DE102009053642A1

DE102009053642A1 - Gassensorsystem und Verfahren zur Gassensorsteuerung

Info

Publication number: DE102009053642A1
Application number: DE102009053642A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Nagoya-shi Inoue; Norikazu Nagoya-shi Ieda
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2029-11-18
Also published as: JP2010121951A; JP4954185B2; US20100122568A1; DE102009053642B4; US8679312B2

Abstract

Ein Gassensorsystem mit einem Gassensor (5); einer Stromsteuerungseinheit (VD, ID); einer Konstantensteuerungseinheit (PID); und einer Temperaturerfassungseinheit. Der Gassensor beinhaltet eine Messkammer (20), eine Pumpzelle (14) und eine elektromotorische Kraftzelle (24). Die Stromsteuerungseinheit (VD, ID) führt Rückkopplungssteuerung für den durch die Pumpzelle (14) fließenden Strom als Antwort auf die Spannung (Vs) der elektromotorischen Kraftzelle (24) und in Übereinstimmung mit einer Regelungskonstante, welche die Rückkoppelungsregelung charakterisiert, aus. Ferner ändert die Konstantensteuerungseinheit die Regelungskonstante der Rückkoppelungsregelung in Übereinstimmung mit einem Wert (zum Beispiel einem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle), welcher der Temperatur des Gassensors entspricht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gassensorsystem und ein Verfahren zum Steuern eines Gassensors.
2. Beschreibung des Stands der Technik:
Bisher wurde ein Gassensor benutzt zum Nachweis von spezifischen Gasbestandteilen, welche in dem Abgas oder dergleichen eines Verbrennungsmotors enthalten sind, oder zur Messung der Konzentration von spezifischen Gasbestandteilen. Ein bekannter Gassensor benutzt eine Referenzzelle und ein Nachweiszelle, die jeweils einen Zirconiumdioxid-Festelektrolyten aufweisen. In diesem Sensor wird der Strom, der durch die Nachweiszelle fließt, so gesteuert, dass eine elektromotorische Kraft der Referenzzelle konstant wird. In diese Hinsicht ist eine Technik zum Steuern des Stroms in einer Zeitmultiplexart bekannt.
[Patentdokument 1]

Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. H10-300720-A

3. Von der Erfindung zu lösende Probleme:
Wenn ein Gassensorsystem zur Motorsteuerung benutzt wird, wird eine Steuerung (zum Beispiel Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung), welche eine Sensorausgabe benutzt, wünschenswerterweise so früh wie möglich nach Start des Motor gestartet, um die Genauigkeit der Motorsteuerung zu verbessern. Andererseits nimmt es, wenn ein Sensor benutzt wird, in welchem Sensorelemente durch eine Heizvorrichtung auf eine Zieltemperatur geheizt werden, vom Anfangszeitpunkt des Heizens an einige Zeit in Anspruch bis die Temperatur der Sensorelemente die Zieltemperatur erreicht. In diesem Fall wird sich die Frequenzcharakteristik des Gassensors in Abhängigkeit von der Temperatur der Sensorelemente ändern. Jedoch wurden hinsichtlich der Steuerung des Gassensors unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik ausreichende Studien noch nicht durchgeführt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht dessen wurde die vorliegende Erfindung getätigt. Gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen wird eine Technik bereitgestellt, die Steuerung des Gassensors unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik ermöglicht.
Gemäß einem ersten Aspekt (1), wurde die obige Aufgabe der vorliegenden Erfindung erreicht durch Bereitstellen eines Gassensorsystem umfassend: einen Gassensor; eine Stromsteuereinheit (Stromregeleinheit); eine Konstantensteuereinheit; und eine Erfassungseinheit, die einen entsprechenden Temperaturwert erfasst, welcher ein der Temperatur des Gassensors entsprechender Wert ist. Der Gassensor umfasst: eine Messkammer, in die ein Messzielgas eingeführt wird; eine Pumpzelle, welche eine erste äußere Elektrode, eine erste innere Elektrode, die zur Messkammer freiliegend ist, und einen ersten Festelektrolyten, der zwischen die erste äußere Elektrode und die erste innere Elektrode eingefügt ist, umfasst; und eine elektromotorische Kraftzelle umfassend eine zweite äußere Elektrode, eine zweite innere Elektrode, die zur Messkammer freiliegend ist, und einen zweiten Festelektrolyten, der zwischen die zweite äußere Elektrode und die zweite innere Elektrode eingefügt ist. Die Stromsteuereinheit (Stromregeleinheit) führt Rückkoppelungsregelung für durch die Pumpzelle fließenden Strom als Antwort auf die Spannung der elektromotorischen Kraftzelle und in Übereinstimmung mit einer Regelungskonstante, welche die Rückkoppelungsregelung charakterisiert, aus. Die Konstantensteuereinheit ändert die Regelungskonstante basierend auf dem entsprechenden Temperaturwert.
Gemäß dieser Konfiguration ist es, da die Regelungskonstante basierend auf dem entsprechenden Temperaturwert des Gassensors geändert wird, möglich, Rückkoppelungsregelung durchzuführen, um an die Frequenzcharakteristik des Gassensors anzupassen, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Gassensors ändern wird. Als Ergebnis ist es möglich, den Gassensor unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik zu steuern.
Ferner umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform (2) nach (1) oben das Gassensorsystem ferner eine Heizvorrichtung (80), die zum Erhöhen der Temperatur des Gassensors auf eine Zieltemperatur benutzt wird. Außerdem nimmt die Konstantensteuereinheit eine erste Regelungskonstante (PID1) an, wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines ersten Temperaturbereichs ist, wo eine Schwellentemperatur, welche niedriger als die Zieltemperatur ist, eine obere Grenze des ersten Temperaturbereichs ist; und eine zweite Regelungskonstante (PID2), welche sich von der ersten Regelungskonstanten (PID1) unterscheidet, wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs ist, wobei der zweite Temperaturbereich die Zieltemperatur und wo eine Temperatur, welche höher als die Schwellentemperatur ist, eine untere Grenze des zweiten Temperaturbereichs ist, einschließt.
Gemäß dieser Konfiguration ist es, da es möglich ist, eine Regelungskonstante zu benutzen, die für die Temperatur in jedem des ersten Temperaturbereichs und des zweiten Temperaturbereichs passend ist, möglich, den Gassensor unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik zu steuern. Insbesondere ist es gemäß dieser Konfiguration, auch wenn die Sensortemperatur in einem Temperaturbereich ist, welcher niedriger als die Zieltemperatur ist, möglich, mit Sensormessungen zu beginnen.
Ferner umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform (3) nach einer von (1) und (2) oben die Stromsteuereinheit (Stromregeleinheit) oder in einigen Ausführungsformen die Konstantensteuereinheit eine Mehrzahl an Schaltungselementen, die unterschiedlich konfiguriert sein können, um unterschiedliche Regelungskonstanten zu definieren; und eine analoge Rechenschaltung, die basierend auf einer durch die Schaltungselemente definierten Regelungskonstante Berechnung für die Rückkoppelungsregelung ausführt. Ferner umfasst die Konstantensteuereinheit einen Schalter, welcher durch Schalten eines Verbindungszustands zwischen der analogen Rechenschaltung und der Mehrzahl an Schaltungselementen die Regelungskonstante ändert.
Gemäß dieser Konfiguration ist es, da es möglich ist, die Regelungskonstante der Berechnung durch die analoge Rechenschaltung geeignet zu ändern, möglich, den Gassensor unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik zu steuern.
Ferner umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform (4) nach einer von (1) und (2) oben die Stromsteuereinheit (Stromregeleinheit) oder in einigen Ausführungsformen die Konstantensteuereinheit eine Recheneinheit, die basierend auf einem die Regelungskonstante darstellenden konstanten Wert digitale Berechnung für die Rückkoppelungsregelung ausführt; und, die Konstantensteuereinheit ändert den für die digitale Berechnung benutzten konstanten Wert.
Gemäß dieser Konfiguration ist es, da es möglich ist den für die digitale Berechnung benutzten konstanten Wert geeignet zu ändern, möglich, den Gassensor unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik zu steuern.
Ferner erfasst in einer bevorzugten Ausführungsform (5) nach einer von (1) bis (4) oben die Erfassungseinheit einen Anzeigewert, der mit einem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle korreliert, als den entsprechenden Temperaturwert; und, ändert die Konstantensteuerungseinheit die Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem Anzeigewert.
Gemäß dieser Konfiguration ist es, da die Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem Anzeigewert, der mit dem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle korreliert, und welcher sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Gassensors ändert, geändert wird, möglich, den Gassensor unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik zu steuern.
In einer bevorzugten Ausführungsform (6) nach einer von (1) bis (5) oben führt die Stromsteuerungseinheit eine Rückkoppelungsregelung für den durch die Pumpzelle fließenden Strom aus, so dass die Spannung der elektromotorischen Kraftzelle eine Zielspannung wird.
Gemäß diese Konfiguration ist es in einem System, in welchem der durch die Pumpzelle fließende Strom Rückkoppelungsregelung unterzogen wird, so dass die Spannung der elektromotorischen Kraftzelle die Zielspannung wird, möglich, den Gassensor unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik zu steuern.
Gemäß einem zweiten Aspekt (7) stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Gassensors bereit, wobei: der Gassensor umfasst: eine Messkammer, in die ein Messzielgas eingeführt wird; eine Pumpzelle, umfassend eine erste äußere Elektrode, eine erste innere Elektrode, die zur Messkammer freiliegend ist, und einen ersten Festelektrolyten, der zwischen die erste äußere Elektrode und die erste innere Elektrode eingefügt ist; und eine elektromotorische Kraftzelle umfassend eine zweite äußere Elektrode, eine zweite innere Elektrode, die zur Messkammer freiliegend ist, und einen zweiten Festelektrolyten, der zwischen die zweite äußere Elektrode und die zweite innere Elektrode eingefügt ist; und, das Verfahren umfasst: Ausführen einer Rückkoppelungsregelung für durch die Pumpzelle fließenden Strom als Antwort auf die Spannung der elektromotorischen Kraftzelle und in Übereinstimmung mit einer Regelungskonstante, welche die Rückkoppelungsregelung charakterisiert; Erfassen eines entsprechenden Temperaturwertes, welcher ein der Temperatur des Gassensors entsprechender Wert ist; und Ändern der Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Temperaturwert.
In einer bevorzugten Ausführungsform (8) nach (7) oben umfasst das Verfahren ferner Erhöhen der Temperatur des Gassensors auf eine Zieltemperatur durch eine Heizvorrichtung; und wobei der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante umfasst: Annehmen einer ersten Regelungskonstante, wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines ersten Temperaturbereichs liegt, wo eine Schwellentemperatur, welche niedriger als die Zieltemperatur ist, eine obere Grenze des ersten Temperaturbereichs ist; und nimmt eine zweite Regelungskonstante an, welche sich von der ersten Regelungskonstante unterscheidet, wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs liegt, wobei der zweite Temperaturbereich die Zieltemperatur und wo eine Temperatur, welche höher als die Schwellentemperatur ist, eine untere Grenze des zweiten Temperaturbereich ist, einschließt.
In einer bevorzugten Ausführungsform (9) nach (7) und (8) oben führt eine analoge Rechenschaltung basierend auf einer Regelungskonstante, welche von einer Mehrzahl an Schaltungselementen definiert ist, die unterschiedlich konfiguriert sein können, um unterschiedliche Regelungskonstanten zu definieren, Berechnung für die Rückkoppelungsregelung aus; und umfasst der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante Schalten eines Verbindungszustands zwischen der analogen Rechenschaltung und der Mehrzahl an Schaltungselementen.
In einer bevorzugten Ausführungsform (10) nach (7) und (8) oben führt eine Recheneinheit basierend auf einem die Regelungskonstante darstellenden konstanten Wert digitale Berechnung für die Rückkoppelungsregelung aus; und, umfasst der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante Ändern des für die digitale Berechnung benutzten konstanten Wertes.
In einer bevorzugten Ausführungsform (11) nach einer von (7) bis (10) oben umfasst der Schritt zum Erfassen des entsprechenden Temperaturwerts Erfassen eines Anzeigewertes, der mit einem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle korreliert, als den entsprechenden Temperaturwert; und, umfasst der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante Ändern der Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem Anzeigewert.
In einer bevorzugten Ausführungsform (12) nach einer von (7) bis (11) oben umfasst der Schritt zum Ausführen der Rückkoppelungsregelung für den Strom Ausführen der Rückkoppelungsregelung für den durch die Pumpzelle fließenden Strom, so dass die Spannung der elektromotorischen Kraftzelle eine Zielspannung wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Anschauliche Aspekte der Erfindung werden mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen im Detail beschriebenen werden, wobei:
1 eine erläuternde Ansicht ist, welche ein Gassensorsystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegende Erfindung veranschaulicht;
2 eine vereinfachte Querschnittsansicht ist, welche die Konfiguration eines Gassensor 5 veranschaulicht;
3 eine vereinfachte Ansicht des Gassensorssystem 1 ist;
4A und 4B Graphen sind, welche die Beziehung zwischen der Spannung Vs und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und die Beziehung zwischen dem Strom Ip und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis veranschaulichen;
5 ein erläuternde Ansicht einer Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID ist;
6 ein erläuternde Ansicht ist, welche die Konfiguration einer Verarbeitungsvorrichtung 2 veranschaulicht;
7 ein Flussdiagramm ist, welches die Verfahren zum Steuern des Stroms Ip veranschaulicht;
8A bis 8F Graphen sind, welche Frequenzcharakteristika veranschaulichen;
9 ein Flussdiagramm ist, welches Verfahren für ein Heizvorrichtungssteuerungsverfahren veranschaulicht;
10 ein Flussdiagramm ist, welches Verfahren für ein Spannungsänderungsmessverfahren veranschaulicht; und
11 eine erläuternde Ansicht ist, welche eine weitere Ausführungsform der Rückkopplungs-Berechnungseinheit veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die Zeichnungen detaillierter beschrieben werden. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht als darauf beschränkt ausgelegt.
A. Erste Ausführungsform
1 ist eine erläuternde Ansicht, welche ein Gassensorsystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Gassensorsystem 1 beinhaltet einen Gassensor 5, eine Heizvorrichtung 80, die den Gassensor 5 heizt, einen Nachweisschaltkreis 3, der mit dem Gassensor 5 verbunden ist, eine Heizvorrichtungssteuerschaltung 6, die die Heizvorrichtung 80 steuert, und eine Verarbeitungsvorrichtung 2, die die jeweiligen Schaltkreise 3 und 6 steuert. Das Gassensorsystem 1 gibt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) einer an einen Verbrennungsmotor gespeisten Luft-Kraftstoff-Mischung aus. Das ausgegebene Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird benutzt, um beispielsweise die Kraftstoffeinspritzungsmenge zu steuern. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Benzinmotor als der Verbrennungsmotor benutzt.
2 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht, welche die Konfiguration des Gassensors 5 veranschaulicht. Der Gassensor 5 ist ein laminierter Körper, in welchem eine Pumpzelle 14, eine poröse Diffusionsschicht 18, und eine elektromotorische Kraftzelle 24 in dieser Reihenfolge laminiert sind. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Gassensor 5 in einem Fließpfad (nicht abgebildet) des Abgases des Verbrennungsmotors installiert und wird zum Messen eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) benutzt. Außerdem ist in dem Gassensor 5 eine Heizvorrichtung 80 installiert.
Die Pumpzelle 14 beinhaltet eine Elektrolytschicht 14c, eine äußere Elektrode 12, die auf einer Oberfläche 14E der Elektrolytschicht 14c vorgesehen ist, und eine innere Elektrode 16, die auf der anderen Oberfläche 14I der Elektrolytschicht 14c vorgesehen ist. Die Elektrolytschicht 14c ist zwischen der äußeren Elektrode 12 und der inneren Elektrode 16 eingefügt. Die Elektrolytschicht 14c ist aus einem Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform wird teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid als der Festelektrolyt benutzt. Jede der Elektroden 12 und 16 sind poröse Elektroden. In der vorliegenden Ausführungsform ist jede der Elektroden 12 und 16 aus Platin gebildet. Die äußere Elektrode 12 ist mit einem ersten Anschluss Ipt verbunden. Außerdem ist die gesamte äußere Elektrode 12 mit einer Schutzschicht 15 bedeckt. Die Schutzschicht 15 ist aus einem porösen Material wie z. B. Keramik gebildet. Die Schutzschicht 15 ist in dem Fließpfad eines Messgases (in der vorliegenden Ausführungsform des Abgases) angeordnet. Das Abgas kann die äußere Elektrode 12 durch die Schutzschicht 15 erreichen. Außerdem unterdrückt die Schutzschicht 15 Vergiftung der äußeren Elektrode 12.
Die elektromotorische Kraftzelle 24 beinhaltet eine Elektrolytschicht 24c, eine äußere Elektrode 28, die auf einer Oberfläche 24E der Elektrolytschicht 24c vorgesehen ist, und eine innere Elektrode 22, die auf der anderen Oberfläche 24I der Elektrolytschicht 24c vorgesehen ist. Die Elektrolytschicht 24c ist zwischen der inneren Elektrode 22 und der äußeren Elektrode 28 eingefügt. Die Elektrolytschicht 24c ist aus demselben Festelektrolyten wie die Elektrolytschicht 14c gebildet. Jede der Elektroden 22 und 28 sind poröse Elektroden wie Elektroden 12 und 16. Die äußere Elektrode 28 ist mit einem zweiten Anschluss Vst verbunden.
Die innere Oberfläche 14I der Elektrolytschicht 14c der Pumpzelle 14 steht der inneren Oberfläche 24I der Elektrolytschicht 24c der elektromotorischen Kraftzelle 24 gegenüber. Die poröse Diffusionsschicht 18 ist zwischen diesen inneren Oberflächen 14I und 24I eingefügt. Die poröse Diffusionsschicht 18 hat eine ringförmige poröse Wand, die einen Raum zwischen den inneren Oberflächen 141 und 24I entlang den Kanten davon umschließt. Die poröse Diffusionsschicht 18 hat eine darin definierte Messkammer 20, die von der porösen Wand, der Elektrolytschicht 14c und der Elektrolytschicht 24c umgeben ist. Die poröse Diffusionsschicht 18 ist in dem Fließpfad des Messgases angeordnet. Das Messgas wird in die Messkammer 20 durch die poröse Diffusionsschicht 18 eingeführt. Deshalb fungiert die poröse Diffusionsschicht 18 als ein Gaseinströmabschnitt. Verschiedene poröse Materialien wie z. B. Keramik können als das Material der porösen Diffusionsschicht 18 benutzt werden. In der vorliegenden Ausführungsform erlaubt die poröse Diffusionsschicht 18 Diffusion des Messgases, um seine Einströmgeschwindigkeit zu beschränken.
Die innere Elektrode 16 der Pumpzelle 14 und die innere Elektrode 22 der elektromotorischen Kraftzelle 24 sind zur Messkammer 20 freiliegend. Die Elektroden 16 und 22 sind miteinander elektrisch verbunden und sind auch mit einem gemeinsamen dritten Anschluss COM verbunden.
Die Heizvorrichtung 80 ist auf der äußeren Oberfläche 24E der Elektrolytschicht 24c der elektromotorischen Kraftzelle 24 laminiert. Die Heizvorrichtung 80 ist so konfiguriert, dass ein aus einem Leiter gebildeter Heizvorrichtungswiderstand 87 von einem Paar von Aluminiumoxidfolien 83 und 85 eingeklemmt ist. Die Aluminiumoxidfolie 83 ist auf der äußeren Oberfläche 24E der Elektrolytschicht 24c laminiert. Die Heizvorrichtung 80 erhöht die Temperatur des Gassensors 5 (insbesondere der Elektrolytschichten 14c und 24c), um die Elektrolytschichten 14c und 24c zu aktivieren. Auf diese Art und Weise sind Sauerstoffionen in der Lage, sich in den Elektrolytschichten 14c und 24c zu bewegen. Die Konfiguration der Heizvorrichtung 80 ist nicht auf die in 2 abgebildete Konfiguration beschränkt, sondern kann jede Konfiguration, die die Temperatur des Gassensors 5 (insbesondere der Elektrolytschichten 14c und 24c) erhöhen kann, benutzen.
Die Aluminiumoxidfolie 83 der Heizvorrichtung 80 bedeckt die gesamte äußere Elektrode 28 der elektromotorischen Kraftzelle 24, um die äußere Elektrode 28 zu versperren. Der innere Raum (Porosität) der äußeren Elektrode 28 (poröse Elektrode) fungiert als eine Referenzsauerstoffkammer 26 (nachstehend detaillierter beschriebenen).
Wie in 1 abgebildet, ist ein Ende des Heizvorrichtungswiderstands 87 der Heizvorrichtung 80 mit einer DC-Stromversorgung VB (in der vorliegenden Ausführungsform ist die DC-Stromversorgung VB eine 12-V DC-Stromversorgung) verbunden. Das andere Ende des Heizvorrichtungswiderstands 87 ist mit der Heizvorrichtungssteuerschaltung 6 verbunden.
Die Heizvorrichtungssteuerschaltung 6 hat einen Schalttransistor Tr und einen Masse-Widerstand Rh. Die Serienschaltung, welche aus dem Transistor Tr und dem Widerstand Rh besteht, ist mit dem Heizvorrichtungswiderstand 87 verbunden. Die Verarbeitungsvorrichtung 2 speist ein Treibersignal an den Transistor Tr, um den An/Aus-Zustand des Transistor Tr zu steuern. Wenn der Transistor Tr angeschaltet wird, fließt Strom durch den Heizvorrichtungswiderstand 87 und die Heizvorrichtung 80 erzeugt Wärme. Wenn der Transistor Tr ausgeschaltet wird, hört Strom in dem Heizvorrichtungswiderstand 87 zu fließen auf und die Heizvorrichtung 80 hört auf, Wärme zu erzeugen. Die Verarbeitungsvorrichtung 2 steuert den An/Aus-Zustand des Transistors Tr, um die durch die Heizvorrichtung 80 erzeugte Wärme, nämlich die Temperatur des Gassensors 5, zu regeln. Ein Knoten Re zwischen dem Transistor Tr und dem Widerstand Rh ist mit der Verarbeitungsvorrichtung 2 verbunden. Die Verarbeitungsvorrichtung 2 ist in der Lage, den durch die Heizvorrichtung 80 fließenden Strom in Übereinstimmung mit der Spannung am Knoten Re zu steuern. Die Konfiguration der Heizvorrichtungssteuerschaltung 6 ist nicht auf die in 1 abgebildete Konfiguration beschränkt, sondern kann jede Konfiguration, die die Heizvorrichtung 80 steuern kann, benutzen.
3 ist eine vereinfachte Ansicht des Gassensorssystems 1. In 3 sind der Gassensor 5 und der Nachweisschaltkreis 3 in vereinfachter Form abgebildet.
Eine Konstantstromschaltung 62 (1 und 3) ist mit dem zweiten Anschluss Vst über einen Ansteuerpfad 40 verbunden. Die Konstantstromschaltung 62 liefert einen konstanten kleinen Strom Icp, welcher durch die elektromotorische Kraftzelle 24 fließt. Deshalb fungiert die Konstantstromschaltung 62 als ein Strom-(Icp)-Speiseabschnitt.
Der Strom Icp fließt von der äußeren Elektrode 28 zur inneren Elektrode 22, um Sauerstoff von der Messkammer 20 zur äußeren Elektrode 28 durch die Elektrolytschicht 24c zu bewegen (transportieren). Der Sauerstoff, der sich durch die Elektrolytschicht 24c bewegt hat, sammelt sich in den Poren (die Referenzsauerstoffkammer 26) der äußeren Elektrode 28. Da die Konstantstromschaltung 62 den Strom Icp fortlaufend speist, erhöht sich die Sauerstoffkonzentration der Referenzsauerstoffkammer 26 auf eine vorgegebene Konzentration, welche im Wesentlichen durch den Strom Icp bestimmt ist. Außerdem wird die Sauerstoffkonzentration der Referenzsauerstoffkammer 26 auf der vorgegebenen Konzentration gehalten. Die Referenzsauerstoffkammer 26 dient als eine Sauerstoffkonzentrationsreferenz. Die äußere Elektrode 28, welche zur Referenzsauerstoffkammer 26 freiliegend ist, dient als eine Referenzelektrode. Der Strom Icp wird vorzugsweise so gewählt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Referenzsauerstoffkammer 26 größer als die Konzentration von Sauerstoff wird, welche im Abgas verbleibt.
Die Sauerstoffkonzentration wird bei der vorgegebenen Konzentration gehalten, wenn der Strom Icp in einer üblichen Art und Weise gespeist wird. Das liegt daran, dass Sauerstoff schrittweise aus der Referenzsauerstoffkammer 26 nach außen leckt (d. h. zur Außenseite des Gassensors 5). Der Pfad eines solchen Lecks kann die Lücke sein, die entlang des Ansteuerpfads verläuft, welcher die äußere Elektrode 28 und den zweiten Anschluss Vst verbindet.
Ein Treiberabschnitt ID von Strom Ip ist zwischen dem dritten Anschluss COM und dem ersten Anschluss Ipt (nämlich zwischen der inneren Elektrode 16 und der äußere Elektrode 12 der Pumpzelle 14) angeschlossen. Der Strom Ip ist Strom, der durch die Pumpzelle 14 fließt. Wenn der Strom Ip von der äußeren Elektrode 12 zur inneren Elektrode 16 fließt, wird Sauerstoff gepumpt oder bewegt sich von der inneren Elektrode 16 zur äußeren Elektrode 12 durch die Elektrolytschicht 14c (diese Richtung des Strom Ip wird als die ”erste Richtung d1” bezeichnet). Als Ergebnis nimmt die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 ab. Ganz im Gegenteil wird, wenn der Strom Ip von der inneren Elektrode 16 zur äußeren Elektrode 12 fließt, Sauerstoff gepumpt oder bewegt sich von der äußeren Elektrode 12 zur inneren Elektrode 16 durch die Elektrolytschicht 14c (diese Richtung des Stroms Ip wird als die ”zweite Richtung d2” bezeichnet). Als Ergebnis erhöht sich die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20. In jedem Fall ist die Menge von Sauerstoff, die pro Zeitspanneneinheit bewegt wird im Wesentlichen proportional zum absoluten Wert des Stroms Ip.
Der Treiberabschnitt ID ist in der Lage, die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 durch Speisen des Stroms Ip durch die Pumpzelle 14 zu steuern. Insbesondere ist der Treiberabschnitt ID in der Lage, die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 durch Ändern der Richtung des Stroms Ip zu erhöhen und zu erniedrigen. Auf diese Art und Weise ist die Pumpzelle 14 in der Lage, Sauerstoff in die Messkammer 20 zu pumpen und Sauerstoff aus der Messkammer 20 zu pumpen. Die Details des Treiberabschnitts ID werden nachstehend beschriebenen.
Ein Nachweisabschnitt VD von Spannung Vs ist zwischen dem zweiten Anschluss Vst und dem dritten Anschluss COM (nämlich zwischen der äußeren Elektrode 28 und der inneren Elektrode 22 der elektromotorischen Kraftzelle 24) angeschlossen. Die Spannung Vs ist die Spannung zwischen den Elektroden 22 und 28 der elektromotorischen Kraftzelle 24. Der Nachweisabschnitt VD führt Rückkoppelungsregelung am Treiberabschnitt ID (nämlich dem Strom Ip) aus, so dass die Spannung Vs eine vorgegebene Zielspannung Vr (in der vorliegenden Ausführungsform 450 mV) wird. Die Details des Nachweisabschnittes VD werden nachstehend beschriebenen. Der Nachweisabschnitt VD und der Treiberabschnitt ID entsprechen insgesamt der ”Stromsteuereinheit” (”Stromregeleinheit”) der Erfindung.
4A ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen der Spannung Vs und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) veranschaulicht. Die horizontale Achse stellt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) dar und die vertikale Achse stellt die Spannung Vs dar. Die elektromotorische Kraftzelle 24 (3) erzeugt eine größere elektromotorische Kraft, wenn sich die Differenz in der Sauerstoffkonzentration zwischen den zwei Elektroden 22 und 28 erhöht (nämlich die Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration in der Referenzsauerstoffkammer 26 und der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20). Dieser Graph stellt die Spannung Vs dar, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, der von der Pumpzelle 14 gepumpt wird (3).
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist (nämlich, wenn die Luft-Kraftstoff-Mischung mager ist), bleibt eine relativ große Menge Sauerstoff in dem Abgas, und folglich wird sich die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz erniedrigen. Als Ergebnis hat die Spannung Vs einen niedrigen Wert, der der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas entspricht. In dem Fall wird die Spannung Vs niedriger als die Zielspannung Vr sein.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist (nämlich, wenn die Luft-Kraftstoff-Mischung fett ist), ist die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas niedrig, und folglich wird sich die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz erhöhen. Als Ergebnis wird sich die Spannung Vs erhöhen. In diesem Fall wird die Spannung Vs größer als die Zielspannung Vr sein, und die Spannung Vs erhöht sich in der vorliegenden Ausführungsform auf ungefähr 1 V. Insbesondere ist in der vorliegenden Ausführungsform Katalysator (Platin) in den Elektroden 16 und 22 in der Messkammer 20 enthalten. Dieser Katalysator beschleunigt die Reaktion zwischen dem Restsauerstoff in der Messkammer 20 und den Bestandteilen (zum Beispiel, CO, HC, und H₂), welche in dem Abgas nicht verbrannt wurden. Als Ergebnis nimmt die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 wesentlich ab. Auf diese Art und Weise wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist, die Spannung Vs auffallend größer als wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist. Wie in der Zeichnung abgebildet ändert sich die Spannung Vs vor und nach dem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis stufenweise. Das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird auch als das stöchiometrische Verhältnis oder stöchiometrischer Punkt bezeichnet. In einem Benzinmotor ist das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ungefähr 14.6.
4B ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen dem Strom Ip und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) veranschaulicht. Die horizontale Achse stellt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) dar und die vertikale Achse stellt den Strom Ip dar. Wie oben beschriebenen unterliegt der Strom Ip Rückkoppelungsregelung, so dass die Spannung Vs die Zielspannung Vr erreicht.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis größer als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist (wenn die Luft-Kraftstoff-Mischung mager ist), ist die Spannung Vs niedriger als die Zielspannung Vr (4A). In diesem Fall steuert der Nachweisabschnitt VD (3) den Treiberabschnitt ID, um den Strom Ip in die erste Richtung d1 zu speisen, um die Spannung Vs auf die Zielspannung Vr zu erhöhen. Auf diese Art und Weise erhöht sich die Spannung Vs, da die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 abnimmt. Ferner erhöht sich, indem sich die Sauerstoffkonzentration des in die Messkammer 20 eingeführten Abgases erhöht (nämlich indem sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht), die Menge von Sauerstoff, die von der Messkammer 20 zur äußeren Elektrode 12 bewegt werden muss, um die Spannung Vs auf die Zielspannung Vr zu erhöhen. Das heißt, dass, indem sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht, erhöht sich der absolute Wert des Stroms Ip. Außerdem ist, da die Menge von Sauerstoff, die pro Zeitspanneneinheit bewegt werden muss, proportional zur Sauerstoffkonzentration des Abgases ist, der absolute Wert des Stroms Ip im Wesentlichen proportional zu dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis niedriger als das theoretische Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist (wenn die Luft-Kraftstoff-Mischung fett ist), ist die Spannung Vs größer als die Zielspannung Vr (4A). In diesem Fall steuert der Nachweisabschnitt VD (3) den Treiberabschnitt ID, um den Strom Ip in die zweite Richtung d2 zu speisen, um die Spannung Vs auf die Zielspannung Vr zu erniedrigen. Auf diese Art und Weise nimmt die Spannung Vs ab, indem sich die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 erhöht. Hierbei nimmt, da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abnimmt, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ab und die Konzentration von Bestandteilen (CO, HC, H₂ und dergleichen), welche nicht verbrannt wurden erhöht sich im Abgas. Wenn die Reaktion zwischen diesen Bestandteilen und dem Sauerstoff berücksichtigt wird, erhöht sich, da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abnimmt, die Menge von Sauerstoff, die zum Erhöhen der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 benötigt wird. Das heißt, dass, da das Luft-Kraftstoff-Verhältnis abnimmt, sich der absolute Wert des Stroms Ip erhöht. Außerdem ist, da sich die Konzentration der betroffenen Bestandteile in dem Abgas im Wesentlichen invers proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis erhöht, der Strom Ip im Wesentlichen proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Wie oben beschriebenen ändert sich der Strom Ip über einen weiten Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Wesentlichen proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Deshalb ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis innerhalb eines weiten Bereichs in Übereinstimmung mit der Strom Ip zu bestimmen.
Nächstfolgend werden spezifische Beispiele des Nachweisabschnittes VD und des Treiberabschnitts ID beschriebenen werden. In 1 sind der Nachweisabschnitt VD und der Treiberabschnitt ID abgebildet. Wie nachstehend beschriebenen, werden der Nachweisabschnitt VD, der Treiberabschnitt ID und der Gassensor 5 auf Basis einer gemeinsamen Referenzspannung Vc (in der vorliegenden Ausführungsform +3.6 V) betrieben. Als Ergebnis wird die Spannung des dritten Anschlusses COM näherungsweise bei der Referenzspannung Vc gehalten.
Wie in 1 abgebildet, beinhaltet der Nachweisabschnitt VD einen vierten Operationsverstärker OP4, einen ersten Operationsverstärker OP1, eine Rückkopplungs- Berechnungseinheit PID, einen Nachweiswiderstand R1, und einen Widerstand R, welche in Reihe verbunden sind. Der vierte Operationsverstärker OP4 ist mit dem zweiten Anschluss Vst verbunden, und der Widerstand R ist mit dem dritten Anschluss COM über einen Ansteuerpfad 42 verbunden.
Der vierte Operationsverstärker OP4 ist als ein Spannungsfolger konfiguriert. Der vierte Operationsverstärker OP4 gibt dieselbe Spannung wie die Spannung bei dem zweiten Anschluss Vst aus. Diese Spannung entspricht der oben beschriebenen Spannung Vs. Konkret ist die Spannung des zweiten Anschlusses Vst die Summe der oben beschriebenen Spannung Vs und der Referenzspannung Vc. Der Ausgabeanschluss des vierten Operationsverstärkers OP4 ist mit dem ersten Operationsverstärker OP1 über einen ersten Schalter SW1 verbunden. Der erste Operationsverstärker OP1 ist auch mit einem Kondensator C1 verbunden. Der erste Operationsverstärker OP bildet eine Abtast-Halte-Schaltung in Zusammenarbeit mit dem ersten Schalter SW1 und dem Kondensator C1. Wenn der erste Schalter SW1 in dem AN-Zustand ist, gibt der erste Operationsverstärker OP1 dieselbe Spannung wie die Ausgabespannung des vierten Operationsverstärkers OP4 aus. Der Ausgabeanschluss des ersten Operationsverstärkers OP1 ist mit dem Eingabeanschluss IT der Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID verbunden. Wenn der erste Schalter SW1 zum AUS-Zustand schaltet, behält der erste Operationsverstärker OP1 unmittelbar vor dem Schalten die Ausgabespannung bei.
Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID beinhaltet zusätzlich zum Eingabeanschluss IT einen Referenzanschluss RT und einen Ausgabeanschluss OT. Der Ausgabeanschluss OT ist mit einem Knoten Vpid verbunden, der dem einen Ende des Nachweiswiderstands R1 entspricht. Der Referenzanschluss RT ist mit einem Knoten Vcent verbunden, der dem anderen Ende des Nachweiswiderstands R1 entspricht. Der Knoten Vcent ist mit dem Widerstand R und dem invertierenden Eingabeanschluss eines zweiten Operationsverstärker OP2 verbunden. Der Ausgabeanschluss OT ist mit dem invertierenden Eingabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 über den Nachweiswiderstand R1 verbunden.
5 ist eine erläuternde Ansicht der Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID. Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID beinhaltet drei Operationsverstärker 140, 147 und 149. Der Eingabeanschluss IT ist mit dem invertierenden Eingabeanschluss des addierenden Operationsverstärkers 149 über einen Widerstand R5p verbunden. Der addierende Operationsverstärker 149 ist als eine Addiererschaltung konfiguriert. Der invertierende Eingabeanschluss des addierenden Operationsverstärkers 149 ist mit dem Ausgabeanschluss des Referenzoperationsverstärkers 147 über einen Widerstand R6p verbunden. Der Referenzoperationsverstärker 147 ist konfiguriert als ein Spannungsfolger. Der Referenzoperationsverstärker 147 ist mit einer Zielspannungsausgabeabschnitt 146 über einen Widerstand R7p verbunden. Der Zielspannungsausgabeabschnitt 146 gibt eine negative Zielspannung Vr aus, und deshalb gibt der Referenzoperationsverstärker 147, welcher als ein Spannungsfolger konfiguriert ist, auch die negative Zielspannung Vr aus. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Ausgabespannung eine Spannung, welche man durch Subtrahieren der Zielspannung Vr von der Referenzspannung Vc erhält.
Der nichtinvertierende Eingabeanschluss des addierenden Operationsverstärkers 149 ist mit dem Referenzanschluss RT verbunden. Der Referenzanschluss RT ist mit dem Knoten Vcent verbunden (1). Deshalb addiert der addierende Operationsverstärker 149 zwei Signale (die Spannung Vs und die negative Zielspannung Vr), welche an den invertierenden Eingabeanschluss, gespeist werden, zur Spannung (typischerweise die Referenzspannung Vc) des Knotens Vcent. Als Ergebnis gibt der addierende Operationsverstärker 149 ein Signal aus, das einer Spannung entspricht, die man durch Subtrahieren der Zielspannung Vr von der Spannung Vs erhält. Dieses Signal wird als ein ”Differenzsignal DD” bezeichnet. Konkret hat das Differenzsignal DD eine Spannung von ”Vs – Vr + Vc.” Der Ausgabeanschluss des addierenden Operationsverstärkers 149 ist mit einem ersten Knoten P1 auf dem Schaltkreis verbunden.
Auf dem Schaltkreis der in 5 abgebildeten Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID sind ein zweiter Knoten P2 und ein Ausgabeknoten Pout zusätzlich zu dem ersten Knoten P1 abgebildet. Der zweite Knoten P2 ist mit dem invertierenden Eingabeanschluss des Steueroperationsverstärkers 140 verbunden, und der Ausgabeknoten Pout ist mit dem Ausgabeanschluss des Steueroperationsverstärkers 140 verbunden. Der nichtinvertierende Eingabeanschluss des Operationsverstärkers 140 wird mit einer vorgegebenen Referenzspannung Vc gespeist.
Zwei Schaltkreise sind zwischen dem ersten Knoten P1 und dem zweiten Knoten P2 angeschlossen. Ein Schaltkreis ist eine Serienschaltung, welcher aus einem Kondensator C3p und einem Widerstand R3p besteht. Der andere Schaltkreis ist eine Serienschaltung, welcher aus einem Widerstand R2p und einem Schalterwiderstand Rs besteht. Ein Schalter SWp ist parallel zum Schalterwiderstand Rs geschaltet. Der nichtinvertierende Eingabeanschluss des Steueroperationsverstärkers 140 wird über diese Schaltkreise mit dem Differenzsignal DD gespeist.
Durch Anschalten des Schalters SWp kann der Schalterwiderstand Rs kurzgeschlossen werden. Deshalb ist es möglich, durch Steuern des An/Aus-Zustands des Schalters SWp, den Widerstandswert zwischen den zwei Knoten P1 und P2 zu ändern. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schalter SWp ein analoger Schalter. Was den Schalter SWp betrifft, kann zum Beispiel ein Schalttransistor wie z. B. ein FET (Feld-Effekt-Transistor) benutzt werden. Der Schalter SWp wird durch die Verarbeitungsvorrichtung 2 mit der Hilfe einer Schaltkreissteuerung 59 in 1 gesteuert.
Eine Serienschaltung, welche aus einem Widerstand R1p und einem Kondensator C1p besteht, ist zwischen dem zweiten Knoten P2 und dem Ausgabeknoten Pout angeschlossen. Ein Kondensator C2p ist parallel zum Widerstand R1p geschaltet. Das Ausgabesignal des Steueroperationsverstärkers 140 wird über diese Schaltkreise zum invertierenden Eingabeanschluss des Steueroperationsverstärkers 140 rückgekoppelt.
Der Steueroperationsverstärker 140 führt eine sogenannte PID-(Proportional-Integral-Differenzial)-Berechnung mit der Hilfe dieser Schaltungselemente aus. Als das Ergebnis dieser Berechnung gibt der Steueroperationsverstärker 140 ein Signal aus, welches dem Differenzsignal DD entspricht, welches zum invertierenden Eingabeanschluss gespeist wird (nämlich die Differenz zwischen der Spannung Vs und der Zielspannung Vr). Nachstehend wird das Ausgabesignal auch als Rückkopplungssignal FS bezeichnet. Der Steueroperationsverstärker 140 bestimmt eine Änderung in der Spannung des Rückkopplungssignals FS von der Referenzspannung Vc in Übereinstimmung mit einer Änderung in der Spannung Vs von der Zielspannung Vr. In diese Art und Weise ändert sich die Spannung des Rückkopplungssignals FS von der Referenzspannung Vc in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der Spannung Vs und der Zielspannung Vr.
Eine Regelungskonstante, welche von dem Steueroperationsverstärker 140 zur Berechnung benutzt wird, wird durch das zwischen den zwei Knoten P1 und P2 verbundene Schaltungselement und das zwischen den zwei Knoten P2 und Pout verbundene Schaltungselement bestimmt. Wie oben beschriebenen, kann der Widerstandswert zwischen den zwei Knoten P1 und P2 durch An/Aus-Schalten des Schalters SWp geändert werden. In dieser Art und Weise ist es möglich, die für die Berechnung benutzte Konstante zu ändern. Der Grund zum Ändern der Konstante wird nachstehend beschriebenen.
Der Ausgabeanschluss des Steueroperationsverstärkers 140 ist mit dem Ausgabeanschluss OT verbunden. Die Rückkopplungssignal-FS-Ausgabe von dem Ausgabeanschluss OT wird an den invertierenden Eingabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 über den Nachweiswiderstand R1 gespeist (1).
Der zweite Operationsverstärker OP2 (1) ist ein Element des Treiberabschnitts ID. Wie in 1 abgebildet, beinhaltet der Treiberabschnitt ID den Widerstand R und den zweiten Operationsverstärker OP2, welche in Serie verbunden sind. Der Widerstand R ist mit dem invertierenden Eingabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden. Der erste Anschluss Ipt ist mit dem Ausgabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden.
Der nichtinvertierende Eingabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 wird mit der vorgegebenen Referenzspannung Vc gespeist. Der invertierende Eingabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 wird mit dem Rückkopplungssignal FS über den Nachweiswiderstand R1 gespeist. Der zweite Operationsverstärker OP2 steuert das Ausgabesignal in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der Referenzspannung Vc und der Spannung des Rückkopplungssignals FS.
Wie oben beschrieben, bestimmt die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID (5) die Änderung in der Spannung des Rückkopplungssignals FS von der Referenzspannung Vc in Übereinstimmung mit der Änderung in der Spannung Vs von der Zielspannung Vr. Wenn die Spannung Vs größer als die Zielspannung Vr ist, bestimmt die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID das Rückkopplungssignal FS, so dass der zweite Operationsverstärker OP2 den Strom Ip in die zweite Richtung d2 ausgibt (3) 4A und 4B). Wenn die Spannung Vs niedriger als die Zielspannung Vr ist, bestimmt die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID das Rückkopplungssignal FS, so dass der zweite Operationsverstärker OP2 den Strom Ip in die erste Richtung d1 ausgibt. Als Ergebnis wird der Strom Ip rückkopplungsgesteuert, so dass die Spannung Vs die Zielspannung Vr wird.
Der Ausgabeanschluss OT der Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID ist mit dem dritten Anschluss COM über den Nachweiswiderstand R1 und dem Widerstand R verbunden. Wie oben beschriebenen, ändert sich die Spannung des Rückkopplungssignals FS von der Referenzspannung Vc in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der Spannung Vs und der Zielspannung Vr. Deshalb wird der Knoten Vcent zwischen dem Nachweiswiderstand R1 und dem Widerstand R oder dem dritten Anschluss COM näherungsweise bei der Referenzspannung Vc gehalten.
Der Strom Ip, der der Rückkoppelungsregelung ausgesetzt wurde, wird durch den Nachweiswiderstand R1 detektiert. Wie in 1 abgebildet, ist eine Differentialverstärkerschaltung 61 mit dem Nachweiswiderstand R1 verbunden. Die Differentialverstärkerschaltung 61 verstärkt die Spannung (die Spannung zwischen dem Knoten Vpid und dem Knoten Vcent), welche sich über den Nachweiswiderstand R1 ausgebildet hat. Dann speist die Differentialverstärkerschaltung 61 das verstärkte Ausgabesignal (nachstehend auch als Gasnachweissignal Vip bezeichnet) an die Verarbeitungsvorrichtung 2 über einen Gasnachweisanschluss 43. Diese Spannung (die Spannung zwischen den Knoten Vpid und Vcent) ändert sich in Übereinstimmung mit dem Rückkopplungssignal FS. Außerdem steuert der zweite Operationsverstärker OP2 den Strom Ip in Übereinstimmung mit dem Rückkopplungssignal FS. Deshalb ist es möglich, die Größe und Richtung des Stroms Ip, nämlich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, in Übereinstimmung mit dem Gasnachweissignal Vip zu bestimmen.
6 ist eine erläuternde Ansicht, welche die Konfiguration der Verarbeitungsvorrichtung 2 veranschaulicht. Die Verarbeitungsvorrichtung 2 ist ein Computer, der eine CPU, ein RAM, ein ROM und ein I/O-Schnittstelle hat. Das ROM hat darin gespeichert ein A/F-Ausgabemodul M1, ein Heizvorrichtungs-Steuerungsmodul M3, und ein Konstantensteuerungsmodul M4. Diese Module sind durch die CPU ausgeführte Programme. Nachstehend wird die Handlung der CPU des Ausführens von Verfahren in Übereinstimmung mit den Modulen auch ausgedrückt als ”die Module, welche die Verfahren ausführen.” Die jeweiligen Module M1 bis M4 senden/empfangen Daten an-/von-einander über das RAM.
Das A/F-Ausgabemodul M1 bestimmt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit dem Gasnachweissignal Vip (1). Die entsprechende Beziehung zwischen dem Gasnachweissignal Vip und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird experimentell im Voraus bestimmt. Das A/F-Ausgabemodul M1 speist ein spezifisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis an einen Controller (nicht abgebildet) eines Verbrennungsmotors.
Das Heizvorrichtungs-Steuerungsmodul M3 speist ein Treibersignal an die Heizvorrichtungssteuerschaltung 6, um die Temperatur des Gassensors 5 auf eine vorgegebene Zieltemperatur zu erhöhen. Als die Zieltemperatur kann beispielsweise eine Temperatur innerhalb eines Bereichs von 800 bis 900°C verwendet werden.
Das Konstantensteuerungsmodul M4 ändert die Regelungskonstante der Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID in Übereinstimmung mit der Temperatur des Gassensors 5.
7 ist ein Flussdiagramm, welches die Verfahren zum Steuern des Stroms Ip veranschaulicht. Das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) startet das Verfahren von 7 zu der Zeit des Startens des Gassensorsystems 1 (1). Zu der Zeit des Startens des Gassensorsystems 1 startet das Heizvorrichtungs-Steuerungsmodul M3 ein Heizvorrichtungs-Steuerungsverfahren, um die Temperatur des Gassensors 5 zu erhöhen. Das Heizvorrichtungs-Steuerungsverfahren wird nachstehend beschriebenen.
Zuerst bestimmt das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) in Schritt S300, ob der Gassensor 5 (insbesondere die Elektrolytschichten 14c und 24c) in dem aktiven Zustand ist oder nicht. Als Bedingung zum Bestimmen, dass der Gassensor 5 in dem aktiven Zustand ist, kann eine beliebige Bedingung verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Bedingung, dass eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, nachdem die Heizvorrichtung 80 (1 und 2) angeschaltet wird, verwendet werden. Außerdem kann eine Bedingung, dass die Temperatur des Gassensors 5 höher als ein vorgegebener aktiver Schwellenwert ist, verwendet werden. Als ein solcher aktiver Schwellenwert kann beispielsweise eine Temperatur in dem Bereich von 500 bis 600°C verwendet werden.
Wenn eine Bestimmung getätigt wird, dass der Gassensor 5 (1) nicht im dem aktiven Zustand ist, schaltet das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) den Strom Ip in Schritt S310 aus. Als ein Verfahren zum Ausschalten des Stroms Ip kann ein beliebiges Verfahren verwendet werden. Zum Beispiel kann das Konstantensteuerungsmodul M4 eine Stromversorgung des zweiten Operationsverstärker OP2 ausschalten. Außerdem kann ein Schalter vorgesehen werden zwischen dem Ausgabeanschluss des zweiten Operationsverstärkers OP2 und dem ersten Anschluss Ipt, und das Konstantensteuerungsmodul M4 kann den Schalter ausschalten. Wenn der Strom Ip bereits ausgeschaltet ist, beendet das Konstantensteuerungsmodul M4 den Betrieb von Schritt S310. Im Anschluss an Schritt S310 kehrt das Konstantensteuerungsmodul M4 zu Schritt S300 zurück.
Bei Bestimmung, dass der Gassensor 5 (1) in dem aktiven Zustand ist, beginnt das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) Rückkoppelungsregelung des Stroms Ip in Schritt S320. In Schritt S320 wird eine zu Schritt S310 entgegengesetzte Operation ausgeführt. Auf diese Art und Weise führt der Nachweisschaltkreis 3 (1) Rückkoppelungsregelung des Stroms Ip aus. Wenn die Steuerung des Stroms Ip bereits gestartet wurde, beendet das Konstantensteuerungsmodul M4 den Betrieb von Schritt S320.
In Schritt S330 erfasst das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) die Temperatur des Gassensors 5. Das Temperatur-Erfassungsverfahren wird unten beschrieben.
In Schritt S340 bestimmt das Konstantensteuerungsmodul M4 (6), ob die in Schritt S330 erfasste Temperatur höher als eine vorgegebene Schwellwerttemperatur TT ist oder nicht. Der Temperaturschwellenwert TT wird auf einen Wert gesetzt, welcher niedriger als die Zieltemperatur des Gassensors 5 ist (zum Beispiel 700 bis 800°C).
Wenn die Temperatur des Gassensors 5 gleich oder niedriger als die Schwellwerttemperatur TT ist, wählt das Konstantensteuerungsmodul M4 in Schritt S350 eine erste Regelungskonstante PID1 aus. In der vorliegenden Ausführungsform implementiert das Konstantensteuerungsmodul M4 die erste Regelungskonstante PID1 durch Ausschalten des Schalters SWp in 5. Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID führt Berechnung in Übereinstimmung mit der ersten Regelungskonstante PID1 aus. Die erste Regelungskonstante PID1 wird in einem Temperaturbereich benutzt, welcher gleich oder niedriger als die Schwellwerttemperatur TT ist. Dieser Temperaturbereich entspricht dem ”ersten Temperaturbereich” der Erfindung. Der minimale Wert der Temperatur, wo in Schritt S300 eine Bestimmung getätigt wird, dass der Gassensor 5 in dem aktiven Zustand ist, entspricht der unteren Grenze des ersten Temperaturbereichs. Außerdem wird die erste Regelungskonstante PID1 experimentell im Voraus bestimmt, so dass Rückkoppelungsregelung angemessen ausgeführt werden kann.
Wenn die Temperatur des Gassensors 5 höher als die Schwellwerttemperatur TT ist, wählt das Konstantensteuerungsmodul M4 in Schritt S360 eine zweite Regelungskonstante PID2 aus. In der vorliegenden Ausführungsform implementiert das Konstantensteuerungsmodul M4 die zweite Regelungskonstante PID2 durch Anschalten des Schalters SWp in 5. Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID führt Berechnung in Übereinstimmung mit der zweite Regelungskonstante PID2 aus. Die zweite Regelungskonstante PID2 wird in einem Temperaturbereich benutzt, welcher höher als die Schwellwerttemperatur TT ist. Die zweite Regelungskonstante PID2 wird auch benutzt, wenn der Gassensor bei der Zieltemperatur ist. Dieser Temperaturbereich entspricht dem ”zweiten Temperaturbereich” der Erfindung. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Temperatur des Gassensors 5 auf die Zieltemperatur erhöht. Deshalb ist die Zieltemperatur in dem zweiten Temperaturbereich eingeschlossen und kann auch der oberen Grenze des zweiten Temperaturbereichs entsprechen. Außerdem wird die zweite Regelungskonstante PID2 experimentell im Voraus bestimmt, so dass Rückkoppelungsregelung angemessen ausgeführt werden kann.
8A bis 8F sind Graphen, welche Frequenzcharakteristika des Gassensors veranschaulichen. Die horizontale Achse stellt die Frequenz dar und die vertikale Achse stellt die Phasenverzögerung dar. Das obere Ende der vertikalen Achse zeigt Punkte an, wo die Phasenverzögerung Null ist, und die Phasenverzögerung erhöht sich bei Punkten, welche vom oberen Ende weiter entfernt sind. 8A bis 8C entsprechen den Vergleichsbeispielen und 8D bis 8F entsprechen der vorliegenden Ausführungsform. In den Vergleichsbeispielen wird die erste Regelungskonstante PID1 (7) nicht benutzt, jedoch wird die zweite Regelungskonstante PID2 unabhängig von der Temperatur benutzt.
8A veranschaulicht die Frequenzcharakteristik des Gassensors 5 (1). Die Phasenverzögerung des Gassensors 5 stellt die Verzögerung der Änderung in der Spannung Vs relativ zur Änderung im Strom Ip dar. Der durchgezogene Graph GsH veranschaulicht ein Beispiel der Frequenzcharakteristik, wenn die Temperatur des Gassensors 5 bei der Zieltemperatur ist, und der unterbrochene Graph GsL veranschaulicht ein Beispiel der Frequenzcharakteristik, wenn die Temperatur des Gassensors 5 niedriger als der Temperaturschwellenwert TT ist. Die aktiven Zustände der Elektrolytschichten 14c und 24c ändern sich erheblich in Abhängigkeit von der Temperatur. Deshalb wird sich die Frequenzcharakteristik des Gassensors 5 auch in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. In dem Beispiel von 8A ist, wenn die Temperatur niedrig ist, die Phasenverzögerung bei niedrigen Frequenzen groß.
8B veranschaulicht die Frequenzcharakteristik des Nachweisschaltkreises 3. Die Phasenverzögerung des Nachweisschaltkreises 3 stellt die Verzögerung der Änderung in dem Strom Ip relativ zur Änderung in der Spannung Vs dar. Der durchgezogene Graph Gc2 veranschaulicht die Frequenzcharakteristik, wenn die zweite Regelungskonstante PID2 benutzt wird.
8C veranschaulicht die Gesamtfrequenzcharakteristik (Frequenzcharakteristik einer offenen Schleife) des Gassensors 5 und des Nachweisschaltkreises 3. Der durchgezogene Graph GtH stellt Hoch-Temperatur-Charakteristik dar und der unterbrochene Graph GtL stellt Niedrig-Temperatur-Charakteristik dar. Der Hoch-Temperatur-Graph GtH wird durch Kombinieren der oben-beschriebenen Graphen GsH und Gc2 erhalten. Der Niedrig-Temperatur-Graph GtL wird durch Kombinieren der oben beschriebenen Graphen GsL und Gc2 erhalten. Die zweite Regelungskonstante PID2 wird experimentell im Voraus auf einen Wert gesetzt, der während normalen Betriebs (nämlich, wenn die Temperatur des Gassensors 5 bei der Zieltemperatur ist) geeignet ist. Deshalb ist, wenn die Temperatur niedrig ist, die Phasenverzögerung größer als wenn die Temperatur hoch ist. Als Ergebnis ist, da die Phasenreserve klein ist, wenn die Temperatur des Gassensors 5 niedrig ist, die Rückkoppelungsregelung des Gassensorssystem 1 anfällig gegenüber Oszillationen.
Nächstfolgend wird die vorliegende Ausführungsform beschriebenen werden. Die in 8D abgebildeten Graphen GsL und GsH sind jeweils identisch mit den in 8A abgebildeten Graphen GsL und GsH. 8E veranschaulicht die Frequenzcharakteristik des Nachweisschaltkreises 3. Ein erster Graph Gc1 wird zu dem zweiten in 8B abgebildeten Graph Gc2 hinzugefügt. Der erste Graph Gc1 veranschaulicht die Frequenzcharakteristik, wenn die erste Regelungskonstante PID1 benutzt wird. In dem ersten Graph Gc1 ist die Phasenverzögerung bei niedrigen Frequenzen verglichen mit dem zweiten Graphen Gc2 klein.
8F veranschaulicht die Gesamtfrequenzcharakteristik des Gassensors 5 und des Nachweisschaltkreises 3. Der Hoch-Temperatur-Graph GtH ist identisch mit dem in 8C abgebildeten Graph GtH. Der Nieder-Temperatur-Graph GtLe wird durch Kombinieren des Graphs GsL mit dem ersten Graph Gc1 anstelle des zweiten Graphs Gc2 erhalten. Die erste Regelungskonstante PID1 wird experimentell im Voraus auf einen Wert gesetzt, der geeignet ist, wenn die Temperatur des Gassensors 5 niedriger als die Schwellwerttemperatur TT ist. Deshalb kann, wenn die Temperatur niedrig ist, die Phasenverzögerung verbessert, nämlich erniedrigt werden, durch Benutzen der ersten Regelungskonstante PID1 anstelle der zweiten Regelungskonstante PID2. Als Ergebnis ist es möglich, das Gassensorsystem 1 stabil zu benutzen, auch wenn die Temperatur des Gassensors 5 die Zieltemperatur nicht erreicht hat, nachdem das Gassensorsystem 1 gestartet wurde. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Rückkoppelungsregelung durchzuführen, um an die Frequenzcharakteristik des Gassensors 5 anzupassen, welche sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern wird.
Die erste Regelungskonstante PID1 wird durch Ausschalten des Schalters SWp in 5 implementiert. Wenn der Schalter SWp aus ist, erhöht sich der Widerstandswert zwischen den zwei Knoten P1 und P2 durch einen Betrag des Schalterwiderstand Rs. Außerdem kann der Verstärkungsgrad des Steueroperationsverstärkers 140 ausgedrückt werden durch (Widerstandswert zwischen P2 und Pout)/(Widerstandswert zwischen P1 und P2). Deshalb kann der Verstärkungsgrad durch Ausschalten des Schalters SWp erniedrigt werden. Indem der Verstärkungsgrad abnimmt, nimmt in vielen Fällen die Phasenverzögerung durch den Steueroperationsverstärker 140 ab. Aus diesen Gründen ist es möglich, die Phasenverzögerung durch den Steueroperationsverstärker 140 durch Ausschalten des Schalters SWp zu erniedrigen. Jedoch wird die Ansprechbarkeit der Rückkoppelungsregelung als gut angesehen, wenn die zweite Regelungskonstante PID2 bei hohen Temperaturen benutzt wird, verglichen damit, wenn die erste Regelungskonstante PID1 bei niedrigen Temperaturen benutzt wird.
Im Anschluss an Schritte S360 und S350 in 7 kehrt das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) zu Schritt S300 zurück. Dann führt das Konstantensteuerungsmodul M4 wiederholt das Schalten von Regelungskonstanten in Übereinstimmung mit der Temperatur aus. In dieser Art und Weise ist es in der vorliegenden Ausführungsform möglich, den Gassensor 5 unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Frequenzcharakteristik des Gassensors 5 zu steuern.
9 ist ein Flussdiagramm, welche das Verfahren für ein Heizvorrichtungs-Steuerungsverfahren veranschaulicht. Zuerst weist in Schritt S80 das Heizvorrichtungs-Steuerungsmodul M3 (6) die Schaltkreissteuerung 59 (1) an, Messung der Elementimpedanz zu starten. Die Elementimpedanz stellt die Impedanz (insbesondere den Widerstandswert) der elektromotorischen Kraftzelle 24 dar. Die Schaltkreissteuerung 59 startet ein Verfahren zum Impedanzmessen in Übereinstimmung mit den Anweisungen (dieses Verfahren wird auch als ein ”Spannungsänderungs-Messverfahren” bezeichnet).
10 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren für das Spannungsänderungs-Messverfahren veranschaulicht. Zuerst schaltet die Schaltkreissteuerung 59 (1) in Schritt S210 den ersten Schalter SW1 aus. Dadurch hält der erste Operationsverstärker OP1 die Spannung (entsprechend der Spannung Vs) zur Zeit des Startens des Betriebs von Schritt S210. Das Ausgabesignal des ersten Operationsverstärkers OP wird an den nichtinvertierenden Eingabeanschluss des dritten Operationsverstärker OP3 gespeist.
Die Schaltkreissteuerung 59 (1) schaltet zweite Schalter SW2a bis SW2c an. Der zweite Anschluss Vst (der Ansteuerpfad 40) ist über den zweiten Schalter SW2a mit einer Konstantstromquelle 63 verbunden. Der dritte Anschluss COM ist mit einer Konstantstromquelle 65 über den zweiten Schalter SW2b verbunden. Durch Anschalten der Schalter SW2a und SW2b wird ein konstanter Strom (–Iconst) durch die elektromotorische Kraftzelle 24 gespeist (dieser Strom wird auch als ein ”Elementimpedanz-Nachweisstrom” oder einfach als ”Nachweisstrom” bezeichnet). Dieser Strom fließt durch die elektromotorische Kraftzelle 24 von der inneren Elektrode 22 zur äußeren Elektrode 28. Der vierte Operationsverstärker OP4 gibt die Spannung (entsprechend der Spannung Vs) während des angeregten Zustandes der elektromotorischen Kraftzelle 24 aus. Das Ausgabesignal des vierten Operationsverstärkers OP4 wird an den invertierenden Eingabeanschluss des dritten Operationsverstärkers OP3 gespeist. Der erste Operationsverstärker OP behält unmittelbar vor Speisung der elektromotorischen Kraftzelle 24 die Spannung bei.
Der dritte Operationsverstärker OP3 gibt ein Signal Rpvs aus, das eine Spannungsdifferenz dVs zwischen dem Ausgabesignal von dem ersten Operationsverstärker OP1 und dem Ausgabesignal von dem vierten Operationsverstärker OP4 darstellt. Die Spannungsdifferenz dVs stellt eine Spannung dar, die zum Bereitstellen des konstanten Stroms (–Iconst) durch die elektromotorische Kraftzelle 24 benötigt wird. Die Spannungsdifferenz dVs ist proportional zum Widerstandswert (dem Bahnwiderstandswert) der elektromotorischen Kraftzelle 24. Deshalb kann das Impedanzsignal Rpvs als ein Signal benutzt werden, welches die Impedanz (insbesondere den Widerstandswert) der elektromotorischen Kraftzelle 24 darstellt. Das Impedanzsignal Rpvs korreliert mit dem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle 24. Außerdem entsprechen die Konstantstromquellen 63 und 65 und der gesamte Schaltkreis IM vom vierten Operationsverstärker OP4 bis zum fünften Operationsverstärker OP5 einer ”Erfassungseinheit”, die das Impedanzsignal Rpvs erfasst.
Das Impedanzsignal Rpvs wird an den fünften Operationsverstärker OP5 über den zweiten Schalter SW2c gespeist. Der fünfte Operationsverstärker OP5 bildet eine Abtast-Halte-Schaltung in Zusammenarbeit mit dem Widerstand R2 und dem Kondensator C2.
In Schritt S210 von 10 aktiviert die Schaltkreissteuerung 59 (1) einen nicht abgebildeten Timer, um Messung einer verstrichenen Zeit zu starten.
In Schritt S220 wartet die Schaltkreissteuerung 59 auf eine vorgegebene Nachweiswartezeit (in der vorliegenden Ausführungsform 60 μsec). Dadurch kann der fünfte Operationsverstärker OP5 das Impedanzsignal Rpvs mit Sicherheit ausgeben.
Wenn die Nachweiswartezeit verstrichen ist, schaltet die Schaltkreissteuerung 59 (1) die zweiten Schalter SW2a bis SW2c in Schritt S230 aus. Auf diese Art und Weise wird die elektromotorische Kraftzelle 24 abgeschaltet. Außerdem behält der fünfte Operationsverstärker OP5 das Impedanzsignal Rpvs bei und speist das Impedanzsignal Rpvs fortlaufend an die Verarbeitungsvorrichtung 2.
In Schritt S240 schaltet die Schaltkreissteuerung 59 (1) dritte Schalter SW3a und SW3b an. Der zweite Anschluss Vst (der Ansteuerpfad 40) ist mit der Konstantstromquelle 64 über den dritten SW3a verbunden. Der dritte Anschluss COM ist mit der Konstantstromquelle 66 über den dritten Schalter SW3b verbunden. Durch das Anschalten der Schalter SW3a und SW3b wird ein entgegengerichteter Strom (+Iconst) in eine Richtung, welche dem oben beschriebenen Elementimpedanz-Nachweisstrom entgegengesetzt ist, durch die elektromotorische Kraftzelle 24 gespeist. Außerdem aktiviert die Schaltkreissteuerung 59 einen nicht abgebildeten Timer, um Messung einer verstrichenen Zeit zu starten.
Der Grund zum Speisen des entgegengerichteten Stroms durch die elektromotorische Kraftzelle 24 wird nachstehend beschriebenen. In Abhängigkeit des Ausrichtungsphänomens der Elektrolytschicht 24c wegen des Nachweisstroms kann die elektromotorische Kraftzelle 24 in einen Zustand eintreten, in welchem sie unfähig ist, eine innere elektromotorische Kraft auszugeben, die die ursprüngliche Sauerstoffkonzentrationsdifferenz widerspiegelt. Durch Speisen des Stroms durch die elektromotorische Kraftzelle 24 in eine dem Nachweisstrom entgegengesetzte Richtung ist es möglich, die Zeit, welche die elektromotorische Kraftzelle 24 benötigt, um einen normalen Zustand (einen Zustand, in dem eine innere elektromotorische Kraft, welche die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz widerspiegelt, ausgegeben werden kann) wiederherzustellen, zu reduzieren. Außerdem kann Messung der Sauerstoffkonzentration in kurzer Zeit, nachdem das Impedanzsignal Rpvs gemessen wird, fortgesetzt werden.
In Schritt S250 wartet die Schaltkreissteuerung 59 auf eine vorgegebene umgekehrte Speisungszeitdauer (in der vorliegenden Ausführungsform 60 μsec). In dieser Art und Weise kann die elektromotorische Kraftzelle 24 ihren ursprünglichen Zustand geeignet wiederherstellen. Zusätzlich ist die umgekehrte Speisungszeitdauer vorzugsweise dieselbe wie die Nachweiswartezeit, damit die elektromotorische Kraftzelle 24 ihren ursprünglichen Zustand wiederherstellen kann.
Wenn die umgekehrte Speisungszeitdauer verstrichen ist, schaltet die Schaltkreissteuerung 59 die dritten Schalter SW3a und SW3b in Schritt S260 aus. In dieser Art und Weise wird die elektromotorische Kraftzelle 24 abgeschaltet. Außerdem aktiviert die Schaltkreissteuerung 59 einen nicht abgebildeten Timer, um Messung einer verstrichen Zeit zu starten.
In Schritt S270 wartet die Schaltkreissteuerung 59 auf eine vorgegebene Stabilisierungswartezeit (in der vorliegenden Ausführungsform 600 μsec). Die Stabilisierungswartezeit ist vorzugsweise länger als die Zeit, welche benötigt wird, um einen Zustand wiederherzustellen, in welchem die elektromotorische Kraftzelle 24 in der Lage ist, eine innere elektromotorische Kraft auszugeben, welche die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz widerspiegelt, nachdem das Impedanzsignal Rpvs erfasst wurde. Die Stabilisierungswartezeit kann experimentell bestimmt werden.
Wenn die Stabilisierungswartezeit verstrichen ist, schaltet die Schaltkreissteuerung 59 (1) den ersten Schalter SW1 in Schritt S280 an. In dieser Art und Weise startet der Nachweisabschnitt VD und der Treiberabschnitt ID die oben beschriebene Rückkoppelungsregelung des Stroms Ip. Zusätzlich endet das Spannungsänderungsmessverfahren.
Im Anschluss an Schritt S80 in 9 wartet das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 (6) in Schritt S90 auf eine Messwartezeit (in der vorliegenden Ausführungsform 100 msec). Das Spannungsänderungsmessverfahren endet in der Zwischenzeit.
Wenn die Messwartezeit verstrichen ist, berechnet das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 (6) die Impedanz der elektromotorischen Kraftzelle 24 aus dem Impedanzsignal Rpvs in Schritt S100. Die entsprechende Beziehung zwischen dem Impedanzsignal Rpvs und der Impedanz kann im Voraus experimentell bestimmt werden.
In Schritt S110 bestimmt das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3, ob die berechnete Impedanz kleiner als ein vorgegebener Impedanzbestimmungswert ist (in der vorliegenden Ausführungsform 220 Ohm). Diese Bestimmung wird gemacht, um den Verbindungszustand der Energie verleihenden Leitung oder Speiseleitung (zum Beispiel des Ansteuerpfads oder Speisepfads 40) der elektromotorischen Kraftzelle 24 zu verifizieren.
Wenn die berechnete Impedanz kleiner als der Impedanzbestimmungswert ist, bestimmt das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 (6), dass die Energie verleihende Leitung in einem normalen Zustand ist. Dann speist das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 ein Treibersignal an die Heizvorrichtungssteuerschaltung 6 (1), um die Heizvorrichtung 80 in Schritt S120 zu steuern. In Schritt S120 wird die Heizvorrichtung 80 gesteuert, so dass die berechnete Impedanz eine vorgegebene Zielimpedanz wird. Im Allgemeinen, erhöht sich, indem sich die Temperatur der Elektrolytschicht 24c (2) erhöht, die Aktivität der Elektrolytschicht 24c, und entsprechend nimmt die Impedanz (elektrischer Widerstand) der elektromotorischen Kraftzelle 24 ab. Deshalb kann die Impedanz als ein Temperaturindikator benutzt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Zielimpedanz auf einen Wert gesetzt, der der oben beschriebenen Zieltemperatur entspricht. Als das Verfahren zum Steuern der Heizvorrichtung 80 können verschiedene wohlbekannte Verfahren verwendet werden. Zum Beispiel kann PWM (Pulsbreitenmodulation) verwendet werden.
Wenn die berechnete Impedanz gleich oder größer als der Impedanzbestimmungswert ist, bestimmt das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 (6), dass die Energie verleihende Leitung in einem anormalen Zustand ist. Dann verbietet das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 das Treibersignal, das die Heizvorrichtung 80 in Schritt S130 anschaltet.
Nachdem jede Operation der Schritte S120 und S130 durchgeführt wurde, kehrt das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 zu Schritt S80 zurück. Dann führt das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 die oben beschriebenen Operationen und Verfahren wiederholt aus.
Wie oben beschriebenen, ist es, da das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 (6) die Heizvorrichtungssteuerschaltung 6 so steuert, dass die Impedanz des Gassensors 5 die Zielimpedanz wird, möglich, die Temperatur des Gassensors 5 geeignet bei der Zieltemperatur zu halten. Außerdem ist es, da das Heizvorrichtungssteuerungsmodul M3 die Impedanz des Gassensors 5 wiederholt berechnet, möglich, eine Änderung in der Temperaturumgebung des Gassensors 5 zu bewältigen.
Wie oben beschriebenen, korreliert die Impedanz des Gassensors 5 (1) mit der Temperatur des Gassensors 5. Deshalb berechnet in der vorliegenden Ausführungsform das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) die Impedanz des Gassensors 5 aus dem Impedanzsignal Rpvs und bestimmt die Temperatur des Gassensors 5 aus der Impedanz in Schritt S330 von 7. Jede der entsprechenden Beziehung zwischen dem Impedanzsignal Rpvs und der Impedanz und der entsprechenden Beziehung zwischen der Impedanz und Temperatur kann experimentell im Voraus bestimmt werden. Wie oben beschriebenen wird das Impedanzsignal Rpvs periodisch in Übereinstimmung mit den Verfahren in 9 und 10 aktualisiert. In Schritt S330 von 7 berechnet das Konstantensteuerungsmodul M4 die Temperatur in Übereinstimmung mit dem neuesten Impedanzsignal Rpvs. Dann steuert (ändert) das Konstantensteuerungsmodul M4 die Regelungskonstante in Übereinstimmung mit der berechneten Temperatur (S340 bis S360). Auf diese Art und Weise steuert das Konstantensteuerungsmodul M4 die Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem Impedanzsignal Rpvs. Alternativ kann das Konstantensteuerungsmodul M4 die Regelungskonstante durch Vergleichen der Impedanz mit einem Impedanzschwellenwert ändern, ohne die Impedanz (Widerstandswert) in einen Temperaturwert zu konvertieren. Der Impedanzschwellenwert wird im Voraus auf einen Wert gesetzt, der der Schwellwerttemperatur TT entspricht. In diesem Fall steuert (ändert) das Konstantensteuerungsmodul M4 die Regelungskonstante in Übereinstimmung mit der Temperatur. Konkret kann, obwohl in der Ausführungsform die Sensortemperatur aus der Impedanz in Schritt S330 berechnet wird, und die Sensortemperatur mit der Schwellwerttemperatur TT in Schritt S340 verglichen wird, die Impedanz selbst mit einem Impedanzschwellenwert (ein Wert, welcher der Schwellwerttemperatur (TT) entspricht) in Schritt S340 verglichen werden. In diesem Fall, fährt der Ablauf zu Schritt S360 fort, wenn die Impedanz kleiner als der Impedanzschwellenwert ist, wohingegen der Ablauf zu Schritt S350 fortfährt, wenn die Impedanz größer als der Impedanzschwellenwert ist. Der Wert des Impedanzsignals Rpvs kann per se als die für die Steuerung benutzte Impedanz benutzt werden. Alternativ kann die Impedanz aus dem Impedanzsignal Rpvs berechnet werden und die berechnete Impedanz kann für die Steuerung benutzt werden.
B. Zweite Ausführungsform
11 ist eine erläuternde Ansicht, welche eine weitere Ausführungsform der Rückkopplungs-Berechnungseinheit veranschaulicht. Der Unterschied zwischen dieser Rückkopplungs-Berechnungseinheit und der in 5 abgebildeten Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID liegt darin, dass sie anstelle der analogen Rechenschaltung eine digitale Berechnungseinheit 300 hat, die digitale Berechnungen ausführt. Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PIDa hat dieselbe Funktion wie die der in 5 abgebildeten Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID. Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PIDa kann in der ersten Ausführungsform anstelle der Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID benutzt werden.
Die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PIDa beinhaltet die digitale Berechnungseinheit 300, einen A/D-Umwandlungsabschnitt 310 und einen D/A-Umwandlungsabschnitt 320. Als die digitale Berechnungseinheit 300 kann ein Computer, der eine CPU und einen Speicher hat, verwendet werden. Außerdem kann ein digitaler Spezialzweck-Berechnungsschaltkreis verwendet werden. Der A/D-Umwandlungsabschnitt 310 konvertiert ein analoges Signal in digitale Daten. Der D/A-Umwandlungsabschnitt 320 konvertiert digitale Daten in ein analoges Signal.
Das an den Eingabeanschluss IT gespeiste Signal und das an den Referenzanschluss RT gespeiste Signal werden durch den A/D-Umwandlungsabschnitt 310 in digitale Daten konvertiert. Der A/D-Umwandlungsabschnitt 310 speist die digitalen Daten an die digitale Berechnungseinheit 300. Die digitale Berechnungseinheit 300 erzeugt digitale Daten, die das Rückkopplungssignal FS aus den erhaltenen Daten in Übereinstimmung mit vorgegebener digitaler Berechnung (PID-Berechnung) darstellen. Die digitale Berechnungseinheit 300 speist die erzeugten Daten an den D/A-Umwandlungsabschnitt 320.
Der D/A-Umwandlungsabschnitt 320 konvertiert die erhaltenen Daten in das Rückkopplungssignal FS. Dann gibt der D/A-Umwandlungsabschnitt 320 das Rückkopplungssignal FS durch den Ausgabeanschluss OT aus.
Die digitale Berechnungseinheit 300 beinhaltet einen Speicher 300M. Der Speicher 300M hat darin gespeichert einen Wert PIDV1, der die erste Regelungskonstante darstellt, und einen Wert PIDV2, der die zweite Regelungskonstante darstellt. In Schritten S350 und S360 von 7 speist das Konstantensteuerungsmodul M4 (6) einen Befehl, der den zu benutzenden Wert unter den Werten PIDV1 und PIDV2 darstellt, an die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PIDa über die Schaltkreissteuerung 59 (1). Die digitale Berechnungseinheit 300 benutzt einen Wert, welcher von dem empfangenen Befehl bezeichnet wurde. Ein nichtflüchtiger Speicher wird vorzugsweise als der Speicher 300M verwendet.
In dieser Art und Weise kann der Strom Ip durch die digitale Berechnung rückkopplungsgesteuert werden. Die Regelungskonstante, die sich in Übereinstimmung mit der Temperatur ändert, kann durch einen Wert dargestellt werden oder kann durch eine Kombination von mehreren Werten dargestellt werden. Zum Beispiel kann die für die P-Berechnung benutzte Proportionalverstärkung in Übereinstimmung mit der Temperatur geändert werden. Außerdem kann die Kombination der für die P-Berechnung benutzten Proportionalverstärkung und der für die I-Berechnung benutzten Integralverstärkung in Übereinstimmung mit der Temperatur geändert werden. Zusätzlich kann das Konstantensteuerungsmodul M4 den konstanten Wert in Übereinstimmung mit der Temperatur festlegen und den so bestimmten konstanten Wert an die Rückkopplungs-Berechnungseinheit PIDa speisen anstatt den zu benutzenden konstanten Wert von unter einer Mehrzahl von Arten von konstanten Werten, die im Voraus zugewiesen werden, zu bestimmen. In jedem Fall, ändert das Konstantensteuerungsmodul M4 den für die digitale Berechnung benutzten konstanten Wert.
C. Modifikationen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele oder Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedenen Formen innerhalb des Geists und Umfangs der Erfindung ausgeübt werden. Zum Beispiel können die folgenden Modifikationen angewendet werden.
Modifikation 1
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist die Berechnung für Rückkoppelungsregelung nicht beschränkt auf PID-Berechnung, sondern verschiedene Berechnungen, welche in der Lage sind, eine Regelung zu implementieren, die auf die Spannung Vs des Stroms Ip anspricht, können verwendet werden. Zum Beispiel kann P-Berechnung verwendet werden, und außerdem kann PI-Berechnung verwendet werden. Außerdem ist die Berechnung nicht beschränkt auf die PID-Berechnung und andere Berechnungen können verwendet werden.
Modifikation 2
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist die Konfiguration der Vorrichtung, welche den Gassensor 5 steuert, nicht auf die in 1 abgebildete Konfiguration beschränkt, sondern verschiedene Konfigurationen können verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Spezialzweck-Verstärkerschaltkreis anstelle des Operationsverstärkers benutzt werden. Außerdem ist die Konfiguration der Rückkopplungs-Berechnungseinheit nicht auf die in 5 und 11 abgebildeten Konfigurationen beschränkt, sondern verschiedene Konfigurationen können verwendet werden.
Außerdem ist die Konfiguration zum Ändern der Regelungskonstante der Rückkoppelungsregelung nicht auf die in 5 und 11 abgebildeten Konfigurationen beschränkt, und verschiedene Konfigurationen können verwendet werden. Zum Beispiel kann die in 5 abgebildete Rückkopplungs-Berechnungseinheit PID den Widerstandswert zwischen den zwei Knoten P2 und Pout durch An/Ausschalten eines Schalters ändern. Außerdem kann, anstatt den Widerstandswert zu ändern, die Kapazität eines Kondensators oder die Induktivität einer Spule geändert werden. In jedem Fall kann, durch Benutzen eines Schalters (zum Beispiel des Schalters SWp), welcher in der Lage ist, den Verbindungszustand zwischen der analogen Rechenschaltung (zum Beispiel dem Steueroperationsverstärker 140) und den Schaltungselementen (zum Beispiel Widerständen, Kondensatoren, oder Spulen) zu ändern, die Regelungskonstante der Berechnung durch die analoge Rechenschaltung geeignet geändert werden.
Außerdem können als die Konstante, die in Übereinstimmung mit der Temperatur geändert wird, verschiedene Regelungskonstanten zur Rückkoppelungsregelung verwendet werden. Hier beziehen sich die Regelungskonstanten der Rückkoppelungsregelung auf Parameter, die die Ansprechbarkeit der Rückkoppelungsregelung bestimmen. Beispiele von solchen Parametern beinhalten die Proportionalverstärkung der P-Berechnung, die Integralverstärkung der I-Berechnung, die Differenzverstärkung der D-Berechnung, und dergleichen.
Modifikation 3
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen kann die Schrittanzahl der Regelungskonstante, die in Übereinstimmung mit der Temperatur geändert wird, drei oder mehr sein. Zum Beispiel kann in der in 7 abgebildeten Ausführungsform die Regelungskonstante ersetzt werden durch eine zweite Schwellwerttemperatur, welche niedriger als die Schwellwerttemperatur TT ist. In jedem Fall kann die Regelungskonstante experimentell im Voraus bestimmt werden, um an Frequenzcharakteristik bei verschiedenen Temperaturen, unter welchen ein Gassensor tatsächlich benutzt wird, anzupassen.
Modifikation 4
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen sind die Verfahren für das Sensorsteuerungsverfahren nicht auf die in 7, 9 und 10 abgebildeten Verfahren beschränkt, sondern verschiedene Verfahren können verwendet werden. Zum Beispiel kann das Verfahren (das Verfahren von 10) zum Messen der Impedanz der elektromotorischen Kraftzelle 24 unabhängig von der Steuerung (9) der Heizvorrichtung 80 ausgeführt werden. Zum Beispiel kann das Verfahren von 10 ausgeführt werden, wenn das Konstantensteuerungsmodul M4 die Schaltkreissteuerung 59 (1) anweist, Messung der Elementimpedanz in Schritt S330 von 7 zu starten.
Modifikation 5
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist der Anzeigewert, der mit dem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle 24 korreliert, nicht auf die Spannung, die durch Speisen eines konstanten Stroms durch die elektromotorische Kraftzelle 24 erhalten wird, beschränkt, und verschiedene Werte können verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Strom verwendet werden, der durch Anlegen einer konstanten Spannung an die elektromotorische Kraftzelle 24 erhalten wird. In jedem Fall kann die entsprechende Beziehung zwischen dem Anzeigewert und der Temperatur des Gassensors experimentell im Voraus bestimmt werden.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist der Wert (der entsprechende Temperaturwert), der der Temperatur des Gassensors 5 entspricht, nicht auf die Impedanz beschränkt, sondern es können verschiedene Werte (zum Beispiel Admittanz) verwendet werden, die in Übereinstimmung mit der Temperatur des Gassensors 5 variieren. Das heißt, dass verschiedene Werte, die die Temperatur des Gassensors 5 darstellen, als der entsprechende Temperaturwert benutzt werden können. Diese Werte korrelieren mit der Temperatur des Gassensors 5. Zum Beispiel kann ein Temperatursensor an dem Gassensor 5 befestigt werden und eine Ausgabe des Temperatursensors kann benutzt werden. In diesem Fall entspricht der Temperatursensor der ”Erfassungseinheit”, die einen Wert erfasst, der der Temperatur des Gassensors entspricht. Außerdem kann der Temperatursensor an einem beliebigen Teil des Gassensors 5 befestigt werden. Jedoch ist der Temperatursensor vorzugsweise an mindestens einem des ersten Festelektrolyten und des zweiten Festelektrolyten befestigt.
Außerdem ist das Verfahren zum Ändern der Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Temperaturwert nicht auf das in 7 abgebildete Verfahren beschränkt, sondern verschiedene Verfahren können verwendet werden. Zum Beispiel kann die Regelungskonstante der Rückkoppelungsregelung unabhängig von der Steuerung des Stroms Ip geändert werden. Es ist allgemein bevorzugt, dass, wenn der entsprechende Temperaturwert erfasst wird und der entsprechende Temperaturwert anzeigt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb des ersten Temperaturbereich ist, die erste Regelungskonstante benutzt wird, wohingegen, wenn der entsprechende Temperaturwert anzeigt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb des zweiten Temperaturbereichs ist, die zweite Regelungskonstante benutzt wird. Die Bedingung zum Bestimmen, dass der entsprechende Temperaturwert anzeigt, dass die Temperatur des Gassensors in dem ersten Temperaturbereich ist, kann experimentell im Voraus in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Temperaturwert, der tatsächlich benutzt wird, bestimmt werden. Zum Beispiel kann der entsprechende Temperaturwert mit mindestens einem vorgegebenen ersten Schwellenwerts, der der oberen Grenze des ersten Temperaturbereichs entspricht, und/oder mindestens einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert, der der unteren Grenze des ersten Temperaturbereichs entspricht, verglichen werden. Das gleiche kann angewandt werden auf die Bestimmungsbedingung für den zweiten Temperaturbereich.
Außerdem kann als das Verfahren zum Steuern der Heizvorrichtung 80, ähnlich zur in 9 abgebildeten Ausführungsform, das Verfahren, welches auf dem entsprechenden Temperaturwert basiert, verwendet werden. Alternativ kann die Heizvorrichtung unabhängig von dem entsprechenden Temperaturwert, der zum Ändern der Regelungskonstante der Rückkoppelungsregelung benutzt wird, gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Regelungskonstante der Rückkoppelungsregelung in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Temperaturwert (zum Beispiel Impedanz) geändert werden und die Heizvorrichtung 80 kann in Übereinstimmung mit dem Ausgabesignal des an dem Gassensor 5 angebrachten Temperatursensors gesteuert werden. Außerdem kann die Heizvorrichtung 80 mit experimentell im Voraus bestimmten Zeiteinteilungen wiederholt an-/ausgeschaltet werden, so dass die Temperatur des Gassensors auf die Zieltemperatur erhöht wird.
Modifikation 6
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist der Gassensor nicht auf den in 2 abgebildeten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor beschränkt, sondern es können verschiedene Sensoren, die eine Messkammer, eine Pumpzelle, und eine elektromotorische Kraftzelle haben, verwendet werden. Zum Beispiel kann die Heizvorrichtung 80 in der in 2 abgebildeten Ausführungsform weggelassen werden. Außerdem kann ein Sensor (welcher auch als ein NOx-Sensor bezeichnet wird), der die Konzentration von Stickoxiden (NOx) im Abgas misst, verwendet werden. Der NOx-Sensor kann eine Konfiguration haben, so dass eine zweite Messkammer und eine zweite Pumpzelle zum Gassensor 5 in 2 hinzugefügt werden. Der NOx-Sensor kann zum Beispiel in der folgenden Art und Weise betrieben werden. Ein Abgas wird in die Messkammer 20 eingeführt (2). Die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 20 wird durch Rückkoppelungsregelung basierend auf der Spannung Vs des Stroms Ip auf eine vorgegebene Konzentration eingestellt. Abgas, in welchem die Sauerstoffkonzentration eingestellt wurde, wird in die zweite Messkammer (nicht abgebildet) eingeführt. Eine Elektrode der zweiten Pumpzelle ist zur zweiten Messkammer hin freiliegend. Das in die zweite Messkammer eingeführte NOx wird auf der Elektrode zersetzt, und als Ergebnis wird Sauerstoff erzeugt. Wenn an die zweite Pumpzelle eine Spannung angelegt wird, fließt ein Strom, welcher der Menge der Sauerstoffproduktion entspricht. Durch Messen dieses Stroms, kann die Menge (d. h. Konzentration) von NOx bestimmt werden.
In jedem Fall enthalten die jeweiligen Elektroden der Pumpzelle und der elektromotorischen Kraftzelle vorzugsweise einen Katalysator (zum Beispiel Platin oder Palladium). Dadurch können die jeweiligen Zellen leicht Operationen durchführen, die die Bewegung von Sauerstoffionen in dem Elektrolyten nutzen.
Modifikation 7
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen kann ein Teil der durch Hardware realisierten Konfigurationen ersetzt werden durch Software, und umgekehrt kann ein Teil oder die Gesamtheit der durch Software realisierten Konfigurationen durch Hardware ersetzt werden. Zum Beispiel kann die Funktion des Konstantensteuermoduls M4 in 6 durch einen Spezialzweck-Hardware-Schaltkreis realisiert werden.
Außerdem kann, wenn ein Teil oder die Gesamtheit der Funktionen der vorliegenden Erfindung durch Software realisiert wird, die Software (Computerprogramm) in einer Form bereitgestellt werden, so dass es in einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert wird. In der vorliegenden Erfindung ist ”computerlesbares Aufnahmemedium” nicht beschränkt auf ein tragbares Aufnahmemedium wie z. B. flexible Scheibe oder CD-ROM, und es beinhaltet ein in einem Computer vorgesehenes internes Speichergerät, wie z. B. RAM oder ROM, oder ein an einen Computer angebrachtes externes Speichergerät, wie z. B. Festplatte.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen verkörpert werden wie z. B. einem Verfahren zum Steuern eines Gassensors, einer Vorrichtung zum Steuern eines Gassensors, einem Gassensorsystem mit einer solchen Steuerungsvorrichtung und einem solchen Gassensor, einem Computerprogram zum Realisieren der Funktionen eines solchen Verfahrens oder Vorrichtung, und einem Aufnahmemedium, welches ein solches Computerprogramm aufnimmt.
Ferner sollte es Fachleuten offenkundig sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail der Erfindung, wie sie oben gezeigt und beschrieben wurde, gemacht werden können. Es ist beabsichtigt, dass solche Änderungen innerhalb des Geistes und Umfangs der Ansprüche in der Anlage eingeschlossen sind. Die Ansprüche sind ein erster nicht beschränkender Ansatz, die Erfindung allgemein zu definieren.
Diese Anmeldung beansprucht Priorität von japanischer Patentanmeldung Nr. 2008-293187 , welche am 17. November 2008 eingereicht wurde, wobei deren Offenbarungen in ihrer Gänze durch Verweis hierin einbezogen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 10-300720 A [0002]
- JP 2008-293187 [0143]

Claims

Gassensorsystem umfassend: einen Gassensor (5); eine Stromsteuereinheit (VD, ID); eine Konstantensteuereinheit (PID); und eine Erfassungseinheit (63, 65, IM), die einen entsprechenden Temperaturwert erfasst, welcher ein der Temperatur des Gassensors entsprechender Wert ist, wobei: der Gassensor (5) umfasst: eine Messkammer (20), in die ein Messzielgas eingeführt wird; eine Pumpzelle (14), welche eine erste äußere Elektrode (12), eine erste innere Elektrode (16), die zur Messkammer (20) freiliegend ist, und einen ersten Festelektrolyten (14c), der zwischen die erste äußere Elektrode (12) und die erste innere Elektrode (16) eingefügt ist, umfasst; und eine elektromotorische Kraftzelle (24) umfassend eine zweite äußere Elektrode (28), eine zweite innere Elektrode (22), die zur Messkammer (20) freiliegend ist, und einen zweiten Festelektrolyten (24c), der zwischen die zweite äußere Elektrode (28) und die zweite innere Elektrode (22) eingefügt ist; wobei die Stromsteuereinheit (VID, PID) angepasst ist, Rückkoppelungsregelung für durch die Pumpzelle (14) fließenden Strom als Antwort auf die Spannung (Vs) der elektromotorischen Kraftzelle (24) und in Übereinstimmung mit einer Regelungskonstante (PID1, PID2), welche die Rückkoppelungsregelung charakterisiert, auszuführen; und, die Konstantensteuereinheit (PID) die Regelungskonstante (PID1, PID2) basierend auf dem entsprechenden Temperaturwert ändert.
Gassensorsystem nach Anspruch 1, wobei: das Gassensorsystem ferner eine Heizvorrichtung (80) umfasst, die zum Erhöhen der Temperatur des Gassensors auf eine Zieltemperatur benutzt wird; und, die Konstantensteuereinheit angepasst ist, anzunehmen: eine erste Regelungskonstante (PID1), wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines ersten Temperaturbereichs ist, wo eine Schwellentemperatur, welche niedriger als die Zieltemperatur ist, eine obere Grenze des ersten Temperaturbereichs ist; und eine zweite Regelungskonstante (PID2), welche sich von der ersten Regelungskonstante (PID1) unterscheidet, wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs ist, wobei der zweite Temperaturbereich die Zieltemperatur und wo eine Temperatur, welche höher als die Schwellentemperatur ist, eine untere Grenze des zweiten Temperaturbereichs ist, einschließt.
Gassensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Stromsteuereinheit (VD, ID) umfasst: eine Mehrzahl an Schaltungselementen (R3p, C3p, R2p, Rs), die unterschiedlich konfiguriert sein können, um unterschiedliche Regelungskonstanten (PID1, PID2) zu definieren; und eine analoge Rechenschaltung (140), die basierend auf einer durch die Schaltungselemente (R3p, C3p, R2p, Rs) definierten Regelungskonstante Berechnung für die Rückkoppelungsregelung ausführt; und, die Konstantensteuereinheit (PID) umfasst einen Schalter (SWp), welcher angepasst ist zum Ändern der Regelungskonstante durch Schalten eines Verbindungszustands zwischen der analogen Rechenschaltung und der Mehrzahl an Schaltungselementen.
Gassensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Stromsteuereinheit (VD, ID) eine Recheneinheit (300) umfasst, die basierend auf einem die Regelungskonstante darstellenden konstanten Wert digitale Berechnung für die Rückkoppelungsregelung ausführt; und, die Konstantensteuereinheit (PID) den für die digitale Berechnung benutzten konstanten Wert ändert.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: die Erfassungseinheit (63, 65, IM) angepasst ist, einen Anzeigewert, der mit einem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle korreliert, als den entsprechenden Temperaturwert zu erfassen; und, die Konstantensteuerungseinheit (PID) angepasst ist, die Regelungskonstante in Übereinstimmung mit dem Anzeigewert zu ändern.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die Stromsteuerungseinheit (VD, ID) angepasst ist, Rückkoppelungsregelung für den durch die Pumpzelle fließenden Strom auszuführen, so dass die Spannung der elektromotorischen Kraftzelle eine Zielspannung wird.
Verfahren zum Steuern eines Gassensors, wobei: der Gassensor (5) umfasst: eine Messkammer (20), in die ein Messzielgas eingeführt wird; eine Pumpzelle (14), umfassend eine erste äußere Elektrode (12), eine erste innere Elektrode (16), die zur Messkammer (20) freiliegend ist, und einen ersten Festelektrolyten (14c), der zwischen die erste äußere Elektrode (12) und die erste innere Elektrode (16) eingefügt ist; und eine elektromotorische Kraftzelle (24) umfassend eine zweite äußere Elektrode (28), eine zweite innere Elektrode (22), die zur Messkammer (20) freiliegend ist, und einen zweiten Festelektrolyten (24c), der zwischen die zweite äußere Elektrode (28) und die zweite innere Elektrode (22) eingefügt ist; und, das Verfahren umfasst: Ausführen von Rückkoppelungsregelung für durch die Pumpzelle (14) fließenden Strom (Ip) als Antwort auf die Spannung (Vs) der elektromotorischen Kraftzelle (24) und in Übereinstimmung mit einer Regelungskonstante (PID1, PID2), welche die Rückkoppelungsregelung charakterisiert; Erfassen eines entsprechenden Temperaturwertes, welcher ein der Temperatur des Gassensors (5) entsprechender Wert ist; und Ändern der Regelungskonstante (PID1, PID2) in Übereinstimmung mit dem entsprechenden Temperaturwert.
Verfahren nach Anspruch 7, welches ferner umfasst: Erhöhen der Temperatur des Gassensors auf eine Zieltemperatur durch eine Heizvorrichtung (80); und wobei der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante umfasst: Annehmen einer ersten Regelungskonstante (PID1), wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines ersten Temperaturbereichs liegt, wo eine Schwellentemperatur, welche niedriger als die Zieltemperatur ist, eine obere Grenze des ersten Temperaturbereichs ist; und Annehmen einer zweiten Regelungskonstante (PID2), welche sich von der ersten Regelungskonstante unterscheidet, wenn der entsprechende Temperaturwert angibt, dass die Temperatur des Gassensors innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs liegt, wobei der zweite Temperaturbereich die Zieltemperatur und wo eine Temperatur, welche höher als die Schwellentemperatur ist, eine untere Grenze des zweiten Temperaturbereich ist, einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine analoge Rechenschaltung (140) basierend auf einer Regelungskonstante (PID1, PID2), welche von einer Mehrzahl an Schaltungselementen (R3p, C3p, R2p, Rs) definiert ist, die unterschiedlich konfiguriert sein können, um unterschiedliche Regelungskonstanten zu definieren, Berechnung für die Rückkoppelungsregelung ausführt; und der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante (PID1, PID2) Schalten eines Verbindungszustands (SWp) zwischen der analogen Rechenschaltung (140) und der Mehrzahl an Schaltungselementen (R3p, C3p, R2p, Rs) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Recheneinheit (300) basierend auf einem die Regelungskonstante darstellenden konstanten Wert digitale Berechnung für die Rückkoppelungsregelung ausführt; und, der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante Ändern des für die digitale Berechnung benutzten konstanten Wertes umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei: der Schritt zum Erfassen des entsprechenden Temperaturwerts Erfassen eines Anzeigewertes, der mit einem Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle korreliert, als den entsprechenden Temperaturwert umfasst; und, der Schritt zum Ändern der Regelungskonstante Ändern der Regelungskonstanten in Übereinstimmung mit dem Anzeigewert umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei: der Schritt zum Ausführen der Rückkoppelungsregelung für den Strom Ausführen der Rückkoppelungsregelung für den durch die Pumpzelle fließenden (14) Strom (Ip), so dass die Spannung (Vs) der elektromotorischen Kraftzelle (24) eine Zielspannung wird, umfasst.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Konstantensteuereinheit Rückkoppelungsregelung in Übereinstimmung mit zwei oder mehr Regelungskonstanten, welche die Rückkoppelungsregelung charakterisieren, ausführt, und die Konstantensteuereinheit basierend auf dem entsprechenden Temperaturwert mindestens eine der Regelungskonstanten ändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, welches Ausführen von Rückkoppelungsregelung in Übereinstimmung mit zwei oder mehr Regelungskonstanten, welche die Rückkoppelungsregelung charakterisieren, und Ändern mindestens einer der Regelungskonstanten basierend auf dem entsprechenden Temperaturwert umfasst.