DE102012017832B4

DE102012017832B4 - Sensorsteuervorrichtung und Sensorsteuersystem

Info

Publication number: DE102012017832B4
Application number: DE102012017832.8A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Hibino
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-10
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: JP5851366B2; US9239273B2; JP2013083246A; DE102012017832A1; US20130133399A1

Abstract

Sensorsteuervorrichtung (5), die an einen Gassensor (2) angeschlossen ist, der an einem Abgasrohr (102) eines Verbrennungsmotors (101) befestigt ist und der ein Erfassungselement (21) zum Erfassen der Konzentration eines Gases, das im Abgas enthalten ist, und eine Heizvorrichtung (26) zum Erwärmen des Erfassungselements (21) enthält, wobei die Sensorsteuervorrichtung (5) umfasst:ein Elementwiderstandserfassungsmittel (S16) zum Erfassen eines Widerstands des Erfassungselements (21);ein Steuermittel für die Heizvorrichtungszufuhrleistung (11, 50, S17) zur Rückkopplungssteuerung von Leistung, die der Heizvorrichtung (26) zugeführt wird, so dass der Elementwiderstand, der von dem Elementwiderstandserfassungsmittel (S16) erfasst wird, mit einem Sollwiderstand übereinstimmt;ein Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24, S32) zum Bestimmen, ob eine Änderung in der Temperatur von Abgas, das durch das Abgasrohr (102) strömt, außerhalb eines zuvor eingestellten zulässigen Bereichs liegt;ein Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) zum Korrigieren des Sollwiderstands, wenn das Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24, S32) bestimmt, dass die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt; undeinen Abgastemperatursensor (3), der an dem Abgasrohr (102) befestigt ist und die Temperatur des Abgases erfasst, gekennzeichnet durchein Zeitbestimmungsmittel (S29, S36) zum Bestimmen, ob ein Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgangswerten des Abgastemperatursensors (3), die in vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner einer spezifischen Temperatur ist, über eine vorbestimmte Zeitperiode anhält oder nicht,wobei das Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) die Korrektur des Sollwiderstands stoppt, wenn das Zeitbestimmungsmittel (S29, S36) bestimmt, dass der Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgangswerten des Abgastemperatursensors (3), die in den vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner dem vorbestimmten Wert ist, über die vorbestimmte Zeitperiode (S29, S36) angehalten hat, undwobei das Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24, S32,) bestimmt, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht, indem es bestimmt, ob eine Änderung in einem Ausgangswert des Abgastemperatursensors (3) außerhalb eines spezifischen Bereichs liegt oder nicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorsteuervorrichtung zum Steuern eines Gassensors, der die Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, das in einem Abgas enthalten ist, das von einem Verbrennungsmotor abgegeben wird, sowie ein Sensorsteuersystem, das den Gassensor und die daran angeschlossene Sensorsteuervorrichtung umfasst.
Üblicherweise ist ein Gassensor in einem Abgaskanal (Abgasrohr) eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges oder dergleichen angeordnet, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird durch Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases, das im Abgas enthalten ist, unter Verwendung des Gassensors gesteuert. Spezifische Beispiele für einen solchen Gassensor sind ein Sauerstoffsensor zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration von Abgas und ein NOx-Sensor zum Erfassen der Konzentration von Stickstoffoxid (NOx). Ein solcher Sauerstoffsensor umfasst ein Erfassungselement mit mindestens einer Zelle, die aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytelement und einem Paar von darauf gebildeten Elektroden besteht. Da die aus einem Festelektrolytelement gebildete Zelle eine gute Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, wenn sie auf eine vorbestimmte Temperatur (Aktivierungstemperatur) erwärmt wird, ist eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Erfassungselements vorgesehen. Zur Aufrechterhaltung des aktiven Zustandes des Sauerstoffsensors (der Zelle) wird die Temperatur des Erfassungselements zu einer Steuerung zurückgeleitet, um so die elektrische Leistung zu steuern, die der Heizvorrichtung zum Erwärmen des Erfassungselements zugeführt wird (Elementtemperatur-Rückkopplungssteuerung). Diese Elementtemperatur-Rückkopplungssteuerung wird auf der Basis des Widerstands des Erfassungselements ausgeführt, der sich mit dessen Temperatur ändert. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Widerstand, der der Aktivierungstemperatur entspricht, als Sollwiderstand verwendet. Wenn sich jedoch der Sauerstoffsensor verschlechtert, erhöht sich der Widerstand des Erfassungselements. Selbst wenn in einem solchen Fall die Temperatur des Sauerstoffsensors die Aktivierungstemperatur ist, erhöht sich aufgrund des erhöhten Widerstands des Erfassungselements die elektrische Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, damit das Erfassungselement den Sollwiderstand aufweist. Infolgedessen erhöht sich die Temperatur des Sauerstoffsensors. Dieser Temperaturanstieg stellt ein Problem dar, da sich die Verschlechterung des Sauerstoffsensors beschleunigt.
Zur Lösung eines solchen Problems wurde eine Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung vorgeschlagen, welche umfasst: ein Steuermittel der Heizvorrichtungszufuhrleistung für eine Rückkopplungssteuerung der elektrischen Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, so dass der Widerstand des Erfassungselements, der sich mit dessen Temperatur ändert, zu einem Sollwiderstand wird; ein Verschlechterungsbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob sich der Sauerstoffsensor verschlechtert hat oder nicht, und zwar auf der Basis eines Anstiegs im Widerstand des Erfassungselements; und ein Sollwiderstandsänderungsmittel zum Ändern des Sollwiderstands, so dass dieser erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass sich der Sauerstoffsensor verschlechtert hat (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). Wenn sich der Sauerstoffsensor verschlechtert hat, wird die elektrische Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, durch Ändern des Sollwiderstands auf einen neuen Sollwiderstand gesteuert, um dadurch einen Anstieg der Temperatur des Sauerstoffsensors zu verhindern. Somit kann der Sauerstoffsensor bei einer Sollelementtemperatur gehalten werden.
Das vorangehend genannte Patentdokument 1 ist die offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. JP H10- 26 599 A .
Im Übrigen ändert sich in einer Übergangsperiode, in der sich der Betriebszustand eines Verbrennungsmotors plötzlich ändert, die Temperatur des Abgases, das durch das Abgasrohr strömt, deutlich. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich auch die Temperatur des Abgases um den Sauerstoffsensor deutlich. Da der Einfluss der Temperaturänderung des Abgases auf den Widerstand des Erfassungselements relativ groß ist, kann der Widerstand des Erfassungselements nicht auf der Sollelementtemperatur gehalten werden, selbst wenn die elektrische Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, rückkopplungsgesteuert wird, damit das Erfassungselement einen unveränderlichen (konstanten) Sollwiderstand aufweist. Obwohl die Sauerstoffkonzentrationserfassungsvorrichtung, die in Patentdokument 1 offenbart ist, den Sollwiderstand korrigiert, wird die Korrektur nur angesichts der Verschlechterung des Sauerstoffsensors durchgeführt und der Sollwiderstand wird nicht unter Berücksichtigung der Übergangsperiode korrigiert, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors plötzlich ändert.
DE 102 56 093 A1 offenbart eine Gaskonzentrationserfassungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen, die jeden Elementwiderstandswert einer Überwachungszelle und einer Pumpzelle erfasst. Ein elektrischer Fluss wird in einer Heizung zugeführt, so dass der Widerstandswert dieser Elemente mit einem Soll-Elementwidestandswert übereinstimmt und NOx-Konzentrationen werden in der Sensorzelle erfasst.
DE 10 2010 026 867 A1 offenbart einen Gassensor zum Messen von Emissionen von Kraftfahrzeugen und insbesondere zum Messen von Stickoxid (NOx)- Emissionen von Kraftzeugen. Es ist insbesondere das Korrigieren eines NOx-Sensors, der in einem Motorauslass verbaut ist, offenbart, um Transienten des Abgasstroms zu berücksichtigen. Solche Transienten können ein Abweichen der Temperatur des NOx-Sensors von einem Sollwert verursachen, da die Heizvorrichtung des Sensors die Temperatur während solcher Transienten nicht halten kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorsteuervorrichtung und ein Sensorsteuersystem bereitzustellen, die selbst in einer Übergangsperiode, in der sich der Betriebszustand eines Verbrennungsmotors ändert, einen Gassensor auf eine Sollelementtemperatur steuern können.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Lösung des vorangehend beschriebenen Problems ist eine Sensorsteuervorrichtung, die an einen Gassensor angeschlossen ist, der an einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors angebracht ist und der ein Erfassungselement zum Erfassen der Konzentration eines Gases, das in Abgas enthalten ist, sowie eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Erfassungselements umfasst. Die Sensorsteuervorrichtung umfasst ein Elementwiderstandserfassungsmittel zum Erfassen eines Widerstands des Erfassungselements; ein Steuermittel für die Heizvorrichtungszufuhrleistung für eine Rückkopplungssteuerung der Leistung, die der Heizvorrichtung zugeführt wird, so dass der Elementwiderstand, der vom Elementwiderstandserfassungsmittel erfasst wird, mit einem Sollwiderstand übereinstimmt; ein Temperaturänderungsbestimmungsmittel zum Bestimmen, ob eine Temperaturänderung von Abgas, das durch das Abgasrohr strömt, außerhalb eines zuvor eingestellten zulässigen Bereichs liegt; und ein Korrekturmittel zum Korrigieren des Sollwiderstands, wenn das Temperaturänderungsbestimmungsmittel bestimmt, dass die Temperaturänderung des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt; und einen Abgastemperatursensor, der an dem Abgasrohr befestigt ist und die Temperatur des Abgases erfasst. Es ist ein Zeitbestimmungsmittel vorgesehen, zum Bestimmen, ob ein Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgangswerten des Abgastemperatursensors, die in vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner einer spezifischen Temperatur ist, über eine vorbestimmte Zeitperiode anhält oder nicht, wobei das Korrekturmittel Korrektur des Sollwiderstands stoppt, wenn das Zeitbestimmungsmittel bestimmt, dass der Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgangswerten des Abgastemperatursensors, die in den vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner dem vorbestimmten Wert ist, über die vorbestimmte Zeitperiode angehalten hat, und wobei das Temperaturänderungsbestimmungsmittel bestimmt, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht, indem es bestimmt, ob eine Änderung in einem Ausgangswert des Abgastemperatursensors außerhalb eines spezifischen Bereichs liegt oder nicht.
In einer Übergangsperiode, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors plötzlich ändert, ändert sich auch die Temperatur des Abgases plötzlich. Unter Berücksichtigung dieses Phänomens bestimmt in der Sensorsteuervorrichtung mit dem zuvor beschriebenen Aufbau das Temperaturänderungsbestimmungsmittel, ob eine Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des spezifischen Bereichs liegt oder nicht, und der Sollwiderstand wird korrigiert, wenn das Temperaturänderungsbestimmungsmittel bestimmt, dass die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des spezifischen Bereichs liegt. Selbst wenn daher der Widerstand des Erfassungselements durch eine große Temperaturänderung des Abgases beeinflusst wird, kann das Erfassungselement durch Verwendung des Steuermittels für die Heizvorrichtungszufuhrleistung auf eine Sollelementtemperatur gesteuert werden.
Insbesondere kann das Temperaturänderungsbestimmungsmittel so gestaltet sein, dass es bestimmt, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases, die mit Hilfe von Mitteln für ein direktes Erfassen der Temperatur des Abgases (z.B. eines Abgastemperatursensors) bestimmt wird, außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht. Alternativ kann das Temperaturänderungsbestimmungsmittel zum Bestimmen gestaltet sein, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases, die auf der Basis des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors geschätzt wird, außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht.
Bei der Sensorsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das Korrekturmittel dazu ausgebildet sein, den Sollwiderstand durch Multiplizieren des Sollwiderstands mit einem Korrekturkoeffizienten zu korrigieren und den Korrekturkoeffizienten auf der Basis der Temperatur des Abgases zu Beginn einer Änderung in der Temperatur des Abgases zu ändern, wenn die Änderung vom zulässigen Bereich abweicht. Selbst wenn das Ausmaß einer Änderung in der Abgastemperatur pro Zeiteinheit in verschiedenen Zuständen dieselbe ist, ist auch der Widerstand des Erfassungselements unter den verschiedenen Zuständen unterschiedlich, wenn sich die Temperatur zu Beginn der Änderung unter den verschiedenen Zuständen unterscheidet. Angesichts dessen wird der Korrekturkoeffizient, der zum Korrigieren des Sollwiderstands verwendet wird, auf der Basis der Temperatur des Abgases zu Beginn einer Änderung in der Temperatur des Abgases geändert, wenn die Änderung vom zulässigen Bereich abweicht. Somit kann ein exakter Korrekturkoeffizient für den Sollwiderstand berechnet werden.
Bei der Sensorsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann das Temperaturänderungsbestimmungsmittel dazu ausgebildet sein, zu bestimmen, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht, indem sie bestimmt, ob eine Änderung in einem Ausgabewert eines Abgastemperatursensors, der am Abgasrohr angebracht ist und die Temperatur des Abgases erfasst, außerhalb eines spezifischen Bereichs liegt oder nicht. Bei der Bestimmung, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht, kann die Änderung in der Temperatur des Abgases direkt mit Hilfe der Ausgabe des Abgastemperatursensors erfasst werden. Daher ist es möglich, exakt zu bestimmen, ob sich der Verbrennungsmotor in einer Übergangsperiode befindet oder nicht, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors plötzlich ändert, und die Korrektur des Sollwiderstands exakt auszuführen. Insbesondere ist die Größe des spezifischen Bereichs in Übereinstimmung mit dem zulässigen Bereich eingestellt, so dass, wenn die Änderung im Ausgabewert des Abgastemperatursensors vom spezifischen Bereich abweicht, die Änderung in der Temperatur des Abgases auch vom zulässigen Bereich abweicht.
Bei der Sensorsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der spezifische Bereich unter Berücksichtigung der Abtastzeitsteuerung des Ausgabewertes des Abgastemperatursensors usw. bestimmt werden, so dass es möglich wird, festzustellen, ob sich der Verbrennungsmotor, an dem der Gassensor angebracht ist, in einer Übergangsperiode befindet, in der sich sein Betriebszustand ändert. Zum Beispiel kann der spezifische Bereich der Bereich einer Änderung im Ausgabewert sein, der 10°C oder mehr pro Sekunde entspricht. Eine Periode, in der sich die Temperatur des Abgases um 10°C oder mehr pro Sekunde ändert, kann als Übergangsperiode angesehen werden, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors plötzlich ändert. Wenn daher ein solcher Bereich als spezifischer Bereich verwendet wird, ist es möglich, die Korrektur des Sollwiderstands unter Berücksichtigung der Übergangsperiode, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors ändert, effektiv durchzuführen.
Das Korrekturmittel stoppt die Korrektur des Sollwiderstands, wenn das Zeitbestimmungsmittel bestimmt, dass der Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgabewerten des Abgastemperatursensors, die in den vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert ist, über die vorbestimmte Zeitperiode angehalten hat. Wenn der Zustand, in dem die Temperaturänderung pro Zeiteinheit in den vorbestimmten Bereich fällt, über eine vorbestimmte Zeitperiode anhält, ist der Betriebszustand des Verbrennungsmotors kein Übergangszustand mehr. Daher muss der Sollwiderstand nicht korrigiert werden, und es ist nur eine Rückkopplungssteuerung der elektrischen Leistung notwendig, die der
Heizvorrichtung zugeführt wird, während der Sollwiderstand auf den ursprünglichen Sollwiderstand zurückgestellt wird.
Das Korrekturmittel kann dazu ausgebildet sein, den Sollwiderstand zu korrigieren, wenn der Ausgabewert des Abgastemperatursensors anzeigt, dass die Temperatur des Abgases steigt, und das Temperaturänderungsbestimmungsmittel bestimmt, dass die Änderung im Ausgabewert außerhalb des spezifischen Bereichs liegt. Die Korrektur des Sollwiderstands ändert sich abhängig davon, ob die Temperatur des Abgases steigt oder sinkt. Wenn die Temperatur des Abgases steigt, kann somit die Korrektur des Sollwiderstands ausgeführt werden, die für einen solchen Zustand geeignet ist.
Ebenso kann das Korrekturmittel dazu ausgebildet sein, den Sollwiderstand zu korrigieren, wenn der Ausgabewert des Abgastemperatursensors anzeigt, dass die Temperatur des Abgases sinkt, und das Temperaturänderungsbestimmungsmittel bestimmt, dass die Änderung im Ausgabewert außerhalb des spezifischen Bereichs liegt. Wenn die Temperatur des Abgases sinkt, kann daher die Korrektur des Sollwiderstands ausgeführt werden, die für einen solchen Zustand geeignet ist.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Lösung des vorangehend beschriebenen Problems, ist ein Sensorsteuersystem, das den Gassensor und die vorangehend beschriebene Sensorsteuervorrichtung umfasst, die an den Gassensor angeschlossen ist. Somit wird es möglich, ein Sensorsteuersystem bereitzustellen, das das Erfassungselement durch Verwendung des Steuermittels für die Heizvorrichtungszufuhrleistung auf die Sollelementtemperatur steuern kann, selbst wenn der Widerstand des Erfassungselements durch eine große Temperaturänderung des Abgases beeinflusst ist.
Die vorliegende Erfindung erzielt die folgenden Wirkungen. In einer Übergangsperiode, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors plötzlich ändert, ändert sich auch die Temperatur des Abgases plötzlich. Unter Berücksichtigung dieses Phänomens bestimmt das Temperaturänderungsbestimmungsmittel, ob eine Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht, und der Sollwiderstand wird korrigiert, wenn das Temperaturänderungsbestimmungsmittel bestimmt, dass die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Daher ist es möglich, eine exakte Korrektur des Sollwiderstands auszuführen, die für die Übergangsperiode, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors plötzlich ändert, geeignet ist. Selbst wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors vorübergehend ist, kann daher der Gassensor (das Erfassungselement) bei einer (konstanten) Sollelementheiztemperatur gesteuert (bei dieser gehalten) werden, wodurch die Erfassungsgenauigkeit des Gassensors während der Betriebsperiode des Verbrennungsmotors gut aufrechterhalten werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine Darstellung, die schematisch den Aufbau eines Abgassystems eines Motors 101 zeigt;
2 eine erläuternde Ansicht, die schematisch den Aufbau einer ECU 5, eines Sauerstoffsensors 2 und eines Abgastemperatursensors 3 zeigt;
3 ein Flussdiagramm einer Hauptverarbeitung;
4 ein Flussdiagramm einer Übergangsperiodenkorrekturverarbeitung;
5 eine Tabelle, die die Entsprechung zwischen Abgastemperatur und Korrekturkoeffizienten zeigt, die bei einem Anstieg der Abgastemperatur verwendet wird;
6 eine Tabelle, die die Entsprechung zwischen Abgastemperatur und Korrekturkoeffizienten zeigt, die bei einem Sinken der Abgastemperatur verwendet wird; und
7 eine Graphik, die Änderungen in der Abgastemperatur, eine Abweichung der Abgastemperatur und den Sollwiderstand zeigt.

Eine elektronische Steuereinheit (nachfolend als „ECU“ bezeichnet) 5, die eine Ausführungsform der Sensorsteuervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, und eine Gassensorvorrichtung 1, die die ECU 5 umfasst, werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird, werden insbesondere zum Beschreiben technischer Merkmale verwendet, die die vorliegende Erfindung verwenden kann, und die Struktur usw. der beschriebenen Vorrichtung schränken die vorliegende Erfindung nicht ein und sind lediglich veranschaulichende Beispiele.
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Kraftfahrzeug 100 einen Motor 101 zum Erzeugen einer Antriebsleistung und die ECU 5 zum Steuern des Betriebs (Betriebszustandes) des Motors 101. Ein Abgasrohr 102 ist an den Motor 101 angeschlossen, um Abgas, das vom Motor 101 abgegeben wird, nach außerhalb des Kraftfahrzeuges abzugeben. Eine Abgasreinigungseinheit 130 ist im Abgasrohr 102 vorgesehen, und ein Abgastemperatursensor 3 zum Erfassen der Temperatur des Abgases und ein Sauerstoffsensor 2 zum Erfassen der Konzentration des Sauerstoffs, der im Abgas enthalten ist, sind stromabwärts der Abgasreinigungseinheit 130 vorgesehen. Der Sauerstoffsensor 2 ist durch einen Kabelstrang 91 elektrisch an eine Offset-Schaltung 40 (siehe 2) der ECU 5 angeschlossen, und der Abgastemperatursensor 3 ist durch einen Kabelstrang 92 an die ECU 5 angeschlossen. Die Gassensorvorrichtung 1 besteht aus der ECU 5, dem Sauerstoffsensor 2 und dem Abgastemperatursensor 3.
Der in 2 dargestellte Sauerstoffsensor 2 weist eine Struktur auf, bei der eine Heizvorrichtung 26 in ein Sensorelement eingesetzt ist, das zu einer Rohrform mit Boden durch Verwendung einer Einzelzelle 21 gebildet ist, und das Sensorelement wird im Inneren einer metallischen Hülle gehalten, die an einem Abgasrohr (nicht dargestellt) angebracht ist. Die Heizvorrichtung 26, die in Form einer Stange oder Platte ausgebildet ist, umfasst einen Heizwiderstand 27, der vorwiegend aus Platin, Wolfram oder dergleichen gebildet ist und der in einem Basiselement vergraben ist, das aus einer isolierenden Keramik aus Aluminiumoxid gebildet ist. Wenn der Sauerstoffsensor 2 an dem Abgasrohr angebracht ist, ist ein distaler Endabschnitt des rohrförmigen Sensorelements mit Boden (der sich an der Seite zum Boden des Rohres hin befindet) in das Abgasrohr eingesetzt, so dass eine poröse Elektrode der Zelle 21 (die Elektrode, die am äußeren Umfang des Sensorelements gebildet ist) dem Abgas ausgesetzt ist. Die andere poröse Elektrode der Zelle 21 (die Elektrode, die am Innenumfang des Sensorelements gebildet ist) wird einem Referenzgas (Luft in der vorliegenden Ausführungsform) ausgesetzt, das von der Außenseite des Abgasrohres in das Rohr eingeführt wird. Wie vorangehend beschrieben wird somit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases (die Sauerstoffkonzentration des Abgases) erfasst.
Die Zelle 21 weist einen inneren Widerstand 22 auf. Es ist bekannt, dass der Widerstand des inneren Widerstandselements 22 abnimmt, wenn die Temperatur des Festelektrolytelements steigt, und eine vorbestimmte Korrelation mit der Temperatur der Zelle 21 aufweist. In der Gassensorvorrichtung 1 wird der innere Widerstand der Zelle 21 erfasst und die elektrische Leistung, die der Heizvorrichtung 26 zugeführt wird, wird so gesteuert, dass der innere Widerstand mit einem Sollwiderstand übereinstimmt. Somit wird die Temperatur der Zelle 21 derart stabilisiert, dass die Temperatur der Zelle 21 bei einer Sollelementtemperatur gehalten wird.
Die ECU 5 ist eine Vorrichtung zur Durchführung einer Steuerung des Motors 101, einschließlich einer Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungsssteuerung (z.B. Einstellung der Kraftstoffmenge, die von einem Injektor eingespritzt wird) aufgrund des Erfassungssignals, das vom Sauerstoffsensor 2 ausgegeben wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Aufbau der ECU 5 beschrieben, der für eine exakte Durchführung einer PID-Steuerung für die Heizvorrichtung 26 und zum Erfassen des inneren Widerstands (Impedanz) der Zelle 21 auf Basis des Erfassungssignals, das vom Sauerstoffsensor 2 ausgegeben wird, erforderlich ist. Die ECU 5 umfasst einen Mikrocomputer 10, eine Ausgabeerfassungsschaltung 20, eine Impulseingangsschaltung 30, eine Offset-Schaltung 40 und eine Heizvorrichtungssteuerschaltung 50. Der Mikrocomputer 10 umfasst eine CPU 11, die die Steuerung der ECU 5 regelt; ein ROM 12, das Programme speichert, die von der CPU 11, usw. ausgeführt werden; ein RAM 13, das vorübergehend verschiedene Daten speichert; und Eingangs- und Ausgangsports 15, 16, 17, usw. zum Empfangen und Ausgeben von Signalen. Die CPU 11, das ROM 12 und das RAM 13 des Mikrocomputers 10 haben insbesondere bekannte Konfigurationen. Ebenso ist der Abgastemperatursensor 3 an den Mikrocomputer 10 über eine nicht dargestellte Schnittstelle angeschlossen, und Daten, die die Temperatur repräsentieren, die vom Abgastemperatursensor 3 erfasst wird, werden in den Mikrocomputer 10 eingegeben.
Die Ausgabeerfassungsschaltung 20, die eine bekannte Schaltung mit Widerstandselementen usw. ist, ist über die Offset-Schaltung 40 an gegenüberliegende Enden der Zelle 21 des Sauerstoffsensors 2, das heißt, die zwei porösen Elektroden, elektrisch angeschlossen. Das Erfassungssignal, das von der Zelle 21 ausgegeben wird, wird in die Ausgabeerfassungsschaltung 20 eingegeben, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 erfasst wird. Die elektromotorische Kraft, die in der Zelle 21 erzeugt wird, kann aus der Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 erfasst werden. Die Ausgabeerfassungsschaltung 20 erhält (erfasst) die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 in vorbestimmten Intervallen und gibt diese an den A/D-Port 16 des Mikrocomputers 10 als ein Signal aus, das die elektromotorische Kraft der Zelle 21 repräsentiert.
Ebenso weist die Ausgabeerfassungsschaltung 20 eine nicht dargestellte Abtastungshalteschaltung auf und kann die erhaltene Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 halten. Wenn eine Impulsspannung an die Zelle 21 angelegt wird, ändert sich die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden in Übereinstimmung mit dem inneren Widerstand der Zelle 21. Wenn daher der innere Widerstand der Zelle 21 erfasst werden soll, wird durch die Impulseingangsschaltung 30 eine Impulsspannung an die Zelle 21 angelegt. Die Ausgabeerfassungsschaltung 20 erfasst auch die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21, wenn die Impulsspannung an die Zelle 21 angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 unmittelbar vor dem Anlegen der Impulsspannung in der Abtastungshalteschaltung gehalten. Die Ausgabeerfassungsschaltung 20 gibt die Differenz zwischen der Potentialdifferenz, wenn keine Impulsspannung angelegt wird, und jener, wenn die Impulsspannung angelegt wird, an den A/D-Port 16 des Mikrocomputers 10 aus; das heißt, eine Änderung in der Potentialdifferenz, die durch das Anlegen der Impulsspannung verursacht wird, als ein Signal, das den inneren Widerstand der Zelle 21 repräsentiert.
Die Offset-Schaltung 40 ist in Verdrahtungsleitungen vorgesehen, die die gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 mit der Ausgabeerfassungsschaltung 20 verbinden, und verschiebt das Potential der elektromotorischen Kraft, das von der Zelle 21 ausgegeben wird. Insbesondere ist ein Widerstandselement 42 an einen Knoten P auf einer Verdrahtungsleitung angeschlossen, die eine Verbindung zwischen dem Seitenende höheren Potentials der Zelle 21 und der Ausgabeerfassungsschaltung 20 herstellt, und an einen Knoten Q auf einer Verdrahtungsleitung, die eine Verbindung zwischen dem Seitenende geringeren Potentials der Zelle 21 und der Ausgabeerfassungsschaltung 20 herstellt. Der Knoten Q an der Seite geringeren Potentials ist an eine Referenzpotentialleitung (GND) der ECU 5 angeschlossen. Die Referenzpotentialleitung der ECU 5 ist insbesondere zum Beispiel an die Karosserie des Kraftfahrzeuges angeschlossen. Der Knoten P an der Seite höheren Potentials ist über ein Widerstandselement 41 an eine Leistungsversorgung angeschlossen, die eine vorbestimmte Leistungsversorgungsspannung VCC ausgibt. Ebenso ist ein Widerstandselement 43 zum Vermeiden von Rauschen zwischen dem Knoten P und der Ausgabeerfassungsschaltung 20 angeschlossen.
Wie vorangehend beschrieben, weist das Festelektrolytelement, das teilweise die Zelle 21 bildet, eine Charakteristik derart auf, dass sein innerer Widerstand abnimmt, wenn die Temperatur des Festelektrolytelements steigt. Das heißt, in einem Zustand, in dem die Temperatur des Festelektrolytelements nieder ist (was in der Folge als ein „nicht aktiver Zustand“ bezeichnet sein kann), ist der innere Widerstand hoch und die Zelle 21 wird im Wesentlichen isolierend. Wenn die Temperatur des Festelektrolytelements steigt, nimmt auch der innere Widerstand ab. Wenn die Zelle 21 aktiviert wird (was in der Folge als ein „aktiver Zustand“ bezeichnet sein kann), ist der innere Widerstand gering. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases an der reichen Seite ist, weist die elektromotorische Kraft der Zelle 21 eine Potentialdifferenz von etwa 900 mV im Verhältnis zum Referenzpotential auf. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf der mageren Seite ist, weist die elektromotorische Kraft der Zelle 21 eine Potentialdifferenz von etwa 50 mV im Verhältnis zum Referenzpotential auf.
Die Leistungsversorgungsspannung VCC wird durch das Widerstandselement 41 und das Widerstandselement 42 so geteilt, dass das Potential am Knoten P in der vorliegenden Ausführungsform etwa 450 mV wird. Das Widerstandselement 42 wird so gewählt, dass sein Widerstand ausreichend kleiner als der innere Widerstand der Zelle 21 im nicht aktiven Zustand wird, und ausreichend größer ist als der innere Widerstand der Zelle 21 im aktiven Zustand. Wenn die Zelle 21 im nicht-aktiven Zustand ist, fließt kein Strom durch die Zelle 21 und es wird keine elektromotorische Kraft erzeugt. Daher ist die Ausgabe der Zelle 21 0 V. Die Ausgabeerfassungsschaltung 20 empfängt jedoch etwa 450 mV von der Offset-Schaltung 40 als Ausgabe der Zelle 21. Wenn die Zelle 21 übrigens im aktiven Zustand ist, fließt kaum Strom durch das Widerstandselement 42, dessen Widerstand ausreichend größer als der innere Widerstand ist. Daher ist die Spannung, die die Ausgabeerfassungsschaltung 20 von der Offset-Schaltung 40 als den Ausgabewert der Zelle 21 empfängt (der Wert, der durch das Erfassungssignal angegeben ist) im Wesentlichen gleich der elektromotorischen Kraft der Zelle 21.
Die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 umfasst zum Beispiel einen Transistor 51. Der Kollektor des Transistors 51 ist an ein Ende der Heizvorrichtung 26 angeschlossen, der Emitter des Transistors 51 ist über ein vorbestimmtes Widerstandselement (nicht dargestellt) an die Referenzpotentialleitung angeschlossen und die Basis des Transistors 51 ist an den PWM-Port 17 des Mikrocomputers 10 angeschlossen. Das andere Ende der Heizvorrichtung 26 ist an eine Batterie 6 angeschlossen, die der ECU 5 elektrische Leistung zuführt. Die Anregung der Heizvorrichtung 26 wird vom Mikrocomputer 10 durch eine PID-Steuerung gesteuert. Elektrizität wird der Heizvorrichtung 26 von der Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 durch eine PWM-Steuerung zugeführt, die aufgrund eines Tastverhältnisses, das vom Mikrocomputer 10 berechnet wird, ausgeführt wird. Insbesondere wird ein Signal zum Ein- und Ausschalten des Transistors 51 vom PWM-Port 17 des Mikrocomputers 10 ausgegeben, so dass der Strom, der zwischen dem Kollektor und Emitter des Transistors 51 fließt, das heißt, der Strom, der von der Batterie 6 zur Heizvorrichtung 26 strömt, gesteuert wird. Die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 kann insbesondere durch Verwendung eines FET oder dergleichen anstelle des Transistors 51 konfiguriert werden.
Die Impulseingangsschaltung 30 ist eine Schaltung zum Anlegen einer Impulsspannung mit einer rechteckigen Wellenform über die Ausgabeerfassungsschaltung 20 an die Zelle 21. Digitale Daten, die eine rechteckige Impulswellenform darstellen, werden durch eine Berechnung erzeugt, die vom Mikrocomputer 10 ausgeführt wird, und werden vom I/O-Port 15 an die Impulseingangsschaltung 30 ausgegeben. Die Impulseingangsschaltung 30 erzeugt auf der Basis der empfangenen Impulswellenformdaten eine rechteckige Impulsspannung und legt die Impulsspannung an die Zelle 21 an. Die Anlegungszeit der Impulsspannung kann insbesondere innerhalb eines Bereichs von mehreren ms bis mehreren Hundert ms richtig bestimmt werden.
Wie vorangehend beschrieben, ändert sich infolge des Anlegens der Impulsspannung an die Zelle 21 die Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21, die von der Ausgabeerfassungsschaltung 20 ermittelt (erfasst) wird, vorübergehend. Mit anderen Worten, das Potential, das zwischen den gegenüberliegenden Enden des inneren Widerstandselements 22 infolge des Anlegens der Impulsspannung erzeugt wird, wird zu der elektromotorischen Kraft der Zelle 21 addiert und die Summe des Potentials und der elektromotorischen Kraft wird von der Ausgabeerfassungsschaltung 20 als das Erfassungssignal ermittelt (erfasst), das von der Zelle 21 ausgegeben wird. Daher kann der innere Widerstand der Zelle 21 (und somit die Temperatur der Zelle 21, die eine Korrelation mit dem inneren Widerstand aufweist) aus der Änderung der Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Enden der Zelle 21 berechnet werden, wobei die Änderung infolge des Anlegens der Impulsspannung erzeugt wird und von der Ausgabeerfassungsschaltung 20 als ein Erfassungssignal erhalten wird. Wenn sich in der Gassensorvorrichtung 1 die Zelle 21 im aktiven Zustand befindet, wird der Heizvorrichtung 26 durch die PWM-Steuerung auf der Basis der PID-Steuerung, wie vorangehend beschrieben, elektrische Leistung zugeführt, so dass der innere Widerstand der Zelle 21 mit dem Sollwiderstand übereinstimmt.
Nachfolgend wird die Hauptverarbeitung der Gassensorvorrichtung 1 beschrieben. In der folgenden Beschreibung ist insbesondere jeder Schritt im Flussdiagramm mit „S“ abgekürzt.
Die Gassensorvorrichtung 1 wird zum Beispiel betrieben, wenn der Motor des Kraftfahrzeugs gestartet wird, und die CPU 11 des Mikrocomputers 10 der ECU 5 startet die Ausführung eines Hauptverarbeitungsprogramms, das im ROM 12 gespeichert ist. Wie in 3 dargestellt, stellt die CPU 11, die das Hauptverarbeitungsprogramm gestartet hat, ein Tastverhältnis, das in der PWM-Steuerung verwendet wird, auf einen festen Wert ein (S11). In der vorliegenden Ausführungsform wird dieses Tastverhältnis insbesondere auf 1 (100%) gestellt und ein kontinuierliches EIN/AUS-Signal wird an die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 ausgegeben (in diesem Fall wird üblicherweise ein EIN-Signal an die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 ausgegeben). Die Spannung der Batterie 6 wird als solche an den Heizwiderstand 27 der Heizvorrichtung 26 angelegt, wodurch die Temperatur der Zelle 21 im Laufe der Zeit steigt.
Anschließend erhält die CPU 11 die Ausgabe (das Erfassungssignal) des Gassensors 2 (S12). In dieser Verarbeitung wird das Erfassungssignal der Zelle 21, das über die Ausgabeerfassungsschaltung 20 erhalten wird, dem Mikrocomputer 10 über den A/D-Port 16 eingegeben und die CPU 11 liest den Wert des Erfassungssignals (S12). Solange der Wert (die Spannung) des Erfassungssignals nicht größer als 600 mV (S13: NEIN) und nicht niedriger als 300 mV (S14: NEIN) ist, kehrt die CPU 11 zu S12 zurück, um die Überwachung des Wertes des Erfassungssignals zu wiederholen. Wenn die Zelle 21 in einem nicht aktiven Zustand ist (einem Zustand, bevor die Temperatur der Zelle 21 die Aktivierungstemperatur erreicht), beträgt die Spannung des Erfassungssignals etwa 450 mV. Selbst nachdem die Temperatur der Zelle 21 die Aktivierungstemperatur erreicht hat, wird die Spannung des Erfassungssignals in einer Periode, in der die Zelle 21 noch nicht ausreichend erwärmt wurde, 600 mV oder weniger, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der reichen Seite ist, und wird 300 mV oder mehr, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der mageren Seite ist. Obwohl die Zelle 21 aktiviert ist, ist in einem solchen Fall die Differenz zwischen dem Wert des Erfassungssignals, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases an der reichen Seite ist, und dem Wert des Erfassungssignals, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf der mageren Seite ist, gering und die Genauigkeit, die zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases erforderlich ist, kann nicht zufrieden stellend erhalten werden.
Wenn die Ausgabe (die Ausgangsspannung) der Zelle 21 größer als 600 mV wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zur reichen Seite wechselt (S13: JA), oder wenn die Ausgabe (die Ausgangsspannung) der Zelle 21 kleiner als 300 mV wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zur reichen Seite wechselt (S14: JA), fährt die CPU 11 mit S15 fort. Da der Motor bereits gestartet wurde, ändert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases für einen Augenblick. Wenn der Ausgabewert der Zelle 21 größer als 600 mV oder kleiner als 300 mV wird, wird bestimmt, dass die Zelle 21 bis zu einem Maß aktiviert ist, das zum Erhalten einer notwendigen Genauigkeit zum Erfassen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases erforderlich ist. Infolgedessen kann die ECU 5 die separat durchgeführte, offene Schleifensteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu der bekannten Rückkopplungssteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (geschlossenen Schleifensteuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) ändern, die auf der Basis der Ausgabe (Erfassungssignals) der Zelle 21 durchgeführt wird.
Die CPU 11 gibt digitale Daten, die eine Impulswellenform darstellen, über den I/O-Port 15 an die Impulseingangsschaltung 30 (S15) aus. Die Impulseingangsschaltung 30 erzeugt eine rechteckige Impulsspannung und legt die Impulsspannung an die Zelle 21 an. Die Ausgabeerfassungsschaltung 20 erhält das Potential der Zelle 21, das sich infolge des Anlegens der Impulsspannung geändert hat, und gibt es an den A/D-Port 16 des Mikrocomputers 10 aus. Die CPU 11 berechnet den aktuellen inneren Widerstand der Zelle 21 aus dem erhaltenen Potential der Zelle 21, das sich infolge des Anlegens der Impulsspannung (S16) geändert hat.
Die CPU 11 führt eine PID-Berechnung aufgrund des inneren Widerstands der Zelle 21, der in S16 erhalten wurde, und eines Sollwiderstands TRi aus und berechnet das Tastverhältnis, das zum Steuern der Elektrizitätszufuhr zur Heizvorrichtung 26 durch die PWM-Steuerung verwendet wird. Die vorangehend genannte PID-Berechnung wird insbesondere durch Ausführen eines bekannten Berechnungsunterprogramms erreicht. Dann gibt die CPU 11 kontinuierlich ein EIN/AUS-Signal an die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 (S17) in Übereinstimmung mit dem berechneten Tastverhältnis aus. Das heißt, mit Hilfe des Heizvorrichtungssteuerprogramms (nicht dargestellt) wird ein PMW-Steuersignal zum Ein- und Ausschalten des Transistors 51 in Übereinstimmung mit dem Tastverhältnis erzeugt und an die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 ausgegeben. Der Sollwiderstand TRi, der zur PID-Berechnung in S17 verwendet wird, ist insbesondere der letzte (mit anderen Worten, korrigierte) Sollwiderstand TRi. Bei jeder Ausführung der Verarbeitung von S17 wird der letzte Sollwiderstand TRi durch Multiplizieren eines zuvor eingestellten Sollwiderstands TRi mit einem Übergangskorrekturkoeffizienten, der später beschrieben wird, erhalten. Die Berechnung des Übergangskorrekturkoeffizienten und die Korrektur des Sollwiderstands TRi werden später beschrieben.
Anschließend wartet die CPU 11, bis eine vorbestimmte Zeit (z.B. 10 bis 50 msec) verstrichen ist (S18: NEIN). Wenn die CPU 11 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit verstrichen ist (S18: JA), legt die CPU 11 die Impulsspannung an die Zelle 21 an (S15). Anschließend wiederholt die CPU 11 S16 bis S18.
Anschließend wird eine Übergangsperiodenkorrektur des Sollwiderstands, die während einer Übergangsperiode des Betriebs des Motors 101 ausgeführt wird, unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 4 beschrieben. Ein Übergangsperiodenkorrekturprogramm des Flussdiagramms von 4 ist im ROM 12 gespeichert und wird von der CPU 11 jeweils nach dem Verstreichen von 1 Sekunde wiederholt ausgeführt. Die CPU 11 erhält zuerst die aktuelle Abgastemperatur vom Abgastemperatursensor 3 (S21). Anschließend berechnet die CPU 11 die Differenz zwischen der aktuellen Abgastemperatur und der letzten Abgastemperatur, die bereits im RAM 13 gespeichert ist (S22). Diese Differenz wird auch im RAM 13 gespeichert. Anschließend bestimmt die CPU 11, ob die Abgastemperatur tendenziell steigt oder nicht (S23). Die CPU 11 bestimmt, dass die Abgastemperatur tendenziell steigt (S23: JA), wenn die in S22 berechnete Differenz positiv ist, und bestimmt, dass die Abgastemperatur tendenziell nicht steigt (S23: NEIN), wenn die in S22 berechnete Differenz Null oder negativ ist.
Wenn die Abgastemperatur tendenziell steigt (S23: JA), bestimmt die CPU 11, ob der Absolutwert der Differenz nicht kleiner als eine erste Temperatur (z.B. 20°C) ist und ein TransientFlg auf AUS ist. Dieses TransientFlg ist ein Flag, das anzeigt, ob die Übergangsperiodenkorrektur durchgeführt wird, und ist im RAM 13 gespeichert. Wenn der Wert des TransientFlg „1“ ist, ist das TransientFlg EIN, und wenn der Wert des TransientFlg „0“ ist, ist das TransientFlg AUS. Wenn der Absolutwert der Differenz nicht kleiner als die erste Temperatur ist und das TransientFlg AUS ist (S24: JA), erhält die CPU 11 unter Bezugnahme auf eine Korrekturkoeffiziententabelle, die in 5 dargestellt ist und verwendet wird, wenn die Abgastemperatur steigt, einen Korrekturkoeffizienten für den Sollwiderstandübergang, wobei dieser Koeffizient der aktuellen Abgastemperatur entspricht, die in S21 erhalten wurde (S25). Diese Korrekturkoeffiziententabelle, die verwendet wird, wenn die Abgastemperatur steigt, ist im ROM 12 gespeichert. Wenn zum Beispiel die Abgastemperatur, die vom Abgastemperatursensor 3 erhalten wird, nicht kleiner als 400°C und kleiner als 500°C ist, wird 1,00 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 500°C und kleiner als 600°C ist, wird 1,10 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 600°C und kleiner als 700°C ist, wird 1,20 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 700°C und kleiner als 720°C ist, wird 1,20 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 720°C und kleiner als 740°C ist, wird 1,10 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 740°C und kleiner als 760°C ist, wird 1,10 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 760°C und kleiner als 800°C ist, wird 1,10 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur 800°C oder größer ist, wird 1,10 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten.
Anschließend speichert die CPU 11 den erhaltenen Übergangskorrekturkoeffizienten im RAM 13 (S26). Anschließend speichert die CPU 11 „1“ in einem Speicherbereich des RAM 13 entsprechend dem TransientFlg, um dadurch das TransientFlg auf EIN zu setzen (S27). Anschließend speichert die CPU 11 die aktuelle Abgastemperatur, die in S21 erhalten wurde, im RAM 13, um sie dadurch zu halten (S28). Danach beendet die CPU 11 die Verarbeitung.
Wenn die CPU 11 in S23 bestimmt, dass die Abgastemperatur tendenziell nicht steigt (S23: NEIN), bestimmt die CPU 11, ob der Absolutwert der Differenz nicht kleiner als eine zweite Temperatur (z.B. 30°C) ist und das TransientFlg AUS ist (S32). Wenn der Absolutwert der Differenz nicht kleiner als die zweite Temperatur ist und das TransientFlg AUS ist (S32: JA), erhält die CPU 11 unter Bezugnahme auf eine Korrekturkoeffiziententabelle, die in 6 dargestellt ist und die verwendet wird, wenn die Abgastemperatur sinkt, einen Korrekturkoeffizienten für den Sollwiderstandsübergang, wobei dieser Koeffizient der aktuellen Abgastemperatur entspricht, die in S21 erhalten wurde (S33). Diese Korrekturkoeffiziententabelle, die verwendet wird, wenn die Abgastemperatur sinkt, wird im ROM 12 gespeichert. Wenn zum Beispiel die Abgastemperatur, die vom Abgastemperatursensor 3 erhalten wird, nicht kleiner als 400°C und kleiner als 500°C ist, wird 1,00 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 500°C und kleiner als 600°C ist, wird 1,00 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 600°C und kleiner als 700°C ist, wird 0,98 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 700°C und kleiner als 720°C ist, wird 0,96 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 720°C und kleiner als 740°C ist, wird 0,93 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 740°C und kleiner als 760°C ist, wird 0,90 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur nicht kleiner als 760°C und kleiner als 800°C ist, wird 0,73 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten. Wenn die erhaltene Abgastemperatur 800°C oder größer ist, wird 0,50 als Übergangskorrekturkoeffizient erhalten.
Anschließend speichert die CPU 11 den erhaltenen Übergangskorrekturkoeffizienten im RAM 13 (S34). Anschließend speichert die CPU 11 „1“ im Speicherbereich des RAM 13 entsprechend dem TransientFlg, um dadurch das TransientFlg auf EIN zu setzen (S35). Anschließend speichert die CPU 11 die aktuelle Abgastemperatur, die in S21 erhalten wurde, im RAM 13, um diese dadurch zu halten (S28). Danach beendet die CPU 11 die Verarbeitung.
Wenn die CPU 11 in S24 bestimmt hat, dass die Bedingung, dass der Absolutwert der Differenz nicht kleiner ist als die erste Temperatur und das TransientFlg AUS ist, nicht erfüllt ist (S24: NEIN) (nämlich der Fall, dass der Absolutwert der Differenz kleiner ist als die erste Temperatur (z.B. 20°C), oder der Fall, dass das TransientFlg EIN ist und die Übergangsperiodenkorrektur aktuell durchgeführt wird (S24: NEIN)), wenn ein Zustand, in dem der Absolutwert der Differenz gleich oder kleiner einer dritten Temperatur (z.B. 3°C) ist, über eine vorbestimmte Zeitperiode (z.B. 5 Sekunden) anhält (S29: JA), speichert die CPU 11 „0“ im Speicherbereich des RAM 13 entsprechend dem TransientFlg, um dadurch das TransientFlg auf AUS zu setzen (S30). Anschließend stellt die CPU 11 den im RAM 13 gespeicherten Übergangskorrekturkoeffizienten auf 1,00 zur Initialisierung (S31). Anschließend speichert die CPU 11 die aktuelle Abgastemperatur, die in S21 erhalten wurde, im RAM 13, um diese dadurch zu halten (S28). Danach beendet die CPU 11 die Verarbeitung.
Auch wenn die CPU 11 in S32 bestimmt hat, dass die Bedingung, dass der Absolutwert der Differenz nicht kleiner ist als die zweite Temperatur und das TransientFlg AUS ist, nicht erfüllt ist (S32: NEIN) (nämlich wenn der Absolutwert der Differenz kleiner ist als die zweite Temperatur (z.B. 30°C) oder wenn das TransientFlg EIN ist und die Übergangsperiodenkorrektur aktuell durchgeführt wird (S32: NEIN)), wenn ein Zustand, in dem der Absolutwert der Differenz gleich oder kleiner der dritten Temperatur (z.B. 3°C) ist, über die vorbestimmte Zeitperiode (z.B. 5 Sekunden) anhält (S36: JA), speichert die CPU 11 „0“ im Speicherbereich des RAM 13 entsprechend dem TransientFlg, um dadurch das TransientFlg auf AUS zu setzen (S37). Anschließend stellt die CPU 11 den Übergangskorrekturkoeffizienten, der im RAM 13 gespeichert ist, auf 1,00 zur Initialisierung (S38). Anschließend speichert die CPU 11 die aktuelle Abgastemperatur, die in S21 erhalten wurde, im RAM 13, um diese dadurch zu halten (S28). Danach beendet die CPU 11 die Verarbeitung. Insbesondere wenn die CPU 11 eine NEIN-Bestimmung in S29 vorgenommen hat und wenn die CPU 11 eine NEIN-Bestimmung in S36 vorgenommen hat, speichert die CPU 11 die aktuelle Abgastemperatur, die in S21 erhalten wurde, im RAM 13, um diese dadurch zu halten (S28). Danach beendet die CPU 11 die Verarbeitung.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Korrektur des Sollwiderstands TRi beschrieben. Die CPU 11 liest den Übergangskorrekturkoeffizienten, der im RAM 13 gespeichert ist, aus und korrigiert den Sollwiderstand TRi entsprechend der folgenden Berechnungsformel. $TRi = TRi \times \ddot{U} bergangskorrekturkoeffizient$
Wie vorangehend beschrieben, wird eine solche Korrektur des Sollwiderstands TRi durch die Verarbeitung von S17 im Hauptverarbeitungsprogramm von 3 durchgeführt.
Das Funktionsprinzip der vorliegenden Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Es muss festgehalten werden, dass 7 für ein besseres Verständnis des Funktionsprinzips der ECU 5 als Sensorsteuervorrichtung vorgesehen ist. Vom Zeitpunkt T0, zu dem der Motor 101 gestartet wurde, bis zum Zeitpunkt T1 ist die vom Abgastemperatursensor 3 erfasste Abgastemperatur im Wesentlichen stabil ohne Änderung. Da in dieser. Periode die Abweichung (Änderungsrate der Abgastemperatur 0 ist, wird ein vorbestimmter Sollwiderstand ohne Korrektur verwendet. Die Abgastemperatur steigt in der Periode zwischen Zeitpunkt T1 und Zeitpunkt T2 steil an. Da die Abweichung (Änderungsrate) der Abgastemperatur in dieser Periode steigt, wird der Sollwiderstand von A1 zu A2 korrigiert. Da in einer folgenden Periode zwischen Zeitpunkt T2 und Zeitpunkt T3 der Anstieg in der Abgastemperatur geringfügig ist, nimmt die Abweichung der Abgastemperatur ab. Daher wird der vorbestimmte Sollwiderstand ohne Korrektur verwendet. Da in einer folgenden Periode zwischen Zeitpunkt T3 und Zeitpunkt T4 die Abgastemperatur geringfügig abnimmt, wird die Abweichung der Abgastemperatur etwas unter Null (wird negativ). Daher wird der vorbestimmte Sollwiderstand ohne Korrektur verwendet. Da in einer folgenden Periode zwischen Zeitpunkt T4 und Zeitpunkt T5 die Abgastemperatur deutlich sinkt, nimmt die Abweichung der Abgastemperatur einen großen negativen Wert ein. Daher wird der Sollwiderstand von B1 zu B2 korrigiert. In einer anschließenden Periode zwischen Zeitpunkt T5 und Zeitpunkt T6 ändert sich die vom Abgastemperatursensor 3 erfasste Abgastemperatur nicht und ist stabil. Daher ist in dieser Periode die Abweichung der Abgastemperatur gleich 0. Daher wird der vorbestimmte Sollwiderstand ohne Korrektur verwendet.
Wie vorangehend beschrieben, liest in der vorliegenden Ausführungsform die CPU 11 der ECU 5 die Temperatur des Abgases, die vom Abgastemperatursensor 3 in Intervallen von 1 Sekunde erfasst wird, und berechnet das Ausmaß der Änderung in der Abgastemperatur in jedem Intervall von 1 Sekunde. Wenn die CPU 11 auf der Basis des Änderungsausmaßes bestimmt, dass sich der Motor 101 in einem Übergangsbetriebszustand befindet, korrigiert die CPU 11 den Sollwiderstand. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Bestimmung, ob die Temperaturänderung des Abgases außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt oder nicht, durch die Bestimmung, ob die Änderung in der Abgastemperatur, die vom Abgastemperatursensor 3 erfasst wird, außerhalb eines spezifischen Bereichs liegt. Wenn bestimmt wird, dass die Temperaturänderung des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, wird der Sollwiderstand korrigiert. Insbesondere, wenn die Erhöhungsrate der Abgastemperatur groß ist, wird der Sollwiderstand größer als der Vorgabewert gemacht, indem der Übergangskorrekturkoeffizient erhöht wird, wodurch die Erwärmung durch die Heizvorrichtung 26 eingeschränkt wird (die Sollerwärmungstemperatur wird gesenkt). Auch wenn die Senkungsrate der Abgastemperatur groß ist, wird der Sollwiderstand kleiner als der Vorgabewert gemacht, indem der Übergangskorrekturkoeffizient gesenkt wird, wodurch die Erwärmung durch die Heizvorrichtung 26 verstärkt wird (die Sollerwärmungstemperatur erhöht wird). Selbst wenn sich der Motor 101 in einem Übergangsbetriebszustand befindet, kann daher die Zelle 21 (das Erfassungselement) des Sauerstoffsensors 2 exakt auf die Sollerwärmungstemperatur gesteuert werden, wodurch eine exakte Erfassung der Sauerstoffkonzentration fortgesetzt werden kann.
In der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ist der Motor 101 ein Beispiel des „Verbrennungsmotors“; die ECU 5 ist ein Beispiel der „Sensorsteuervorrichtung“; und der Sauerstoffsensor 2 ist ein Beispiel des „Gassensors.“ Der Abgastemperatursensor 3 ist ein Beispiel des „Abgastemperatursensors“; und die Heizvorrichtung 26 ist ein Beispiel der „Heizvorrichtung“. Die CPU 11, die die Verarbeitung von S16 von 3 ausführt, ist ein Beispiel des „Elementwiderstandserfassungsmittels“; und die Heizvorrichtungssteuerschaltung 50 und die CPU 11, die die Verarbeitung von S17 von 3 ausführt, sind ein Beispiel des „Steuermittels für die Heizvorrichtungszufuhrleistung“. Die CPU 11, die die Bestimmungsverarbeitung von S24 oder S32 von 4 ausführt, ist ein Beispiel des „Temperaturänderungsbestimmungsmittels“; die CPU 11, die die Verarbeitung von S25 oder S33 von 4 ausführt, ist ein Beispiel des „Korrekturmittels“; und die CPU 11, die die Bestimmungsverarbeitung von S29 oder S36 von 4 ausführt, ist ein Beispiel des „Zeitbestimmungsmittels“.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorangehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und verschiedene Modifizierungen sind möglich. Zum Beispiel muss die erste Temperatur in S24 von 4 nicht unbedingt 20°C sein und die erste Temperatur kann 10°C sein. Ebenso muss die zweite Temperatur in S32 von 4 nicht unbedingt 30°C sein und die zweite Temperatur kann 10°C oder 20°C sein. Ebenso muss die dritte Temperatur in S29 und S36 von 4 nicht unbedingt 3°C sein und die dritte Temperatur kann 5°C sein, usw. Die vorbestimmte Periode muss nicht unbedingt 5 Sekunden sein und die vorbestimmte Periode kann 10 Sekunden sein, usw. Das heißt, diese Werte können entsprechend den Eigenschaften des Motors 101 und des Sauerstoffsensors 2 passend bestimmt werden. Die Übergangsperiodenkorrektur von 4 muss nicht unbedingt in Intervallen von 1 Sekunde ausgeführt werden und kann in kürzeren Intervallen ausgeführt werden.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird zur Bestimmung, ob die Temperaturänderung des Abgases jene in der Übergangsperiode ist oder nicht, in der sich der Betriebszustand des Verbrennungsmotors ändert, die Abgastemperatur mit Hilfe des Abgastemperatursensors 3 erfasst und eine Bestimmung vorgenommen, ob der Absolutwert der Abweichung gleich oder größer als die erste Temperatur ist (S24) oder ob der Absolutwert der Abweichung gleich oder größer als die zweite Temperatur ist (S32). Wenn jedoch eine Bestimmung durchgeführt wird, ob die Temperaturänderung des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, kann die Temperatur des Abgases anhand des Betriebszustandes des Motors 101 geschätzt werden, anstatt die Temperatur des Abgases mit Hilfe des Abgastemperatursensors 3 zu messen.
Zum Beispiel wird eine Kennwertkarte, die das Verhältnis zwischen der Abgastemperatur und dem Betriebszustand des Motors 101 definiert, zuvor im ROM 12 des Mikrocomputers 10 der ECU 5 gespeichert. Verschiedene Parameter zum Bestimmen des Betriebszustandes, wie die Motordrehzahl, Breite von Kraftstoffeinspritzimpulsen und Drosselöffnung, werden in den Mikrocomputer 10 eingegeben. Die CPU 11 des Mikrocomputers 10 berechnet den Betriebszustand des Motors 101, schätzt die Abgastemperatur unter Bezugnahme auf die vorangehend genannte Kennwertkarte, berechnet die Differenz zwischen der geschätzten Abgastemperatur und der Abgastemperatur, die im vorangehenden Berechnungszyklus geschätzt wurde, und berechnet die Temperaturänderung des Abgases. Als Alternative kann die Temperatur des Abgases, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (kokai) Nr 2010-7492 offenbart, durch Korrigieren einer zuvor eingestellten Referenzabgastemperatur mit Korrekturkoeffizienten geschätzt werden, die auf der Basis der angezeigten Leistung in einem Betriebszustand des Motors 101 und eines Ansaugluftmengenverhältnisses bestimmt werden, das das Verhältnis einer Ansaugluftmenge im Betriebszustand des Motors 101 zu einer Referenzansaugluftmenge, die dem Betriebszustand des Motors 101 entspricht, ist.
Bezugszeichenliste

2: Sauerstoffsensor (Gassensor)
3: Abgastemperatursensor
5: Elektronische Steuereinheit (ECU)
10: Mikrocomputer
11: CPU
12: ROM
13: RAM
20: Ausgabeerfassungsschaltung
21: Zelle
26: Heizvorrichtung
30: Impulseingangsschaltung
50: Heizvorrichtungssteuerschaltung

Claims

Sensorsteuervorrichtung (5), die an einen Gassensor (2) angeschlossen ist, der an einem Abgasrohr (102) eines Verbrennungsmotors (101) befestigt ist und der ein Erfassungselement (21) zum Erfassen der Konzentration eines Gases, das im Abgas enthalten ist, und eine Heizvorrichtung (26) zum Erwärmen des Erfassungselements (21) enthält, wobei die Sensorsteuervorrichtung (5) umfasst: ein Elementwiderstandserfassungsmittel (S16) zum Erfassen eines Widerstands des Erfassungselements (21); ein Steuermittel für die Heizvorrichtungszufuhrleistung (11, 50, S17) zur Rückkopplungssteuerung von Leistung, die der Heizvorrichtung (26) zugeführt wird, so dass der Elementwiderstand, der von dem Elementwiderstandserfassungsmittel (S16) erfasst wird, mit einem Sollwiderstand übereinstimmt; ein Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24, S32) zum Bestimmen, ob eine Änderung in der Temperatur von Abgas, das durch das Abgasrohr (102) strömt, außerhalb eines zuvor eingestellten zulässigen Bereichs liegt; ein Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) zum Korrigieren des Sollwiderstands, wenn das Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24, S32) bestimmt, dass die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt; und einen Abgastemperatursensor (3), der an dem Abgasrohr (102) befestigt ist und die Temperatur des Abgases erfasst, gekennzeichnet durch ein Zeitbestimmungsmittel (S29, S36) zum Bestimmen, ob ein Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgangswerten des Abgastemperatursensors (3), die in vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner einer spezifischen Temperatur ist, über eine vorbestimmte Zeitperiode anhält oder nicht, wobei das Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) die Korrektur des Sollwiderstands stoppt, wenn das Zeitbestimmungsmittel (S29, S36) bestimmt, dass der Zustand, in dem die Differenz zwischen Ausgangswerten des Abgastemperatursensors (3), die in den vorbestimmten Zeitintervallen erhalten werden, gleich oder kleiner dem vorbestimmten Wert ist, über die vorbestimmte Zeitperiode (S29, S36) angehalten hat, und wobei das Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24, S32,) bestimmt, ob die Änderung in der Temperatur des Abgases außerhalb des zulässigen Bereichs liegt oder nicht, indem es bestimmt, ob eine Änderung in einem Ausgangswert des Abgastemperatursensors (3) außerhalb eines spezifischen Bereichs liegt oder nicht.
Sensorsteuervorrichtung (5) nach Anspruch 1, wobei das Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) den Sollwiderstand durch Multiplizieren des Sollwiderstands mit einem Korrekturkoeffizienten korrigiert und den Korrekturkoeffizienten auf der Basis der Temperatur des Abgases zu Beginn einer Änderung in der Temperatur des Abgases ändert, wobei die Änderung vom zulässigen Bereich abgewichen ist.
Sensorsteuervorrichtung (5) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der spezifische Bereich der Bereich einer Änderung im Ausgangswert ist, der 10 °C oder mehr pro Sekunde entspricht.
Sensorsteuervorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) den Sollwiderstand korrigiert, wenn der Ausgangswert des Abgastemperatursensors (3) anzeigt, dass die Temperatur des Abgases steigt (S23), und das Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S24) bestimmt, dass die Änderung im Ausgangswert außerhalb des spezifischen Bereichs liegt (S24).
Sensorsteuervorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Korrekturmittel (11, S25, S33, S17) den Sollwiderstand korrigiert, wenn der Ausgangswert des Abgastemperatursensors (3) anzeigt, dass die Temperatur des Abgases sinkt (S23), und das Temperaturänderungsbestimmungsmittel (11, S32) bestimmt, dass die Änderung im Ausgangswert außerhalb des spezifischen Bereichs liegt (S32).
Sensorsteuersystem, aufweisend den Gassensor (2) und die Sensorsteuervorrichtung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die an den Gassensor (2) angeschlossen ist.