DE102012005105A1

DE102012005105A1 - Sensorensteuergerät, sensorsteuerungssystem und sensorsteuerungsverfahren

Info

Publication number: DE102012005105A1
Application number: DE102012005105A
Authority: DE
Inventors: Hirotaka Onogi; Kenji Kato; Satoshi Teramoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2012-09-20
Also published as: CN102680554A; US9297778B2; DE102012005105A8; JP5438053B2; JP2012189524A; CN102680554B; US20120234697A1; FR2972798A1

Abstract

Die Vorsteuerung für das Zuführen eines Konstantstroms zu der zweiten Sauerstoffpumpenzelle eines Gassensors während eines konstanten Zeitraums wird durchgeführt, um die Menge an Sauerstoff auf ein konstantes Niveau zu steuern, die aus der zweiten Messkammer zur Außenseite der zweiten Messkammer (S40 bis S50) gepumpt wird. Zu Beginn der Betriebssteuerung (S55 bis S80) wird Sauerstoff zurück in die zweite Messkammer gepumpt. Während des Zurückpumpvorgangs besitzt ein NOx-Konzentrationsentsprechungswert eine große Zeitverlaufsänderung und ist nicht stabil. Der NOx-Konzentrationsentsprechungswert wird mittels der Verwendung der Korrekturdaten, die den Gassensoren gemeinsam sind, korrigiert. Zu diesem Zeitpunkt wird der Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten mittels der Verwendung einer Anwendungszeit eingestellt, die in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied jedes Gassensors bestimmt ist. So kann der NOx-Konzentrationsentsprechungswert, dessen Genauigkeit durch die Korrektur verbessert wird, zu einem früheren Zeitpunkt ausgegeben werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsteuerungsgerät, ein Sensorsteuerungssystem und ein Sensorsteuerungsverfahren, die geeignet sind, einen Konzentrationsentsprechungswert zu berechnen, der die Konzentration eines spezifischen Gases, das in einem festzustellenden Gas enthalten ist (nachstehend als ”Zielgas bezeichnet”) darstellt.
Herkömmlicherweise wurde ein Gassensor verwendet, der die Konzentration eines spezifischen Gases feststellt, das in einem Zielgas wie einem Abgas enthalten ist. Ein NO_x-Sensor, der Stickoxide (nachstehend als ”NO_x” bezeichnet) als spezifisches Gas feststellt, umfasst beispielsweise ein Feststellungselement, das eine Sauerstoffkonzentrationsfeststellungszelle, eine erste Sauerstoffpumpenzelle und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle aufweist, die jeweils aus einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschicht und darauf ausgebildeten porösen Elektroden besteht. Die erste Sauerstoffpumpenzelle pumpt Sauerstoff aus einer ersten Messkammer, in die ein Zielgas eingeleitet wird, heraus oder pumpt Sauerstoff in die erste Meßkammer hinein. Die zweite Sauerstoffpumpenzelle pumpt Sauerstoff aus einer zweiten Meßkammer heraus, die mit der ersten Messkammer in Verbindung steht.
Ein Steuerungsgerät für den NO_x Sensor führt der ersten Sauerstoffpumpenzelle Strom zu, damit sie Sauerstoff aus der ersten Messkammer pumpt und Sauerstoff in die erste Messkammer pumpt, sodass die Sauerstoffkonzentrationsfeststellungszelle, die der ersten Messkammer gegenüberliegt, eine konstante Spannung abgibt. So wird die Sauerstoffkonzentration des Zielgases innerhalb der ersten Messkammer auf ein konstantes Niveau geregelt. Das Steuerungsgerät legt auch eine konstante Spannung zwischen den Elektroden der zweiten Sauerstoffpumpenzelle an, um Sauerstoff aus dem aus der ersten Messkammer in die zweite Messkammer eingeleiteten Gas herauszupumpen (das Gas, dessen Sauerstoffkonzentration von der ersten Sauerstoffpumpenzelle eingestellt wurde). Als Folge des Anlegens der konstanten Spannung wird NO_x innerhalb des Gases zersetzt und Sauerstoffionen, die aus dem Strom von NO_x stammen, strömen durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle. Das Steuerungsgerät stellt die Konzentration von NO_x innerhalb des Zielgases auf der Grundlage des Stroms fest, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt.
In dem Fall, in dem die Konzentration von NO_x, das beispielsweise in dem Abgas enthalten ist, das aus einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, mit Hilfe der Verwendung eines NO_x-Sensors festgestellt wird, kommt das in der zweiten Messkammer vorhandene Gas in einen mageren Zustand nahe der Atmosphäre in Übereinstimmung mit der Zeitdauer vom Anhalten des vorhergehenden Vorgangs des Verbrennungsmotors bis zu dessen erneutem Starten. Angesichts eines solchen Phänomens sind einige Steuerungsgeräte so konfiguriert, dass sie zum Zeitpunkt des Startens des Verbrennungsmotors eine Vorsteuerung durchführen, um den in der zweiten Messkammer vorhandenen Sauerstoff vorübergehend und schnell herauszupumpen. Da die Vorsteuerung die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messkammer auf eine vorbestimmte geringe Sauerstoffkonzentration, bei der die Konzentration von NO_x festgestellt werden kann, zu einem früheren Zeitpunkt im Vergleich zu dem Fall herabsetzen kann, in dem die Vorsteuerung nicht durchgeführt wird, kann das Steuerungsgerät mit der Feststellung der NO_x-Konzentration zu einem früheren Zeitpunkt im Vergleich zu dem Fall beginnen, in dem die Vorsteuerung nicht durchgeführt wird.
Außerdem ist die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messkammer zu dem Zeitpunkt, zu dem die Vorsteuerung endet, geringer als die vorbestimmte geringe Sauerstoffkonzentration, bei der die Konzentration von NO_x festgestellt werden kann. Zu Beginn der Betriebssteuerung zum Antreiben des Feststellungselements nach der Vorsteuerung wird Sauerstoff in die zweite Messkammer derart zurückgepumpt, dass die an die zweiten Sauerstoffpumpenzelle angelegte Spannung zu der vorstehend erwähnten konstanten Spannung wird. Nachdem die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messkammer die vorbestimmte geringe Sauerstoffkonzentration aufweist und der Ausgang des Feststellungselements stabil wird, wird die Feststellung der NO_x-Konzentration durchgeführt.
Übrigens war bekannt, dass, wenn die an die zweite Sauerstoffpumpenzelle angelegte Spannung gleich oder höher als ein vorbestimmter Wert ist, eine Dissoziierung der in dem Zielgas enthaltenen Feuchtigkeit (H₂O) an einer Elektrode der zweiten Sauerstoffpumpenzelle auftritt. Es war auch bekannt, dass, da als Folge der Dissoziierung des H₂O erzeugte Sauerstoffionen zwischen den Elektroden der zweiten Sauerstoffpumpenzelle strömen, der dort hindurch fließende Strom in Übereinstimmung mit der Konzentration des in dem Zielgas enthaltenen H₂O zunimmt. In dem Fall, in dem eine hohe Spannung, die gleich oder höher als ein vorbestimmtes Niveau ist, an die zweite Sauerstoffpumpenzelle während der Vorsteuerung angelegt wird, selbst wenn das gleiche Feststellungselement verwendet wird, ändert sich die Sauerstoffkonzentration in der zweiten Messkammer am Ende der Vorsteuerung in Abhängigkeit von der H₂O-Konzentration. Deshalb weist der Ausgangswert des Feststellungselements während eines Zeitraums, während dessen das Zurückpumpen von Sauerstoff nach dem Beginn der Betriebssteuerung durchgeführt wird, eine Zeitverlaufsänderung (eine Änderung im Verlauf der Zeit) auf und der Verlauf der Zeitverlaufsänderung (mit anderen Worten eine Änderung des Ausgangswerts im Lauf der Zeit oder eine Kurve (Muster), die in einer grafischen Darstellung gezeigt ist, die die Beziehung zwischen dem Ausgangswert des Feststellungselements und dem Verstreichen von Zeit zeigt) ändert sich in Abhängigkeit von der H₂O-Konzentration.
Ein Steuerungsgerät, das die vorstehend beschriebene Aufgabe löst, ist bekannt (siehe beispielsweise die Offengelegte japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 2010-156676 (Patentdokument 1)). Das bekannte Steuerungsgerät liefert Strom einer vorbestimmten Größe während einer bestimmten Zeitspanne an die zweite Sauerstoffpumpenzelle, sodass die Menge an Sauerstoff, die von der zweiten Sauerstoffpumpenzelle herausgepumpt wird, konstant wird. Wenn das Steuerungsgerät eine solche Steuerung durchführt, kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messkammer am Ende der Vorsteuerung ungeachtet der H₂O-Konzentration im Wesentlichen konstant gemacht werden. Deshalb wird der Verlauf der Zeitverlaufsänderung des Ausgangswerts des Feststellungselements in der Zeitspanne, während der das Zurückpumpen des Sauerstoffs nach Beginn der Betriebssteuerung durchgeführt wird, ungeachtet der H₂O-Konzentration konstant, was es ermöglicht, dass das Steuerungsgerät die NO_x-Konzentration stabil misst.
Selbst wenn die Zeitverlaufsänderung einen im Wesentlichen konstanten Verlauf zu Beginn der Zeitspanne aufweist, während der das Zurückpumpen von Sauerstoff nach Beginn der Betriebssteuerung durchgeführt wird, kann jedoch der Zeitpunkt, zu dem der Ausgangswert des Feststellungselements den Verlauf der Zeitverlaufsänderung zeigt, von einem idealen Zeitpunkt aufgrund des individuellen Unterschieds des Feststellungselements (Schwankung bei den einzelnen Feststellungselementen) abweichen. Das herkömmliche Steuerungsgerät stellt die Konzentration von NO_x zu Beginn der Betriebssteuerung nicht fest, wartet auf das Verstreichen einer vorbestimmten Zeit und beginnt mit der Feststellung der NO_x-Konzentration, nachdem der Ausgang des Feststellungselements stabil geworden ist. Deshalb wurde die vorstehend erwähnte Abweichung des Zeitpunkts, zu dem der Ausgangswert des Feststellungselements den Verlauf der Zeitverlaufsänderung während des Zeitraums zeigt, während dessen Sauerstoff zurückgepumpt wird, nicht in Betracht gezogen.
Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen und ihr Ziel ist die Schaffung eines Sensorsteuerungsgeräts, eines Sensorsteuerungssystems und eines Sensorsteuerungsverfahrens, die eine Ausgangskorrektur in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied eines Feststellungselements zu einem früheren Zeitpunkt vornehmen, um mit der Feststellung der Konzentration eines spezifischen Gases zu einem früheren Zeitpunkt zu beginnen.
Gemäß einer ersten Form (1) der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsteuerungsgerät zum Steuern eines Gassensors vorgesehen, der eine erste Messkammer, in die ein Zielgas eingeleitet wird, eine erste Sauerstoffpumpenzelle mit einer ersten Festelektrolytschicht und paarweise angeordneten ersten Elektroden, die an der Innenseite bzw. der Außenseite der ersten Messkammer vorgesehen sind, eine zweite Messkammer, die mit der ersten Messkammer in Verbindung steht, und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle mit einer zweiten Festelektrolytschicht, und paarweise angeordneten zweiten Elektroden, die an der Innenseite bzw. der Außenseite der zweiten Messkammer vorgesehen sind, umfasst. Das Sensorsteuerungsgerät umfasst eine Betriebssteuerungseinrichtung zum Durchführen der Betriebssteuerung zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration des Zielgases, das in die erste Messkammer mittels des Zuführens von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zu der ersten Sauerstoffpumpenzelle eingeleitet wird, und zum Anlegen einer Betriebsspannung an die zweite Sauerstoffpumpenzelle; eine Vorsteuerungseinrichtung zum Durchführen einer Vorsteuerung, die der zweiten Sauerstoffpumpenzelle während eines konstanten Zeitraums einen Konstantstrom zuführt, vor dem Beginn der Betriebssteuerung, um dadurch eine Menge an Sauerstoff auf ein konstantes Niveau zu steuern, die aus der zweiten Messkammer zur Außenseite der zweiten Messkammer herausgepumpt wird; eine Recheneinrichtung zum Berechnen eines Konzentrationsentsprechungswerts, der eine Konzentration eines spezifischen Gases, das in dem Zielgas enthalten ist, auf der Grundlage der Größe des Stroms darstellt, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle fließt, an die die Betriebsspannung nach Beginn der Betriebssteuerung angelegt wird; eine Speichereinrichtung zum Speichern von Musterdaten, die ein Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts darstellen, nachdem mit der Betriebssteuerung begonnen wurde, nachdem die Vorsteuerung, die im Voraus eingestellt wurde, durchgeführt wird, als Korrekturdaten, die einer Vielzahl der Gassensoren mit der gleichen Struktur gemeinsam sind, wobei die beiden Steuerungen in Gegenwart eines Referenzgases mit einer bekannten Konzentration durchgeführt werden; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Zeitpunkts zum Anwenden der Korrekturdaten, sodass ein Muster der Zeitverlaufsänderung, die der Konzentrationsentsprechungswert nach Beginn der Betriebssteuerung aufweist, in etwa mit dem Muster der Zeitverlaufsänderung übereinstimmt, das von den Korrekturdaten dargestellt wird; und eine Korrektureinrichtung zum Korrigieren des Konzentrationsentsprechungswerts durch Anwenden der Korrekturdaten auf den Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des von der Bestimmungseinrichtung bestimmten Zeitpunkts.
Die Menge des aus der zweiten Sauerstoffpumpenzelle herausgepumpten Sauerstoffs steht im Verhältnis zu dem Strom, der zwischen den paarweise angeordneten zweiten Elektroden der zweiten Sauerstoffpumpenzelle fließt. Deshalb hat bei dem Sensorsteuerungsgerät der ersten Form am Ende der Vorsteuerung die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messkammer im Wesentlichen das gleiche Niveau ungeachtet der Konzentration von H₂O, das in dem Zielgas enthalten ist, falls der gleiche individuelle Gassensor verwendet wird. Deshalb hat die Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts, der nach dem Ende der Vorsteuerung berechnet wird, als Folge der Durchführung der Vorsteuerung im Wesentlichen das gleiche Muster ungeachtet der Konzentration des H₂O, das in dem Zielgas enthalten ist, oder des verwendeten Gassensors. Deshalb kann, wenn die Korrekturdaten auf der Grundlage des Zeitpunkts, der durch die Bestimmungseinrichtung in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied des Gassensors bestimmt wird, angewendet werden, der Konzentrationsentsprechungswert in einem Zeitraum, in dem seine Zeitverlaufsänderung groß ist und der einem Zeitraum vorangeht, in dem die Zeitverlaufsänderung abnimmt, derart korrigiert werden, dass die Zeitverlaufsänderung geringer wird. Deshalb kann der Konzentrationsentsprechungswert zu einem früheren Zeitpunkt ausgegeben werden, der in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied des Gassensors bestimmt wird anders als bei dem herkömmliche Sensorsteuerungsgerät, das den Konzentrationsentsprechungswert nachdem die Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts klein wird, ausgibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform (2) der ersten Form kann die Speichereinrichtung eine Anwendungszeit speichern, die für den Gassensor auf einer individuellen Basis bestimmt wird und eine Zeit zwischen dem Beginn der Betriebssteuerung und dem Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten darstellt, wobei die Anwendungszeit dafür verwendet wird, die Korrekturdaten derart anzuwenden, dass das Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts, nachdem mit der Betriebssteuerung in Gegenwart des Referenzgases mit einer bekannten Konzentration nach Ausführen der Vorsteuerung begonnen wurde, in etwa mit dem Muster der Zeitverlaufsänderung übereinstimmt, das durch die Korrekturdaten dargestellt wird. Die Bestimmungseinrichtung kann bestimmen, dass der Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten gekommen ist, wenn die Anwendungszeit nach Beginn der Betriebssteuerung verstrichen ist.
In dem Fall, in dem der Zeitpunkt zum Anwenden der Korrekturdaten im Voraus als Anwendungszeit in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied des Gassensors erhalten wird und der Anwendungszeitpunkt auf. der Grundlage des Verstreichens der Anwendungszeit bestimmt wird, muss der Anwendungszeitpunkt nicht durch Berechnen oder dergleichen erhalten werden. Deshalb kann die von der Bestimmungseinrichtung durchgeführte Verarbeitung vereinfacht werden und die Last, die auf die Bestimmungseinrichtung wirkt, kann verringert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (3) der ersten Form kann die Speichereinrichtung des weiteren Steuerungsbedingungen des Sensorsteuerungsgeräts speichern, die für den Gassensor auf einer individuellen Basis bestimmt werden und sich auf die Einstellung der Menge des herausgepumpten Sauerstoffs beziehen, wobei die Steuerungsbedingungen derart bestimmt werden, dass der Konzentrationsentsprechungswert innerhalb des Zielbereichs liegt, nachdem die Betriebssteuerung in Gegenwart des Referenzgases gestartet wird, das nach Durchführen der Vorsteuerung eine bekannte Konzentration aufweist. Die Vorsteuerungseinrichtung kann die Vorsteuerung unter den Steuerungsbedingungen durchführen.
Da die Steuerungsbedingungen, die die Menge des Sauerstoffs einstellen, der zum Zeitpunkt der Durchführung der Vorsteuerung herausgepumpt wird, für jeden Gassensor bestimmt werden, liegt das Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung in Gegenwart eines Referenzgases mit einer bekannten Konzentration innerhalb des Zielbereichs. Das heißt, dass, da die Steuerungsbedingungen, die die Menge an Sauerstoff einstellen, die zum Zeitpunkt der Durchführung der Vorsteuerung herausgepumpt wird, für jeden Gassensor individuell eingestellt werden, das Sensorsteuerungsgerät den Konzentrationsentsprechungswert, der nach Beginn der Betriebssteuerung berechnet wird, ohne durch eine mit der Herstellung in Zusammenhang stehende Abweichung usw. des Gassensors beeinflusst zu werden, wirksam in den Zielbereich bringen kann. Das heißt, wenn der nach dem Beginn der Betriebssteuerung berechnete Konzentrationsentsprechungswert mit einer Vielzahl von Gassensoren verglichen wird, die mit jeweiligen Sensorsteuerungsgeräten verbunden sind und die aufgrund der mit der Herstellung in Zusammenhang stehenden Abweichung unterschiedliche Ausgangscharakteristiken haben, wird gefunden, dass die Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts jedes Sensorsteuerungsgeräts innerhalb des Zielbereichs liegt. Der Zielbereich wird in Anbetracht einer zulässigen Abweichung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung richtig bestimmt. Dementsprechend weist das Sensorsteuerungsgerät der ersten Form im Wesentlichen das gleiche Muster hinsichtlich einer Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts, der nach Beendigung der Vorsteuerung (mit anderen Worten nach Beginn der Betriebssteuerung) berechnet wird, auf, selbst wenn die H₂O-Konzentration des Zielgases bei einer Vielzahl von Malen des Ingangsetzens des Sensorsteuerungsgeräts variiert oder selbst wenn die Ausgangscharakteristiken bei den Gassensoren variieren. Deshalb kann die Korrektur des Konzentrationsentsprechungswerts genauer durchgeführt werden, wenn der Konzentrationsentsprechungswert durch die Anwendung der Korrekturdaten korrigiert wird, die einer Vielzahl von Gassensoren mit der gleichen Struktur gemeinsam sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform (4) gemäß (3) oben können die Steuerungsbedingungen entweder den Konstantstrom oder die konstante Zeit oder beides aufweisen, die für jeden Gassensor bestimmt werden. In diesem Fall kann das Sensorsteuerungsgerät die Abweichung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung bei den Gassensoren durch Durchführen einer einfachen Steuerung verringern; d. h. das Steuern der Bedingungen (des Konstantstroms und/oder der Zeit der Elektrizitätszuführung, die für jeden Gassensor bestimmt werden) unter denen Elektrizität bzw. elektrischer Strom der zweiten Sauerstoffpumpenzelle zum Zeitpunkt der Durchführung der Vorsteuerung zugeführt wird. In dem Fall, in dem die Steuerungsbedingungen derart eingestellt werden, dass eine Zeit (eine konstante Zeit), während der Elektrizität bzw. elektrischer Strom der zweiten Sauerstoffpumpenzelle zugeführt wird, gemeinsam für die Vielzahl der Gassensoren eingestellt wird und der Wert des Konstantstroms für jeden Gassensor in Anbetracht der Ausgangscharakteristiken eingestellt wird, kann das Sensorsteuerungsgerät der ersten Form die Zeit von der Ingangsetzung bis zur Durchführung der Betriebssteuerung im Wesentlichen bei den Gassensoren gleich machen.
Gemäß einer zweiten Form (5) der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsteuerungssystem vorgesehen, das einen Gassensor und ein Sensorsteuerungsgerät gemäß (1) bis (4) oben umfasst, wobei der Gassensor durch das Sensorsteuerungsgerät gesteuert wird. Da ein Gassensor mit einem individuellen Unterschied und ein Sensorsteuerungsgerät, das an den Gassensor angepasst ist, als Sensorsteuerungssystem vorgesehen sind, kann mit die Feststellung der Konzentration des spezifischen Gases früher begonnen werden. Des weiteren kann die Zuverlässigkeit des Sensorsteuerungssystems sichergestellt werden, da die Genauigkeit des Konzentrationsentsprechungswerts, der in dem Sensorsteuerungsgerät erhalten wird, höher ist.
Gemäß der dritten Form (6) der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsteuerungsverfahren vorgesehen, das in einem Sensorsteuerungsgerät durchgeführt wird, um einen Gassensor zu steuern, der eine erste Messkammer, in die ein Zielgas eingeleitet wird, eine erste Sauerstoffpumpenzelle mit einer ersten Festelektrolytschicht und paarweise angeordneten ersten Elektroden, die an der Innenseite bzw. Außenseite der ersten Messkammer vorgesehen sind, eine zweite Messkammer, die mit der ersten Messkammer in Verbindung steht, und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle mit einer zweiten Festelektrolytschicht und paarweise angeordneten zweiten Elektroden, die an der Innenseite bzw. der Außenseite der zweiten Messkammer vorgesehen sind, umfasst. Das Sensorsteuerungsverfahren umfasst einen Betriebssteuerungsschritt des Durchführens der Betriebssteuerung zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration des Zielgases, das in die erste Messkammer eingeleitet wird, mittels der Zuführung von Elektrizität bzw. elektrischer Strom zu der ersten Sauerstoffpumpenzelle und zum Anlegen einer Betriebsspannung an die zweite Sauerstoffpumpenzelle, einen Vorsteuerungsschritt des Durchführens der Vorsteuerung, die der zweiten Sauerstoffpumpenzelle während eines konstanten Zeitraums einen Konstantstrom zuführt, vor Beginn der Betriebssteuerung, um dadurch die Menge an Sauerstoff auf ein konstantes Niveau zu steuern, die aus der zweiten Messkammer zur Außenseite der zweiten Messkammer herausgepumpt wird, einen Rechenschritt des Berechnens eines Konzentrationsentsprechungswerts, der die Konzentration eines in dem Zielgas enthaltenen, spezifischen Gases darstellt, auf der Grundlage der Größe des Stroms, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle strömt, an die die Betriebsspannung nach Beginn der Betriebssteuerung angelegt wird; einen Bestimmungsschritt des Bestimmens eines Zeitpunkts für das Anwenden von Korrekturdaten, sodass ein Muster einer Zeitverlaufsänderung, die der Konzentrationsentsprechungswert nach Beginn der Betriebssteuerung aufweist, in etwa mit einem Muster der Zeitverlaufsänderung übereinstimmt, die von den Korrekturdaten dargestellt wird, wobei die Korrekturdaten Musterdaten sind, die in der Speichereinrichtung des Sensorsteuerungsgeräts gespeichert werden, das einer Vielzahl von Gassensoren mit der gleichen Struktur gemeinsam ist und ein Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts darstellen, nachdem die Betriebssteuerung in Gegenwart eines Referenzgases mit einer bekannten Konzentration gestartet wird, nachdem die Vorsteuerung, die im Voraus eingestellt wurde, durchgeführt wird; und einen Korrekturschritt des Korrigierens des Konzentrationsentsprechungswerts durch Anwenden der Korrekturdaten auf den Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des durch den Bestimmungsschritt bestimmten Zeitpunkts.
In einer bevorzugten Ausführungsform (7) der dritten Form (6) kann die Speichereinrichtung des weiteren eine Anwendungszeit speichern, die individuell für den Gassensor bestimmt wird und eine Zeit zwischen dem Beginn der Betriebssteuerung und dem Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten darstellt, wobei die Anwendungszeit verwendet wird, um die Korrekturdaten anzuwenden, sodass das Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung in Gegenwart des Referenzgases mit einer bekannten Konzentration nach Durchführen der Vorsteuerung in etwa mit dem Muster der Zeitverlaufsänderung übereinstimmt, das von den Korrekturdaten dargestellt wird. Der Bestimmungsschritt kann bestimmen, dass der Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten gekommen ist, wenn die Anwendungszeit nach Beginn der Betriebssteuerung verstrichen ist.
Da der Gassensor mittels des Sensorsteuerungsverfahrens der dritten Form gesteuert wird, kann ein Benutzer vorteilhafte Wirkungen erzielen, die ähnlich denjenigen sind, die von dem Sensorsteuerungsgerät der ersten Form zur Verfügung gestellt werden.
1 zeigt ein konzeptionelles Diagramm eines Sensorsteuerungssystems 1, das einen Gassensor 10 und ein Sensorsteuerungsgerät 5 aufweist.
2A bis 2B zeigen Fließdiagramme der Hauptverarbeitung.
3 zeigt eine grafische Darstellung, die die Zeitverlaufsänderungen eines NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung in dem Fall zeigt, in dem die Vorsteuerung für den gleichen Gassensor 10 durchgeführt wurde, während die Zeit, während welcher ihm elektrischer Strom zugeführt wurde, geändert wurde.
4 zeigt eine grafische Darstellung, die Zeitverlaufsänderungen des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung in dem Fall zeigt, in dem die Vorsteuerung einer Bezugszeit durchgeführt wurde.
5 zeigt eine grafische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung und der Abweichung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts von einem repräsentativen Muster an einem Punkt 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung zeigt.
6 zeigt eine grafische Darstellung, die die Zeitverlaufsänderungen des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts unmittelbar nach dem Beginn der Betriebssteuerung in dem Fall zeigt, in dem die Steuerungsbedingungen (Elektrizitätszuführungszeit) für jeden Gassensor 10 eingestellt ist.
7 zeigt eine grafische Darstellung, die zum Vergleich eine Zeitverlaufsänderung in dem Fall zeigt, in dem der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung korrigiert wird und diejenige in dem Fall, in dem der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert nicht korrigiert wird.
8 zeigt ein Fließdiagramm, das eine Modifikation der Vorsteuerungsverarbeitung zeigt.
Eine Ausführungsform, die einem Sensorsteuerungsgerät, einem Sensorsteuerungssystem und einem Sensorsteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung gemeinsam ist, wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Vor allem werden die Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird, nur für den Zweck des Beschreibens der technischen Merkmale verwendet, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, und die Struktur usw. eines hier beschriebenen Geräts soll die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränken, da sie nur erklärende Beispiele sein sollen.
Ein Sensorsteuerungssystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Zunächst werden die Grundzüge der Funktion des Sensorsteuerungssystem 1 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Sensorsteuerungssystem 1 einen Gassensor 10 und ein Sensorsteuerungsgerät 5. Das Sensorsteuerungssystem 5 ist mit dem Gassensor 10 elektrisch verbunden und hat die Funktion, die Konzentration von Stickoxid (NO_x) (spezifischem Gas) festzustellen. Der Gassensor 10 ist an dem Auspuffrohr (nicht gezeigt) eines Automobils befestigt und gibt einen Stromwert, der der NO_x-Konzentration des Abgases entspricht, an das Sensorsteuergerät 5 aus. Das Sensorsteuerungsgerät 5 steuert den Gassensor 10 und berechnet auf der Grundlage des Stromwerts, der von dem Gassensor 10 ausgegeben wird, einen Konzentrationsentsprechungswert, der die NO_x-Konzentration des Abgases (nachstehend als Konzentrationsentsprechungswert” bezeichnet) darstellt. Das Sensorsteuerungsgerät 5 der vorliegenden Ausführungsform berechnet die NO_x-Konzentration als NO_x-Konzentrationsentsprechungswert.
Als nächstes wird die Struktur des Gassensors 10, der mit dem Sensorsteuerungsgerät 5 verbunden ist, beschrieben. Der Gassensor 10 umfasst ein Feststellungselement 11, ein Heizelement 35, einen Verbinderabschnitt 40 und ein Gehäuse (nicht gezeigt). Das Feststellungselement 11 besitzt eine geschichtete Struktur, die durch abwechselndes Laminieren von drei plattenartigen Festelektrolytkörpern 12, 13 und 14 und Isolierungselementen 15 und 16, die aus Aluminiumoxid oder dergleichen gebildet sind, gebildet. Das Heizelement 35 wird auf den Festelektrolytkörper 14 laminiert, um die Festelektrolytkörper 12, 13, 14 schnell zu aktivieren und den aktivierten Zustand der Festelektrolytkörper 12, 13, 14 stabil aufrechtzuerhalten. Der Verbinderabschnitt 40 ist mit dem Feststellungselement 11 und dem Heizelement 35 über Zuleitungsdrähte verbunden und ist vorgesehen, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Gassensor 10 und dem Sensorsteuerungsgerät 5 herzustellen. Das Gehäuse nimmt das Feststellungselement 11 und das Heizelement 35 darin auf, um den Gassensor 10 an dem Auspuffrohr (nicht gezeigt) zu befestigen. Als nächstes werden die Strukturen der verschiedenen Abschnitte des Gassensors 10 detailliert beschrieben.
Zunächst wird die Struktur des Feststellungselements 11 beschrieben. Das Feststellungselement 11 umfasst eine erste Messkammer 23, eine zweite Messkammer 30, eine Bezugssauerstoffkammer 29, eine erste Sauerstoffpumpenzelle 2 (nachstehend als ”Ip1-Zelle 2” bezeichnet), eine Sauerstoff-Partialdruckfeststellungszelle 3 (nachstehend als ”Vs-Zelle 3” bezeichnet) und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle 4 (nachstehend als ”Ip2-Zelle 4” bezeichnet).
Die erste Messkammer 23 ist ein kleiner Raum innerhalb des Feststellungselements 11, in dem Abgas innerhalb des Auspuffrohrs 23 zwischen dem Festelektrolytkörper 12 und dem Festelektrolytkörper 13 eingeleitet wird. Die erste Messkammer 23 ist zwischen dem Festelektrolytkörper 12 und dem Festelektrolytkörper 13 gebildet. Eine Elektrode 18 ist an einer Wandfläche der ersten Messkammer 23 angeordnet, die durch den Festelektrolytkörper 12 gebildet ist, und eine Elektrode 21 ist an einer Wandfläche der ersten Messkammer 23 angeordnet, die von dem Festelektrolytkörper 13 gebildet ist. Ein erster poröser Diffusionswiderstand 24 ist in der ersten Messkammer 23 vorgesehen, die an der vorderen Endseite des Feststellungselements 11 liegt. Der erste Diffusionswiderstand 24 funktioniert als Trennwand zwischen dem Inneren und dem Äußeren der ersten Messkammer 23 und begrenzt die Menge (pro Zeiteinheit) des Abgases, die in die erste Messkammer 23 strömt. In ähnlicher Weise ist ein zweiter poröser Diffusionswiderstand 26 in der ersten Messkammer 23 vorgesehen, die an der hinteren Endseite des Feststellungselements 11 liegt. Der zweite Diffusionswiderstand 26 funktioniert als Trennwand zwischen der ersten Messkammer 23 und der zweiten Messkammer 30 und begrenzt die Menge (pro Zeiteinheit) des Gases, die von der ersten Messkammer 23 in die zweite Messkammer 30 strömt.
Die zweite Messkammer 30 ist ein kleiner Raum, der von dem Festelektrolytkörper 12, dem zweiten Diffusionswiderstand 26, der Wandfläche einer Öffnung 25, der Wandfläche einer Öffnung 31, die in dem Festelektrolytkörper 13 vorgesehen ist, dem Isolierungselement 16 und dem Festelektrolytkörper 14 umgeben ist. Die zweite Messkammer 30 steht in Verbindung mit der ersten Messkammer 23. Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch die Ip1-Zelle 2 eingestellt worden ist (nachstehend als ”eingestelltes Gas” bezeichnet) wird in die zweite Messkammer 30 eingeleitet. Eine Elektrode 28 ist an einer Wandfläche der zweiten Messkammer 30 angeordnet, die durch den Festelektrolytkörper 14 gebildet ist.
Die Bezugssauerstoffkammer 29 ist ein kleiner Raum, der von dem Isolierungselement 16, dem Festelektrolytkörper 13 und dem Festelektrolytkörper 14 umgeben ist. Ein poröser Körper, der aus Keramik gebildet ist, ist in der Bezugssauerstoffkammer 29 untergebracht. Eine Elektrode 22 ist an einer Wandfläche der Bezugssauerstoffkammer 29 angeordnet, die von dem Festelektrolytkörper 13 gebildet ist, und eine Elektrode 27 ist an einer Wandfläche der Bezugssauerstoffkammer 29 angeordnet, die von dem Festelektrolytkörper 14 gebildet ist.
Die Ip1-Zelle 2 weist den Festelektrolytkörper 12 und eine Elektrode 17 und die vorstehend erwähnte Elektrode 18 auf, die porös sind. Der Festelektrolytkörper 12 ist beispielsweise aus Zirkonoxid gebildet und besitzt eine Sauerstoffionen-Leitfähigkeit. Die Elektroden 17 und 18 sind an gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytkörpers 12 mit Bezug auf die Laminierungsrichtung des Feststellungselements 11 vorgesehen. Die Elektroden 17 und 18 sind aus einem Pt als Hauptkomponente enthaltenden Material gebildet. Beispiele des Pt als Hauptkomponente enthaltenden Materials umfassen Pt, Pt-Legierung und Pt und Keramik enthaltendes Cermet. Des weiteren sind poröse Schutzschichten 19 und 20, die aus Keramik gebildet sind, auf den Oberflächen der Elektroden 17 bzw. 18 ausgebildet. Wenn Strom zwischen den beiden Elektroden 17 und 18 der Ip1-Zelle 2 zugeführt wird, pumpt die Ip1-Zelle 2 Sauerstoff (für ein sogenanntes Sauerstoffpumpen) zwischen einer Atmosphäre, der die Elektrode 17 ausgesetzt ist (die Atmosphäre außerhalb des Feststellungselements 11) und einer Atmosphäre, der die Elektrode 18 ausgesetzt ist (die Atmosphäre innerhalb der ersten Messkammer 23).
Die Vs-Zelle 3 umfasst einen Festelektrolytkörper 13 und die Elektroden 21 und 22, die porös sind. Der Festelektrolytkörper 13 ist beispielsweise aus Zirkonoxid gebildet und besitzt eine Sauerstoffionen-Leitfähigkeit. Der Festelektrolytkörper 13 ist so angeordnet, dass er dem Festelektrolytkörper 12 gegenüberliegt, wobei das Isolierungselement 15 dazwischen angeordnet ist. Die Elektroden 21 und 22 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytkörpers 13 mit Bezug auf die Laminierungsrichtung des Feststellungselements 11 vorgesehen. Die Elektrode 21 ist an der Wandfläche der ersten Messkammer 23 ausgebildet, die dem Festelektrolytkörper 12 gegenüberliegt. Die Elektroden 21 und 22 sind aus dem vorstehend beschriebenen Material gebildet, das Pt als Hauptkomponente enthält. Die Vs-Zelle 3 erzeugt eine elektromotorische Kraft hauptsächlich in Übereinstimmung mit einem Unterschied des Sauerstoffpartialdrucks zwischen den durch den Festelektrolytkörper 13 abgetrennten Atmosphären (zwischen der Atmosphäre innerhalb der ersten Messkammer 23, der die Elektrode 21 ausgesetzt ist, und der Atmosphäre innerhalb der Bezugssauerstoffkammer 29, der die Elektrode 22 ausgesetzt ist).
Die Ip2-Zelle 4 umfasst den Festelektrolytkörper 14 und die Elektroden 27 und 28, die porös sind. Der Festelektrolytkörper 14 ist beispielsweise aus Zirkonoxid gebildet und besitzt eine Sauerstoffionen-Leitfähigkeit. Der Festelektrolytkörper 14 ist so angeordnet, dass er dem Festelektrolytkörper 13 gegenüberliegt, wobei das Isolierungselement 16 dazwischen angeordnet ist. Die Elektroden 27 und 28, die aus dem vorstehend beschriebenen Material, das Pt als Hauptkomponente enthält, gebildet sind, sind auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 14 vorgesehen, der dem Festelektrolytkörper 13 gegenüberliegt. Die Ip2-Zelle 4 pumpt Sauerstoff zwischen Atmosphären, die durch das Isolierungselement 16 abgetrennt sind (zwischen der Atmosphäre innerhalb der Bezugssauerstoffkammer 29, der die Elektrode 17 ausgesetzt ist, und der Atmosphäre innerhalb der zweiten Messkammer 30, der die Elektrode 28 ausgesetzt ist).
Als nächstes wird das Heizelement 35 beschrieben. Das Heizelement 35 umfasst Isolierungsschichten 36 und 37 und einen Heizelementleiter 38. Die Isolierungsschichten 36 und 37 sind hauptsächlich aus Aluminiumoxid gebildet und sind von einer plattenartigen Gestalt. Der Heizelementleiter 38 ist ein einzelner Leiter, der sandwichartig zwischen den Isolierungsschichten 36 und 37 angeordnet ist und sich innerhalb des Heizelements 35 erstreckt. Ein Ende des Heizelementleiters 38 ist geerdet und das andere Ende des Heizelementleiters 38 ist mit einer Heizelement-Betriebsschaltung 59 verbunden. Der Heizelementleiter 38 ist aus einem Pt als Hauptkomponente enthaltenden Material gebildet.
Als nächstes wird der Verbinderabschnitt 40 beschrieben. Der Verbinderabschnitt 40 ist an der hinteren Endseite des Gassensor 10 vorgesehen und weist Klemmen 42 bis 47 auf. Die Elektrode 17 ist über einen Zuleitungsdraht elektrisch mit der Klemme 42 verbunden. Die Elektroden 18, 21 und 28 sind mit der Klemme 43 über Zuleitungsdrähte derart elektrisch verbunden, dass die Elektroden 18, 21 und 28 das gleiche Potential annehmen. Die Elektrode 22 ist mit der Klemme 44 über einen Zuleitungsdraht elektrisch verbunden. Die Elektrode 27 ist mit der Klemme 45 über einen Zuleitungsdraht elektrisch verbunden. Der Heizelementleiter 38 ist mit den Klemmen 46 und 47 über Zuleitungsdrähte elektrisch verbunden.
Als nächstes wird die elektrische Konfiguration des Sensorsteuerungsgeräts 5 beschrieben. Das Sensorsteuerungsgerät 5 ist ein Gerät, das das Feststellungselement 11 und das Heizelement 35 des Gassensors 10 steuert. Das Sensorsteuerungsgerät 5 berechnet einen NO_x-Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des Stroms Ip2, der von dem Feststellungselement 11 erhalten wird und gibt den berechneten NO_x-Konzentrationsentsprechungswert an eine ECU (elektronische Steuereinheit) 90 aus, die die Motorsteuerung usw. durchführt.
Das Sensorsteuerungsgerät 5 umfasst einen Betriebsschaltungsabschnitt 50, einen Mikrocomputer 60 und einen Verbinderabschnitt 70. Der Betriebsschaltungsabschnitt 50 steuert das Feststellungselement 11 und das Heizelement 35. Der Mikrocomputer 60 steuert den Betriebsschaltungsabschnitt 50. Der Verbinderabschnitt 70 ist mit dem Verbinderabschnitt 40 des Gassensors elektrisch verbunden. Nachstehend werden die Konfigurationen der verschiedenen Teile des Sensorsteuerungsgeräts 5 beschrieben.
Der Betriebsschaltungsabschnitt 50 umfasst eine Bezugsspannungsvergleichsschaltung 51, eine Ip1-Betriebsschaltung 52, eine Vs-Feststellungsschaltung 53, eine Icp-Zuführungsschaltung 54, eine Widerstandsfeststellungsschaltung 55, eine Ip2-Feststellungsschaltung 56, eine Vp2-Anlegungsschaltung 57, eine Konstantstromschaltung 58, und eine Heizelementbetriebsschaltung 59. Als nächstes werden die Konfigurationen der verschiedenen Schaltungen, die in dem Betriebsschaltungsabschnitt 50 vorgesehen sind, detailliert beschrieben.
Die Icp-Zuführungsschaltung 54 liefert einen Schwachstrom Icp zwischen den Elektroden 21 und 22 der Vs-Zelle 3, um Sauerstoff aus der ersten Messkammer 23 in die Bezugssauerstoffkammer 29 zu pumpen. Die Vs-Feststellungsschaltung 53 stellt eine Spannung (elektromotorische Kraft) Vs zwischen den Elektroden 21 und 22 fest und gibt die festgestellte Spannung an die Bezugsspannungsvergleichsschaltung 51 aus. Die Bezugsspannungsvergleichsschaltung 51 vergleicht die von der Vs-Feststellungsschaltung 53 festgestellte Spannung Vs mit einer Bezugsspannung (z. B. 425 mV) und gibt die Ergebnisse des Vergleichs an die Ip1-Betriebsschaltung 52 aus.
Die Ip1-Betriebsschaltung 52 liefert einen Strom Ip1 zwischen den Elektroden 17 und 18 der Ip1-Zelle 2. Die Ip1-Betriebsschaltung 52 stellt die Größe und Richtung des Stroms Ip1 auf der Grundlage der Ergebnisse des Vergleichs ein, der von der Bezugsspannungsvergleichsschaltung 51 für die Spannung Vs zwischen den Elektroden 21 und 22 der Vs-Zelle 3 durchgeführt wurde, sodass die Spannung Vs im Wesentlichen mit einer zuvor eingestellten Bezugsspannung übereinstimmt. Folglich pumpt die Ip1-Zelle 2 Sauerstoff aus der ersten Messkammer 23 zur Außenseite des Feststellungselements 11 oder pumpt Sauerstoff in die erste Messkammer 23 von der Außenseite des Feststellungselements. Mit anderen Worten stellt die Ip1-Zelle 2 durch die von der Ip1-Betriebsschaltung 52 durchgeführte Elektrizitätszuführungssteuerung die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Messkammer 23 derart ein, dass die Spannung zwischen den Elektroden 21 und 22 der Vs-Zelle 3 auf einem konstanten Wert (dem Wert der Bezugsspannung) gehalten wird.
Die Widerstandsfeststellungsschaltung 55 liefert periodisch einen Feststellungsstrom an die Vs-Zelle 3 und stellt den Innenwiderstand Rpvs der Vs-Zelle 3 auf der Grundlage der Höhe der Spannungsänderung (die Höhe der Änderung der Spannung Vs) zu diesem Zeitpunkt fest. Ein Wert, der die Höhe der Spannungsänderung darstellt, die von der Widerstandsfeststellungsschaltung 55 festgestellt wird, wird an den Mikrocomputer 60 ausgegeben. Der Mikrocomputer 60 erhält den Innenwiderstand Rpvs der Vs-Zelle 3. Der Innenwiderstand Rpvs der Vs-Zelle 3 hat eine Wechselbeziehung mit der Temperatur der Vs-Zelle 3, d. h. der Temperatur des gesamten Feststellungselements 11. Deshalb wird die Zuführung von Elektrizität bzw. elektrischem Strom an das Heizelement 35 auf der Grundlage des Innenwiderstands Rpvs der Vs-Zelle 3 gesteuert.
Die Ip2-Feststellungsschaltung 56 stellt einen Strom Ip2 fest, der von der Elektrode 28 zu der Elektrode 27 der Ip2-Zelle 4 fließt. Die Vp2-Anlegungsschaltung 52 legt eine Betriebspannung Vp2 (z. B. 450 mV) zwischen die Elektroden 27 und 28 der Ip2-Zelle 4 an, wenn die Betriebssteuerungsverarbeitung, die nachstehend beschrieben wird, durchgeführt wird und steuert das Pumpen von Sauerstoff aus der zweiten Messkammer 30 in die Bezugssauerstoffkammer 29. Die Konstantstromschaltung 58 liefert einen Strom Ip3 einer konstanten Größe (z. B. 10 μA) zwischen den Elektroden 28 und 27 der Ip2-Zelle 4, wenn die Vorsteuerungsverarbeitung, die nachstehend beschrieben wird, durchgeführt wird.
Die Heizelementbetriebsschaltung 59 hält die Festelektrolytkörper 12, 13 und 14 (den Gassensor 10) auf einer vorbestimmten Temperatur. Die Heizelementbetriebsschaltung 59 wird durch den Mikrocomputer 60 gesteuert und liefert an den Heizelementleiter 38 des Heizelements 35 Strom, um dadurch die Festelektrolytkörper 12, 13 und 14 (mit anderen Worten die Ip1-Zelle 2, die Vs-Zelle 3 und die Ip2-Zelle 4) zu erhitzen. Der Mikrocomputer 60 bewirkt auf der Grundlage des vorstehend beschriebenen Innenwiderstands Rpvs, dass die Heizelementbetriebsschaltung 59 Elektrizität bzw. elektrischen Strom an den Heizelementleiter 38 über die PWM (Pulsweitenmodulierung) Steuerung liefert, sodass die Festelektrolytkörper 12, 13 und 14 auf eine Zielheiztemperatur erhitzt werden.
Der Mikrocomputer 60 ist eine bekannte Recheneinheit, die eine CPU 61, ein ROM 63, ein RAM 62, einen Signal-Eingangs-/Ausgangs-Abschnitt 64 und einen Analog-/Digital-Umwandler 65 umfasst. In Übereinstimmung mit zuvor gespeicherten Programmen gibt der Mikrocomputer 60 Steuersignale an den Betriebsschaltungsabschnitt 50 aus, um dadurch die Operationen der verschiedenen Schaltungen zu steuern, die in dem Betriebsschaltungsabschnitt 50 vorgesehen sind. Das ROM 63 speichert verschiedene Programme und verschiedene Parameter, auf die zum Zeitpunkt der Ausführung des Programms Bezug genommen wird. Der Mikrocomputer 60 steht mit der ECU 90 über den Signal-Eingangs-/Ausgangs-Abschnitt 64 in Verbindung. Der Mikrocomputer 60 steht auch mit dem Betriebsschaltungsabschnitt 50 über den Analog-/Digital-Umwandler 65 und den Signal-Eingangs-/Ausgangs-Abschnitt 64 in Verbindung. Des weiteren ist ein weithin bekanntes EEPROM 66 mit dem Mikrocomputer 60 verbunden. Das EEPROM 66 speichert Steuerungsbedingungen, die Anwendungszeit und die Korrekturzeit, die nachstehend beschrieben werden. Wie nachstehend beschrieben wird, speichert das EEPROM 66 auch Korrekturdaten für das Korrigieren des Ausgangs des Gassensors 10 durch Verwenden eines zuvor bestimmten repräsentativen Musters 110.
Der Verbinderabschnitt 70 umfasst Klemmen 72 bis 77. Wenn der Verbinderabschnitt 70 mit dem Verbinderabschnitt 40 verbunden wird, sind die Klemmen 72 bis 77 jeweils mit den Klemmen 42 bis 47 verbunden. Die Ip1-Betriebsschaltung 52 ist mit der Klemme 72 über eine Verdrahtung verbunden. Die Klemme 73 ist mit dem Bezugspotential des Sensorsteuerungsgeräts 5 über eine Verdrahtung verbunden. Die Vs-Feststellungsschaltung 53, die Icp-Zuführungsschaltung 54 und die Widerstandsfeststellungsschaltung 55 sind mit der Klemme 74 über eine Verdrahtung verbunden. Die Ip2-Feststellungsschaltung 56, die Vp2-Anlegungsschaltung 57 und die Konstantstromschaltung 58 sind mit der Klemme 75 über eine Verdrahtung verbunden. Die Heizelementbetriebsschaltung 59 ist mit der Klemme 76 über eine Verdrahtung verbunden. Die Klemme 77 ist über eine Verdrahtung geerdet.
Als nächstes wird der Betrieb des Sensorsteuerungsgeräts 5 für das Feststellen der NO_x-Konzentration beschrieben. Abgas, das durch das Auspuffrohr (nicht gezeigt) strömt, wird in die erste Messkammer 23 über den ersten Diffusionswiderstand 24 eingeleitet. Zu diesem Zeitpunkt führt die Icp-Zuführungsschaltung 54 einen Schwachstrom Icp zu der Vs-Zelle 3, sodass der Strom Icp von der Elektrode 22 zur Elektrode 21 fließt. Deshalb strömt in dem Abgas enthaltener Sauerstoff in der Form von Sauerstoffionen von der Elektrode 21 (negative Elektrode) in den Festelektrolytkörper 13 und bewegt sich dann in die Bezugssauerstoffkammer 29. Das heißt, dass als Folge der Zuführung von Strom Icp zwischen den Elektroden 21 und 22 Sauerstoff innerhalb der ersten Messkammer 23 in die Bezugssauerstoffkammer 29 eingeführt wird.
Die Vs-Feststellungsschaltung 53 stellt die Spannung Vs zwischen den Elektroden 21 und 22 fest. Die Bezugsspannungsvergleichsschaltung 51 vergleicht die festgestellten Spannung Vs mit der Bezugsspannung (z. B. 425 mV) und gibt das Ergebnis des Vergleichs an die Ip1-Betriebsschaltung 52 aus. Wenn die Sauerstoffkonzentration innerhalb der ersten Messkammer 23 derart eingestellt wird, dass die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 21 und 22 in der Nähe der Bezugsspannung konstant wird, nähert sich hier die Sauerstoffkonzentration des Abgases innerhalb der ersten Messkammer 23 einer vorbestimmten Konzentration C (z. B. 0,001 ppm).
Deshalb liefert die Ip1-Betriebsschaltung 52, wenn die Sauerstoffkonzentration des in die erste Messkammer 23 eingeleiteten Abgases geringer als die Konzentration C ist, den Strom Ip1 zu der Ip1-Zelle 2, sodass die Elektrode 17 als negative Elektrode dient. Folglich pumpt die Ip1-Zelle 2 Sauerstoff von der Außenseite des Feststellungselement 11 in die erste Messkammer 23. In der Zwischenzeit führt die Ip1-Betriebsschaltung 52, wenn die Sauerstoffkonzentration des in die erste Messkammer 23 eingeleiteten Abgases höher als die Konzentration C ist, den Strom Ip1 zur Ip1-Zelle 2, sodass die Elektrode 18 als negative Elektrode dient. Folglich pumpt die Ip1-Zelle 2 Sauerstoff aus der ersten Messkammer 23 zur Außenseite des Feststellungselements 11. Zu diesem Zeitpunkt kann die Sauerstoffkonzentration des Abgases auf der Grundlage der Größe und der Fließrichtung des Stroms Ip1 festgestellt werden.
Das eingestellte Gas, d. h. das Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration auf die Konzentration C in der ersten Messkammer 23 eingestellt wurde, wird in die zweite Messkammer 30 über den zweiten Diffusionswiderstand 26 eingeleitet. NO_x, das in dem eingestellten Gas enthalten ist und das mit der Elektrode 28 innerhalb der zweiten Messkammer 30 in Kontakt kommt, wird zu N₂ und O₂ durch die katalytische Wirkung der Elektrode 28 zersetzt (reduziert). Der als Folge der Zersetzung erzeugte Sauerstoff erhält Elektronen von der Elektrode 28 und wird zu Sauerstoffionen (Dissoziierung), die durch den Festelektrolytkörper 14 strömen und sich in die Bezugssauerstoffkammer 29 bewegen. Zu diesem Zeitpunkt entspricht der Wert des Stroms Ip2, der zwischen den paarweise angeordneten Elektroden 27 und 28 über den Festelektrolytkörper 14 fließt, der NO_x-Konzentration und der Wert des Stroms Ip2 wird für die Berechnung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts verwendet.
Als nächstes wird die Hauptverarbeitung, die in dem Sensorsteuerungsgerät 5 ausgeführt wird, um den Gassensor 10 zu steuern, unter Bezugnahme auf 2 bis 8 beschrieben. Die in 2A und 2B gezeigte Hauptverarbeitung umfasst die Aktivierungsverarbeitung (Verarbeitung innerhalb einer strichpunktierten Linie 91 mit zwei Punkten in 2A), eine Vorsteuerungsverarbeitung (Verarbeitung innerhalb einer strichpunktierten Linie 92 mit zwei Punkten in 2A) und eine Betriebssteuerungverarbeitung (Verarbeitung innerhalb einer strichpunktierten Linie 93 mit zwei Punkten in 2B). Die Aktivierungsverarbeitung ist das Verarbeiten des Erhitzens des Feststellungselements 11 durch das Heizelement 35, um dadurch das Feststellungselement 11 zu aktivieren. Der Steuerungszustand des Sensorsteuerungsgeräts 5 wird als ”Aktivierungssteuerung” bezeichnet, wenn die Aktivierungsverarbeitung durchgeführt wird. Die Vorsteuerungsverarbeitung ist das Verarbeiten des Pumpens einer vorbestimmten Menge an Sauerstoff aus der zweiten Messkammer 30, bevor die Betriebssteuerungsverarbeitung ausgeführt wird. Der Steuerungszustand des Sensorsteuerungsgeräts 5 wird als ”Vorsteuerung” bezeichnet, wenn die Vorsteuerungsverarbeitung ausgeführt wird. Die Betriebssteuerungverarbeitung ist das Verarbeiten des Einstellens der Sauerstoffkonzentration des Abgases, das in die erste Messkammer 23 eingeleitet wird und Anlegen der Betriebsspannung Vp2 an die Ip2-Zelle 4 mittels des Zuführens von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zu der Ip1-Zelle 2. Des weiteren wird bei der Betriebssteuerungsverarbeitung eine Verarbeitung des Berechnens des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts auf der Grundlage der Größe des Stroms der Ip2-Zelle 4, an die eine Betriebsspannung Vp2 angelegt wird, ausgeführt. Der Steuerungszustand des Sensorsteuerungsgeräts 5 wird als ”Betriebssteuerung” bezeichnet, wenn die Betriebssteuerungsverarbeitung ausgeführt wird.
Bevor die Hauptverarbeitung detailliert beschrieben wird, wird der Überblick über die Korrektur beschrieben, die in dem Sensorsteuerungssystem 1 der vorliegenden Ausführungsform durchgeführt wird, wenn der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert berechnet wird. Das Gas, das die zweite Messkammer 30 zum Zeitpunkt des Ingangsetzens des Gassensors 10 füllt, wird während eines Zeitraums zwischen einem Zeitpunkt, zu dem der Betrieb des Verbrennungsmotors während der vorhergehenden Ausführung der Hauptverarbeitung angehalten wurde (d. h. wenn die Zuführung von Abgas gestoppt wurde) und einem Zeitpunkt, zu dem der Gassensor 10 dieses Mal gestartet wurde, mager. In dem Fall, in dem die Vorsteuerung nicht ausgeführt wird, wird sofort nach Beginn der Betriebssteuerungsverarbeitung der restliche Sauerstoff usw., der in dem Gas enthalten ist, das die zweite Messkammer 30 vor Beginn dieser Verarbeitung füllt, aus der zweiten Messkammer 30 herausgepumpt. In einem solchen Fall ändert sich der Strom Ip2, der durch die Ip2-Zelle 4 fließt sehr in Übereinstimmung mit dem restlichen Sauerstoff ungeachtet der tatsächlichen NO_x-Konzentration des Abgases, die zu berechnen ist. Deshalb nimmt der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerungsverarbeitung auf der Grundlage des Stroms Ip2 nicht einen Wert an, der der tatsächlichen NO_x-Konzentration des Abgases entspricht.
Um eine solche Aufgabe zu lösen, führt das Sensorsteuerungsgerät 5 die Vorsteuerungsverarbeitung vor der Betriebssteuerungsverarbeitung aus, um dadurch die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messkammer 30 (im Zustand einer mageren Atmosphäre) herabzusetzen. Es besteht jedoch wie vorstehend beschrieben das Problem, dass sich in dem Fall, in dem eine konstante Spannung gleich oder höher als ein vorbestimmtes Niveau an die Ip2-Zelle 4 angelegt wird, sich die Menge des durch die Ip2-Zelle 4 herausgepumpten Sauerstoffs in Abhängigkeit von der Konzentration des H₂O, das in dem Gas innerhalb der zweiten Messkammer 30 enthalten ist, ändert. Angesichts der vorstehenden Angaben wird bei der vorliegenden Ausführungsform während der Vorsteuerung die Konstantstromschaltung 58 betätigt, sodass der der Ip2-Zelle 4 zugeführte Strom konstant wird. Mit diesem Vorgang kann, falls der gleiche Gassensor 10 verwendet wird, jedes Mal bei Durchführung der Vorsteuerungsverarbeitung im Wesentlichen die gleiche Menge an Sauerstoff aus der zweiten Messkammer 30 herausgepumpt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Konstantstrom Ip3, der der Ip2-Zelle 4 zum Zeitpunkt der Vorsteuerung zuzuführen ist, auf 10 μA eingestellt. Zu dieser Zeit ist die an die Ip2-Zelle 4 angelegte Spannung höher als die Betriebsspannung Vp2 (425 mV), die die Spannung ist, die an die Ip2-Zelle 4 während der Betriebssteuerung angelegt wird. Deshalb ist die Menge an Sauerstoff, die pro Zeiteinheit während der Vorsteuerung herausgepumpt wird, größer als diejenige während der Betriebssteuerung.
Des weiteren kann wie vorstehend beschrieben eine Charakteristik, die die Beziehung zwischen der NO_x-Konzentration und dem NO_x-Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des Stroms Ip2 darstellt (nachstehend als ”Ausgangscharakteristik” bezeichnet) unter den Gassensoren 10 variieren, selbst wenn sie die gleiche Struktur aufweisen. Beispielsweise kann die Ausgangscharakteristik aufgrund von mit der Herstellung verbundenen Abweichungen unter einer Vielzahl von Gassensoren 10 selbst bei der gleichen NO_x-Konzentration variieren. Deshalb ergibt sich das Problem, dass, selbst wenn die Konzentration von in dem Abgas enthaltenen H₂O konstant ist, die Zeit, die erforderlich ist, damit der Strom Ip2 nach Beginn der Betriebssteuerung stabil wird, die nach dem Ende der Vorsteuerung durchgeführt wird, unter den Gassensoren in Übereinstimmung mit ihren Ausgangscharakteristika variieren kann.
Deshalb kann, falls die gleichen Steuerungsbedingungen für die Vorsteuerung für eine Vielzahl von Gassensoren 10 eingestellt werden, der Verlauf einer Zeitverlaufsänderung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung (nachstehend als ”Änderungsmuster” bezeichnet) unter den Gassensoren 10 variieren. Angesichts dessen werden die Steuerungsbedingungen bei der vorliegenden Ausführungsform für jeden Gassensor 10 derart eingestellt, dass der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert, der nach Beginn der Betriebssteuerungsverarbeitung (mit anderen Worten nach dem Ende der Vorsteuerung) berechnet wird, in einen Zielbereich (Zielkonzentrationsbereich) fällt. Die Steuerungsbedingungen bezeichnen Bedingungen, die mit der Menge an Sauerstoff verbunden sind, die aus der zweiten Messkammer 30 während der Durchführung der Vorsteuerung herausgepumpt wird. Beispielsweise umfassen die Steuerungsbedingungen mindestens entweder die Elektrizitätszuführungszeit oder den Wert des Konstantstroms zum Zeitpunkt der Durchführung der Vorsteuerung oder beides. Bei dem Sensorsteuerungsgerät 5 der vorliegenden Ausführungsform wird die Elektrizitätszuführungszeit, während der der Konstantstrom (10 μA) der Ip2-Zelle 4 zugeführt wird (Vorsteuerungsdurchführungszeit) unter den Parametern, die mit der Menge an Sauerstoff zusammenhängen, die aus der zweiten Messkammer 30 herausgepumpt wird, für jeden individuellen Gassensor 10 eingestellt. Was die übrigen Parameter betrifft werden gemeinsame Werte für die verschiedenen Gassensoren 10 eingestellt.
Die Elektrizitätszuführungszeit, die in den Steuerungsbedingungen für die Vorsteuerung enthalten ist, wird beispielsweise für jeden individuellen Gassensor 10 in Übereinstimmung mit dem folgenden Verfahren eingestellt. Für die Vorbereitung werden unter Verwendung einer vorbestimmten Anzahl (z. B. 100) von Gassensoren 10 eine Bezugszeit und ein Zielbereich bestimmt und eine Vergleichstabelle wird gebildet. Die Bezugszeit ist die Zeit der Vorsteuerung, die verwendet wird, um die Elektrizitätszuführungszeit, die in den Steuerungsbedingungen enthalten ist, zu bestimmen. Wenn die Beziehung zwischen dem Änderungsmuster und der Elektrizitätszuführungszeit in der Vorsteuerung, die in Gegenwart des Referenzgases durchgeführt wird, bei den Gassensoren 10 verglichen wird, die die gleiche Konfiguration aufweisen, weisen die Gassensoren 10 im Allgemeinen die Neigung auf, dass je kürzer die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung ist, desto größer der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert unmittelbar (z. B. 10 Sekunden) nach dem Beginn der Betriebssteuerung ist. 3 veranschaulicht beispielsweise die Beziehung zwischen dem Änderungsmuster und der Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung, die in Gegenwart des Referenzgases durchgeführt wird, für einen Gassensor 10 mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration. Vor allem zeigt die horizontale Achse in 3 die Zeit, die nach Beginn der Betriebssteuerung verstrichen ist, die nach dem Ende der Vorsteuerung durchgeführt wird.
Wie in 3 gezeigt, erhöht sich der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert nach Ablauf von 25 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung in der Größenordnung eines Änderungsmusters 101 (Elektrizitätszuführungszeit: 8 Sekunden), eines Änderungsmusters 102 (Elektrizitätszuführungszeit: 9 Sekunden), eines Änderungsmusters 103 (Elektrizitätszuführungszeit: 10 Sekunden), eines Änderungsmusters 104 (Elektrizitätszuführungszeit: 20 Sekunden) und eines Änderungsmusters 105 (Elektrizitätszuführungszeit: 50 Sekunden). Vor allem bezeichnet das Referenzgas ein Gas, dessen NO_x-Konzentration bekannt ist. Da eine Bestimmung durchgeführt wird, ob der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert innerhalb eines vorbestimmten Zielbereichs (z. B. 0 ± 5 ppm) fällt oder nicht, beträgt die NO_x-Konzentration des Referenzgases vorzugsweise 0 ppm. Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde die Zusammensetzung des Referenzgases derart bestimmt, dass NO_x: 0 ppm; O₂: 7%, H₂O: 4% und N₂-Gas: Rest. Die Temperatur des Referenzgases wurde auf 150°C eingestellt.
Des weiteren wird eine Tendenz gefunden, dass je kürzer die Elektrizitätszuführungszeit ist, desto größer die Abweichung ist, wenn die Beziehung zwischen der Elektrizitätszuführungszeit und der Abweichung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung unter einer vorbestimmten Anzahl von Gassensoren 10 verglichen wird, obgleich dies nicht veranschaulicht ist. Insbesondere in dem Fall, in dem eine kurze Elektrizitätszuführungszeit gleich oder geringer als die Bezugszeit eingestellt wird, ist je kürzer die Bezugszeit ist, desto größer die Möglichkeit, dass die Abweichung in der Elektrizitätszuführungszeit unter den Gassensoren 10 zunimmt und die Zeit, die benötigt wird, damit der Ausgang des Gassensors 10 stabil wird, länger wird. Dementsprechend wird die Bezugszeit in Anbetracht der Abweichung unter den Gassensoren 10 und der Zeit bestimmt, die für die Stabilisierung des Ausgangs benötigt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Bezugszeit auf 20 Sekunden eingestellt.
Das repräsentative Muster 110 wird mittels der Verwendung der vorbestimmten Anzahl von Gassensoren 10 wie in dem vorstehend beschriebenen Fall bestimmt. Insbesondere wird die Vorsteuerung für das Zuführen des Konstantstroms in Gegenwart des Referenzgases durchgeführt, wobei die Elektrizitätszuführungszeit auf die Bezugszeit (20 Sekunden) eingestellt ist. Ein Änderungsmuster wird auf der Grundlage des Ausgangs jedes Gassensors 10 unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung erhalten, und ein Änderungsmuster, das die durchschnittlichste Tendenz (beispielsweise ein Änderungsmuster, das durch den Mittelpunkt des Abweichungsbereichs führt) aufweist, wird als repräsentatives Muster 110 wie in 4 gezeigt definiert. Des weiteren wird ein geeigneter Bereich bestimmt, wobei das repräsentative Muster 110 als Bezug in Anbetracht des zulässigen Bereichs der Abweichung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung verwendet wird. Der so bestimmte Bereich wird als Zielbereich 111 verwendet.
Wie vorstehend beschrieben ist der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung je höher, desto kürzer die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung ist. Beispielsweise nimmt ein Änderungsmuster 112, das in 4 als Ausgang einer Probe #1 (nicht gezeigt) unter der vorbestimmten Anzahl von Gassensoren 10 gezeigt ist, einen Wert an, der höher als das repräsentative Muster 110 zu einem Zeitpunkt ist, beispielsweise 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung. Das Änderungsmuster 112 der Probe #1 kann näher an das repräsentative Muster 110 gebracht werden, indem die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung länger als die Bezugszeit gemacht wird. In ähnlicher Weise nimmt ein Änderungsmuster 113, das in 4 als Ausgang einer Probe #2 (nicht gezeigt) unter der vorbestimmten Anzahl der Gassensoren 10 gezeigt wird, einen Wert an, der kleiner als das repräsentative Muster 110 zum Zeitpunkt 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung ist. Das Änderungsmuster 113 der Probe #2 kann näher an das repräsentative Muster 110 gebracht werden, indem die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung kürzer als die Bezugszeit gemacht wird.
Selbst wenn die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied jedes Gassensors 10 eingestellt wird, ist es schwierig, ein Änderungsmuster zu erhalten, das vollständig mit dem repräsentativen Muster 110 übereinstimmt. Deshalb wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine geeignete Elektrizitätszuführungszeit für jeden individuellen Gassensor 10 derart eingestellt, dass das Änderungsmuster nach Durchführen der Vorsteuerung in den Zielbereich 111 fällt, der auf der Grundlage des repräsentativen Musters 110 (Bezug) bestimmt wird.
Eine solche geeignete Elektrizitätszuführungszeit wird aus der in 5 gezeigten grafischen Darstellung erhalten; d. h. in Übereinstimmung mit der Abweichung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts zum Zeitpunkt 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung von dem NO_x-Konzentrationsentsprechungswert des repräsentativen Musters 110 zu diesem Zeitpunkt. Insbesondere wird durch richtiges Ändern der Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung die Elektrizitätszuführungszeit in dem Fall erhalten, in dem das Änderungsmuster des Ausgangs des Gassensors in den Zielbereich 111 fällt. Des weiteren wird für diesen Fall die Abweichung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts zum Zeitpunkt 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung von dem NO_x-Konzentrationsentsprechungswert des repräsentativen Musters 110 zu diesem Zeitpunkt erhalten. In ähnlicher Weise wird die Beziehung zwischen der Elektrizitätszuführungszeit und der Abweichung für eine vorbestimmte Anzahl von Gassensoren 10 erhalten und ist in die grafische Darstellung von 5 eingezeichnet. Dann wird eine Relationslinie 121, die die Beziehung zwischen der Elektrizitätszuführungszeit und der Abweichung zeigt, mittels der Verwendung von beispielsweise der Methode der kleinsten Quadrate erhalten. Vor allem ist der Grund, warum die Abweichung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts zum Zeitpunkt 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung erhalten wurde, dass derjenige Punkt vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert nach Beginn der Betriebssteuerung stabil wird und zu diesem Zeitpunkt die Abweichung des Ausgangswerts unter den Gassensoren 10 aufgrund ihrer individuellen Unterschiede groß ist.
Mit Hilfe der Verwendung der Relationslinie 121 der grafischen Darstellung von 5 wird eine optimale Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung für jede der Proben #1 und #2 erhalten, die die jeweiligen in 4 gezeigten Änderungsmuster 112 und 113 aufweisen. Die Änderungsmuster 114 und 115 von 4 weisen jeweilige Änderungsmuster der Ausgänge der Proben #1 und #2 auf, für die die Vorsteuerung in Übereinstimmung mit der erhaltenen Elektrizitätszuführungszeit durchgeführt wurde. Wie in 4 gezeigt fällt jedes der Änderungsmuster 114 und 115 der Ausgänge der Proben #1 und #2 nach Beginn der Betriebssteuerung in dem Fall, in dem die Vorsteuerung in Übereinstimmung mit der Elektrizitätszuführungszeit durchgeführt wurde, die mittels der Verwendung der Relationslinie 121 von 5 erhalten wurde, in den Zielbereich 111, der auf der Grundlage des repräsentativen Musters 110 bestimmt wurde.
Wie vorstehend beschrieben fällt als Ergebnis davon, dass die Elektrizitätszuführungszeit auf der Grundlage der Bezugszeit eingestellt wurde, das Änderungsmuster des Ausgangs jedes Gassensors 10 in den Zielbereich 111, der auf der Grundlage des repräsentativen Musters 110 eingestellt wurde. Das heißt, der Verlauf des Änderungsmusters wird im Wesentlichen der gleiche wie derjenige des repräsentativen Musters 110. Deshalb kann wie vorstehend beschrieben die genaue Messung durchgeführt werden, indem der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert, nach dem der Ausgangswert des Gassensors 10 stabil wird (nach dem die Schwankung des Ausgangswerts aufgrund seiner Zeitverlaufsänderung in einen Bereich von 0 ± 5 ppm fällt) erhalten wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Elektrizitätszuführungszeit, die für jeden individuellen Gassensor 10 auf die vorstehend beschriebene Weise erhalten wird, in dem EEPROM 66 gespeichert und bei der Hauptverarbeitung, die nachstehend beschrieben wird, wird die Vorsteuerung auf der Grundlage der Elektrizitätszuführungszeit durchgeführt, die aus dem EEPROM 66 ausgelesen wird.
Übrigens wird als Folge der Durchführung der Vorsteuerung wird der Verlauf des Änderungsmusters des Gassensors 10 im Wesentlichen gleich demjenigen des repräsentativen Musters 110. Deshalb kann ein korrigierter Wert (der durch Korrigieren des Ausgangswert erhalten wird), falls der Ausgang des Gassensors 10 unter Verwendung des repräsentativen Musters 110 korrigiert wird, selbst bevor der ursprüngliche Ausgangswert des Gassensors 10 stabil geworden ist, stabil gemacht werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Musterdaten, die das repräsentative Muster 110 darstellen, in dem EEPROM 66 im Voraus als Korrekturdaten gespeichert, die einer Vielzahl von Gassensoren 10 mit der gleichen Struktur gemeinsam sind.
Ein spezifisches Beispiel wird beschrieben. Die grafische Darstellung von 6 zeigt das Änderungsmuster 131 des Ausgangs der Probe #3 (nicht gezeigt) unter der vorbestimmten Anzahl von Gassensoren 10. Der Verlauf der Zeitverlaufsänderung des Änderungsmusters 131 ist derart, dass sich der Ausgang ändert, um einem Muster 133 zu folgen, das den gleichen Verlauf wie das repräsentative Muster 110 aufweist (siehe 4). Falls das Muster 133 das gleiche wie das repräsentative Muster 110 ist (siehe 4), wird ein korrigiertes Muster 141, das in 7 gezeigt ist, durch Korrigieren des Änderungsmusters 131 des Ausgangs der Probe #3 durch Verwenden des repräsentativen Musters 110 erhalten. Die Korrektur wurde in Übereinstimmung mit einer Formel (korrigiertes Muster 141) = (Änderungsmuster 131 des Ausgangs der Probe #3) – (repräsentatives Muster 110) durchgeführt. Vor allem wird die Korrektur mit Hilfe der Verwendung von jeweiligen Werten, die von dem Änderungsmuster 131 erhalten wurden, und dem repräsentativen Muster 110 für den gleichen Zeitpunkt, durchgeführt. Als Folge des Korrigierens des Ausgangs der Probe #3 wie durch das korrigierte Muster 141 angegeben, wird es möglich, einen stabilen NO_x-Konzentrationsentsprechungswert unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung zu erhalten, d. h. bevor der ursprüngliche Ausgangswert des Gassensors 10 stabil wird (beispielsweise vor Verstreichen von 20 Sekunden (siehe 6)).
Selbst bei einer Vielzahl von Gassensoren 10, für die die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung auf die gleiche Länge eingestellt wird, kann jedoch eine Schwankung, die in der Zeit (dem Zeitpunkt) erzeugt wird, während der sich der Verlauf der Zeitverlaufsänderung zu Beginn des Vorgangs des Zurückpumpens von Sauerstoff zeigt, der nach Beginn der Betriebssteuerung durchgeführt wird. Diese Schwankung beim Zeitpunkt wird durch den Unterschied bei der Folgedurchführung unter den Gassensoren 10 verursacht. Insbesondere ändern sich, wenn die Art der Steuerung des Gassensors 10 von der Vorsteuerung zur Betriebssteuerung umgeschaltet wird, die Richtung und die Größe des Stroms, der dem Feststellungselement 11 zugeführt wird und der Gassensor 10 (das Feststellungselement 11) spricht an, um die Änderung zu verfolgen. Die Folgedurchführung variiert jedoch bei den Gassensoren 10.
Ein spezifisches Beispiel wird beschrieben. Die grafische Darstellung von 6 zeigt das Änderungsmuster 132 des Ausgangs der Probe #4 (nicht gezeigt) unter der vorbestimmten Anzahl von Gassensoren 10. Der Verlauf der Zeitverlaufsänderung des Änderungsmusters 132 der Probe #4 ist derart, dass sich der Ausgang ändert, um einem Muster 134 zu folgen, das den gleichen Verlauf wie das repräsentative Muster 110 (siehe 4) zu einem Zeitpunkt zeigt, der mit Bezug auf das Änderungsmuster 131 der Probe #3 verzögert ist. Falls das Muster 132 der Probe #4 mittels der Verwendung des repräsentativen Musters 110 korrigiert wird, wird ein korrigiertes Muster 142, das in 7 gezeigt ist, erhalten. Die Korrektur wurde in Übereinstimmung mit einer Formel (korrigiertes Muster 142) = (Änderungsmuster 132 des Ausgangs der Probe #4) – (repräsentatives Muster 110) durchgeführt. Wie durch das korrigierte Muster 142 angegeben, kann ungeachtet der Tatsache, dass der Ausgang der Probe #4 korrigiert wird, kein stabiler NO_x-Konzentrationsentsprechungswert unmittelbar nach Beginn der Betriebssteuerung erhalten werden, da sich das Muster 134 und das repräsentative Muster 110 voneinander mit Bezug auf den Zeitpunkt unterscheiden.
Um ein solches Problem zu lösen, wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Zeitpunkt, zu dem der Ausgangswert des Gassensors 10 durch die Verwendung des repräsentativen Musters 110 korrigiert wird, in Übereinstimmung mit dem individuellen Unterschied des Gassensors 10 eingestellt. Ein spezifisches Beispiel wird beschrieben. Wenn das Änderungsmuster 132 der Probe #4 unter den Gassensoren 10 durch die Verwendung des vorstehend angegebenen Musters 134 korrigiert wird (siehe 6), dessen Zeitpunkt eingestellt wurde, um mit dem Zeitpunkt des Ausgangs der Probe #4 übereinzustimmen, wird ein in 7 gezeigtes korrigiertes Muster 143 erhalten. Vor allem wurde die Korrektur in Übereinstimmung mit einer Formel (korrigiertes Muster 143) = (Änderungsmuster 132 des Ausgangs der Probe #4) – (Muster 134, das den gleichen Verlauf wie das repräsentative Muster 110 aufweist) durchgeführt. Wie durch das korrigierte Muster 143 angegeben, wird es möglich, wenn der Ausgang der Probe #4 mittels der Verwendung des Musters 134 zum richtigen Zeitpunkt korrigiert wird, einen stabilen NO_x-Konzentrationsentsprechungswert selbst vor dem Zeitpunkt zu erhalten, zu dem der ursprüngliche Ausgangswert des Gassensors 10 stabil wird wie in dem vorstehend beschriebenen Fall.
Eine solche Korrektur unter Verwendung des repräsentativen Musters 110 wird bei Verstreichen einer Anwendungszeit, die für jeden Gassensor 10 im Voraus eingestellt wird, durchgeführt. Die Anwendungszeit bezieht sich auf den Zeitpunkt, zu dem die Korrektur unter Verwendung des repräsentativen Musters 110 durchgeführt wird und die durch eine Zeit dargestellt wird, die vom Ende der Vorsteuerung gemessen wird, d. h. dem Beginn der Betriebssteuerung. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der vorstehend beschriebene Test unter Verwendung des Referenzgases für jeden Gassensor 10 durchgeführt und der Zeitpunkt, zu dem die Korrektur durchzuführen ist, wird als Anwendungszeit erhalten und in dem EEPROM 66 gespeichert. Anschließend wird die Anwendungszeit bei der Hauptverarbeitung, die nachstehend beschrieben wird, ausgelesen und die Verarbeitung des Korrigierens des Ausgangs des Gassensors 10 wird nach Verstreichen der Anwendungszeit nach Beginn der Betriebssteuerung gestartet.
Als nächstes wird die Hauptverarbeitung der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben. Die CPU 61 führt die Hauptverarbeitung bei Erhalt einer Anweisung von der ECU 90 zum Zeitpunkt des Ingangsetzens des Verbrennungsmotors (nicht gezeigt) aus. Vor allem wird der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert, der in der Hauptverarbeitung berechnet wird, an die ECU 90 des Sensorsteuerungsgeräts 5 in vorbestimmten Intervallen bei einer Ausgangsverarbeitung, die getrennt von der Hauptverarbeitung ausgeführt wird, ausgegeben, wenn bestimmt wird, dass die Anwendungszeit nach Beginn der Hauptsteuerung verstrichen ist. Vor allem kann bei der Ausgangsverarbeitung mit dem Ausgeben des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts unmittelbar nach dem Verstreichen der Anwendungszeit begonnen werden oder es kann damit begonnen werden, nachdem eine vorbestimmte Zeit nach dem Verstreichen der Anwendungszeit verstrichen ist.
Wenn der Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) gestartet wird und eine Anweisung von der ECU 90 dem Signal-Eingangs-/Ausgangs-Abschnitt 64 zugeführt wird, erhält die CPU 61 von dem ROM 63 und dem EEPROM 66 Parameter und verschiedene Bedingungen für das Ausführen der Hauptverarbeitung (S5). In S5 wird beispielsweise die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung, die für jeden Gassensor 10 eingestellt wird, aus dem EEPROM 66 ausgelesen. Die vorstehend erwähnte Anwendungszeit wird aus dem EEPROM 66 als Zeitpunkt für das Durchführen der Korrektur unter Verwendung des repräsentativen Musters 110 ausgelesen. Als nächstes führt die CPU 61 die Aktivierungsverarbeitung (S10 bis S30) aus. Bei der Aktivierungsverarbeitung beginnt die CPU 61 mit der Zuführung von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zum Heizelementleiter 38 des Gassensors 10 (S10). Insbesondere legt die CPU 61 eine konstante Spannung (z. B. 12 V) an den Heizelementleiter 38 durch Steuern der Heizelementbetriebsschaltung 59.
Als nächstes beginnt die CPU 61 mit der Zuführung des Stroms Icp zur Vs-Zelle 3 durch Steuern der Icp-Zuführungsschaltung 54 (S15). Die Vs-Zelle 3, der der Strom Icp zugeführt wird, pumpt Sauerstoff aus der ersten Messkammer 23 in die Bezugssauerstoffkammer 29. Wenn der Innenwiderstand der Vs-Zelle 3 als Folge davon abnimmt, dass das Feststellungselement 11 durch das Heizelement 35 erhitzt wird, nimmt die Spannung Vs der Vs-Zelle 3 allmählich ab.
Als nächstes bestimmt die CPU 61, ob die Spannung Vs, die mittels der Vs-Feststellungsschaltung 53 erhalten wird, gleich dem oder kleiner als ein vorbestimmter Wert Vth (S20) ist oder nicht. Wenn die Spannung Vs nicht gleich dem oder weniger als der vorbestimmte Wert Vth (S20: NEIN) ist, wartet die CPU 61, bis die Spannung Vs gleich dem oder weniger als der vorbestimmte Wert Vth ist. Wenn die Spannung Vs gleich dem oder weniger als der vorbestimmte Wert Vth (S20: JA) ist, beginnt die CPU 61 die Heizelementspannung Vh (S25) zu steuern. Die CPU 61 steuert insbesondere die Zuführung von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zu dem Heizelement 35 über die Heizelementbetriebsschaltung 59 derart, dass der Innenwiderstand Rpvs der Vs-Zelle 3 gleich einem Zielwert wird. Der Zielwert beträgt beispielsweise 300 Ω. Wenn der Innenwiderstand Rpvs 300 Ω beträgt, wird die Temperatur der Vs-Zelle 3 auf etwa 750°C geschätzt.
Als nächstes bestimmt die CPU 61, ob das Feststellungselement 11 aktiviert wurde oder nicht (S30). Insbesondere bestimmt die CPU 61, ob das Feststellungselement 11 aktiviert worden ist oder nicht, indem sie bestimmt, ob der Innenwiderstand Rpvs der Vs-Zelle 3 einen Schwellenwert erreicht hat oder nicht. Der Innenwiderstand Rpvs der Vs-Zelle 3 wird auf der Grundlage der Menge an Änderung der Spannung Vs, die mit Hilfe der Widerstandsfeststellungsschaltung 55 und einer Tabelle erhalten wird, die die zuvor bestimmte Beziehung zwischen der Menge an Änderung der Spannung Vs und dem Innenwiderstand der Vs-Zelle 3, darstellt, berechnet. Der Schwellenwert beträgt beispielsweise 350 Ω. Wenn der Innenwiderstand Rpvs 350 Ω beträgt, wird die Temperatur der Vs-Zelle 3 auf etwa 650°C geschätzt. Wenn der Innenwiderstand Rpvs den Schwellenwert erreicht hat, bestimmt die CPU 61, dass das Feststellungselement 11 aktiviert worden ist.
Wenn das Feststellungselement 11 noch nicht aktiviert worden ist (S30: NEIN), wartet die CPU 61, bis das Feststellungselement 11 aktiviert wird. Wenn das Feststellungselement 11 aktiviert worden ist (S30: JA) bewirkt die CPU 61 die Betätigung der Ip1-Betriebsschaltung 52, um dadurch das Zuführen von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zu der Ip1-Zelle 2 zu starten (S35). Die Zuführung von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zu der Ip1-Zelle 2 wird durchgeführt, um die Sauerstoffkonzentration des Abgases, das in die erste Messkammer 23 eingeleitet wird, auf die vorbestimmte Konzentration C einzustellen.
Als nächstes führt die CPU 61 die Vorsteuerungsverarbeitung (S40 bis S50) aus. Bei der Vorsteuerungsverarbeitung führt die CPU 61 einen Konstantstrom der Ip2-Zelle 4 während einer konstanten Elektrizitätszuführungszeit zu, die für jeden Gassensor 10 eingestellt ist (S40). Insbesondere bewirkt die CPU 61 die Betätigung der Konstantstromschaltung 58, um dadurch den Konstantstrom Ip3 der Ip2-Zelle 4 zuzuführen. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Konstantstrom Ip3 10 μA. Bei Empfang des Stroms Ip3 beginnt die Ip2-Zelle 4 mit dem Pumpen von Sauerstoff aus der zweiten Messkammer 30.
Als nächstes führt die CPU 61 die Zeitmesserverarbeitung zum Zählen der verstrichenen Zeit aus (S45). Die Zeitmesserverarbeitung wird verarbeitungstechnisch getrennt von der Hauptverarbeitung ausgeführt. Bei der Zeitmesserverarbeitung wird ein Zählungswert jedes Mal, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, um ein Inkrement erhöht. Der erhöhte Zählungswert wird in dem RAM 62 gespeichert. Als nächstes bestimmt die CPU 61, ob die Elektrizitätszuführungszeit verstrichen ist, indem sie bestimmt, ob der in dem RAM 62 gespeicherte Zählungswert einen Wert erreicht hat, der der Elektrizitätszuführungszeit entspricht (S50). In dem Fall, in dem die Elektrizitätszuführungszeit noch nicht verstrichen ist, wartet die CPU 61 (S50: NEIN). In dem Fall, in dem die Elektrizitätszuführungszeit verstrichen ist (S50: JA), beendet die CPU 61 die Vorsteuerungsverarbeitung und schaltet die Steuerung der Ip2-Zelle 4 auf die Betriebssteuerung (S55). Die CPU 61 hält die Operation der Konstantstromschaltung 58 an und bewirkt die Betätigung der Vp2-Anlegungsschaltung 57, um dadurch den Steuerungszustand des Sensorsteuerungsgeräts von der Vorsteuerung auf die Betriebssteuerung zu schalten. Bei der Betriebssteuerung wird die Betriebsspannung Vp2 (z. B. 450 mV) an die Ip2-Zelle 4 angelegt. Bei der Betriebssteuerung wird die Steuerung zum Zuführen von Elektrizität zur Ip1-Zelle 2, womit in S35 begonnen wurde, kontinuierlich ausgeführt.
Als nächstes führt die CPU 61 wiederum die vorstehend beschriebene Zeitmesserverarbeitung (S57) aus. Das heißt, die CPU 61 stellt den Zählungswert auf Null zurück, erhöht den Zählungswert durch das Inkrement in vorbestimmten Zeitintervallen und speichert ihn im RAM 62. Anschließend erhält die CPU 61 den Wert des Stroms Ip2, der von der Ip2-Feststellungsschaltung 56 festgestellt wurde (spezifischer eine Spannung, die von dem Strom Ip2 durch Strom-Spannungs-Umwandlung erhalten wurde) und speichert den erhaltenen Wert des Stroms Ip2 und den Zählungswert zum Zeitpunkt des Erhaltens im RAM 62 (S60).
Als nächstes bestimmt die CPU 61, ob die Anwendungszeit verstrichen ist oder nicht, indem bestimmt wird, ob der Zählungswert, der in dem RAM 62 durch die Zeitmesserverarbeitung gespeichert wird, einen Wert erreicht hat, der der Anwendungszeit entspricht (S65). In dem Fall, in dem die Anwendungszeit noch nicht verstrichen ist (S65: NEIN), kehrt die CPU 61 zu S60 zurück, erhält den Wert des Stroms Ip2 und den Zählungswert und speichert sie im RAM 62. In dem Fall, in dem die Anwendungszeit verstrichen ist (S65: JA), berechnet die CPU 61 den NO_x-Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des im RAM 62 gespeicherten Wert von Ip2 und speichert den berechneten NO_x-Konzentrationsentsprechungswert im RAM (S70). Der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert wird beispielsweise durch Anwenden des Werts des Stroms Ip2 auf eine vorbestimmte Formel, die im ROM 63 gespeichert ist, berechnet. Alternativ wird unter Bezugnahme auf eine Tabelle, die die Beziehung zwischen dem Wert des Stroms Ip2 und dem NO_x-Konzentrationsentsprechungswert darstellt, ein NO_x-Konzentrationsentsprechungswert, der dem Wert des Stroms Ip2 entspricht, der in S60 erhalten wird, berechnet.
Als nächstes bestimmt die CPU 61, ob die Korrekturzeit verstrichen ist oder nicht, indem sie bestimmt, ob der Zählungswert, der in dem RAM 62 durch die Zeitmesserverarbeitung gespeichert ist, einen Wert erreicht hat, der der Korrekturzeit entspricht (S65). In dem Fall, in dem die Korrekturzeit noch nicht verstrichen ist (S72: NEIN), korrigiert die CPU 61 den NO_x-Konzentrationsentsprechungswert, der in Schritt S70 berechnet wurde und speichert (überschreibt) den korrigierten NO_x-Konzentrationsentsprechungswert im RAM 62 (S75). Vor allem wird der NO_x-Konzentrationsentsprechungswert in Übereinstimmung mit einer Formel (korrigierter NO_x-Konzentrationsentsprechungswert) = (in S70 berechneter NO_x-Konzentrationsentsprechungswert) – (auf dem repräsentativen Muster 110 beruhende Korrekturdaten) korrigiert. Die in dem EEPROM 66 gespeicherten Korrekturdaten werden auf die vorstehend beschriebene Formel angewendet. Insbesondere wird, wenn der Zählungswert, der durch die Zeitmesserverarbeitung erhöht wird, einen der Anwendungszeit entsprechenden Wert erreicht, eine Operation des Auslesens der Korrekturdaten gestartet, sodass die Daten synchron zu dem Zählungswert ausgelesen werden und die gelesenen Daten werden auf die Formel angewendet.
Als nächstes kehrt, wenn eine Endanweisung nicht von der ECU 90 erhalten wird (S80: NEIN), die CPU 61 zu S60 zurück. In dem Fall, in dem die Korrekturzeit verstrichen ist, während S60 bis S75 wiederholt werden (S72: JA) geht die CPU 61 nach diesem Zeitpunkt, von S72 zu S80. Deshalb wird die Korrektur des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts, der in S70 berechnet wird, nicht durchgeführt. Wenn eine Endanweisung von der ECU 90 erhalten wird (S80: JA), beendet die CPU 61 die Hauptverarbeitung.
Vor allem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, und die Ausführungsform kann auf verschiedene Weise modifiziert werden ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform veranschaulicht ein Gassensor 10 einen NO_x-Sensor zum Feststellen der Konzentration von NO_x. Die vorliegende Erfindung kann jedoch bei verschiedenen Gassensoren angewendet werden, die durch die Verwendung von Festelektrolytkörpern (z. B. Sauerstoffsensor) gebildet werden.
Die Konfiguration des Sensorsteuergeräts 5 kann frei geändert werden. Beispielsweise kann die Konfiguration des Betriebsschaltungsabschnitts 50 frei geändert werden. Des weiteren können das Sensorsteuerungsgerät 5 und der Gassensor 10 als Einheit zusammengebaut werden. Das Sensorsteuerungsgerät 5 kann auch dazu verwendet werden, einen Gassensor zu steuern, der ein Einführungsloch für Atmosphärenluft statt der Bezugssauerstoffkammer 29 umfasst. Die Steuerungsbedingungen, die Anwendungszeit, die Korrekturzeit und die in dem EEPROM 66 gespeicherten Korrekturdaten können in jeder Speichervorrichtung (außer dem EEPROM 66) wie dem ROM 63 des Sensorsteuerungsgeräts 5 gespeichert werden. Selbstverständlich kann die vorstehend beschriebene Ausführungsform derart modifiziert werden, dass die Steuerungsbedingungen, die Anwendungszeit und die Korrekturzeit in dem EEPROM 66 gespeichert werden, und die Korrekturdaten werden in dem ROM 63 gespeichert. Das heißt, dass der Typ der Speichervorrichtung und die Lage der Speichereinrichtung frei geändert werden können. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kann auch derart modifiziert werden, dass eine Speichervorrichtung beispielsweise in dem Verbinderabschnitt 40 des Gassensors 10 vorgesehen wird und die Steuerungsbedingungen, die Anwendungszeit und die Korrekturzeit in der Speichereinrichtung gespeichert werden. Alternativ kann die vorstehend beschriebene Ausführungsform derart modifiziert werden, dass ein Festwiderstand in dem Gassensor 10 vorgesehen wird und das ROM 63 eine Tabelle speichert, die die Wechselbeziehung zwischen dem Widerstand des Festwiderstands und mindestens entweder die Steuerungsbedingungen, der Anwendungszeit oder die Korrekturzeit oder mehrere davon speichert. In diesem Fall wird bei der Hauptverarbeitung der Widerstand des Festwiderstands in S5 gelesen und mindestens entweder die Steuerungsbedingungen, die Anwendungszeit oder die Korrekturzeit, die dem Widerstand entspricht, oder mehrere davon wird bzw. werden unter Bezugnahme auf die Tabelle gelesen.
Die Steuerungsbedingungen können frei geändert werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Elektrizitätszuführungszeit während der Vorsteuerung für jeden Gassensor 10 als Steuerungsbedingungen eingestellt. Die Steuerungsbedingungen sind nicht darauf beschränkt, und die Steuerungsbedingungen können auf eine solche Weise eingestellt werden, dass die Elektrizitätszuführungszeit zum Zeitpunkt der Vorsteuerung als gemeinsame Steuerungsbedingungen für alle Gassensoren 10 eingestellt wird, und der Wert des Konstantstroms wird für jeden Gassensor 10 eingestellt. In diesem Fall kann die Verarbeitung von S41 bis S51, die in 8 gezeigt ist in der in 2A und 2B gezeigten Hauptverarbeitung statt der Verarbeitung von S40 bis S50 ausgeführt werden, die als Vorsteuerung ausgeführt wird.
In 8 sind Schritte, die den Schritten der Hauptverarbeitung von 2A und 2B identisch sind, mit den gleichen Schrittnummern bezeichnet. Die Hauptverarbeitung von 8 unterscheidet sich von der Hauptverarbeitung von 2A und 2B in S41 und S51 der Vorsteuerungsverarbeitung innerhalb einer strichpunktierten Linie 192 mit zwei Punkten. Die Beschreibung der Schritte der Hauptverarbeitung von 8, die ähnlich denjenigen der Hauptverarbeitung von 2A und 2B sind, werden weggelassen. Wenn mit der Zuführung von Elektrizität bzw. elektrischem Strom zu der Ip1-Zelle 2 in S35 nach Beendigung der Aktivierungsverarbeitung der Hauptverarbeitung begonnen wird, führt die CPU 61 der Ip2-Zelle 4 in S41 den Konstantstrom zu, der für jeden Gassensor 10 eingestellt ist. Die CPU 61 beginnt mit der Zeitmesserverarbeitung in S45 und wartet in S51, bis die Elektrizitätszuführungszeit, die den Gassensoren 10 gemeinsam ist, verstrichen ist (S51: NEIN). Wenn die Elektrizitätszuführungszeit verstrichen ist (S51: JA), geht die CPU 61 zu S55 und führt die Betriebssteuerungsverarbeitung aus.
Vor allem kann der für jeden Gassensor 10 eingestellte Konstantstrom auf die gleiche Weise wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erhalten werden. Das heißt, eine vorbestimmte Anzahl von Gassensoren 10 wird vorbereitet. Die Vorsteuerung für die Zuführung eines Konstantstroms, der auf einen Bezugswert (z. B. 10 μA) für eine bestimmte Zeit (z. B. 20 Sekunden) eingestellt ist, wird für jeden Gassensor 10 in Gegenwart des Referenzgases durchgeführt, um das repräsentative Muster 110 zu bestimmen, und dann wird der Zielbereich 111 eingestellt. Des weiteren wird die Vorsteuerung für die vorbestimmte Anzahl von Gassensoren 10 durchgeführt, während der Konstantstrom, der während der Vorsteuerung zugeführt wird, in geeigneter Weise geändert wird, und es wird der Konstantstrom in dem Fall erhalten, in dem das Änderungsmuster des Ausgangs des Gassensors 10 in den Zielbereich 111 fällt. Anschließend wird die Abweichung zwischen dem NO_x-Konzentrationsentsprechungswert zu einem Zeitpunkt 40 Sekunden nach Beginn der Betriebssteuerung in dem Fall, in dem das Änderungsmuster des Ausgangs des Gassensors 10 in den Zielbereich 111 fällt, und dem NO_x-Konzentrationsentsprechungswert des repräsentativen Musters 110 zu diesem Zeitpunkt, erhalten. Anschließend wird eine grafische Darstellung erstellt, die ähnlich derjenigen ist, die in 5 gezeigt ist, und die die Beziehung zwischen dem Konstantstrom und der Abweichung zeigt. Ein geeigneter Konstantstrom wird für jeden Gassensor 10 derart eingestellt, dass das Änderungsmuster des Ausgangs des Gassensors 10 in den Zielbereich 111 fällt, der auf der Grundlage des repräsentativen Musters 110 bestimmt wird.
Selbstverständlich kann die Elektrizitätszuführungszeit und der Konstantstrom (Steuerungsbedingungen) zum Zeitpunkt der Vorsteuerung für jeden Gassensor 10 eingestellt werden. Alternativ können die Steuerungsbedingungen als Bedingungen, die den Gassensoren 10 gemeinsam sind, eingestellt werden.
Die Hauptverarbeitung kann auch frei geändert werden. Beispielsweise kann die Verarbeitung der Korrektur des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts mittels der Verwendung von Korrekturdaten in S75 von 2B derart modifiziert werden, dass sie nicht beim Verstreichen der Korrekturzeit endet, sondern während des gesamten Zeitraums ausgeführt wird, während dessen die Betriebssteuerung durchgeführt wird. Alternativ kann die Verarbeitung von S75 derart modifiziert werden, dass die Schwankung des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts überprüft wird, bevor sie korrigiert wird, und die Verarbeitung von S75 endet, wenn ein Zustand, in dem die Schwankung in einen vorbestimmten Bereichs fällt, während einer vorbestimmten Zeit andauert.
Der Zielbereich kann jeder Bereich sein, der in geeigneter Weise in Anbetracht eines zulässigen Bereichs der Schwankung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung bestimmt wird, und das Einstellungsverfahren kann frei geändert werden. Beispielsweise ist bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Zielbereich ein vorbestimmter Bereich, der auf der Grundlage des repräsentativen Musters 110 (Bezug) eingestellt wird. Das Verfahren des Einstellens des Zielbereichs ist jedoch nicht darauf beschränkt, und der Zielbereich kann auf der Grundlage eines Bereichs des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit (z. B. 20 Sekunden) nach Beginn der Betriebssteuerung bestimmt werden.
Des weiteren wird der Vorgang des Korrigierens des NO_x-Konzentrationsentsprechungswerts durch Verwenden des repräsentativen Musters 110 bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nach Verstreichen der Anwendungszeit ab dem Beginn der Betriebssteuerung durchgeführt. Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, die Anwendungszeit im Voraus einzustellen. In diesem Fall kann der Prozess von S65 derart modifiziert werden, dass die CPU 61 einen differenzierten Wert des Ausgangswerts des Gassensors 10 erhält und ihn mit einem differenzierten Wert des repräsentativen Musters 110 zu einem vorbestimmten Zeitpunkt oder einer vorbestimmten Schwelle vergleicht. Wenn der erhaltene differenzierte Wert nicht mit demjenigen des repräsentativen Musters 110 oder der Schwelle übereinstimmt, kehrt die CPU 61 zu S 60 zurück. Wenn der erhaltene differenzierte Wert mit demjenigen des repräsentativen Muster 110 oder der Schwelle übereinstimmt, kehrt die CPU 61 zu S70 zurück und führt die Korrektur mittels der Verwendung des repräsentativen Musters durch. Des weiteren kann, wenn der vorstehend erwähnte differenzierte Wert aus dem Ausgangswert des Gassensors 10 nach Entfernen von Rauschen aus dem Ausgangswert mittels eines bekannten Verfahrens erhalten wird, der Zeitpunkt, zu dem mit der Korrektur begonnen wird, genauer bestimmt werden. In diesem Fall vergleicht die CPU 61, die den differenzierten Wert des Ausgangswerts des Gassensors 10 erhält, ihn mit einem differenzierten Wert des repräsentativen Muster 110 zu dem vorbestimmten Zeitpunkt oder der vorbestimmten Schwelle und führt die Korrektur mittels der Verwendung des repräsentativen Musters 110 durch, wenn der differenzierte Wert des repräsentativen Musters 110 oder der Schwelle der ”Bestimmungseinrichtung” der Ansprüche entspricht.
Vor allem entspricht bei der vorliegenden Erfindung der Festelektrolytkörper 12 der ”ersten Festelektrolytschicht” und die Elektroden 17 und 18 entsprechen den ”paarweise angeordneten ersten Elektroden”. Der Festelektrolytkörper 14 entspricht der ”zweiten Festelektrolytschicht” und die Elektroden 27 und 28 entsprechen den ”paarweise angeordneten zweiten Elektroden”. Die Ip1-Zelle 2 entspricht der ”ersten Sauerstoffpumpenzelle” und die Ip2-Zelle 4 entspricht der ”zweiten Sauerstoffpumpenzelle”. Das EEPROM 66 entspricht der ”Speichereinrichtung”.
Die CPU 61, die die Steuerung für die Ip2-Zelle 4 zur Betriebssteuerung in S55 schaltet, entspricht der ”Betriebssteuerungseinrichtung”. Die CPU 61, die die Versteuerung in S40 durchführt, um der Ip2-Zelle 4 während einer konstanten Elektrizitätszuführungszeit einen Konstantstrom zuzuführen, entspricht der ”Vorsteuerungseinrichtung”. Die CPU 61, die den NO_x-Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des Stroms Ip2 in S70 berechnet, entspricht der ”Recheneinrichtung”. Die CPU 61, die in S65 bestimmt, ob die Anwendungszeit verstrichen ist, entspricht der ”Bestimmungseinrichtung”. Die CPU 61, die in S75 den NO_x-Konzentrationsentsprechungswert, der in S70 berechnet wird, korrigiert, entspricht der ”Korrektureinrichtung”.
Bezugszeichenliste

1: Sensorsteuerungssystem
2: erste Sauerstoffpumpenzelle
4: zweite Sauerstoffpumpenzelle
5: Sensorsteuerungsgerät
10: Gassensor
12, 13, 14: Festelektrolytkörper
17, 18, 21, 22, 27, 28: Elektrode
23: erste Messkammer
30: zweite Messkammer
60: Mikrocomputer
61: CPU
63: ROM
66: EEPROM

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2010-156676 [0007]

Claims

Sensorsteuerungsgerät (5) zum Steuern eines Gassensors (10), welcher eine erste Messkammer (23), in die ein Zielgas eingeleitet wird, eine erste Sauerstoffpumpenzelle (2) mit einer ersten Festelektrolytschicht (12) und paarweise angeordneten ersten Elektroden (17, 18), die an der Innenseite bzw. der Außenseite der ersten Messkammer (23) vorgesehen sind, eine zweite Messkammer (30), die mit der ersten Messkammer (23) in Verbindung steht, und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle (4) mit einer zweiten Festelektrolytschicht (14) und paarweise angeordneten zweiten Elektroden (27, 28), die an der Innenseite bzw. der Außenseite der zweiten Messkammer (30) vorgesehen sind, umfasst, wobei das Sensorsteuerungsgerät (5) umfasst: eine Betriebssteuereinrichtung (S55) zum Durchführen einer Betriebssteuerung zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration des in die erste Messkammer (23) eingeführten Zielgases durch Zuführen von elektrischem Strom zur ersten Sauerstoffpumpenzelle (2) und zum Anlegen einer Betriebsspannung an die zweite Sauerstoffpumpenzelle (4); eine Vorsteuerungseinrichtung (S40) um vor dem Beginn der Betriebssteuerung eine Vorsteuerung durchzuführen, die einen konstanten Strom zur zweiten Sauerstoffpumpenzelle (4) während eines konstanten Zeitraums zuführt, um dadurch eine Menge an Sauerstoff der aus der zweiten Messkammer (30) heraus und zur Außenseite der zweiten Messkammer (30) herausgepumpt wird, auf ein konstantes Niveau zu steuern; eine Recheneinrichtung (S70) zum Berechnen eines Konzentrationsentsprechungswerts, der eine Konzentration eines spezifischen Gases, das in dem Zielgas enthalten ist, repräsentiert, und zwar auf der Grundlage der Größe des Stroms, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle (4) fließt, an die die Betriebsspannung nach Beginn der Betriebssteuerung angelegt wird; eine Speichereinrichtung (66) um Musterdaten als Korrekturdaten, die einer Vielzahl von Gassensoren (10) mit der gleichen Struktur gemeinsam sind, zu speichern, wobei die Musterdaten ein Muster einer Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts repräsentieren, und zwar nachdem die Betriebssteuerung nach der Ausführung der vorab eingestellten Vorsteuerung gestartet wurde, wobei die Musterdaten in einem Zustand erhalten werden, in dem sowohl die Vorsteuerung als auch die Betriebssteuerung in der Gegenwart eines Referenzgases durchgeführt werden; eine Bestimmungseinrichtung (S65) zum Bestimmen eines Zeitpunkts zum Anwenden der Korrekturdaten derart, dass ein Muster einer Zeitverlaufsänderung, das von dem Konzentrationsentsprechungswert nach Beginn der Betriebssteuerung gezeigt wird, in etwa mit dem Muster der Zeitverlaufsänderung übereinstimmt, das von den Korrekturdaten repräsentiert wird; und eine Korrektureinrichtung (S75) zum Korrigieren des Konzentrationsentsprechungswerts durch Anwenden der Korrekturdaten auf den Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des von der Bestimmungseinrichtung (S65) bestimmten Zeitpunkts.
Sensorsteuerungsgerät (5) nach Anspruch 1, wobei die Speichereinrichtung (66) eine Anwendungszeit speichert, die für den Gassensor (10) auf einer individuellen Grundlage bestimmt wird und die Zeit zwischen dem Beginn der Betriebssteuerung und dem Zeitpunkt des Anwendens der Korrekturdaten darstellt, wobei die Anwendungszeit verwendet wird, um die Korrekturdaten derart anzuwenden, dass das Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung in Gegenwart des Referenzgases mit einer bekannten Konzentration nach Durchführen der Vorsteuerung in etwa mit dem Muster der Zeitverlaufsänderung, die durch die Korrekturdaten dargestellt werden, übereinstimmt; und die Bestimmungseinrichtung (S65) bestimmt, dass der Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten gekommen ist, wenn die Anwendungszeit nach Beginn der Betriebssteuerung verstrichen ist.
Ein Sensorsteuerungsgerät (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Speichereinrichtung (66) des weiteren Steuerungsbedingungen des Sensorsteuerungsgeräts (5) speichert, die für den Gassensor (10) auf einer individuellen Grundlage bestimmt werden und sich auf die Einstellung der Menge des herausgepumpten Sauerstoffs beziehen, wobei die Steuerungsbedingungen derart bestimmt werden, dass der Konzentrationsentsprechungswert nach Beginn der Betriebssteuerung nach Durchführen der Vorsteuerung in den Zielbereich fällt, wobei beide Steuerungen in Gegenwart des Referenzgases mit einer bekannten Konzentration durchgeführt werden; und die Vorsteuerungseinrichtung (S40) die Vorsteuerung unter den Steuerungsbedingungen durchführt.
Sensorsteuerungsgerät (5) nach Anspruch 3, wobei die Steuerungsbedingungen mindestens entweder den Konstantstrom oder die konstante Zeit oder beides umfassen, die für den Gassensor (10) auf einer individuellen Grundlage bestimmt werden.
Sensorsteuerungssystem (1), umfassend einen Gassensor (10) und ein Sensorsteuerungsgerät (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gassensor (10) von dem Sensorsteuerungsgerät (5) gesteuert wird.
Sensorsteuerungsverfahren, das in einem Sensorsteuerungsgerät (5) durchgeführt wird, um einen Gassensor (10) zu steuern, umfassend eine erste Messkammer (23), in die ein Zielgas eingeleitet wird, eine erste Sauerstoffpumpenzelle (2) mit einer ersten Festelektrolytschicht (12) und paarweise angeordneten ersten Elektroden (17, 18), die an der Innenseite bzw. der Außenseite der ersten Messkammer (23) vorgesehen sind, eine zweite Messkammer (30), die mit der ersten Messkammer (23) in Verbindung steht und eine zweite Sauerstoffpumpenzelle (4) mit einer zweiten Festelektrolytschicht (14) und paarweise angeordneten zweiten Elektroden (27, 28), die an der Innenseite bzw. der Außenseite der zweiten Messkammer (30) vorgesehen sind, wobei das Sensorsteuerungsverfahren umfasst: einen Betriebssteuerungsschritt (S55) des Durchführens der Betriebssteuerung zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration des Zielgases, das in die erste Messkammer (23) durch Zuführen von elektrischem Strom zu der ersten Sauerstoffpumpenzelle (2) eingeführt wird, und zum Anlegen einer Betriebsspannung an die zweite Sauerstoffpumpenzelle (4); ein Vorsteuerungsschritt (S40) des Durchführens der Vorsteuerung, die der zweiten Sauerstoffpumpenzelle (4) während eines konstanten Zeitraums vor Beginn der Betriebssteuerung einen Konstantstrom zuführt, um dadurch eine Menge an Sauerstoff auf ein konstantes Niveau zu steuern, die aus der zweiten Messkammer (30) zur Außenseite der zweiten Messkammer (30), herausgepumpt wird; einen Rechenschritt (S70) des Berechnens eines Konzentrationsentsprechungswerts, der eine Konzentration eines spezifischen Gases, das in dem Zielgas enthalten ist, auf der Grundlage der Größe des Stroms, der durch die zweite Sauerstoffpumpenzelle (4) fließt, an die die Betriebsspannung nach Beginn der Betriebssteuerung angelegt wird, darstellt; einen Bestimmungsschritt (S65) des Bestimmens eines Zeitpunkts zum Anwenden von Korrekturdaten derart, dass ein Muster einer Zeitverlaufsänderung, die von dem Konzentrationsentsprechungswert nach Beginn der Betriebssteuerung aufgewiesen wird, in etwa mit einem Muster einer Zeitverlaufsänderung übereinstimmt, das von den Korrekturdaten aufgewiesen wird, wobei die Korrekturdaten Musterdaten sind, die in der Speichereinrichtung (66) des Sensorsteuerungsgeräts (5) gespeichert werden, die einer Vielzahl von Gassensoren (10) mit der gleichen Struktur gemeinsam ist, und die ein Muster einer Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts darstellen, nachdem die Betriebssteuerung gestartet wurde nachdem die Vorsteuerung, die in Voraus eingestellt wurde, durchgeführt wurde, wobei die Musterdaten in einem Zustand erhalten werden, in dem sowohl die Vorsteuerung als auch die Betriebssteuerung in Gegenwart eines Referenzgases durchgeführt werden; und einen Korrekturschritt (S75) des Korrigierens des Konzentrationsentsprechungswerts durch Anwenden der Korrekturdaten auf den Konzentrationsentsprechungswert auf der Grundlage des von dem Bestimmungsschritt (S65) bestimmten Zeitpunkts.
Sensorsteuerungsverfahren nach Anspruch 6, wobei die Speichereinrichtung (66) eine Anwendungszeit speichert, die für den Gassensor (10) individuell bestimmt wird und eine Zeit zwischen dem Beginn der Betriebssteuerung und dem Zeitpunkt für das Anwenden der Korrekturdaten darstellt, wobei die Anwendungszeit verwendet wird, um die Korrekturdaten derart anzuwenden, dass das Muster der Zeitverlaufsänderung des Konzentrationsentsprechungswerts nach Beginn der Betriebssteuerung nach Durchführen der Vorsteuerung, in etwa mit dem Muster der Zeitverlaufsänderung, das von den Korrekturdaten dargestellt wird, übereinstimmt; und der Bestimmungsschritt (S65) bestimmt, dass der Zeitpunkt zum Anwenden der Korrekturdaten gekommen ist, wenn die Anwendungszeit nach Beginn der Betriebssteuerung verstrichen ist.