DE102014013433A1

DE102014013433A1 - Sensor-Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102014013433A1
Application number: DE201410013433
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Inagaki
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2015-03-12
Also published as: JP6110262B2; US20150068896A1; JP2015055483A; US9557291B2

Abstract

Eine Gassensor-Steuervorrichtung (2) umfasst eine digitale Steuereinheit (31) (insbesondere eine CPU 91), die als eine digitale Filtereinheit (99) funktioniert. Selbst wenn hochfrequente Rausch-Komponenten einem elektrischen Signal überlagert sind, welches von der elektromotorischen Kraftzelle (24) an die digitale Steuereinheit (31) übertragen wird, können die hochfrequenten Rausch-Komponenten durch die digitale Filtereinheit (99) ausgelöscht werden. Somit kann eine Anschlussspannung über beide Anschlüsse der elektromotorischen Kraftzelle (24), der Sauerstoffkonzentration entsprechend generiert, geeignet extrahiert werden. Die digitale Steuereinheit 31 kann den Pumpstrom Ip, basierend auf der Anschlussspannung Vs, welche über beide Anschlüsse der elektromotorischen Kraftzelle (24) erzeugt wird, geeignet rückgekoppelt steuern, während der Einfluss hochfrequenter Rausch-Komponenten unterdrückt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensor-Steuervorrichtung zum Steuern eines Sensors, der eine Diffusionskammer, eine elektromotorische Kraftzelle und eine Pumpzelle umfasst.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Bekannte Sensoren zum linearen Detektieren von Sauerstoff über einen weiten Konzentrationsbereich in einem Abgas, welches von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, umfassen eine Diffusionskammer, in welche ein zu messendes Gas (Abgas) durch eine Diffusionsratensteuernde Schicht fließt, und zwei Zellen, das heißt, eine elektromotorische Kraftzelle (Sauerstoffkonzentrations-Messzelle), welche mit Elektroden an einer Festelektrolytschicht ausgestattet ist, und eine Pumpzelle (Sauerstoff-Pumpzelle).
Um eine Detektionsspannung (Spannung Vs), welche von der elektromotorischen Kraftzelle dieses Sensors ausgegeben wird, bei einem vorbestimmten Wert (Sollspannungs-Wert) zu halten, wird eine Sensor-Steuervorrichtung bereitgestellt, welche dazu konfiguriert ist, einen Pumpstrom, welcher der Pumpzelle zugeführt wird, rückgekoppelt zu steuern, um den Sensor hierdurch zu steuern.
Dennoch kann ein Fall eintreten, in welchem die rückgekoppelte Steuerung aufgrund von Faktoren, beispielsweise Schwankungen einer Charakteristik des Sensors oder der Einsatzumgebung, nicht angemessen durchgeführt werden kann und woraufhin der Pumpstrom-Wert unbrauchbar wird. Daher konvergiert die Detektionsspannung der elektromotorischen Kraftzelle nicht auf den Sollspannungs-Wert, wodurch Oszillationen in der von der Sensor-Steuervorrichtung durchgeführten, rückgekoppelten Steuerung verursacht werden.
Um diesem Problem zu begegnen, gibt es eine bekannte Technik, bei der beispielsweise die innerseitige Elektrode einer Pumpzelle und die Detektionselektrode einer elektromotorischen Kraftzelle als eine gemeinsame Elektrode gebildet sind und ein Leckwiderstand mit einem kleinen Widerstandswert wird der gemeinsamen Elektrode hinzugefügt (siehe japanisches Patent Nr. 2624704 ). Ferner gibt es eine weitere bekannte Technik, in welcher ein Rückkoppelwiderstand parallel zu der außenseitigen Elektrode einer Pumpzelle und der Zellen-Elektrode einer elektromotorischen Kraftzelle hinzugefügt ist, und eine Spannung, die dieselbe Phase wie die des Pumpstroms hat, wird einer Spannung Vs überlagert, um hierdurch Oszillationen zu unterdrücken (siehe JP-A-5-256817 ).
Ferner ist noch eine andere Technik vorgeschlagen worden, in welcher eine hochfrequente Komponente eines Pumpstroms, welche durch Auslöschen niederfrequenter Komponenten einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder niedrigeren Frequenzen von einem Pumpstrom erhalten wird, dazu gebracht wird, zu einer elektromotorischen Kraftzelle zu fließen, um hierdurch Oszillationen einer mit einem Sensor verbundenen Steuerschaltung zu unterdrücken (siehe JP-A-2002-243700 ).
3. Von der Erfindung zu lösende Probleme
Indem jedoch hochfrequente Komponenten des Pumpstroms dazu gebracht werden, zu der elektromotorischen Kraftzelle zu fließen, fließt, dem abrupten Wechsels des Pumpstroms entsprechend, auch ein unmittelbar großer Strom (Stromspitze) in die elektromotorische Kraftzelle, wodurch die elektromotorische Kraftzelle beschädigt werden kann.
Zum Beispiel kann sich der Pumpstrom, kurz nachdem der Pumpstrom zu fließen beginnt, z. B. kurz nach der Aktivierung des Sensors, abrupt verändern. Da in einem solchen Fall eine abrupte Änderung des Pumpstroms durch die hochfrequenten Komponenten verursacht wird, fließen die hochfrequenten Komponenten in die elektromotorische Kraftzelle. Folglich fließt eine Stromspitze in die elektromotorische Kraftzelle, wodurch die elektromotorische Kraftzelle beschädigt werden kann.
Daher ist es ein Ziel der Erfindung eine Sensor-Steuervorrichtung bereitzustellen, die, während ein Pumpstrom basierend auf einer Detektionsspannung rückgekoppelt gesteuert wird, Oszillationen der Detektionsspannung unterdrücken kann, ohne dabei eine Konfiguration zu verwenden, die verursacht, dass hochfrequente Komponenten des Pumpstroms zu einer elektromotorischen Kraftzelle fließen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das obige Ziel wurde erreicht durch Bereitstellen (1) einer Sensor-Steuervorrichtung zum Steuern eines Sensors, wobei der Sensor eine Diffusionskammer, in welche ein zu messendes Gas durch eine eine Diffusionsrate steuernde Schicht fließt, eine elektromotorische Kraftzelle, welche eine Detektionsspannung entsprechend einer Konzentration einer bestimmten Gaskomponente innerhalb der Diffusionskammer erzeugt, und eine Pumpzelle, welche die bestimmte Gaskomponente entsprechend eines extern bereitgestellten Pumpstroms in oder aus der Diffusionskammer pumpt, umfasst, wobei die Sensor-Steuervorrichtung umfasst: eine Steuereinheit, welche dazu konfiguriert ist, den Pumpstrom basierend auf der Detektionsspannung rückgekoppelt so zu steuern, dass sich die an der elektromotorischen Kraftzelle erzeugte Detektionsspannung einer Sollspannung annähert; und eine Tiefpassfilter-Einheit, welche dazu konfiguriert ist, eine vorbestimmte, niederfrequente Komponente aus der Detektionsspannung zu extrahieren, wobei die Steuereinheit den Pumpstrom basierend auf der von der Tiefpassfilter-Einheit extrahierten, niederfrequenten Komponente rückgekoppelt steuert.
Die in der elektromotorischen Kraftzelle entsprechend der Konzentration der bestimmten Gaskomponente erzeugte Detektionsspannung wird von der Tiefpassfilter-Einheit modifiziert, um ein niederfrequentes elektrisches Signal zu erzeugen, welches sich, verglichen mit der Spannung, welche von dem Pumpstrom an beiden Anschlüssen der Pumpzelle erzeugt wird, pro Zeiteinheit um einen kleinen Betrag verändert.
Daher können, sogar wenn hochfrequente Rausch-Komponenten, z. B. die über beide Anschlüsse der Pumpzelle erzeugte Spannung, der Detektionsspannung überlagert werden, die Detektionsspannung und die hochfrequenten Rausch-Komponenten getrennt werden, indem der Unterschied ihrer Frequenzbänder verwendet wird. Das heißt, dass die niederfrequenten Komponenten, die aus der Detektionsspannung durch die Tiefpassfilter-Einheit extrahiert werden, frei von hochfrequenten Rausch-Komponenten sind und somit zu einer ”tatsächlichen Detektionsspannung” äquivalent sind, die der Konzentration der bestimmten Gaskomponente entsprechend in der elektromotorischen Kraftzelle erzeugt wird.
Dementsprechend kann, wenn die Steuereinheit den Pumpstrom basierend auf den niederfrequenten Komponenten, die von der Tiefpassfilter-Einheit extrahiert werden, rückgekoppelt steuert, der Pumpstrom basierend auf einer ”tatsächlichen Detektionsspannung” rückgekoppelt gesteuert werden, während der Einfluss der hochfrequenten Rausch-Komponenten unterdrückt wird.
Daher kann die Erfindung eine auf einen unbrauchbaren Wert rückgekoppelte Steuerung des Pumpstroms vermeiden und die Steuereinheit kann die Detektionsspannung so steuern, dass sie sich der Sollspannung annähert und Oszillationen der Detektionsspannung unterdrücken.
Mit anderen Worten kann, der Erfindung entsprechend, die Detektionsspannung dazu gebracht werden, sich der Sollspannung anzunähern, indem der Pumpstrom auf den von der Tiefpassfilter-Einheit extrahierten niederfrequenten Komponenten basierend rückgekoppelt gesteuert wird. Dies geschieht, ohne eine Konfiguration zu verwenden, in welcher ein Pumpstrom mit hochfrequenten Komponenten zu der elektromotorischen Kraftzelle fließt. Dies wird durch Auslöschen der niederfrequenten Komponenten einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder darunter liegender Frequenzen aus dem Pumpstrom erreicht.
Demnach können, der Erfindung entsprechend, während der auf der Detektionsspannung basierenden, rückgekoppelten Steuerung des Pumpstroms, Oszillationen der Detektionsspannung unterdrückt werden, ohne die Konfiguration zu verwenden, in welcher die hochfrequenten Komponenten des Pumpstroms zu der elektromotorischen Kraftelle fließen. Insbesondere können als die in der Tiefpassfilter-Einheit eingestellten, vorbestimmten, niederfrequenten Komponenten niederfrequente Komponenten in einem Bereich, in dem der Sensor normalerweise agiert, im Hinblick auf die Konfiguration etc., des Sensors eingestellt werden. Beispielsweise können die niederfrequenten Komponenten, die von der Tiefpassfilter-Einheit extrahiert werden, so eingestellt werden, dass die Phase der Frequenz-Charakteristik der Regelungs-Übertragungsfunktion des Sensors und der Sensor-Steuervorrichtung nicht –180 Grad in einem Frequenzbereich erreicht, in dem eine Verstärkung 0 dB oder mehr beträgt, um Oszillationen zu unterdrücken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform (2) umfasst die Sensor-Steuervorrichtung (1) ferner einen Analog/Digital-Spannungswandler, welcher die an der elektromotorischen Kraftzelle des Sensors erzeugte Detektionsspannung von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt, wobei die Tiefpassfilter-Einheit eine digitale Operation an dem digitalen Wert der von dem Analog/Digital-Spannungswandler umgewandelten Detektionsspannung durchführt, um dadurch die niederfrequente Komponente zu extrahieren, und wobei die Steuereinheit den Pumpstrom durch einen digitalen Prozess, basierend auf dem digitalen Wert der niederfrequenten Komponente, rückgekoppelt steuert.
Auf diese Weise wird eine Konfiguration bereitgestellt, in welcher der Analog/Digital-Spannungswandler die Detektionsspannung von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt und die Tiefpassfilter-Einheit die niederfrequenten Komponenten durch eine digitale Operation extrahiert. Dadurch können die niederfrequenten Komponenten aus der Detektionsspannung extrahiert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (3) umfasst die Sensor-Steuervorrichtung (1) ferner einen niederfrequenten Analog/Digital-Wandler, welcher die von der Tiefpassfilter-Einheit extrahierte, niederfrequente Komponente von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt, wobei die Tiefpassfilter-Einheit eine Analogschaltung ist, welche in einem Detektionspfad der Detektionsspannung von der elektromotorischen Kraftzelle zu der Steuereinheit bereitgestellt ist, und wobei die Steuereinheit den Pumpstrom durch einen digitalen Prozess, basierend auf dem digitalen Wert der von dem niederfrequenten Analog/Digital-Wandler umgewandelten, niederfrequenten Komponente, rückgekoppelt steuert.
Auf diese Weise ist die Tiefpassfilter-Einheit als eine Analogschaltung konfiguriert und ferner ist ein niederfrequenter Analog/Digital-Wandler bereitgestellt, der die von der Tiefpassfilter-Einheit extrahierte, niederfrequente Komponente von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt. Somit kann die niederfrequente Komponente aus der Detektionsspannung extrahiert werden.
Wirkungen der Erfindung
Die Erfindung kann eine rückgekoppelte Steuerung des Pumpstroms, basierend auf einer von einer elektromotorischen Kraftzelle entsprechend der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente erzeugten Detektionsspannung durchführen, während der Einfluss hochfrequenter Rausch-Komponenten, z. B. der über beide Anschlüsse der Pumpzelle erzeugten Spannung, unterdrückt wird. Somit kann die Detektionsspannung so steuert werden, dass sie sich der Sollspannung annähert und Oszillationen der Detektionsspannung können unterdrückt werden.
Gemäß der Erfindung können, während der Pumpstrom, basierend auf der Detektionsspannung, rückgekoppelt gesteuert wird, Oszillationen der Detektionsspannung unterdrückt werden, ohne dabei eine Konfiguration zu verwenden, die verursacht, dass eine hochfrequente Komponente des Pumpstroms zu der elektromotorischen Kraftzelle fließt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration eines Steuersystems für einen Verbrennungsmotor, der eine Gassensor-Steuervorrichtung umfasst, zeigt.
2 ist ein Diagramm, das die schematische Konfiguration eines Gas-Sensors zeigt.
3 ist ein funktionales Blockdiagramm einer von einem Prozessor (CPU) einer digitalen Steuereinheit ausgeführten Ablaufsteuerung.
4 ist ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration eines zweiten Verbrennungsmotor-Steuersystems zeigt, der eine zweite Gassensor-Steuervorrichtung umfasst.
5 ist ein funktionales Blockdiagramm einer von einem Prozessor (CPU) einer digitalen Steuereinheit der zweiten Ausführungsform ausgeführten Ablaufsteuerung.
6 ist ein Schaltplan eines Tiefpassfilters der zweiten Ausführungsform.
7 ist ein Schaltplan eines zweiten Tiefpassfilters.
8 ist ein Schaltplan eines dritten Tiefpassfilters.
Beschreibung der Bezugszeichen
Bezugszeichen, welche zur Kennzeichnung diverser Merkmale in den Zeichnungen verwendet werden, umfassen:
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor-Steuersystem
2: Gassensor-Steuervorrichtung
8: Gassensor
14: Pumpzelle
18: poröse Diffusionsschicht
20: Diffusionskammer
24: elektromotorische Kraftzelle
31: digitale Steuereinheit
91: Prozessor (CPU)
93: erster A/D-Wandler
94: D/A-Wandler
97: zweiter A/D-Wandler
98: Digitalsignal-Empfangseinheit
99: digitale Filtereinheit
100: Pumpstrom-Steuereinheit
101: zweites Verbrennungsmotor-Steuersystem
102: zweite Gassensor-Steuervorrichtung
111: Tiefpassfilter
121: zweiter Tiefpassfilter
131: dritter Tiefpassfilter

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen detailliert mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Jedoch sollte die Erfindung nicht als darauf beschränkt erachtet werden.
1. Erste Ausführungsform
1.1. Gesamtkonfiguration
1 stellt, als eine Ausführungsform, in welcher die Erfindung angewandt wird, die Gesamtkonfiguration eines Steuer-Systems 1 für einen Verbrennungsmotor, der eine Gassensor-Steuervorrichtung 2 umfasst, dar.
Das Verbrennungsmotor-Steuersystem 1 führt beispielsweise eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung, etc. des Verbrennungsmotors durch und wird zur Steuerung des Betriebszustandes des Verbrennungsmotors benutzt. Die Gassensor-Steuervorrichtung 2 wird zur Detektion einer bestimmten Gas-Komponente (in dieser Ausführungsform Sauerstoff) innerhalb des Abgases des Verbrennungsmotors verwendet.
Das Verbrennungsmotor-Steuersystem 1 umfasst mindestens die Gassensor-Steuervorrichtung 2, einen Gassensor 8 und ein Motorsteuergerät 9.
Die Gassensor-Steuervorrichtung 2 detektiert ein Gas-Detektions-Signal und ein Elementwiderstandswert-Signal des Gassensors 8, welcher in dem Abgasrohr des Verbrennungsmotors (Motors) angeordnet ist, und gibt das Gas-Detektions-Signal und das Elementwiderstandswert-Signal an das Motorsteuergerät 9 (Motor CPU 9) aus.
Der Gassensor 8 detektiert linear über einen weiten Bereich eine Sauerstoffkonzentration innerhalb des Abgases. Das Motorsteuergerät 9 steuert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Motors unter Verwendung des Gas-Detektions-Signals, als eine der vielen Arten der Ablaufsteuerung.
Die Gassensor-Steuervorrichtung 2 umfasst eine digitale Steuereinheit 31 zur Ausführung der diversen Arten der Ablaufsteuerung, einen ersten Operationsverstärker 33, einen zweiten Operationsverstärker 35, einen dritten Operationsverstärker 37, Anschlüsse 39 für externe Verbindungen, eine Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61, eine Konstantstromquellenschaltung 62, einen seriellen Kommunikationsanschluss 53, etc.
Die Anschlüsse 39 für externe Verbindungen umfassen Anschlüsse (einen Vs+-Anschluss 41, einen Pout-Anschluss 45, ein Vicent-Anschluss 47, einen COM-Anschluss 49 und einen Ip+-Anschluss 51), die mit dem Gassensor 8 verbunden sind, und einen Kondensator-Anschluss 43, der mit einem Kondensator 57 verbunden ist.
Die Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61 gibt einen Konstantstrom zur Detektion des Widerstandswertes des Innenwiderstandes des Gassensors 8 aus. Die Konstantstromquellen-schaltung 62 gibt einen Konstantstrom (Kleinstrom Icp) an eine elektromotorische Kraftzelle 24 aus.
Der serielle Kommunikationsanschluss 53 überträgt/empfängt diverse Arten von Signalen (Gas-Detektions-Signal, Elementwiderstandswert-Signal, etc.) an/von dem Motorsteuergerät 9 über ein Kabel zur seriellen Kommunikation 85.
Die schematische Konfiguration des Gassensors 8 wird in 2 gezeigt und eine kurze Erklärung des Gassensors wird nachfolgend gegeben.
Der Gassensensor 8 umfasst eine Pumpzelle 14, eine poröse Diffusionsschicht 18, die elektromotorische Kraftzelle 24 und eine Verstärkungsplatte 30.
Die Pumpzelle 14 umfasst ein sauerstoffionenleitendes Festelektrolyt 13, das aus teilweise stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) gebildet ist, und poröse Elektroden 12, 16, welche hauptsächlich aus Platin auf vorderen und hinteren Oberflächen des Festelektrolytes 13 gebildet sind. Die elektromotorische Kraftzelle 24 umfasst ein sauerstoffionenleitendes Festelektrolyt 23, das aus teilweise stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) gebildet ist, und poröse Elektroden 22, 28, welche hauptsächlich aus Platin auf vorderen und hinteren Oberflächen des Festelektrolytes 23 gebildet sind.
Die poröse Elektrode 16 der Pumpzelle 14, die einer Diffusionskammer 20 zugewandt ist, und die poröse Elektrode 22 der elektromotorischen Kraftzelle 24, die der Diffusionskammer 20 zugewandt ist, sind elektrisch miteinander verbunden und sind wiederum mit dem Sensor-COM-Anschluss 17 des Gassensors 8 verbunden. Der Sensor-COM-Anschluss 17 des Gassensors 8 ist mit dem Vicent-Anschluss 47 und dem COM-Anschluss 49 der Gassensor-Steuervorrichtung 2 verbunden und ebenso mit dem Pout-Anschluss 45 über einen Strom-Detektions-Widerstand 83 verbunden (siehe 1).
Die poröse Elektrode 12 der Pumpzelle 14 ist mit dem Sensor-Ip+-Anschluss 19 des Gassensors 8 verbunden, während die poröse Elektrode 28 der elektromotorischen Kraftzelle 24 mit dem Sensor-Vs+-Anschluss 15 des Gassensors 8 verbunden ist. Der Sensor-Ip+-Anschluss 19 ist mit dem Ip+-Anschluss 51 der Anschlüsse 39 für externe Verbindungen verbunden, während der Sensor-Vs+-Anschluss 15 mit dem Vs+-Anschluss 41 der Anschlüsse 39 für externe Verbindungen verbunden ist (siehe 1).
Die Verstärkungsplatte 30 ist über eine die Referenzkammer bildende Schicht 29 auf die elektromotorische Kraftzelle 24 geklebt, sodass eine Referenzsauerstoff-Kammer 26 zwischen der Verstärkungsplatte und der elektromotorischen Kraftzelle 24 gebildet wird. Die poröse Elektrode 28 der elektromotorischen Kraftzelle 24 liegt an der Referenzsauerstoff-Kammer 26 an.
Die Diffusionskammer 20, welche von der porösen Diffusionsschicht 18 umgeben ist, ist zwischen der Pumpzelle 14 und der elektromotorischen Kraftzelle 24 gebildet. Mit anderen Worten kommuniziert die Diffusionskammer 20 mit der Messgas-Atmosphäre über die poröse Diffusionsschicht 18. Obgleich diese Ausführungsform die poröse Diffusionsschicht 18, die gebildet wird, indem ein leerer Raum mit porösem Material aufgefüllt wird, verwendet, ist es möglich, die Geschwindigkeit des zu messendes Gas, das in die Diffusionskammer 20 fließt, zu steuern, indem kleine Löcher anstelle der porösen Diffusionsschicht eingerichtet werden.
Der Gassensor 8 umfasst eine Heizung 42. Die Pumpzelle 14 und die elektromotorische Kraftzelle 24 werden aktiviert, indem sie durch die Heizung 42 geheizt werden, wodurch eine Gasdetektion ermöglicht wird.
Als nächstes wird die Operation zur Messung der Sauerstoffkonzentration der Gassensor-Steuervorrichtung 2 mit Bezug auf 1 beschrieben.
In der Gassensor-Steuervorrichtung 2 wird ein Pumpstrom Ip, der in die Pumpzelle 14 fließt, so gesteuert, dass eine Anschlussspannung Vs, die über beide Anschlüsse der elektrometrischen Kraftzelle 24 erzeugt wird, einen Sollspannungs-Wert (450 mV in dieser Ausführungsform) erreicht, während ein konstanter Kleinstrom Icp dazu gebracht wird, von der Konstantstromquellen-schaltung 62 zur elektromotorischen Zelle 24 zu fließen und hierdurch Sauerstoff in und aus der Diffusionskammer zu pumpen.
Da sich der Strom-Wert und die Fließrichtung des Pumpstroms Ip, der durch die Pumpzelle 14 fließt, entsprechend der Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) des Abgases verändert, kann die Sauerstoffkonzentration des Abgases basierend auf dem Wert des Pumpstroms Ip berechnet werden. So ergibt sich, dass, wenn der Kleinstrom Icp dazu gebracht wird, in einer Richtung zur elektromotorischen Zelle 24 zu fließen, welche dem Herauspumpen von Sauerstoff aus der Diffusionskammer 20 hin zur Seite der porösen Elektrode 28 entspricht, funktioniert die Referenzsauerstoff-Kammer 26 als eine interne Sauerstoff-Referenzquelle.
Am dritten Operationsverstärker 37 ist ein invertierender Eingangsanschluss mit dem Vicent-Anschluss 47 verbunden, eine Referenzspannung (+3.6 V) ist an den nicht-invertierenden Eingangsanschluss angelegt und ein Ausgangsanschluss ist mit dem Sensor-Ip+-Anschluss 19 der Pumpzelle 14 verbunden.
1.2. Digitale Steuereinheit
Im Folgenden wird die digitale Steuereinheit 31 beschrieben.
Die digitale Steuereinheit ist durch einen bekannten Microcomputer konfiguriert, der eine CPU, ein ROM, ein RAM, etc. hat. Die digitale Steuereinheit 31 gemäß dieser Ausführungsform ist dazu konfiguriert, eine zentrale Recheneinheit 91 (nachfolgend auch als Prozessor oder CPU 91 bezeichnet), ein EEPROM 92, einen ersten A/D-Wandler (Analog/Digital) 93, einen D/A-Wandler (Digital/Analog) 94, eine I/O-Einheit 95 (Eingabe/Ausgabe), eine serielle Übertragungs-/Empfangseinheit 96, einen zweiten A/D-Wandler 97, etc. zu umfassen.
Der Prozessor (CPU) 91 führt diverse Arten der Ablaufsteuerung-Operationen aus. Das EEROM 92 ist eine Speichereinheit, das die Inhalte der diversen Ablaufsteuerung-Operationen und eines Parameter-Sets, etc. speichert. Das RAM (nicht gezeigt) ist eine Speichereinheit, die zeitweise Steuerdaten, etc. speichert.
Der A/D-Wandler ist ein Wandler, der ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt. Die digitale Steuereinheit 31 umfasst den ersten A/D-Wandler 93, um die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers 33 einer A/D Wandlung zu unterziehen, und einen zweiten A/D-Wandler 97, um die Spannung am Vicent-Anschluss 47 der A/D-Wandlung zu unterziehen.
Der D/A-Wandler ist ein Wandler, der ein digitales Signal in ein analoges Signal umwandelt. Die digitale Steuereinheit 31 umfasst den D/A-Wandler 94, um die an den Widerstand 81 auszugebende Spannung einer D/A Wandlung zu unterziehen.
Die I/O-Einheit ist eine Eingabe/Ausgabe-Einheit, um ein binäres Signal, z. B. ein ”An”- und ”Aus”-Signal, ein- und auszugeben. Die digitale Steuereinheit 31 umfasst die I/O-Einheit 95 zur Ausgabe eines Steuerbefehlssignals an die Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61.
Die serielle Übertragungs-/Empfangseinheit 96 ist eine Übertragungs-/Empfangseinheit, die serielle Kommunikation entsprechend eines vorbestimmten Übertragungsprotokolls durchführt. In der digitalen Steuereinheit 31 überträgt bzw. empfängt die serielle Übertragungs-/Empfangseinheit 96 ein Signal an bzw. von zumindest dem Motorsteuergerät 9 mittels einer seriellen Kommunikation.
Die digitale Steuereinheit 31 (insbesondere die CPU 91) detektiert eine Spannungsdifferenz zwischen der Spannung an dem Sensor-Vs+-Anschluss 15 und der Spannung an dem Vicent-Anschluss 47 (Anschlussspannung Vs, die über beide Anschlüsse der elektrometrischen Kraftzelle 24 erzeugt wird) und steuert die Stärke des Pumpstroms Ip, der zur Pumpzelle 14 fließt, durch PID-Steuerung rückgekoppelt so, dass die elektromotorische Kraft (Anschlussspannung Vs) der elektromotorischen Kraftzelle 24 450 mV beträgt. Insbesondere, führt die digitale Steuereinheit 31 eine PID-Steuerung durch, die auf der Abweichung ΔVs zwischen der Sollspannung (450 mV) und der Anschlussspannung Vs der elektromotorische Kraftzelle 24 basiert, und steuert die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers 35 so, dass sich die Abweichung ΔVs 0 annähert (mit anderen Worten, nähert sich die Anschlussspannung Vs der Sollspannung an), wodurch der Pumpstrom Ip, der von dem dritten Operationsverstärker 37 zur Pumpzelle 14 fließt, gesteuert wird.
Der Pumpstrom Ip fließt von der Pumpzelle 14 zum Ausgangsanschluss des dritten Operationsverstärkers 37 oder vom Ausgangsanschluss des dritten Operationsverstärkers 37 zur Pumpzelle 14 in Abhängigkeit der Polarität, d. h., in Abhängigkeit von dem positiven oder negativen Wert der Polarität.
Die digitale Steuereinheit 31 (insbesondere die CPU 91) führt eine Multiplikations-Operation zwischen der Stärke des Pumpstroms Ip, berechnet von der PID-Steuerung, und dem Widerstandswert Rd des Strom-Detektions-Widerstandes 83 aus, um hierdurch die Anschlussspannung über beide Anschlüsse des Strom-Detektions-Widerstandes 83 als das Gas-Detektions-Signal (Signal Vip) zu detektieren. Dann gibt die digitale Steuereinheit 31 das Gas-Detektions-Signal (Signal Vip) über den seriellen Kommunikationsanschluss 53 an das Motorsteuergerät 9 aus.
Das Motorsteuergerät 9 berechnet eine entsprechende Sauerstoffkonzentration aus einer Abbildung (die Abbildung repräsentiert eine Korrelation zwischen dem Gas-Detektions-Signal und der Sauerstoffkonzentration), die darin gespeichert ist, basierend auf dem Gas-Detektions-Signal (Signal Vip). Ferner führt das Motorsteuergerät 9 einen Detektionsprozess des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses basierend auf der berechneten Sauerstoffkonzentration durch und führt auch eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Ablaufsteuerung so durch, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis erreicht.
1.3. Operation zur Messung des Widerstandswertes (Temperatur) der elektromotorischen Kraftzelle
Im Folgenden wird Operation zur Messung des Innenwiderstandswertes Rpvs (Temperatur) der elektromotorischen Kraftzelle 24 der Gassensor-Steuervorrichtung 2 beschrieben.
Die Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61 der Gassensor-Steuervorrichtung 2 umfasst einen ersten Schalter 63, eine erste Konstantstromquellen-Schaltung 65, einen zweiten Schalter 67, eine zweite Konstantstromquellen-Schaltung 69, einen dritten Schalter 71, eine dritte Konstantstromquellen-Schaltung 73, einen vierten Schalter 75 und eine vierte Konstantstromquellen-Schaltung 77.
Der erste Schalter 63, die erste Konstantstromquellen-Schaltung 65, der zweite Schalter 67 und die zweite Konstantstromquellen-Schaltung 69 werden bereitgestellt, um einen N-Puls-Konstantstrom (–I const) zur Detektion von Rpvs der elektromotorischen Kraftzelle 24 fließen zu lassen. Der dritte Schalter 71, die dritte Konstantstromquellen-Schaltung 73, der vierte Schalter 75 und die vierte Konstantstromquellen-Schaltung 77 werden bereitgestellt, um einen P-Puls-Konstantstrom (+I const) zur Detektion von Rpvs zur elektromotorischen Kraftzelle 24 fließen zu lassen, wobei die Polarität des N-Puls-Konstantstroms zur Detektion des Rpvs der Polarität des P-Puls-Konstantstroms entgegengesetzt ist.
Die digitale Steuereinheit 31 der Gassensor-Steuervorrichtung 2 ist dazu konfiguriert, den digitalen Wert der Anschlussspannung Vs der zur elektromotorischen Kraftzelle 24 im RAM (nicht gezeigt) der Ablaufsteuerung der CPU 91 zu speichern, um dadurch die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 abzutasten und zu halten.
Das heißt, während der Messung der Widerstandswertes der elektromotorischen Kraftzelle 24 ändert sich, da ein Konstantstrom dazu gebracht wird, von der Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61 zur elektromotorischen Kraftzelle 24 zu fließen, die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 aufgrund des Einflusses des Konstantstroms. Wenn im Gegensatz dazu die digitale Steuereinheit 31 die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 abtastet und hält, kurz bevor der Konstantstrom von der Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61 zur elektromotorischen Kraftzelle 24 zu fließen beginnt, kann die digitale Steuereinheit 31 eine PID-Steuerung durchführen, indem sie die Anschlussspannung Vs kurz vor der Messung des Widerstandswertes verwendet.
Ferner berechnet die digitale Steuereinheit 31 eine Spannungsdifferenz ΔVr (= |Vs1 – Vs2|) zwischen einer Spannung Vs1 vor der Messung und einer Spannung Vs2 bei der Messung der elektromotorischen Kraftzelle 24. Die Spannung Vs1 vor der Messung ist die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24, abgetastet und gehalten, bevor der Konstantstrom von der Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61 zu fließen beginnt. Die Spannung Vs2 bei der Messung ist die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 während der N-Puls-Konstantstrom (–I const) zur Detektion des Rpvs fließt. Da die Spannungsdifferenz ΔVr proportional zum Widerstandswert des Innenwiderstandes der elektromotorischen Kraftzelle 24 ist, kann diese Spannungsdifferenz als ein Elementwiderstandswert-Signal SRpvs benutzt werden, das den Widerstandswert des Innenwiderstandes der elektromotorischen Kraftzelle 24 repräsentiert.
Das heißt; die digitale Steuereinheit 31 ist durch Berechnen der Spannungsdifferenz ΔVr dazu konfiguriert, die Ausgabe des Elementwiderstandswert-Signals SRpvs, das den Wert des Innenwiderstandes der elektromotorischen Kraftzelle 24 repräsentiert, zu ermöglichen. Insbesondere führt die digitale Steuereinheit 31 eine SRpvs Messablauf durch, in welcher das Elementwiderstandswert-Signal SRpvs erhalten wird, indem die Spannungsdifferenz ΔVr durch den Stromwert des N-Puls-Konstantstroms (–I const) zur Detektion des Rpvs geteilt wird. Das Elementwiderstandswert-Signal SRpvs ist proportional zu dem Widerstandswert Rpvs des Innenwiderstandes der elektromotorischen Kraftzelle 24 und ist auch zu der Temperatur der elektromotorischen Kraftzelle 24 proportional.
Ein konstanter Zeitraum ist notwendig, bis die Anschlussspannung Vs (Spannung Vs2 bei der Messung) der elektromotorischen Kraftzelle 24 stabil wird, nachdem der N-Puls-Konstantstrom (–I const) zur Detektion des Rpvs zu fließen beginnt. Somit führt die digitale Steuereinheit 31 den Detektionsprozess der Anschlussspannung Vs (Spannung Vs2 bei der Messung) der elektromotorischen Kraftzelle 24 durch, nachdem ein Stand-by-Zeitraum zur Detektion des Rpvs seit dem Beginn des N-Puls-Konstantstrom(–I const)-Flusses zur Detektion des Rpvs vergangen ist.
Die digitale Steuereinheit 31 (insbesondere die CPU 91) gibt das Elementwiderstandswert-Signal SRpvs, welches durch den Rpvs-Messablauf erhalten wurde, über den seriellen Kommunikationsanschluss 53 an das Motorsteuergerät 9 aus.
Das Motorsteuergerät 9 steuert die Stromzufuhr hin zur Heizung 42, um den Gassensor 8 basierend auf dem Elementwiderstandswert-Signal SRpvs so zu heizen, dass ein Wert, der mit dem Widerstandswert Rpvs des Innenwiderstandes der elektromotorischen Kraftzelle 24 korreliert, einen Sollwert erreicht. Diese Temperatur-Steuerung agiert, um die Temperatur des Gassensors 8 bei einem Sollwert (z. B. 800°C) zu halten, sodass die Strommenge, die der Heizung 42 zugeführt wird, reduziert wird, sobald die Temperatur der elektromotorischen Zelle 24 größer als der Sollwert ist, wohingegen die Strommenge, die der Heizung 42 zugeführt wird, erhöht wird, sobald die Temperatur der elektromotorischen Zelle 24 niedriger als der Sollwert ist.
1.4. Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Zelle
Nun folgt eine Beschreibung der Wirkungen, die erreicht werden, indem ein Tiefpassfilter-Ablauf in der CPU 91 der digitalen Steuereinheit 31 durchgeführt wird, während eine Steuerung ausgeführt wird, um die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 so zu steuern, dass sie sich der Sollspannung annähert.
3 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Ablaufsteuerung, die von der CPU 91 der digitalen Steuereinheit 31 zur Steuerung des Pumpstroms Ip basierend auf der Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 ausgeführt wird.
Wie in 3 gezeigt, umfasst der Prozessor 91, als funktionale Blöcke, eine Digitalsignal-Empfangseinheit 98, eine digitale Filtereinheit 99 und eine Pumpstrom-Steuereinheit 100.
Die Digitalsignal-Empfangseinheit 98 empfängt ein digitales Signal, welches ein elektrisches Signal ist, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 an den Operationsverstärker 33 übertragen und von dem ersten A/D-Wandler 93 von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umgewandelt wird.
Dieses digitale Signal enthält ein digitales Signal der von der elektromotorischen Kraftzelle 24 erzeugten Anschlussspannung Vs. Die Anschlussspannung Vs, die der Sauerstoffkonzentration entsprechend von der elektromotorischen Kraftzelle 24 erzeugt wird, wird durch die digitale Filtereinheit 99 modifiziert, um zu einem niederfrequenten elektrischem Signal zu werden, das sich, verglichen mit der Spannung, welche über beide Anschlüsse der Pumpzelle 14 durch den Pumpstrom Ip erzeugt wird, pro Zeiteinheit um einen kleinen Betrag verändert.
Die digitale Filtereinheit 99 führt einen einem Tiefpassfilter ähnliche digitalen Prozess zur Extraktion eines Signals von niederfrequenten Komponenten, die gleich oder niedriger sind als die vorbestimmte Grenzfrequenz (150 Hz in dieser Ausführungsform) sind, aus dem digitalen Signal durch, das durch die Digitalsignal-Empfangseinheit 98 empfangen wurde.
Auf diese Weise extrahiert die digitale Filtereinheit 99 das elektrische Signal der niederfrequenten Komponenten, die gleich oder niedriger als die Grenzfrequenz sind, aus dem elektrischen Signal, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 und den ersten Operationsverstärker 33 an den A/D Wandler 93 übertragen wird. Die niederfrequenten Komponenten, die durch die digitale Filtereinheit 99 extrahiert werden, werden in die Pumpstrom-Steuereinheit 100 eingegeben.
Ein Beispiel eines digitalen Tiefpassfilters zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung ist in US 2013/0054663 beschrieben, dessen gesamte Offenbarung in diese Anmeldung durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Pumpstrom-Steuereinheit 100 führt eine rückgekoppelte Steuerung des Pumpstroms Ip, der der Pumpzelle 14 bereitgestellt wird, basierend auf den niederfrequenten Komponenten, die durch die digitale Filtereinheit 99 extrahiert wurden, durch, um dadurch Sauerstoff in und aus der Diffusionskammer 20 zu pumpen. Insbesondere werden die niederfrequenten Komponenten, die durch die digitale Filtereinheit 99 extrahiert wurden, als die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 benutzt und der Pumpstrom Ip, der der Pumpzelle 14 bereitgestellt wird, wird einer PID-Steuerung unterzogen, sodass sich die niederfrequenten Komponenten (Anschlussspannung Vs) dem Sollspannungs-Wert annähern, um dadurch Sauerstoff in und aus der Diffusionskammer 20 zu pumpen.
Der digitalen Steuereinheit 31, mit der auf diese Weise konfigurierten CPU 91, zufolge kann, selbst wenn hochfrequente Rausch-Komponenten, wie z. B. der Pumpstrom Ip, dem elektrischen Signal, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 und den ersten Operationsverstärker 33 an die digitale Steuereinheit 31 übertragen wird, die digitale Filtereinheit 99 des Prozessors 91 diese hochfrequenten Rausch-Komponenten auslöschen. Somit kann verhindert werden, dass die hochfrequenten Rausch-Komponenten in die Pumpstrom-Steuereinheit 100 eindringen. Mit anderen Worten kann, da die CPU 91 als digitale Filtereinheit 99 funktioniert, die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24, die der Sauerstoffkonzentration entsprechend erzeugt wurde, der Pumpstrom-Steuereinheit 100 eingegeben werden, während die hochfrequenten Rausch-Komponenten ausgelöscht werden.
Im Ergebnis kann die digitale Steuereinheit 31 die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 mit hoher Genauigkeit detektieren, darüber hinaus kann sie die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Diffusionskammer 20 basierend auf dem Pumpstrom Ip mit hoher Genauigkeit detektieren. Da die digitale Steuereinheit 31 den Pumpstrom Ip entsprechend der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration innerhalb der Diffusionskammer 20 geeignet steuern kann, können Oszillationen der Anschlussspannung Vs unterdrückt werden.
1.5. Wirkungen
Gemäß dem Verbrennungsmotor-Steuersystem 1 dieser Ausführungsform umfasst, wie oben beschrieben, die Gassensor-Steuervorrichtung 2 die digitale Steuereinheit 31 (insbesondere die CPU 91), die als die digitale Filtereinheit 99 funktioniert.
Somit können, selbst wenn die hochfrequenten Rausch-Komponenten, wie z. B. der Pumpstrom Ip, dem elektrischen Signal, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 und den ersten Operationsverstärker 33 an die digitale Steuereinheit 31 übertragen wird, überlagert sind, diese hochfrequenten Rausch-Komponenten durch digitale Verarbeitung, welche durch die digitale Filtereinheit 99 ausgeführt wird, ausgelöscht werden. Somit kann die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24, welche der Sauerstoffkonzentration entsprechend erzeugt wurde, geeignet extrahiert werden.
Dementsprechend kann, in der digitalen Steuereinheit 31 (insbesondere die CPU 91), die Pumpstrom-Steuereinheit 100 eine geeignete rückgekoppelte Steuerung des Pumpstroms Ip, basierend auf den niederfrequenten Komponenten, die durch die digitale Filtereinheit 99 extrahiert wurden, durchführen.
Da die digitale Steuereinheit 31 den Pumpstrom Ip basierend auf der tatsächlichen Anschlussspannung Vs, die in der elektromotorischen Kraftzelle 24 entsprechend der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Diffusionskammer 20 erzeugt wird, auf einen geeigneten Wert steuert, kann die Anschlussspannung Vs so gesteuert werden, dass sie sich dem Sollspannungs-Wert annähert und Oszillationen der Anschlussspannung Vs können unterdrückt werden.
Das heißt, die Gassensor-Steuervorrichtung 2 kann verursachen, dass sich die Anschlussspannung Vs dem Sollspannungs-Wert annähert, indem der Pumpstrom Ip basierend auf den niederfrequenten Komponenten, die durch die digitale Filtereinheit 99 extrahiert wurden, rückgekoppelt gesteuert wird. Dies wird erreicht, ohne eine Konfiguration zu verwenden, gemäß welcher ein Pumpstrom mit hochfrequenten Komponenten in die elektromotorische Kraftzelle 24 fließt, wobei der Pumpstrom durch Auslöschen der niederfrequenten Komponenten einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder geringerer Frequenzen aus dem Pumpstrom Ip erhalten wird.
1.6. Entsprechende Struktur
Die Beziehung zwischen den Ausdrücken, welche zur Definition der Erfindung verwendet wurden, und die entsprechende Struktur der ersten Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
Die Gassensor-Steuervorrichtung 2 entspricht einem Beispiel der Sensor-Steuervorrichtung, die poröse Diffusionsschicht 18 entspricht einem Beispiel einer Diffusionraten-steuernden Schicht, das Abgas entspricht einem Beispiel eines zu messenden Gases, der Sauerstoff entspricht einem Beispiel einer bestimmten Gaskomponente, die Anschlussspannung Vs entspricht einem Beispiel einer Detektionsspannung und der Gassensor 8 entspricht einem Beispiel eines Sensors.
Ferner entspricht die digitale Steuereinheit 31 einem Beispiel einer Steuereinheit, die CPU 91 zum Ausführen der Funktion der digitalen Filtereinheit 99 entspricht einem Beispiel einer Tiefpassfilter-Einheit und der erste A/D-Wandler 93 entspricht einem Beispiel einer A/D-Spannungswandler-Einheit.
2. Zweite Ausführungsform
Als eine zweite Ausführungsform wird im Folgenden eine Gassensor-Steuervorrichtung 102, die einen Tiefpassfilter 111 in Form einer Analogschaltung hat, beschrieben.
In der folgenden Beschreibung werden diejenigen Teile der zweiten Ausführungsform, die dieselben Konfigurationen wie die der ersten Ausführungsform haben, mit gleichen Symbolen bezeichnet bzw. auf einer Erklärung dieser verzichtet. Die Beschreibung richtet sich hauptsächlich auf diejenigen Teile der zweiten Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden.
4 ist ein Diagramm, welches die Gesamtkonfiguration eines zweiten Verbrennungsmotor-Steuersystems 101 zeigt, welches die zweite Gassensor-Steuervorrichtung 102 umfasst. 5 ist ein funktionales Blockdiagramm einer Ablaufsteuerung, die durch die CPU 91 der digitalen Steuereinheit 31 gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird.
Die zweite Gassensor-Steuervorrichtung 102 umfasst die digitale Steuereinheit 31 zur Ausführung der diversen Arten der Ablaufsteuerung, den ersten Operationsverstärker 33, einen Tiefpassfilter 111, den zweiten Operationsverstärker 35, den dritten Operationsverstärker 37, die Anschlüsse 39 für externe Verbindungen, die Konstantstrom-Ausgabeeinheit 61, die Konstantstromquellen-Schaltung 62, den seriellen Kommunikationsanschluss 53, etc.
Die Hardware-Konfiguration der zweiten Gassensor-Steuervorrichtung 102 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Konfiguration der Gassensor-Steuervorrichtung 2 der ersten Ausführungsform dadurch, dass der Tiefpassfilter 111 hinzugefügt ist. Ferner unterscheidet sich die zweite Gassensor-Steuervorrichtung 102 von der Konfiguration der Gassensor-Steuervorrichtung 2 dadurch, dass auf die digitale Filtereinheit 99 der funktionalen Blöcke der CPU 91 verzichtet wird.
Als nächstes werden die Wirkungen des Tiefpassfilters 111 (nachstehend auch als ein LPF 111 bezeichnet) beschrieben, während die Ausgangsspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 so gesteuert wird, dass sie sich der Sollspannung annähert.
Wie in 4 gezeigt, ist der Tiefpassfilters 111 in einem Pfad von dem Vs+-Anschluss 41 hin zum nicht-invertierenden Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 33 bereitgestellt. Der Eingangsanschluss 112 des Tiefpassfilters 111 ist mit dem Vs+-Anschluss 41 verbunden, und der Ausgangsanschluss 113 des Tiefpassfilters 111 ist mit dem nicht-invertierendem Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 33 verbunden.
6 zeigt das Schaltdiagramm des Tiefpassfilters 111.
Wie in 6 gezeigt, ist der Tiefpassfilters 111 durch eine Analogschaltung mit einem Widerstandselement 114 und einem Kondensator 115 konfiguriert. Das Widerstandselement 114 ist zwischen dem Eingangsanschluss 112 und dem Ausgangsanschluss 113 angeschlossen. Der Kondensator 115 ist zwischen dem Ausgangsanschluss 113 und einem Erdleiter angeschlossen.
Der Widerstandswert des Widerstandselementes 114 und der Kapazitätswert des Kondensators 115 sind so ausgewählt, dass der Tiefpassfilter 111 ein Signal niederfrequenter Komponenten passieren lässt, die gleich oder niedriger sind als eine vorbestimmte Grenzfrequenz (150 Hz in dieser Ausführungsform) sind.
Die Anschlussspannung Vs, die über beide Anschlüsse der elektrometrischen Kraftzelle 24 entsprechend der Sauerstoffkonzentration erzeugt wird, wird durch den Tiefpassfilter modifiziert, um ein niederfrequentes elektrisches Signal zu erzeugen, das sich, verglichen mit der Spannung, welche an beiden Anschlüssen der Pumpzelle 14 durch den Pumpstrom Ip erzeugt wird, um einen kleinen Betrag pro Zeiteinheit verändert. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 111 wird vorab so eingestellt, dass die niederfrequenten Komponenten der Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24, die entsprechend der Sauerstoffkonzentration erzeugt werden, den Tiefpassfilter passieren.
Somit wird das elektrische Signal der niederfrequenten Komponenten, das gleich oder niedriger als die Grenzfrequenz ist, durch den Tiefpassfilter 111 aus dem elektrischen Signal extrahiert, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 zum nicht-invertierenden Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 33 übertragen wird, und wird über den ersten Operationsverstärkers 33 in die digitale Steuereinheit 31 eingegeben.
Selbst wenn hochfrequente Rausch-Komponenten, beispielsweise der Pumpstrom Ip, dem elektrischen Signal überlagert werden, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 und den ersten Operationsverstärker 33 an die digitale Steuereinheit 31 übertragen wird, kann der Tiefpassfilter 111 diese hochfrequenten Rausch-Komponenten auslöschen. Folglich kann verhindert werden, dass die hochfrequenten Rausch-Komponenten in die digitalen Steuereinheit 31 eintreten. Das heißt, durch das Bereitstellen des Tiefpassfilters 111 kann die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24, die der Sauerstoffkonzentration entsprechend erzeugt wird, in die digitale Steuereinheit 31 eingegeben werden, während die hochfrequenten Rausch-Komponenten ausgelöscht werden.
Im Ergebnis kann die digitale Steuereinheit 31 die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 mit hoher Genauigkeit detektieren und kann ferner die Sauerstoffkonzentration basierend auf dem Pumpstrom Ip mit hoher Genauigkeit detektieren. Da die digitale Steuereinheit 31 in geeigneter Weise den Pumpstrom Ip entsprechend der tatsächlichen Sauerstoffkonzentration innerhalb der Diffusionskammer 20 steuern kann, können Oszillationen der Anschlussspannung Vs aufgrund des Einflusses von Rauschen etc. unterdrückt werden. Ferner kann die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24 dazu gebracht werden, sich der Sollspannung anzunähern.
2.2. Wirkungen
Wie oben beschrieben, umfasst, dem zweiten Verbrennungsmotor-Steuersystem 101 der zweiten Ausführungsform entsprechend, die zweite Gassensor-Steuervorrichtung 102 den Tiefpassfilter 111. Daraus ergibt sich, dass, selbst wenn hochfrequente Rausch-Komponenten dem elektrischen Signal, das von der elektromotorischen Kraftzelle 24 über den Vs+-Anschluss 41 und den ersten Operationsverstärker 33 zur digitalen Steuereinheit 31 übertragen wird, überlagert werden, der Tiefpassfilter die hochfrequenten Rausch-Komponenten auslöschen kann. Demnach kann die Anschlussspannung Vs der elektromotorischen Kraftzelle 24, die der Sauerstoffkonzentration entsprechend generiert wird, geeignet extrahiert werden.
Somit kann die digitale Steuereinheit 31 den Pumpstrom Ip, basierend auf den niederfrequenten Komponenten, die durch den Tiefpassfilter 111 extrahiert wurden, rückgekoppelt steuern.
Da die digitale Steuereinheit 31 den Pumpstrom Ip, basierend auf der tatsächlichen Anschlussspannung Vs, die in der elektromotorischen Kraftzelle der Sauerstoffkonzentration entsprechend innerhalb der Diffusionskammer 20 erzeugt wurde, auf einen angegessenen Wert steuert, kann die Anschlussspannung Vs dazu gebracht werden, sich den Sollspannungs-Wert zu erreichen und Oszillationen der Anschlussspannung Vs können unterdrückt werden.
Das heißt, die zweite Gassensor-Steuervorrichtung 102 kann die Anschlussspannung Vs so steuern, dass sie sich dem Sollspannungs-Wert annähert, indem der Pumpstrom Ip, basierend auf den niederfrequenten Komponenten, die durch den Tiefpassfilter 111 extrahiert werden, rückgekoppelt gesteuert wird. Dies kann erreicht werden, ohne eine Konfiguration zu verwenden, gemäß welcher ein Pumpstrom mit hochfrequenten Komponenten, welche durch Auslöschen der niederfrequenten Komponenten einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder darunter liegender Frequenzen aus dem Pumpstrom Ip erhalten werden, zu der elektromotorischen Kraftzelle 24 fließt.
2.3. Entsprechende Struktur
Die Beziehung zwischen den zur Definition der Erfindung verwendeten Ausdrücken und einer entsprechenden Struktur der zweiten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Die Gassensor-Steuervorrichtung 102 entspricht einem Beispiel der Sensor-Steuervorrichtung, die poröse Diffusionsschicht 18 entspricht einem Beispiel einer Diffusionsraten-steuernden Schicht, das Abgas entspricht einem Beispiel des zu messenden Gases, der Sauerstoff entspricht einem Beispiel der bestimmten Gaskomponente, die Anschlussspannung Vs entspricht einem Beispiel der Detektionsspannung und der Gassensor 8 entspricht einem Beispiel des Sensors.
Ferner entspricht die digitale Steuereinheit 31 einem Beispiel einer Steuereinheit, der Tiefpassfilter 111 entspricht einem Beispiel einer Tiefpassfilter-Einheit und der erste A/D-Wandler 93 entspricht einem Beispiel einer niederfrequenten A/D-Wandlungseinheit.
3. Modifikationen
Obwohl die obige Beschreibung erstellt wurde, um Ausführungsformen der Erfindung zu spezifizieren, ist die Erfindung nicht auf sie beschränkt und kann auf verschiedene Arten implementiert werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel ist die Grenzfrequenz der digitalen Filtereinheit 99 und des Tiefpassfilters 111 nicht auf den oben erwähnten Wert beschränkt, und die digitale Filtereinheit 99 wie auch der Tiefpassfilter 111 können so konfiguriert sein, dass sie eine dem Ziel und/oder der Verwendung angemessene Grenzfrequenz haben.
Als Nächstes kann, obwohl der Tiefpassfilter 111 gemäß der zweiten Ausführungsform durch ein einziges Widerstandselement und ein einziges Kondensatorelement konfiguriert wurde, anstelle des Tiefpassfilters 111 ein zweiter Tiefpassfilter 121 benutzt werden, der mit zwei Widerstandselementen und zwei Kondensatorelementen konfiguriert ist.
7 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Konfiguration des zweiten Tiefpassfilters 121 zeigt.
Der zweite Tiefpassfilter 121 ist durch eine Analogschaltung konfiguriert, die ein Widerstandselement 122, einen Kondensator 123, ein Widerstandselement 124 und einen Kondensator 125 umfasst.
Eine Reihenschaltung des Widerstandselements 122 und des Widerstandselements 124 ist zwischen dem Eingangsanschluss 112 und dem Ausgangsanschluss 113 verbunden. Der Kondensator 123 ist mit einem Ende mit einem Verbindungspunkt verbunden, welcher zwischen dem Widerstandselement 122 und dem Widerstandselement 124 angeordnet ist, und ist mit dem anderen Ende mit einem Erdleiter verbunden. Der Kondensator 125 ist zwischen dem Ausgangsanschluss 113 und dem Erdleiter verbunden.
Die Widerstandswerte des Widerstandselements 122 und des Widerstandselements 124 und die Kapazitätswerte des Kondensators 123 und des Kondensators 125 sind so eingestellt, dass der zweite Tiefpassfilter 121 ein Signal niederfrequenter Komponenten einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder geringerer Frequenzen passieren lässt.
Der so konfigurierte, zweite Tiefpassfilter 121 kann anstelle des Tiefpassfilters 111 der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
Alternativ kann als ein dritter Tiefpassfilter 131 ein positiv rückgekoppelter Tiefpassfilter, der einen Operationsverstärker verwendet, anstelle des Tiefpassfilters 111 verwendet werden.
8 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Konfiguration des dritten Tiefpassfilters 131 zeigt.
Der dritte Tiefpassfilter 131 ist durch eine Analogschaltung konfiguriert, die ein Widerstandselement 132, einen Kondensator 133, ein Widerstandselement 134, ein Widerstandselement 135, einen Kondensator 136, einen Kondensator 137 und einen Operationsverstärker 138 umfasst.
Eine Reihenschaltung aus dem Widerstandselement 132, dem Widerstandselement 134 und dem Widerstandselement 135 ist zwischen dem Eingangsanschluss 112 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 138 verbunden. Der Kondensator 136 ist mit einem Ende mit einem Verbindungspunkt verbunden, welcher zwischen dem Widerstandselement 132 und dem Widerstandselement 134 angeordnet ist, und ist mit dem anderen Ende mit dem Erdleiter verbunden. Der Kondensator 136 ist zwischen dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 138 und dem Erdleiter verbunden. Der Kondensator 137 ist mit einem Ende mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstandselement 134 und dem Widerstandselement 135 verbunden und ist mit dem anderen Ende mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 138 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 138 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden.
Die Widerstandswerte der jeweiligen Widerstandselemente und die Kapazitätswerte der jeweiligen Kondensatoren sind so eingestellt, dass der dritte Tiefpassfilter 131 ein Signal niederfrequenter Komponenten einer vorbestimmten Grenzfrequenz oder geringerer Frequenzen passieren lässt.
Der so konfigurierte, dritte Tiefpassfilter 131 kann anstelle des Tiefpassfilters 111 der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
In der digitalen Steuereinheit 31 der zweiten Ausführungsform kann eine digitale Arithmetikschaltung durch eine geeignete Hardware-Konfiguration von Schaltungselementen anstelle der CPU 91 verwendet werden. In diesem Fall kann die Stärke des Pumpstroms Ip, der zur Pumpzelle 14 fließt, einer PID-Steuerung unterzogen werden, sodass die elektromotorische Kraft (Anschlussspannung Vs) der elektromotorische Kraftzelle 24 450 mV wird; und ein hiernach berechnetes, digitales Signal des Pumpstroms Ip kann an den D/A-Wandler 94 ausgegeben werden. Ferner ist in der ersten und zweiten Ausführungsform die digitale Steuereinheit 31 mit einem seriellen Kommunikationsanschluss 53 bereitgestellt, und das Gas-Detektions-Signal (Vip Signal), das durch die CPU 91 detektiert wird, wird an das Motorsteuergerät 9 ausgegeben. Jedoch können sowohl die Gassensor-Steuervorrichtung wie auch die zweite Gassensor-Steuervorrichtung so konfiguriert sein, dass auf den seriellen Kommunikationsanschluss 53 und die Detektionsprozess des Gas-Detektions-Signals (Vip Signal) auf der CPU 91 verzichtet werden kann, und eine Anschlussspannung über beide Anschlüsse des Strom-Detektions-Widerstandes 83 wird an das Motorsteuergerät 9 ausgegeben.
Diese Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf die oben genannten Ausführungsformen beschrieben. Jedoch sollte diese Erfindung nicht so ausgelegt werden, als würde sie sich auf diese Ausführungsformen beschränkt sein. Dem Fachmann sollte offensichtlich sein, dass diverse Veränderungen in der Form und im Detail der Erfindung, wie sie oben beschrieben ist, vorgenommen werden können. Es ist beabsichtig, dass solche Veränderungen im Wesen und Umfang der beigefügten Ansprüche inbegriffen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2624704 [0005]
JP 5-256817 A [0005]
JP 2002-243700 A [0006]
US 2013/0054663 [0082]

Claims

Sensor-Steuervorrichtung zum Steuern eines Sensors, wobei der Sensor eine Diffusionskammer, in welche ein zu messendes Gas durch eine eine Diffusionsrate steuernde Schicht fließt, eine elektromotorische Kraftzelle, welche eine Detektionsspannung entsprechend einer Konzentration einer bestimmten Gaskomponente innerhalb der Diffusionskammer erzeugt, und eine Pumpzelle, welche die bestimmte Gaskomponente entsprechend eines extern bereitgestellten Pumpstroms in oder aus der Diffusionskammer pumpt, umfasst, wobei die Sensor-Steuervorrichtung umfasst: eine Steuereinheit, welche dazu konfiguriert ist, den Pumpstrom basierend auf der Detektionsspannung rückgekoppelt zu steuern, so dass sich die an der elektromotorischen Kraftzelle erzeugte Detektionsspannung einer Sollspannung annähert; und eine Tiefpassfilter-Einheit, welche dazu konfiguriert ist, eine vorbestimmte, niederfrequente Komponente aus der Detektionsspannung zu extrahieren, wobei die Steuereinheit den Pumpstrom basierend auf der von der Tiefpassfilter-Einheit extrahierten, niederfrequenten Komponente rückgekoppelt steuert.
Sensor-Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen Analog/Digital-Spannungswandler, welcher die an der elektromotorischen Kraftzelle des Sensors erzeugte Detektionsspannung von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt, wobei die Tiefpassfilter-Einheit eine digitale Operation an dem digitalen Wert der von dem Analog/Digital-Spannungswandler umgewandelten Detektionsspannung vornimmt, um dadurch die niederfrequente Komponente zu extrahieren, und wobei die Steuereinheit den Pumpstrom durch einen digitalen Prozess, basierend auf dem digitalen Wert der niederfrequenten Komponente, rückgekoppelt steuert.
Sensor-Steuervorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen niederfrequenten Analog/Digital-Wandler, welcher die von der Tiefpassfilter-Einheit extrahierte, niederfrequente Komponente von einem analogen Wert in einen digitalen Wert umwandelt, wobei die Tiefpassfilter-Einheit eine Analogschaltung ist, welche in einem Detektionspfad der Detektionsspannung von der elektromotorischen Kraftzelle zu der Steuereinheit bereitgestellt ist, und wobei die Steuereinheit den Pumpstrom durch einen digitalen Prozess, basierend auf dem digitalen Wert der von dem niederfrequenten Analog/Digital-Wandler umgewandelten, niederfrequenten Komponente, rückgekoppelt steuert.