurteilungsmittel”, ”Spannungs-Anlege-Zustand-Beurteilungsmittel”, ”Steuermittel”, ”Aktivierungs-Beurteilungsmittel”,
und ”Zeit-Festsetzungs-Mittel”, und können
mindestens als ein Teil von ”Impedanz-Zustand-Untersuchungs-Abschnitt”, ”Spannungs-Zustands-Untersuchungs-Abschnitt”, ”Dauer-Mess-Abschnitt”, ”Spannung-Verminderungs-Abschnitt”, ”Aktivierungs-Beurteilungs-Abschnitt”,
und ”Zeit-Festsetzungs-Abschnitt” dienen. Die
Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 und Motorsteuerschaltung 9 entsprechen ”Heizvorrichtungs-Steuermittel”,
und können mindestens als Teil von ”Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt” dienen.
Die Sensor-Steuerschaltung 2 und Motorsteuereinrichtung 9 entsprechen ”Impedanz-Erfassungs-Mittel” und
können mindestens als Teil von ”Impedanz-Erfassungs-Abschnitt” dienen.
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Der
Gassensor 8 hat, wie in 1 gezeigt, die
nachfolgende Konstruktion. Die Sauerstoff-Pumpzelle 14 beinhaltet
ein wie eine Platte geformtes Festelektrolytelement 13 und
erste und zweite Pumpelektroden 12 und 16, welche
jeweils auf Vorder- bzw. Hinterflächen von Festelektrolytelement 13 gebildet
sind. Das Festelektrolytelement 13 besteht aus einem sauerstoffionenleitfähigen
Festelektrolyten. In diesem Beispiel besteht das Festelektrolytelement 13 aus
einem teilweise stabilisierten Zirkonoxid (ZrO2). Erste und zweite
Pumpelektroden 12 und 16 bestehen aus einem Platin
als Hauptbestandteil enthaltenden Material. Erste Pumpelektrode 12 ist
durch Leiterbahn 63 mit der dritten Anschlussklemme 19 von
elektronischer Steuerung 5 elektrisch verbunden. Zweite
Pumpelektrode 16 ist durch Leiterbahn 62 mit der
zweiten Anschlussklemme 17 von elektronischer Steuerung 5 elektrisch
verbunden. Erste Pumpelektrode 12 ist mit einer porösen
Schutzschicht 29 überzogen, welche erste Pumpelektrode 12 vor
giftigen Substanzen schützt.
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Die
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 beinhaltet ein
plattenförmiges Festelektrolytelement 23 und erste
und zweite Messelektroden 22 und 28, welche jeweils
auf Vorder- bzw. Hinterflächen von Festelektrolytelement 23 gebildet
sind. Das Festelektrolytelement 23 besteht aus einem sauerstoffionenleitfähigen
Festelektrolyten. In diesem Beispiel besteht Festelektrolytelement 23 aus
teilweise stabilisierten Zirkonoxid (ZrO2). Erste und zweite Messelektroden 22 und 28 bestehen
aus einem Platin als Hauptbestandteil enthaltenden Material. Erste
Messelektrode 22 ist durch Leiterbahn 62 mit der
zweiten Anschlussklemme 17 von elektronischer Steuerung 5 elektrisch
verbunden, und ferner verbunden mit zweiter Pumpelektrode 16.
Zweite Messelektrode 28 ist durch Leiterbahn 61 mit
der ersten Anschlussklemme 15 von elektronischer Steuerung 5 elektrisch
verbunden.
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Eine
poröse Diffusionsschicht 18 ist in einem Teil
einer Isolierschicht (nicht gezeigt), welche zwischen Sauerstoff-Pumpzelle 14 und
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 gebildet ist, und
welche hauptsächlich aus einem isolierenden Material (wie z.
B. Aluminiumoxid) zum elektrischen Isolieren beider Zellen 14 und 24 voneinander
besteht, bereitgestellt. Poröse Diffusionsschicht 18 ist
eine poröse Schicht, welche hauptsächlich aus
einem isolierenden Material (wie z. B. Aluminiumoxid) zum Steuern der
Diffusion von in Erfassungselement 10 eingeführtem
Messgas. Anstelle von poröser Diffusionsschicht 18 ist
es optional, ein kleines Loch oder Löcher in einer Seitenwand
der oben erwähnten Isolierschicht als einen Diffusions-Steuerabschnitt
zu bilden.
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Eine
Messkammer 20 ist ein von der porösen Diffusionsschicht 18 und
der oben erwähnte Isolierschicht umgebenes Hohlteil zwischen
Sauerstoff-Pumpzelle 14 und Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24.
Diese Messkammer 20 steht mit einer Messgasatmosphäre
durch poröse Diffusionsschicht 18 (oder porösen
Abschnitt) in Verbindung. Die zweite Pumpelektrode 16 ist
in einem oberen Teil von Messkammer 20 abisoliert bzw.
entblöst, und die erste Messelektrode 22 ist in
einem unteren Teil von Messkammer 20 abisoliert bzw. entblöst.
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Die
Verstärkungsplatte 30 ist an der Rückseitenfläche
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 befestigt,
gegenüber der der Messkammer 20 zugewandten Vorderseitenfläche,
um ein Laminat zu bilden, um die Festigkeit von Sensoreelement 10 als Ganzes
zu erhöhen. Verstärkungsplatte 30 besteht aus
einem als ein Hauptbestandteil Keramik enthaltenden Material, und
ist in Form einer Platte geformt, welche ungefähr gleich
groß wie die Festelektrolytelemente 13 und 23 ist.
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Die
zweite Messelektrode 28 ist zwischen der Verstärkungsplatte 30 und
dem sauerstoffionenleitfähigen Festelektrolyten 23 eingelegt,
und von der Außenseite abgeschirmt. Eine Referenz-Sauerstoffkammer 26 ist
in Form eines abgedichteten Raums um die zweite Messelektrode 28 herum
gebildet. Deshalb ist es möglich, Sauerstoff bei einer
im wesentlichen konstanten Konzentration in der Referenz-Sauerstoffkammer 26 durch
Speisen eines winzigen Konstantstroms Icp in eine Richtung von zweiter
Messelektrode 28 zu erster Messelektrode 22 und Pumpen
von Sauerstoff von Messkammer 20 zu zweiter Messelektrode 28 anzusammeln.
Folglich wird die Sauerstoffkonzentration in Referenz-Sauerstoffkammer 26 als
eine Referenz-Sauerstoffkonzentration beim Erfassen der eigentlichen
Sauerstoffkonzentration benutzt.
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Die
Heizvorrichtung 43 in Form einer flachen Platte ist so
angeordnet, dass sie der Sauerstoff-Pumpzelle 14 von Erfassungselement 10 gegenübersteht.
Heizvorrichtung 43 besteht aus einem Aluminiumoxid als
ein Hauptbestandteil enthaltenden Material, und beinhaltet darin
einen Heizdraht 72, welches aus einem Platin als einen
Hauptbestandteil enthaltenden Material hergestellt ist.
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Heizvorrichtung 43 wird
durch von Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 gespeiste
elektrische Leistung gesteuert, um die Temperatur von Erfassungselement 10 auf
die Ziel-Aktivierungs-Temperatur (830°C in diesem Beispiel)
zu regeln. Ein Ende des Heizdrahts 72 ist mit Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 elektrisch
verbunden. Das andere Ende von Heizdraht 72 ist mit einer
Batterie VB (12V-Batterie in diesem Beispiel) verbunden. Durch Heizen
aktiviert die Heizvorrichtung 43 das Erfassungselement 10 (Sauerstoff-Pumpzelle 14 und
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24), und ermöglicht
einen Gaserfassungs-(Sauerstofferfassungs)-Vorgang.
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Der
so konstruierte Gassensor 8 (Erfassungselement 10)
wird in der nachfolgenden Art und Weise betrieben. Zuerst diffundiert
das Messgas (in diesem Beispiel Abgas) durch poröse Diffusionsschicht 18 in
Messkammer 20. Wenn dann die zum Motor gespeiste Luft-Kraftstoff-Mischung
(oder das Messgas in Messkammer 20) beim theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis
gehalten wird, wird eine elektromotorische Kraft von 450 [mV] in
Sauerstoffkonzentration-Sensorzelle 24 erzeugt durch eine Sauerstoffkonzentrations-Differenz
zwischen der Messkammer 20 und Referenz-Sauerstoffkammer 26,
welche die Referenz-Sauerstoffkonzentration bereitstellt. (Eine
Potentialdifferenz von 450 [mV] wird zwischen der ersten und zweiten
Messelektrode 22 und 28 erzeugt.)
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In
Abhängigkeit von Schwankung im Luft-Kraftstoff-Verhältnis
der zum Motor gespeisten Luft-Kraftstoff-Mischung, schwankt die
Konzentration von im Abgas enthaltenen Sauerstoff, und somit wird die
Sauerstoffkonzentration des Messgases in Messkammer 20 variiert.
Deshalb steuert das Motor-Steuerungssystem 1 dieses Beispiels
den durch die Sauerstoff-Pumpzelle 14 fließenden
Ip-Strom mit der Sensor-Steuerschaltung 2 so, dass die
Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Messelektrode 22 und 28 bei
450 [mV] gehalten wird. Folglich bewirkt das Steuerungssystem durch
Steuern des Ip-Stroms, so dass die Atmosphäre in Messkammer 20 bei
demselben Zustand wie das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis
gehalten wird, dass die Sauerstoff-Pumpzelle 14 einen Sauerstoff-Pumpvorgang ausführt.
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Die
Sauerstoff-Pumpzelle 14 ist eingerichtet, zwischen einem
Betrieb zum Ziehen von Sauerstoff aus Messkammer 20 und
einem Betrieb zum Liefern von Sauerstoff in Messkammer 20 als
Antwort auf die zwischen den Elektroden (erste und zweite Pumpelektroden 12 und 16)
gespeiste Stomrichtung geschaltet zu werden. Außerdem ist
die Sauerstoff-Pumpzelle 14 in der Lage, die Pumpmenge
von Sauerstoff in Übereinstimmung mit der Größe
des zwischen den Elektroden gespeisten Stroms einzustellen. Deshalb
kann Motorsteuereinrichtung 9 die Sauerstoffkonzentration
des Messgases in Übereinstimmung mit dem Stromzustand (wie
z. B. der Stromrichtung und der Stromstärke) des Ip-Stroms berechnen.
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2 ist
ein Schaltplan, welcher die elektronische Steuereinheit 5 schematisch
zeigt, zum Erklären der Konstruktion und Arbeitsprozesse
von elektronischer Steuerung 5. Wie zuvor erwähnt
beinhaltet die elektronische Steuereinheit 5 die Sensor-Steuerschaltung 2,
Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 und Motorsteuereinrichtung 9.
Die Sensor-Steuerschaltung 2 beinhaltet die Sensortreiberschaltung 52 und
Steuerabschnitt 55.
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Die
Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 umfasst einen Transistor
Tr, welcher einen mit einem Ende des Widerstandsheizelements 72 verbundenen Kollektor
umfasst, einen durch einen Widerstand Rh geerdeten Emitter, und
eine mit der Motorsteuereinrichtung 9 verbundene Basis.
Deshalb kann durch Ausgeben eines Signals eines Spannungspegels, welches
den Transistor Tr anschaltet (ein Heizvorrichtungs-An-Signal oder
-”Anweisung”), an die Basis von Transistor Tr
die Motorsteuereinrichtung 9 bewirken, dass ein Strom durch
das Widerstandsheizelement 72 fließt, durch Speisen
einer Spannung von der Batterie VB, und erzeugt dadurch Wärme
in der Heizvorrichtung 43. Wenn die Motorsteuereinrichtung 9 aufhört,
das Heizvorrichtungs-An-Signal auszugeben, schaltet der Transistor
Tr aus und hört auf, Strom an das Widerstandsheizelement 72 zu
liefern, so dass der Heizbetrieb von Heizvorrichtung 43 beendet
ist.
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In
diesem Beispiel wird die an die Heizvorrichtung 43 angelegte
Spannung durch Festsetzen der relativen Einschaltdauer (des Tastverhältnises) auf
100% gesteuert, wenn die maximale Effektivspannung (= die Quellenspannung
von Batterie VB, welche in diesem Beispiel 12 V ist) an Heizvorrichtung 43 anzulegen
ist, und durch Variieren des Tastverhältnises zwischen
0%–100%, wenn eine Spannung, welche niedriger als die maximale
Effektivspannung ist, angelegt wird. Für diese Steuerung
liefert die Motorsteuereinrichtung 9 das oben erwähnte und
durch das Tastverhältnis festgelegte Heizvorrichtung-An-Signal
an Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60, und die Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 wird
in einem An-Aus-Modus als Antwort auf das Heizvorrichtungs-An-Signal
betrieben. Folglich steuert dieses System die Stromversorgung von
Heizvorrichtung 43 durch PWM.
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Die
Sensortreiberschaltung 52 hat die nachfolgende Schaltungsanordnung
hauptsächlich zum Messen der Sauerstoffkonzentration. Sensortreiberschaltung 52 beinhaltet
einen Operationsverstärker OP2, einen PID-Steuerkreis 69 und
eine Konstantstromschaltung 62. Operationsverstärker
OP2 ist zum Fließen des Ip-Stroms, um die Sauerstoff-Pumpzelle 14 anzutreiben.
PID-Steuerkreis 69 ist eine Schaltung zum Verbessern der
Regelkennlinie von Ip-Strom. Konstantstromschaltung 62 ist
eine Schaltung zum Versorgen des Konstantstroms Icp an Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24,
um die Sauerstoffkonzentration um die zweite Messelektrode 28 herum
(in der Referenz-Sauerstoffkammer 26) kostant zu halten.
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Sensortreiberschaltung 52 umfasst
ferner Schalter SW1~SW3 zum Ändern des Betriebszustands
von Sensortreiberschaltung 52 in Übereinstimmung
mit von Motorsteuereinrichtung 9 ausgegebenen Schalter-Anweisungs-Signalen.
In Übereinstimmung mit Änderungen in den An/Aus-Zuständen von
Schaltern SW1 SW3 kann die Sensortreiberschaltung 52 einen
Arbeitsvorgang zum Speisen des Sensorsignals zum Erfassen des Impedanzsignals Vrpvs,
einen Arbeitsvorgang zum Erfassen des Impedanzsignals Vrpvs, und
unterschiedliche andere Arbeitsvorgänge zum Steuern der
Stromversorgung von Heizvorrichtung 43 und zum Erfassen
der Temperatur von Gassensor 8 ausführen.
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Außerdem
beinhaltet Sensortreiberschaltung 52 einen mit dem COM-Anschluss 17 verbundenen
Vcent-Punkt. Der Ausgangsklemme von PID-Steuerkreis 69,
die invertierende Eingangsklemme von Operationsverstärker
OP2, und einer der Eingangsklemmen von Differentialverstärker-Schaltung 61 sind
mit Vcent-Punkt verbunden. Der Ausgangsklemme von PID-Steuerkreis 69 ist
durch einen Messwiderstand R1 mit dem Vcent-Punkt verbunden. Eine
Referenz-Spannung von 3,6 V wird an die nicht-invertierende Eingangsklemme
von Operationsverstärker OP2 gelegt. Der Ausgangsklemme von
Operationsverstärker OP2 ist mit dem Ip+-Anschluss verbunden.
Folglich bildet Operationsverstärker OP2 einen Teil eines Gegenkopplungskreises (engl.
negative feedback circuit) zum Steuern der Stromversorgung zu Erfassungselement 10 (Sauerstoff-Pumpzelle 14,
um exakt zu sein).
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Die
andere Eingangsklemme von Differentialverstärker-Schaltung 61 ist
mit einem Verbindungspunkt (Vpid-Punkt) zwischen dem Ausgangsklemme von
PID-Steuerkreis 69 und dem Messwiderstand R1 verbunden.
Die Differentialverstärker-Schaltung 61 ist konfiguriert,
eine Spannungsdifferenz zwischen beiden Enden von Messwiderstand
R1 zu verstärken. Die zweite Pumpelektrode 16 ist
mit dem Vcent-Punkt durch Widerstand R, Leiterbahn 62 und zweite
Anschlussklemme (COM-Anschluss) 17 verbunden.
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Der
PID-Steuerkreis 69 führt eine PID-Berechnung von
einer Abweichung ΔVs zwischen der Steuer-Ziel-Spannung
von 450 mV für Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 und
der Ausgabe-Spannung Vs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 aus
und führt dadurch die Funktion der Gegenkopplungssteuerung
zum Verbessern der Steuercharakteristik aus. Die Eingangsklemme
von PID-Steuerkreis 69 ist durch einen Operationsverstärker
OP1 mit der Ausgangsklemme eines Operationsverstärker OP4
verbunden, dessen nicht-invertierende Eingangsklemme mit dem Vs+-Anschluss 15 verbunden ist.
Folglich wird die Ausgabespannung Vs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 durch
Operationsverstärker OP4 in PID-Steuerkreis 69 eingegeben.
Die invertierende Eingangsklemme von Operationsverstärker
OP4 ist mit seiner eigenen Ausgangsklemme verbunden.
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Die
mit dem Vs+-Anschluss 15 verbundene Konstantstromschaltung 62 beinhaltet
einen mit einer Gleichspannungsquelle (in 2 mit 8
V bezeichnet) in Serie verbundenen Widerstand. Konstantstromschaltung 62 ist
eingerichtet, den Konstantstrom Icp (von zum Beispiel 17 μA)
an Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 zu speisen,
um die Sauerstoffkonzentration um zweite Messelektrode 28 von
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 (in Referenz-Sauerstoffkammer 26)
herum konstant zu halten.
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Diese
Schaltungen sind eingerichtet, die Sauerstoffkonzentration in der
nachfolgenden Art und Weise zu erfassen. Zuerst speist die Sensortreiberschaltung 52 den
winzigen Konstantstrom Icp zu Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 mit Konstantstromschaltung 62,
und steuert gleichzeitig den durch Sauerstoff-Pumpzelle 14 fließenden Pumpstrom
Ip, um die Spannung Vs zwischen beiden Enden von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 (zwischen
der Vs+-Anschluss und der COM-Anschluss) auf 450 mV zu regeln. Dadurch
zieht die Sensortreiberschaltung 52 Sauerstoff in und aus
der Messkammer 20. Das heisst, dass Sensortreiberschaltung 52 die
Sauerstoffkonzentration (Sauerstoff-Partialdruck) in Messkammer 20 mit
der Sauerstoff-Pumpzelle 14 anpasst, um die Spannung Vs über
die Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 auf 450 mV
zu bringen.
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Die
Größe und Richtung von durch Sauerstoff-Pumpzelle 14 fließenden
Pumpstrom Ip werden in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis)
des Abgases variiert. Deshalb ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration
im Abgas durch Erfassen dieses Pumpstroms Ip mit Messwiderstand
R1 und durch Benutzen des durch die Differentialverstärkung
der Spannung über diesen Messwiderstand R1 erhaltenen Gassensorsignals
Vip zu berechnen. Die Referenz-Sauerstoffkammer 26 kann
benutzt werden als eine interne Sauerstoffreferenzquelle durch den
Fluß von winzigen Strom Icp durch Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 in
die Richtung, um Sauerstoff von Messkammer 20 zu poröse
Elektrode 28 zu ziehen.
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PID-Steuerkreis 69 ist
konfiguriert, den Pumpstrom Ip im PID-Steuermodus zum Regeln der Potentialdifferenz
auf 450 mV zwischen dem Potential an dem Vs+-Anschluss von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24,
welches durch ersten Operationsverstärker OP1 verbunden
ist, und dem Potential an dem COM-Anschluss (Vcent-Punkt) zu steuern.
In diesem Beispiel wird das Ergebnis der PID-Berechnung von PID-Steuerkreis 69,
welches auf der Abweichung zwischen der Ziel-Steuer-Spannung (450
mV) und der Spannung Vs über Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 basiert,
an zweiten Operationsverstärker OP2 zurückgekoppelt,
und der zweite Operationsverstärker OP2 speist den Pumpstrom
Ip an Sauerstoff-Pumpzelle 14.
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Der
Messwiderstand R1 ist eingerichtet, die Größe
von Pumpstrom Ip zu erfassen und ihn in ein Spannungssignal zu konvertieren.
Die Spannung zwischen beiden Ende dieses Messwiderstands R1 (die
Differenz zwischen dem Potential am Vcent-Punkt und dem Potential
am Vpid-Punkt) wird durch den Differentialverstärker 61 mit
einer vorgegebenen Verstärkungsgrad differential verstärkt,
und als das Gassensorsignal Vip von einer Signal-Ausgangsklemme 43 an
Motorsteuereinrichtung 9 gespeist.
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Motorsteuereinrichtung 9 konvertiert
das Gassensorsignal Vip in ein Digitalsignal mit einer A/D-Konverterschaltung
(nicht gezeigt). Danach führt Motorsteuereinrichtung 9 das
Konzentrations-Berechnungs-Verfahren zum Berechnen der dem Gassensorsignal
Vip entsprechenden Sauerstoffkonzentration durch Benutzen eines
funktionalen Zusammenhangs in Form einer Abbildung (oder Abbildungen)
oder mathematischen Ausdrucks (oder Ausdrücken) aus.
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Sensortreiberschaltung 52 hat
die nachfolgende Schaltungsanordnung, welche hauptsächlich zum
Erfassen der Impedanz Rvps von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 benutzt
wird.
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Die
nicht-invertierende Eingangsklemme von ersten Operationsverstärker
OP1 ist durch einen ersten Kondensator C1 und den erste Schalter
SW1 mit der Ausgangsklemme von vierten Operationsverstärker
OP4 verbunden. Erster Operationsverstärker OP1, erster
Kondensator C1 und erster Schalter SW1 bilden eine Abtast-Halte-Schaltung.
Diese Abtast-Halte-Schaltung schaltet den ersten Schalter SW1 von
AN nach AUS zur Zeit der Impedanzerfassung von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 und
hält dadurch die Spannung Vs (das Potential am Vs+-Anschluss),
welche über der Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 unmittelbar
vor der Stromversorgung zum Erfassen der Impedanz von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 erzeugt
wurde. Dadurch gibt die Abtast-Halte-Schaltung die Spannung Vs genau
vor der Ermittlung der Impedanz in den PID-Steuerkreis 69 ein.
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Ein
Ende von ersten Kondensator C1 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen
erstem Schalter SW1 und der nicht-invertierenden Eingangsklemme von
ersten Operationsverstärker OP1 verbunden. Das andere Ende
von ersten Kondensator C1 ist geerdet.
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Die
Ausgangsklemme von erstem Operationsverstärker OP1 ist
durch einen Widerstand R3 mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme
(+-Anschluss) von dritten Operationsverstärker OP3 verbunden.
Außerdem ist ein Ende von Widerstand R5 mit dem Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand R3 und der nicht-invertierenden Eingangsklemme
von dritten Operationsverstärker OP3 verbunden. Das andere
Ende von Widerstand R5 ist geerdet.
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Die
invertierende Eingangsklemme von drittem Operationsverstärker
OP3 ist durch einen Widerstand R4 mit der Ausgangsklemme von viertem
Operationsverstärker OP4 verbunden, und ferner selbst mit
der Ausgangsklemme von drittem Operationsverstärker OP3
durch einen Widerstand R6 verbunden. Deshalb nimmt die invertierende
Eingangsklemme von drittem Operationsverstärker OP3 das
Vs+-Potential (das Potential am Vs+-Anschluss) zur Zeit des Anlegens
eines später erwähnten Stroms –Iconst zum
Erfassen der Impedanz an Sauerstoffkonzentration-Sensorzelle 24 entgegen.
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Dritter
Operationsverstärker OP3 gibt eine Spannungsänderung ΔVs
aus, die einer Differenz zwischen dem von erstem Operationsverstärker
OP1 gehaltenen Haltewert (der Spannung Vs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 unmittelbar
vor dem Anlegen des Stroms zum Erfassen der Impedanz) und dem Vs+-Potential
zur Zeit des Anlegens des Impedanz-Erfassungs-Stroms –Iconst
an Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 (das Ausgabepotential
von viertem Operationsverstärker OP4) entspricht. Da diese
Spannungsänderung ΔVs einem Bahnwiderstand (engl.
bulk resistance) von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 ungefähr
proportional ist, kann diese Spannungsänderung ΔVs
als das Impedanzsignal Vrpvs, welches die Impedanz von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 darstellt,
benutzt werden. Folglich gibt dritter Operationsverstärker
OP3 die Spannungsänderung ΔVs aus und gibt das
Impedanzsignal Vrpvs aus, welches zum Bahnwiderstand von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 ungefähr
proportional ist.
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In
dieser Sensor-Steuereinheit 5 bildet der dritte Operationsverstärker
OP2 und Widerstände R3~R6 eine Operationsverstärkerschaltung
vom Differentialverstärkungtypus (das heisst Differentialverstärker-Schaltung) 90.
Folglich ist die Operationsverstärker-Schaltung 90 zum
Erfassen der Impedanz vom Differentialverstärkertypus,
welcher in die zwei Eingangsklemmen gemeinsam eingegebenes Rauschen
entfernen kann, und deshalb kann die Sensor-Steuereinheit 5 ein
adäquates Impedanzsignal Vrpvs erzeugen, welches geringen
Einfluss vom Rauschen erhält.
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Die
Ausgangsklemme von Operationsverstärker 90 (dritter
Operationsverstärker OP3) ist durch zweiten Schalter SW2
und Widerstand R2 mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme von
fünftem Operationsverstärker OP5 verbunden. Die
invertierende Eingangsklemme von fünftem Operationsverstärker
OP5 ist selbst mit der Ausgangsklemme von fünftem Operationsverstärker
OP5 verbunden, um die Ausgabe von fünftem Operationsverstärker OP5
zu erhalten. Ein Ende von zweiten Kondensator C2 ist mit dem Verbindungspunkt
zwischen Widerstand R2 und der nicht-invertierenden Eingangsklemme
von fünftem Operationsverstärker OP5 verbunden.
Das andere Ende von zweiten Kondensator C2 ist geerdet. Die Ausgangsklemme
von fünftem Operationsverstärker OP5 ist durch
die Signalausgangsklemme 41 mit der Motorsteuereinrichtung 9 verbunden.
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Der
fünfte Operationsverstärker OP5, zweiter Kondensator
C2, zweite Schalter SW2 und Widerstand R2 bilden eine Signal-Halte-Schaltung.
Die Spannungsänderung ΔVs wird von drittem Operationsverstärker
OP3 in diese Signal-Halte-Schaltung eingegeben, wenn zweiter Schalter
SW2 von AUS zu AN geschaltet wird, zur Zeit der Erfassung der Impedanz
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24. Danach bewahrt,
wenn zweiter Schalter SW2 von AN zu AUS geschaltet wird, die Signal-Halte-Schaltung die
Spannungsänderung ΔVs, welche ausgegeben wird
von drittem Operationsverstärker OP3 zur Zeit des An-Zustands
von zweitem Schalter SW2, mit zweitem Kondensator C2 und liefert
Impedanzsignal Vrpvs, welches die Spannungsänderung ΔVs
darstellt, an Motorsteuereinrichtung 9.
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Dann
konvertiert Motorsteuereinrichtung 9 das Impedanzsignal
Vrpvs mit dem A/D-Konverter (nicht gezeigt) in ein digitales Signal,
und führt danach das Temperatur-Erfassungs-Verfahren zum
Berechnen der Impedanz von Sauerstoffkonzentration-Sensorzelle 24,
und somit der Temperatur von Gassensor 8, durch Benutzen
der Abbildung oder in Motorsteuereinrichtung 9 gespeicherten
mathematischen Ausdrucks aus.
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Eine
Stromquelle 63 ist durch einen zweiten Schalter SW2 mit
der Vs+-Anschluss 15 verbunden. Eine Stromquelle 65 ist
durch einen anderen zweiten Schalter SW2 mit dem Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand R und COM-Anschluss 17 verbunden.
Diese Stromquellen 63 und 65 sind eine Quelle zum Bereitstellen
des Konstantstroms –Iconst zum Erfassen der Impedanz von
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24.
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Ähnlich
ist eine Stromquelle 64 durch dritten Schalter SW3 mit
dem Vs+-Anschluss 15 verbunden. Eine Stromquelle 66 ist
durch einen anderen dritten Schalter SW3 mit dem Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand R und COM-Anschluss 17 verbunden.
Diese Stromquellen 64 und 66 sind eine Quelle zum
Bereitstellen des Konstantstroms +Iconst, welcher in der Polarität
dem Impedanz-Erfassungs-Konstantstrom –Iconst entgegengesetzt
ist.
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Der
(Schalter)-Steuer-Abschnitt 55 ist eine Schaltung zum Steuern
der Schaltzustände (EIN/AUS-Zustände) dieser ersten,
zweiten und dritten Schalter SW1~SW3. Nach Empfang eines Benachrichtigungssignals
Sr, welches einen Start des Temperatur-Erfassungs-Verfahrens von
Motorsteuereinrichtung 9 signalisiert, wird der Steuerabschnitt 55 zum
Steuern der Zustände der Schalter SW1~SW3 nach einer Zeitgeberzählung
einer in Steuerabschnitt 55 bereitgestellten Zeit-Schaltung betrieben.
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Der
erste Schalter SW1 ist zum Steuern einer Spannung-Halte-Operation
von erstem Operationsverstärker OP1 (Abtast-Halte-Schaltung)
eingerichtet. Zweite Schalter SW2 sind zum Steuern des An-/Aus-Zustands
des Konstantstroms –Iconst zum Erfassen der Impedanz von
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 eingerichtet, und
zum Steuern der Signal-Halte-Operation von fünftem Operationsverstärker
OP5 (der Signal-Halte-Schaltung). Die dritten Schalter SW3 sind
eingerichtet, den An-/Aus-Zustand des Konstantstroms +Iconst, welcher
zum Konstantstrom –Iconst eine entgegengesetzt Polarität
aufweist, zu steuern.
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3 zeigt
eine Hauptmerkmalsteil dieser Ausführungsform nach der
vorliegenden Erfindung, in Form eines Graphen, welcher das durch
Motorsteuereinrichtung 9 durchgeführte Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
illustriert. Wenn in dieser Ausführungsform die Impedanz
Rpvs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 wegen
einer Störung wie z. B. einer Trennung der Vs+-Leitung
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 größer
oder gleich einer Anomalie-Beurteilungs-Schwelle (Schwellenwert der
Impedanz zum Beurteilen der Anomalie) wird, beendet das Steuerungssystem
(i) das Anlegen der maximalen Effektivspannung an Heizvorrichtung 43 zu der
Zeit, wenn die Anlege-Zeit gleich einer vorgegebenen Überhitzung-Vermeidungszeit
(oder Zeitdauer) wird, und (ii) speist einen Strom an die Heizvorrichtung 43 mit
einer niedrigen (oder niedrigeren) Effektivspannung, welche niedriger
als die maximale Effektivspannung ist und welche geeignet ist, die Temperatur
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 höher
oder gleich 500°C zu machen (oder die Impedanz Rvps von
Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 gleich einem Wert
zu machen, welcher einer Temperatur höher oder gleich 500°C
entspricht).
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Wenn
die Vs+-Leitung von Sauerstoffkonzentration-Sensorzelle 24 untergebrochen
ist, und somit die Impedanz übermäßig
oder unendlich groß wird, schätzt das Steuerungssystem
falsch ein, dass die Temperatur von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 zu
niedrig ist, und fährt mit dem Anlegen der maximalen Effektivspannung
an Heizvorrichtung 43, wie in 3 gezeigt,
fort. Als Ergebnis kann die Temperatur von Gassensor 8 übermäßig
erhöht werden (über 1000°C, wie von einer
Ein-Punkt-Kettenlinie in 3 gezeigt), was zu einem Bruch
führt.
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Wenn
die Vs+-Leitung mit dem Massepotential kurzgeschlossen wird, ist
das Steuerungssystem unfähig, das Signal selbst zu detektieren.
Deshalb kann das Steuerungssystem das Auftreten eines anomalen Zustands
sofort detektieren, und antwortet nach einem weiteren Verfahren
adäquat auf den anomalen Zustand.
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Deshalb
verhindert, wenn die Impedanz Rpvs von Sauerstoffkonzentration-Sensorzelle 24 größer
oder gleich der Anomalie-Beurteilungs-Schwelle (400 Ω in
diesem Beispiel) wird, das Steuerungssystem dieser Ausführungsform
eine Überhitzung von Gassensor 8 (wie durch eine
durchgezogene Linie in 3 gezeigt) durch Begrenzen der
Anlegezeit (Zeitdauer) der maximalen Effektivspannung an Heizvorrichtung 43 auf
die vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit (nterval)
(Top, Tc1).
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Nach
dem Verstreichen der Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
legt das Steuerungssystem die untere bzw. niedrigere Effektivspannung,
welche niedriger als die maximale Effektivspannung ist, an Heizvorrichtung 43 an.
Folglich fährt das Steuerungssystem, anstatt die Stromversorgung zu
Heizvorrichtung 43 als Antwort auf das Auftreten des anomalen
Zustands abzuschneiden, mit dem Heizbetrieb bei der niedrigeren
Spannung fort, um eine Temperatur zum Verhindern, dass der Gassensor 8 (Erfassungselement 10)
kalt wird und dadurch Verhindern, dass Fremdkörper (wie
z. B. Kohlenstoff) an die Oberfläche von Erfassungselement 10 anhaften,
zu halten,
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Wenn
die Impedanz Rpvs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 niedriger
als die Anomalie-Beurteilungs-Schwelle wird, nimmt das Steuerungssystem
den normalen Heizvorrichtungs-Steuerbetrieb, welcher auf der PI-Berechnung
basiert, wieder auf. Durch diese PI-Berechnung, welche per se bekannt
ist, berechnet das Steuerungssystem von der Differenz ΔRpvs
zwischen dem Zielwert von Impedanz Rpvs und dem Wert von Impedanz
Rpvs zu der Zeit des Betriebs eines später erwähnten
Schrittes S18 die Heizvorrichtung-Anlegespannung, um die Temperatur
von Gassensor 8 konstant zu halten.
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In
diesem Beispiel wird die untere bzw. niedrigere Effektivspannung
auf eine Spannung (8 V in diesem Beispiel) zum Steuern der Temperatur
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 festgesetzt, welche
gleich oder höher als die vorgegebene Temperatur (500°C
in diesem Beispiel) ist, welche zum Verhindern von Anhaften von
ungewünschten Substanzen wie z. B. Kohlenstoff im Abgas
an die Oberfläche von Erfassungselement 10 wirkungsvoll
ist. Wenn die untere Effektivspannung auf einen solchen Pegel fesegesetzt
wird, um die Temperatur von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 höher
oder gleich 700°C zu halten, dann ist es möglich,
Anhaften von Substanzen wie z. B. Phosphor, Silizium und Blei zu
verhindern. Ein bevorzugter Temperaturbereich für die Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 ist 750°C–900°C,
und vorzugsweise wird die untere bzw. niedrigere Effektivspannung
auf einen solchen Pegel festgesetzt, um die Temperatur von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 innerhalb
dieses Temperaturbereichs zu halten. Es ist möglich, die
Temperatur von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 von
der Impedanz Rpvs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 zu
messen.
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Die
Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit kann erperimentell
bestimmt werden auf Basis der Ergebnisse des Experiments zum Messen einer
Zeitspanne, bis die Temperatur durch die Fortdauer des Anlegens
der maximalen Effektivspannung auf 1000°C erhöht
wurde. Die Länge der zulässigen Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
wird in Abhängigkeit vom Zustand (wie z. B. der Temperatur)
von Gassensor 8 vor dem Anlegen der maximalen Effektivspannung
variiert. Dementsprechend verwendet dieses Beispiel eine Zeit (Zeitspanne)
Top von einem Start des Anlegens der maximalen Effektivspannung
in dem Zustand, in welchem der Gassensor 8 bei normaler
Temperatur ist, bis die Temperatur von Gassensor 8 gleich
1000°C wird (zweiter Fortsetzungswert oder zweite Zeitspanne), und
eine Zeit (Zeitspanne) Tc1 von einem Start des Anlegens der maximalen
Effektivspannung in dem Zustand, in welchem Gassensor 8 auf
einer Ziel-Betriebs-Temperatur ist (Temperatur an PI-Steuerung, 830°C),
bis die Temperatur von Gassensor 8 gleich 1000°C
wird (erster Fortsetzungswert oder erste Zeitspanne). Durch Festsetzen
der Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit in dieser
Art und Weise kann das Steuerungssystem Überhitzung von
Gassensor 8 akkurater verhindern. Der zweite Fortsetzungswert
(Top) ist länger als der erste Fortsetzungswert (Tc1).
In diesem Beispiel ist die Impedanz Rpvs ungefähr 75 Ω,
wenn Gassensor 8 bei der Ziel-Betriebs-Temperatur (830°C
in diesem Beispiel) ist.
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4 und 5 zeigen
das Heizvorrichtungs-Steuerverfahren und das durch Motorsteuereinrichtung 9 ausgeführte
Heizvorrichtung-Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren. In
diesem Beispiel wird das in 4 gezeigte
Heizvorrichtungs-Steuerverfahren als ein Hauptprogramm druchgeführt,
und das in 5 gezeigte Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
wird als eine Unterroutine durchgeführt. Gleichzeitig mit
dem Heizvorrichtungs-Steuerverfahren führt die Motorsteuereinrichtung 9 das
Temperatur-Erfassungs-Verfahren zum Erfassen der Temperatur von
Gassensor 8 aus. Das Temperatur-Erfassungs-Verfahren ist
per se bekannt. Kurz dargestellt, Motorsteuereinrichtung 9 erhält
das von Sensortreiberschaltung 52 ausgegebene Impedanzsignal
Vrpvs bei einem vorgegebenen Erfassungstakt. Dann berechnet die
Motorsteuereinrichtung 9 von Impedanzsignal Vrpvs die Impedanz Rpvs
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 durch Benutzen
eines vorgegebenen mathematischen Ausdrucks oder Daten (wie z. B.
einer zweidimensionen Abbildung), welche eine Beziehung zwischen
dem Impedanzsignal Vrpvs und der Impedanz Rpvs abbildet. Dann berechnet
Motorsteuereinrichtung 9 die Temperatur von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 (oder
die Temperatur von Gassensor 8) in Übereinstimmung
mit der Impedanz Rpvs. Die so berechnete Temperatur wird für
das Heizvorrichtungs-Steuerverfahren benutzt.
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Zur
Zeit der Erfassung von Impedanz Rpvs speist das System den Konstantstrom –Iconst
durch Anschalten von zweiten Schaltern SW2 an die Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24.
Nach Erfassen der Impedanz speist das System den Strom mit entgegengesetzter
Polarität +Iconst, welcher eine zum Impedanz-Erfassungs-Strom
(–Iconst) entgegengesetze Polarität hat, durch
Anschalten dritter Schalter SW3 an die Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24.
Dadurch kann das System eine Erholungszeit reduzieren bis eine Wiederherstellung
eines Normalzustands von einem Zustand, in welchem das Festelektrolytelement
von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 von dem Impedanz-Erfassungs-Strom
ausgerichtet wird, und die interne elektromotorische Kraft beeinträchtigt
wird (der Zustand, in welchem die ausgegebene elektromotorische
Kraft die Sauerstoffkonzentrations-Differenz nicht korrekt widerspiegelt). Das
Verfahren zum Erfassen von Impedanz Rpvs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 wird
in regelmäßigen Zeitabständen von 100
ms durchgeführt, zum Beispiel unter der Kontrolle von Steuerabschnitt 55.
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4 zeigt
das Heizvorrichtungs-Steuerverfahren durchgeführt als der
Hauptprogramm. Nach einem Start des Heizvorrichtungs-Steuerverfahrens, führt
Motorsteuereinrichtung 9 zuerst eine Initialisierungsoperation
bei einem Schritt S10 aus. Bei dieser Operation setzt Motorsteuereinrichtung 9 ein Überhitzungs-Vermeidungs-Flag
und ein Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag und einen Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler
auf null zurück. Das Überhitzungs-Vermeidungs-Flag
ist ein Zustandskode zum sofortigen Transferieren der Steuerung
an das Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren, wenn das Überhitzungs-Vermeidungs-Flag
an (= 1) ist. Das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag ist ein Zustandskode, welcher
den Zustand, in welchem Gassensor 8 aktiviert ist, darstellt,
und Gassensor 8 in einem normalen Gasmesszustand ist (welcher
das Fließen des Pumpstroms Ip erlaubt). Das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag
ist an (= 1), wenn Gassensor 8 aktiviert ist. Der Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler
wird zum Zählen oder Messen der Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
(Top, Tc1) benutzt, was in 3 gezeigt
ist.
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Von
S10 fährt die Motorsteuereinrichtung 9 fort zu
einem Schritt S12, und liest die von Sensortreiberschaltung 52 ausgegebene
Impedanz Rpvs. Dann untersucht bei einem Schritt S14 Motorsteuereinrichtung 9,
ob das Überhitzung-Vermeidungs-Flag AN (gleich eins) ist
oder nicht. Wenn das Überhitzung-Vermeidungs-Flag AN ist,
fährt die Motorsteuereinrichtung 9 direk von S14
zu einem Schritt S25 fort und startet die Unterroutine (das Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
von 5). Wenn das Überhitzung-Vermeidungs-Flag
AUS ist, und somit die Antwort von S14 NEIN ist, dann fährt
Motorsteuereinrichtung 9 zu einem Schritt S16 fort.
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Bei
S16 untersucht Motorsteuereinrichtung 9, ob das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag
AN (eins) ist oder nicht. Von S16 fährt die Motorsteuereinrichtung 9 zu
einem Schritt S18 fort, wenn das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag
AN ist und die Antwort von S16 JA ist, und zu einem Schritt 20, wenn
es nicht ist und die Antwort von S16 NEIN ist.
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Bei
Schritt S18 berechnet Motorsteuereinrichtung 9 die Heizvorrichtungs-Anlegespannung (Vhrms)
durch die PI-Berechnung. Die PI-Berechnung ist, wie zuvor erwähnt,
per se bekannt und die Heizvorrichtungs-Anlegespannung wird berechnet, um
die Temperatur von Gassensor 8 konstant zu halten. In Übereinstimmung
mit der so berechneten Heizvorrichtungs-Anlegespannung steuert die
Motorsteuereinrichtung 9 die Stromversorgung von Heizvorrichtung 43 durch
Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 (in der Art und Weise
der PWM-Steuerung).
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Bei
Schritt S20 untersucht Motorsteuereinrichtung 9, ob die
bei S12 erhaltene Impedanz Rpvs kleiner als eine Sensor-Aktivierungs-Beurteilungs- oder
Urteils-Schwelle (welche in diesem Beispiel auf 400 Ω gesetzt
wird) ist. Wenn die Impedanz Rpvs kleiner als die Aktiviertungs-Beurteilungs-Schwelle (400 Ω)
ist, erachtet die Motorsteuereinrichtung 9, dass Gassensor 8 in
dem normalen aktiven Zustand ist, und setzt das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag
bei einem Schritt S22 auf AN (eins). Von S22 fährt Motorsteuereinrichtung 9 zu
Schritt S18 fort.
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Wenn
die Impedanz Rpvs größer oder gleich der Aktiviertungs-Beurteilungs-Schwelle
ist, fährt die Motorsteuereinrichtung 9 von S20
zu einem Schritt S24 fort, und setzt die Anlegespannung (Vhrms)
an Heizvorrichtung 43 auf die maximale Effektivspannung
bei S24. Bei dem Arbeitsgang von S24 ist es unsicher, ob die Impedanz
Rpvs nicht normal ist wegen Schwierigkeiten wie z. B. Leitungstrennung,
oder lediglich die Temperatur von Gassensor 8 niedrig ist.
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Von
S18 oder S24 fährt die Motorsteuereinrichtung 9 fort
zu Schritt S25 und startet das Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
von 5 als Unterroutine. Wenn die Unterroutine des Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahrens
beendet ist, fährt die Motorsteuereinrichtung 9 fort
zu einem Schritt S26, und untersucht bei S26, ob ein vorgegebener
Impedanz-Rpvs-Einlesezyklus (10 ms in diesem Beispiel) von S12 verstrichen
ist. Dann kehrt Motorsteuereinrichtung 9 zu S12 zurück, wenn
die Antwort von S12 JA wird, nach dem Verstreichen des Rpvs-Einlesezyklus,
und wartet, wenn die Antwort von S12 NEIN ist.
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5 zeigt
das als Unterroutine durchgeführte Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren.
Nach einem Start des Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahrens
untersucht Motorsteuereinrichtung 9 zuerst, ob die Impedanz
Rpvs von Sauerstoffkonzentrations-Sensorzelle 24 kleiner
als die vorgegebene Anomalie-Urteils- oder Beurteilungs-Schwelle
(welche in diesem Beispiel auf gleich 400 Ω festgesetzt
ist) ist. Wenn die Impedanz Rpvs kleiner als dir Anomalie-Urteils-Schwelle
(400 Ω) ist, dann fährt Motorsteuereinrichtung 9 von
S50 zu einem Schritt S52 fort. Bei S52 setzt die Motorsteuereinrichtung 9 den Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler
auf null zurück, und setzt das Überhitzung-Vermeidungs-Flag
auf AUS (null) zurück. Nach S52 beendet Motorsteuereinrichtung 9 das
Verfahren von 5.
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Wenn
Impedanz Rpvs größer oder gleich der Anomalie-Urteils-Schwelle
(400 Ω) ist und somit die Antwort von S50 NEIN ist, dann
untersucht Motorsteuereinrichtung 9 bei einem Schritt S54,
ob die Heizvorrichtungs-Anlegespannung (Vhrms) gleich der maximalen
Effektivspannung ist oder nicht. Wenn die Antwort von S54 NEIN ist,
beendet die Motorsteuereinrichtung 9 das Verfahren von 5.
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In
Fall von JA von S54 beurteilt die Motorsteuereinrichtung 9,
dass die Heizvorrichtung-Anlegespannung auf die maximale Effektivspannung
erhöht ist, während der anomale Zustand von S50
vorherrscht, und fährt zu einem Schritt S56 fort. Bei S56 erhöht
Motorsteuereinrichtung 9 den Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler,
um Messzeit zu starten, um, wie in 3 gezeigt,
die Fortdauer des Anlegens der maximalen Effektivspannung beim Ablauf
der Überhitzung-Vermeidungszeit zu stoppen.
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Dann
untersucht Motorsteuereinrichtung 9 bei einem Schritt S58,
ob das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag AN (eins) ist oder nicht.
Die Beurteilung von S58 wird durchgeführt, um den Temperaturzustand
von Gassensor 8 durch Überprüfen des
Aktivierungs-Erfahrungs-Flags abzuschätzen, und dadurch
eine passende Spanne der Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
(Top, Tc1) in Übereinstimmung mit der Temperatur von Gassensor 8 auszuwählen.
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Wenn
das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag AUS ist und somit die Antwort
von S58 NEIN ist, dann fährt Motorsteuereinrichtung 9 zu
einem Schritt S60 fort. Bei S60 nimmt Motor-Steuerungssystem 9 an,
dass Gassensor 8 noch nicht aktiviert wurde, und noch kalt
ist, und untersucht, ob der Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler
größer oder gleich einer Zeitspanne oder -interval
Top ist.
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Wenn
der Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler größer
oder gleich Top ist und somit die Antwort von S60 JA ist, beurteilt
die Motorsteuereinrichtung 9, dass das Anlegen der maximalen
Effektivspannung für eine Zeitdauer, welche länger
oder gleich Top ist, fortgesetzt ist, und fährt fort zu
einem Schritt S62. Bei S62 liefert die Motorsteuereinrichtung 9 einer
Anweisungssignal (in Form des Heizvorrichtungs-An-Signals), um die
Heizvorrichtungs-Anlegespannung (Vhrms) auf die niedrige Effektivspannung
(untere Effektivspannung) zu vermindern, an Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60,
und setzt das Heizvorrichtungs-Überhitzung-Vermeidungs-Flag
auf eins. In diesem Beispiel ordnet dieses Anordnungssignal eine
Verminderung der Heizvorrichtungs-Anlegespannung von der maximalen
Effektivspannung auf die untere Effektivspannung (8 V) durch Vermindern
des Taktverhältnises von einem größeren
Wert, welcher der maximalen Effektivspannung entspricht, auf einen
niedrigeren Wert, welcher der unteren Effektivspannung entspricht,
an. Als Antwort auf dieses Anweisungssignal in Form des Heizvorrichtungs-An-Signals
legt die Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 die untere
Effektivspannung an Heizvorrichtung 43 an. Nach S62 beendet
die Motorsteuereinrichtung 9 das Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
von 5 und kehrt zum Hauptprogramm von 4 zurück.
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Das Überhitzung-Vermeidungs-Flag
wird bei S62 auf eins gesetzt. Deshalb, kann, wenn die Motorsteuereinrichtung 9 zum
Hauptprogramm von 4 zurückkehrt, die
Motorsteuereinrichtung 9 von S14 direkt zu S25 fortfahren,
und das Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
von 5 fortsetzen. Wenn Schritt S62 erreicht ist, dann gibt
es eine Möglichkeit, dass die Anomalie wie z. B. die Trennung
von Vs+-Leitung fortdauert. Deshalb wird das Überhitzung-Vermeidungs-Flag
bei S62 auf eins gesetzt.
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Wenn
das Sensoraktivierungs-Erfahrungs-Flag ist AN und somit die Antwort
von S58 JA ist, dann fährt Motorsteuereinrichtung 9 zu
einem Schritt S64 fort. Bei S64 nimmt die Motorsteuerungssystem 9 an,
dass Gassensor 8 bereits aktiviert wurde und im PI-Steuermodus
gesteuert wird, und die Temperatur von Gassensor 8 auf
die Betriebstemperatur (zum Beispiel 830°C) erhöht
wird, und untersucht, ob der Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler
größer oder gleich einer Zeitspanne oder -interval
Tc1 ist.
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Wenn
der Überhitzungs-Vermeidungs-Zähler größer
oder gleich Tc1 ist und somit die Antwort von S64 JA ist, beurteilt
die Motorsteuereinrichtung 9, dass das Anlegen der maximalen
Effektivspannung fortgesetzt ist für eine Zeitdauer, welche
länger oder gleich Tc1 ist, und fährt fort zu
einem Schritt S66. Bei S66 liefert die Motorsteuereinrichtung 9 das
Anweisungsssignal (in Form des Heizvorrichtungs-An-Signals), um
die Heizvorrichtungs-Anlegespannung (Vhrms) auf die niedrige Effektivspannung
(untere Effektivspannung) zu vermindern, an die Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60,
und setzt das Heizvorrichtungs-Überhitzung-Vermeidungs-Flag
auf eins. In diesem Beispiel weist das Anweisungssignal die Vermindung
der Heizvorrichtungs-Anlegespannung von der maximalen Effektivspannung
auf die untere Effektivspannung (8 V) durch Vermindern des Taktverhältnises
von dem größeren Wert, welcher der maximalen Effektivspannung
entspricht, auf den unteren Wert, welcher der unteren Effektivspannung
entspricht, an. Als Antwort auf dieses Anweisungssignal in Form
des Heizvorrichtungs-An-Signals legt die Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 die
untere Effektivspannung an Heizvorrichtung 43 an. Nach
S66 beendet die Motorsteuereinrichtung 9 das Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren
von 5 und kehrt zum Hauptprogramm von 4 zurück.
Bei S66 wird das Überhitzungs-Vermeidungs-Flag wegen desselben
Grundes wie in Schritt S62 auf eins gesetzt.
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In
dieser Ausführungsform entspricht Schritt S12 dem ”Impedanz-Erfassungs-Schritt”,
und entspricht Schritt S50 dem ”Impedanz-Zustands-Untersuchungs-Schritt” (oder ”Impedanz-Anomalie-Beurteilungs-Schritt”).
Schritt S54 entspricht dem ”Spannung-Zustands-Untersuchungs-Schritt” (oder ”Spannung-Anlege-Beurteilungs-Schritt”).
Schritte S56, S58, S60 und S64 entsprechen dem ”Zeitdauer-Mess-Schritt” (oder ”Spannungs-Anlegebedingung-Beurteilungs-Schritt”).
Die Operationen der Motorsteuereinrichtung 9 und/oder Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 nach
Schritten S62 und S64 entsprechen dem ”Spannungs-Verminderungs-Schritt” (oder ”untere
Effektivspannung-Anlege-Schritt”). Schritt S20 entspricht
dem ”Aktivierungs-Beurteilungs-Schritt”. Die Operation
des Festsetzens der Größe der Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
in Abhängigkeit der Beurteilung von S58 entspricht dem ”Zeit-Festsetzungs-Schritt”.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die oben
erwähnte Ausführungsform. Unterschiedliche Varianten
und Änderungen sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung möglich. Zum Beispiel kann das Erfassungselement 10 irgend
eines von unterschiedliche Typen sein neben dem im illustrierten
Beispiel benutzten Gesamtbereichs-Mischungsverhältnis.
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor, wie z. B. einen NOx-Sensor,
anwendbar, in welchem eine weitere Zelle zum Erfassungselement hinzugefügt
ist und zwei Messkammern gebildet sind. In der illustrierten Ausführungsform
ist die Gassensor-Steuervorrichtung in ECU 5 eingebaut.
Jedoch ist es optional, die Gassensor-Steuervorrichtung getrennt
von ECU 5 bereitzustellen. Zum Beispiel wird die Gassensor-Steuervorrichtung
zwischen dem Gassensor 8 und ECU 5 bereitgestellt,
und so konstruiert, dass sie die Sensor-Steuerschaltung 2,
die Heizvorrichtungs-Steuerschaltung 60 und einen Mikrokomputer, welcher
fähig ist, das Heizvorrichtungs-Steuerverfahren und das
Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungs-Verfahren auszuführen,
beinhaltet. Der Mikrokomputer kann gebildet sein auf oder in einer
Leiterplatte umfassend den Mikrokomputer alleine oder zusammen mit
den Schaltungen 2 und 60. In dem illustrierten
Beispiel sind die in Schritt S20 benutzte Aktiviertungs-Beurteilungs-Schwelle
und die in Schritt S50 benutzte Anomalie-Beurteilungs-Schwelle zueinander
gleich. Jedoch ist es möglich, die Aktiviertungs-Beurteilungs-Schwelle
und die Anomalie-Beurteilungs-Schwelle auf zwei jeweils unterschiedliche Werte
zu setzen.
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Dach
der illustrierten Ausführungsform ist eine Gassensor-Steuervorrichtung
geeignet, mit einem Gassensor zum Erfassen der Konzentration eines
spezifischen Gases verbunden zu werden, oder die Gassensor-Steuervorrichtung
umfasst einen Verbindungs-Abschnitt (welcher einen oder mehrere
Anschlüsse beinhalten kann), welcher geeignet ist, mit dem
Gassensor verbunden zu werden. Alternativ kann die Gassensor-Steuervorrichtung
ein Gassensor-Steuerungssystem sein, welches den Gassensor einschliesst.
Der Gassensor kann ein Sensor sein, welcher mindestens eine Zelle
(überwachte Zelle) einschließt, welche ein Festelektrolytelement
und ein durch das Festelektrolytelement voneinander getrenntes Elektrodenpaar
aufweist. Die Gassensor-Steuervorrichtung umfasst: einen Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt
zum Steuern der Stromversorgung einer in dem Gassensor enthaltenen
Heizvorrichtung; einen Impedanz-Erfassungs-Abschnitt zum Erfassen
einer Impedanz der (überwachten) Zelle des Gassensors von
einer Ausgabe des Zelle; einen Sensor-(Impedanz)-Zustands-Untersuchungs-Abschnitt
zum Untersuchen, ob die durch den Impedanz-Erfassungs-Abschnitt
erfasste Impedanz größer oder gleich einer vorgegebenen
Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist; einen Heizvorrichtungs-(Spannung)-Zustands-Untersuchungs-Abschnitt
zum Untersuchen, ob eine maximale Effektivspannung (oder eine höhere
Effektivspannung, welche höher oder gleich einem vorgegebenen
Pegel ist, welcher gleich der maximalen Effektivspannung wie im
illustrierten Beispiel sein kann) an die Heizvorrichtung gelegt
ist, wenn beurteilt wird, dass die Impedanz größer
oder gleich der vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist;
einen Zeitdauer-Mess-Abschnitt zum Untersuchen, ob eine Anlege-Zeitdauer
des Anlegens der maximalen Effektivspannung (oder der höheren
Effektivspannung) an die Heizvorrichtung gleich oder länger
als eine vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
wird; und einen Spannung-Verminderungs-Abschnitt, um den Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt
anzuweisen, die an die Heizvorrichtung angelegte Spannung auf eine
untere Effektivspannung zu vermindern und das Anlegen der Spannung
an die Heizvorrichtung bei der unteren Effektivspannung fortzuführen,
welche niedriger als die maximale Effektivspannung ist und welche
so gewählt wird, dass die Temperatur der Zelle höher
oder gleich einem vorgegebenen Temperaturwert wie z. B. 500°C
gehalten wird, wenn die Anlege-Zeitdauer gleich oder länger
als die vorgegebene Heizvorrichtungs-Überhitzungs-Vermeidungszeit
wird. Es ist möglich, zu bestimmen, ob die untere Effektivspannung,
um die Temperatur der überwachten Zelle bei höher
oder gleich 500°C zu halten, an die Heizvorrichtung angelegt
ist oder nicht, durch Untersuchen der durch die überwachte
Zelle erfassten Impedanz, um zu bestimmen, ob die erfasste Impedanz
bei einem Wert ist, welcher angenommen werden kann, wenn die Temperatur
gleich oder höher als 500°C ist.
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Nach
einer von mehreren möglichen Interpretationen der Ausführungsform
hat eine Gassensor-Steuervorrichtung einen Grundaufbau, welcher umfasst:
einen Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt zum Versorgen einer elektrischen
Leistung oder Elektrizität an eine Heizvorrichtung, die
in einem Gassensor zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen
Gases enthalten ist; einen Impedanz-Erfassungs-Abschnitt zum Erfassen
einer Impedanz einer (überwachten) Zelle des Gassensors; und
einen Kontroll-Abschnitt, welcher konfiguriert ist, eine erste Bedingung
(S50: NEIN) zu überprüfen, welche erfüllt
ist, wenn die Impedanz größer oder gleich einer
vorgegebenen Anomalie-Beurteilungs-Schwelle ist, eine zweite Bedingung
(S54: JA) zu überprüfen, welches erfüllt
ist, wenn die an die Heizvorrichtung gespeiste elektrische Leistung
höher oder gleich einem vorgegebenen höheren Leistungspegel
(wie z. B. der maximalen Effektivspannung) ist, eine Fortdauer (oder
Zeitdauer) einer dritten Bedingung zu messen, welche erfüllt
ist, wenn die erste und zweite Bedingungen beide gleichzeitig erfüllt sind
(S56), und um die an die Heizvorrichtung durch den Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt
gespeiste elektrische Leistung (oder die Elektrizitätsmenge)
auf einen niedrigen Leistungspegel, welcher niedriger als der höhere
Leistungspegel ist, zu vermindern, wenn die Fortdauer der dritten
Bedingung eine vorgegebene Überhitzung-Vermeidungszeit
erreicht. Die so konstruierte Gassensor-Steuervorrichtung kann ferner
ein beliebiges oder mehrere der nachfolgenden Merkmale umfassen.
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(1)
Der Kontroll-Abschnitt des Grundaufbaus kann konfiguriert sein,
die vorgegebene Überhitzung-Vermeidungszeit in Übereinstimmung
mit einem Start(Temperatur)-Zustand des Gassensors vor oder genau
vor einem Start der Fortdauer der dritten Bedingung abzugleichen.
(2) Der niedrige Leistungspegel kann so gewählt werden,
dass die Temperatur des Gassensors auf einen solchen höheren
Temperaturpegel gehalten wird, welcher Anhaften einer Substanz,
wie z. B. Kohlenstoff, welcher in einem Messgas enthalten ist, an
den Gassensor verhindert. (3) Der Kontroll-Abschnitt kann konfiguriert
sein, die an die Heizvorrichtung gespeiste elektrische Leistung
mit dem Heizvorrichtungs-Regel-Abschnitt, welcher normalerweise
in einem normalen Heizvorrichtungs-Steuermodus (wie z. B. PI-Steuermodus
bei S16) ist, in Übereinstimmung mit der Impedanz der (überwachten)
Zelle des Gassensors zu steuern (zum Beispiel, um eine Abweichung
zwischen der erfassten tatsächlichen Impedanz und einer
gewünschte Ziel-Impedanz zu vermindern). (4) Der Kontroll-Abschnitt
kann konfiguriert sein, den normalen Heizvorrichtungs-Steuermodus
zu beenden und stattdessen einen Begrenzungs-Heizvorrichtung-Steuermodus (einschließlich
eines Begrenzungs-Zeit-Modus bis zum Ende der Überhitzungs-Vermeidungszeit
und eines Begrenzungs-Leistungsmodus mit dem niedrigen Leistungspegel
nach dem Ende der Überhitzung-Vermeidungszeit) zu starten,
wenn die erste und zweite Bedingung erfüllt sind. (5) Der
Kontroll-Abschnitt kann konfiguriert sein, den Begrenzungs-Heizvorrichtungs-Steuermodus
zu beenden und stattdessen den normalen Heizvorrichtungs-Steuermodus
wieder aufzunehmen, wenn die erste Bedingung nicht mehr erfüllt
ist.
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Diese
Anmeldung basiert auf einer früheren
japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-285054 , welche
am 6. November 2008 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt dieser
japanischen Patentanmeldung wird hierin durch Verweis mit einbezogen.
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Obwohl
die Erfindung oben unter Bezug auf gewisse Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht beschränkt
auf die oben beschriebenen Ausführungsformen. Varianten und Änderungen
der oben beschriebenen Ausführungsformen werden dem Fachmann
in Anbetracht der oben genannten Lehre in den Sinn kommen. Der Umfang
der Erfindung wird mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche
definiert. Die Ansprüche sind als ein erster nichtbeschränkender
Ansatz zu verstehen, die Erfindung allgemein zu definieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 10-48180
A [0005]
- - JP 2000-121600 [0006]
- - JP 2008-285054 [0096]