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Hintergrund der Erfindung
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1. Bereich der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizungssteuerungs-Verfahren und eine Heizungssteuerungs-Vorrichtung zum Steuern einer Versorgung einer Heizung, welche zur Aktivierung eines Detektionselements eines Gassensors verwendet wird.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Ein Gassensors umfasst üblicherweise ein Detektionselement mit wenigstens einer Zelle, welche aus einem Festelektrolytkörper und einem Paar Elektroden besteht, und detektiert die Konzentration eines bestimmten Gases (z.B. Sauerstoff). Das Detektionselement wird aktiv, wenn seine Temperatur ansteigt, wodurch eine elektromotorische Kraft zwischen dem Paar Elektroden erzeugt wird, welche einer Differenz von Sauerstoffkonzentrationen zwischen zwei durch den Festelektrolytkörper getrennten Atmosphären entspricht. Das Detektionselement wird durch die Hitze eines von einem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgases erhitzt. Darüber hinaus wird in dem Gassensor eine Heizung bereitgestellt, um das Detektionselement schnell zu aktivieren. Eine Energieversorgungs-Spannung wird an die Heizung angelegt. Jedoch wird, wenn die Energieversorgungs-Spannung zu groß ist, der Temperaturanstieg pro Zeiteinheit hoch und eine außerordentliche Last (mechanische Spannung) wirkt auf das Detektionselement. Infolgedessen kann das Detektionselement reißen oder einen anderen Schaden erleiden.
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Es ist eine Vorrichtung bekannt, welche solche Nachteile durch Versorgung der Heizung mittels einer PWM Steuerung (wobei "PWM" eine Abkürzung für Pulsweitenmodulation ist) überwindet (siehe z.B. offengelegte
Japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. H9-127035 ). Wenn eine an die Heizung angelegte Effektivspannung oder insbesondere eine in die Heizung eingegebene Gesamtleistung durch eine PWM Steuerung gesteuert wird, kann eine Temperaturanstiegskurve, welche einen Anstieg der Temperatur der Heizung pro Zeiteinheit darstellt, näher an eine gewünschte Temperaturanstiegskurve gebracht werden. Daher kann eine erforderliche Temperaturanstiegsrate der Heizung effizient erreicht und die Last auf das Detektionselement gleichzeitig reduziert werden.
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3. Von der Erfindung zu lösende Probleme:
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Es besteht ein Bedarf einen Gassensors in einem Fahrzeug zu verwenden, dessen Energieversorgungs-Spannung größer als die herkömmlicherweise verwendete Energieversorgungs-Spannung ist (z.B. ein Fahrzeug, dessen Energieversorgungs-Spannung größer als 16 V ist). Dieser Bedarf kann befriedigt werden, indem die Heizung durch PWM Steuerung versorgt wird und das dabei verwendete Tastverhältnis der Energieversorgungs-Spannung entsprechend so eingestellt ist, dass die an die Heizung angelegte Effektivspannung einer herkömmlichen Effektivspannung gleich wird. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Versorgung der Heizung mittels PWM Steuerung ein Reißen des Detektionselements verursachen kann. Die Ergebnisse von von den Erfindern durchgeführten Studien zeigen, dass, obwohl eine AN-Zeit (Versorgungsdauer) in jeder Periode der PWM Steuerung kürzer als diejenige üblicher Vorrichtungen ist, die Heizungstemperatur während der AN-Zeit stärker als in den herkömmlichen Vorrichtungen ansteigt. Das liegt daran, dass die an die Heizung angelegte Spannung (nachfolgend auch als die „Anlegungsspannung“ bezeichnet) während der AN-Zeit größer als selbige in herkömmlichen Vorrichtungen ist. Der Temperaturanstieg der Heizung während der AN-Zeit kann durch Verringerung des Tastverhältnisses verringert werden, so dass die AN-Zeit kürzer wird. Damit ergibt sich jedoch das Problem, dass die an die Heizung angelegte Effektivspannung verringert wird und dementsprechend die Temperaturanstiegskurve der Heizung flacher wird als die Temperaturanstiegskurve herkömmlicher Vorrichtungen, wodurch es länger dauert, das Detektionselement zu aktivieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Heizungssteuerungs-Verfahren und eine Heizungssteuerungs-Vorrichtung für einen Gassensor bereitzustellen, welche das Detektionselement des Gassensors schnell aktivieren können und die aufgrund des Heizens darauf wirkende Last reduzieren, auch wenn die an die Heizung des Gassensors angelegte Energieversorgungs-Spannung größer als die herkömmlicherweise verwendete ist.
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Das obige Ziel der Erfindung wurde gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erreicht, indem ein Heizungssteuerungs-Verfahren zum Steuern einer Versorgung einer Heizung eines Gassensors bereitgestellt wird, wobei der Gassensor umfasst:
ein Gasdetektionselement mit wenigstens einer Zelle, welche aus einem Festelektrolytkörper und einem daran angeordneten Paar Elektroden besteht, und
eine Heizung, welche Hitze erzeugt, wenn eine Energieversorgungs-Spannung durch eine Energieversorgungs-Vorrichtung an die Heizung angelegt wird, sodass das Gasdetektionselement beheizt und aktiviert wird, wobei die von der Energieversorgungs-Vorrichtung an die Heizung angelegte Energieversorgungs-Spannung größer als 16 V ist. Das Heizungssteuerungs-Verfahren umfasst:
Anlegen der Energieversorgungs-Spannung an die Heizung und Beenden des Anlegens der Energieversorgungs-Spannung durch Schaltmittel; und Steuern der Versorgung der Heizung durch Betreiben der Schaltmittel in einer PWM Steuerung bei einer PWM Frequenz von 30 Hz oder mehr.
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Die PWM Steuerung wird so durchgeführt, dass die Schaltmittel mit einem Tastverhältnis von weniger als 100 % betrieben werden, wodurch sich die Temperatur der Heizung pro 0,1 Sekunden nicht um 25°C oder mehr verändert und ein Effektivwert der an die Heizung angelegten Spannung gleich einer zuvor für die Heizung festgelegten, niedrigeren Anlegungsspannung ist.
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Gemäß des Heizungssteuerungs-Verfahrens für einen Gassensors gemäß dem ersten Aspekt ist die PWM Frequenz auf 30 Hz oder mehr gesetzt. Daher ist es möglich, die AN-Zeit in jeder Periode zu verkürzen. Damit kann, auch wenn eine Energieversorgungs-Spannung, welche größer als 16 V ist, an die Heizung angelegt wird, der Temperaturanstieg der Heizung während der AN-Zeit bei einem niedrigen Wert gehalten werden. Dementsprechend kann die auf das Detektionselement wirkende Last reduziert werden, indem die PWM Steuerung bei einer PWM Frequenz von 30 Hz oder mehr durchgeführt wird und das Tastverhältnis so eingestellt ist, dass der Temperaturanstieg der Heizung pro 0,1 Sekunden kleiner als 25°C ist. Zudem kann der Effektivwert der an die Heizung angelegten Spannung beibehalten werden, auch wenn die AN-Zeit verkürzt wird. Somit kann das Detektionselement schnell aktiviert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegenden Erfindung eine Heizungssteuerungs-Vorrichtung zum Steuern einer Versorgung einer Heizung eines Gassensors bereit, wobei der Gassensor umfasst:
ein Gasdetektionselement mit wenigstens einer Zelle, welche aus einem Festelektrolytkörper und einem daran angeordneten Paar Elektroden besteht, und
eine Heizung, welche Hitze erzeugt, wenn eine Energieversorgungs-Spannung durch eine Energieversorgungs-Vorrichtung angelegt wird, sodass das Gasdetektionselement geheizt und aktiviert wird, wobei die von der Energieversorgungs-Vorrichtung an die Heizung angelegte Energieversorgungs-Spannung größer als 16 V ist. Die Heizungssteuerungs-Vorrichtung umfasst:
Schaltmittel zum Anlegen der Energieversorgungs-Spannung an die Heizung und zum Beenden des Anlegens der Energieversorgungs-Spannung; und
Steuermittel zum Steuern der Versorgung der Heizung durch Verwenden der Schaltmittel in einer PWM Steuerung bei einer PWM Frequenz von 30 Hz oder mehr,
wobei besagte Steuermittel die PWM Steuerung so durchführen, dass die Schaltmittel mit einem Tastverhältnis von weniger als 100 % betrieben werden, wodurch sich die Temperatur der Heizung pro 0,1 Sekunden nicht um 25°C oder mehr verändert und ein Effektivwert der an die Heizung angelegten Spannung gleich einer zuvor für die Heizung festgelegten, niedrigeren Anlegungsspannung ist.
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Gemäß der Heizungssteuerungs-Vorrichtung für einen Gassensor gemäß dem zweiten Aspekt setzen die Steuermittel die PWM Frequenz (bei der die Schaltmittel betrieben werden) auf 30 Hz oder mehr. Daher ist es möglich die AN-Zeit in jeder Periode zu verkürzen. Damit kann, auch wenn eine Energieversorgungs-Spannung, welche höher als 16 V ist, an die Heizung angelegt wird, der Temperaturanstieg der Heizung während der AN-Zeit bei einem niedrigen Wert gehalten werden. Dementsprechend kann die auf das Detektionselement wirkende Last reduziert werden, indem die PWM Steuerung bei einer PWM Frequenz von 30 Hz oder mehr durchgeführt wird und das Tastverhältnis so eingestellt ist, dass der Temperaturanstieg der Heizung pro 0,1 Sekunden kleiner als 25°C ist. Zudem kann der Effektivwert der an die Heizung angelegten Spannung beibehalten werden, auch wenn die AN-Zeit verkürzt wird. Somit kann das Detektionselement schnell aktiviert werden.
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Hierin bezeichnet der Ausdruck "Effektivspannung" eine in die Heizung eingegebene Gesamtleistung.
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Ein Effektivwert der an die Heizung angelegten Spannung, der einer zuvor für die Heizung festgelegten, niedrigeren Anlegungsspannung gleich ist, bezeichnet einen Wert einer Spannung, mit dem eine Dauer, welche benötigt wird, um die Temperatur des Gasdetektionselements von beispielsweise einer Umgebungstemperatur auf eine Temperatur zu erhöhen, bei der eine Detektion eines Gases möglich ist, weniger als 15 Sekunden beträgt, wodurch der Effektivwert weniger als 16 V beträgt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm, welches die elektrische Konfiguration eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 mit einem Heizungselement 7 und die Konfiguration einer Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 darstellt.
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2 ist ein Graph, welcher Temperaturanstiegskurven zeigt, von denen jede eine Temperatur als Funktion der Versorgungszeit des Heizungselements 7 darstellt.
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3 ist ein Graph, welcher eine Änderung der Temperatur des Heizungselements 7 darstellt, welches mit einer Energieversorgungs-Spannung von 16 V und einer PWM Frequenz von 10 Hz versorgt ist.
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4 ist ein Graph, welcher die Änderung der Temperatur des Heizungselements 7 darstellt, welches mit der Energieversorgungs-Spannung von 32 V und der PWM Frequenz von 10 Hz versorgt ist.
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5 ist ein Graph, welcher die Änderung der Temperatur des Heizungselements 7 darstellt, welches mit der Energieversorgungs-Spannung von 32 V und der PWM Frequenz von 100 Hz versorgt ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (d.h. ein Heizungssteuerungs-Verfahren und eine Heizungssteuerungs-Vorrichtung für einen Gassensor) wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung sollte jedoch nicht als darauf beschränkt erachtet werden. Zuerst wird mit Bezug auf 1 die elektrische Konfiguration einer Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 zum Steuern des Betriebs eines sogenannten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 beschrieben, welcher ein Beispiel für die Heizungssteuerungs-Vorrichtung ist.
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Die in 1 gezeigte Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 ist eine elektronische Steuerungseinheit (ECU), welche in einem Fahrzeug installiert ist, und ist elektrisch mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 verbunden. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 ist ein Beispiel für den in der vorliegenden Erfindung verwendeten Gassensor. Der Ausgabewert des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 (der Wert eines Detektionssignals) variiert linear in Abhängigkeit der Konzentration von Sauerstoff, welcher in einem Abgas enthalten ist, das von einem Motor ausgestoßen wird. Nachdem der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 wohl bekannt ist, wird seine Struktur, etc. nicht im Detail beschrieben und lediglich seine schematische Konfiguration wird nachfolgend beschrieben.
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Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2 weist eine Struktur auf, in der ein längliches plattenähnliches Sensorelement 5 in einem nicht dargestellten Gehäuse gehalten ist. Eine Signalleitung zum Senden eines von dem Sensorelement 5 ausgegebenen Signals erstreckt sich von dem Luft-Kraftstof-Verhältnis-Sensor 2 und ist elektrisch mit der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 verbunden, welche von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2 entfernt installiert ist.
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Wie wohl bekannt ist, ist das Sensorelement 5 ein Element, in dem ein Gasdetektionselement 6 zur Detektion der Konzentration von Sauerstoff, welcher in Abgas enthalten ist, mit einem Heizungselement 7 zum Heizen des Gasdetektionselements 6 integriert ist. Das Gasdetektionselement 6 weist zwei Typen von Zellen auf (eine Vs Zelle 61 und eine Ip Zelle 62). Jede dieser Zellen besteht aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytkörper, welcher im Wesentlichen aus Zirkonoxid gebildet ist; und einem Paar Elektroden, welche im Wesentlichen aus Pt gebildet und an den Vorder- und Rückseiten des Festelektrolytkörpers angeordnet sind. Das Gasdetektionselement 6 weist eine Struktur auf, in welcher die oben beschriebene Vs Zelle 61 und die Ip Zelle 62 gestapelt sind, um eine nicht gezeigte Gasdetektionskammer zu bilden, welche eine kleine Kammer ist, in welche Abgas eingeführt werden kann. Eine Elektrode der Vs Zelle 61 und eine Elektrode der Ip Zelle 62 sind dem Raum der Gasdetektionskammer ausgesetzt. Diese Elektroden sind miteinander elektrisch verbunden und sind mittels einer nicht gezeichneten Signalleitung mit einem COM Port eines ASIC 20 (unten beschrieben) verbunden, welche in der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 enthalten ist. Die andere Elektrode der Vs Zelle 61 fungiert als eine Sauerstoffreferenzelektrode, welche als eine Referenz zur Detektion der Konzentration von Sauerstoff verwendet wird, welcher in dem Abgas enthalten ist, das in die oben beschriebene Detektionskammer eingeführt ist, und besagte Elektrode ist mit einem Vs+ Port des ASIC 20 durch eine nicht gezeigte Signalleitung verbunden. Ferner ist die andere Elektrode der Ip Zelle 62 der Atmosphäre außerhalb des Gasdetektionselements 6 ausgesetzt, um Sauerstoff zwischen der Gasdetektionskammer und der äußeren Atmosphäre auszutauschen, und besagte Elektrode ist elektrisch mit einem Ip+ Port des ASIC 20 verbunden.
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Das Heizungselement 7 heizt die Festelektrolytkörper des Gasdetektionselements 6, um selbiges schnell zu aktivieren. Nach der Aktivierung des Gasdetektionselements 6 behält das Heizungselement 7 die Temperaturen der Festelektrolytkörper bei, um somit einen stabilen Betrieb des Gasdetektionselements 6 sicherzustellen. Das Heizungselement 7 weist eine Struktur auf, in der ein hitzeerzeugender Widerstand 71, welcher im Wesentlichen aus Platin gebildet ist, zwischen zwei isolierenden Substraten, welche im Wesentlichen aus Aluminium gebildet sind, angeordnet ist. Nachdem die spezielle Struktur des Sensorelements 5 wohl bekannt ist, ist die elektrische Schaltungskonfiguration des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 mit dem Sensorelement 5 in 1 gezeigt.
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Als nächstes wird die schematische Konfiguration der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 beschrieben, mit welcher der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2 verbunden ist. Die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 umfasst einen Mikrocomputer 10, den oben genannten ASIC 20 und eine Heizungssteuerungs-Schaltung 30. Zudem umfasst die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 nicht gezeigte Schaltungen (Vorrichtungen), welche zur Steuerung des Motors dienen. Der Mikrocomputer 10 steuert über den ASIC 20 und die Heizungssteuerungs-Schaltung 30 die Versorgung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 mit Energie und empfängt von dem Gasdetektionselement 6 ein Spannungssignal, welches einen Stromwert darstellt, der der Konzentration von Sauerstoff entspricht, welche in einem Abgas enthalten ist.
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Der Mikrocomputer 10 ist eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Betriebs eines Fahrzeugmotors und führt auch weitere Operationen durch. Der Mikrocomputer 10 führt diverse Steuerungsprogramme aus, um die damit verbundenen Schaltungen (Vorrichtungen) inklusive dem ASIC 20 zu steuern und damit Kraftstoffeinspritzzeiten und Zündungszeiten zu steuern. Um dies zu tun, gibt der Mikrocomputer 10 an den ASIC 20 und die Heizungssteuerungs-Schaltung 30 über einen nicht dargestellten Signal-Eingabe/Ausgabe-Abschnitt ein Signal zum Steuern der Energieversorgung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 aus. Zudem bezieht der Mikrocomputer 10 über den ASIC 20 eine Ausgabe (ein detektiertes Signal) von dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2. Zudem empfängt der Mikrocomputer 10 Information wie beispielsweise den Kurbelwinkel (von welchem Kolbenpositionen und Rotationsgeschwindigkeit des Motors detektiert werden können) und Verbrennungsdruck des Motors.
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Der Mikrocomputer 10 umfasst eine CPU 11, ein ROM 12 und ein RAM 13, welche jeweils wohl bekannte Konfigurationen aufweisen. Die CPU 11 führt diverse Steuerungstypen inklusive der oben beschriebenen Steuerung durch. Das ROM 12 speichert Programme, Anfangswerte, etc. zum Durchführen der diversen Steuerungstypen. Das RAM 13 speichert vorrübergehend diverse Variablen, Flags, Zähler, etc., welche zur Ausführung der Programme verwendet werden.
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Der ASIC 20 ist eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung, in welcher Schaltungen zum Betreiben und Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 2 derart integriert sind, dass der ASIC einfach in die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 integriert werden kann. Der ASIC 20 versorgt das Gasdetektionselement 6 in Abhängigkeit von einem von dem Mikrocomputer 10 empfangenen Signal mit Energie und übermittelt dem Mikrocomputer 10 die Sauerstoffkonzentration, welche von dem Gasdetektionselement 6 detektiert wird. Insbesondere legt der ASIC 20 eine Minute lang einen Konstant-Strom Icp an die Vs Zelle 61 des Gasdetektionselements 6 an, um Sauerstoff-Ionen in Richtung der mit dem Vs+ Port verbundenen Elektrode zu bewegen. Dadurch sammelt sich Sauerstoff an der mit dem Vs+ Port verbundenen Elektrode an, welche als eine Sauerstoffreferenzelektrode fungiert. Zudem detektiert der ASIC 20 eine elektromotorische Kraft Vs, welche zwischen dem Paar Elektroden der Vs Zelle 61 erzeugt wird und vergleicht diese mit einer vorbestimmten Referenzspannung (z.B. 450 mV). Durch Steuerung der Flussrichtung und Stärke eines Pumpstroms Ip, welcher zwischen dem Paar Elektroden der Ip Zelle 62 auf der Grundlage des Ergebnisses des oben beschriebenen Vergleichs fließt, pumpt die Ip Zelle 62 Sauerstoff in die Gasdetektionskammer und pumpt Sauerstoff aus der Gasdetektionskammer heraus. Die Vs Zelle 61 und die Ip Zelle 62 weisen jeweils Innenwiderstände auf. Es ist bekannt, dass der Widerstand (Innenwiderstand oder Impedanz) mit steigender Temperatur der Festelektrolytkörper, welche die entsprechenden Zellen bereitstellen, abnimmt. Des weiteren ist bekannt, dass eine vorbestimmte Korrelation zwischen dem Innenwiderstand und der Temperatur der Vs Zelle 61 bzw. der Ip Zelle 62 besteht. Der ASIC 20 detektiert separat eine Änderung des Innenwiderstands der Vs Zelle 61 und gibt das Detektionsergebnis an den Mikrocomputer 10 aus.
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Die Heizungssteuerungs-Schaltung 30 steuert das Anlegen einer Spannung Vh von einer Batterie 8 an den hitzeerzeugenden Widerstand 71 des Heizungselements 7 in dem Sensorelement 5. Insbesondere umfasst die Heizungssteuerungs-Schaltung 30 ein Schaltgerät 31 (z.B. einen Transistor) zum Anlegen elektrischer Energie an den hitzeerzeugenden Widerstand 71 mittels einer PWM (Pulsweitenmodulation) Steuerung. Die CPU 11 des Mikrocomputers 10 berechnet das Tastverhältnis des Spannungsverlaufs der Spannung Vh, welche zwischen gegenüberliegenden Enden des hitzeerzeugenden Widerstandes 71 angelegt ist. Insbesondere detektiert der ASIC 20 den Innenwiderstand der Vs Zelle 61, welcher einem erhitzten Zustand der Zelle entspricht, und die CPU 11 berechnet das erforderliche Tastverhältnis basierend auf einer Änderung des Innenwiderstands und in Abhängigkeit einer allgemein bekannten Gleichung oder einer zuvor präparierten Tabelle. Durch ein von der CPU 11 ausgegebenes Pulssignal legt die Heizungssteuerungs-Schaltung 30 die Spannung Vh an den hitzeerzeugenden Widerstand 71 an, welche einen dem berechneten Tastverhältnis entsprechenden Spannungsverlauf aufweist. Der hitzeerzeugende Widerstand 71 erzeugt Hitze, wodurch die Ip Zelle 61 und die Vs Zelle 62 geheizt werden. Das Schaltungsgerät 31 der Heizungssteuerungs-Schaltung 30 ist nicht auf den oben beschriebenen Transistor beschränkt und kann ein FET oder dergleichen sein.
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Wie in 2 gezeigt, ist bekannt, dass eine Kurve, welche die Relation zwischen einer Zeitdauer, während der der hitzeerzeugende Widerstand 71 versorgt ist, und einem Anstieg der Temperatur des Heizungselements 7 (nachfolgend auch als eine „Temperaturanstiegskurve“ bezeichnet) zu einer Kurve identisch ist, welche die dem hitzeerzeugenden Widerstand 71 eingegebene Energie darstellt (eine Kurve welche angibt, wie sich die Temperatur verändert). Um eine schnelle Aktivierung des Gasdetektionselements 6 sicherzustellen, wird bevorzugt die dem Heizungselement 7 (dem hitzeerzeugenden Widerstand 71) zugeführte Energie derart erhöht, dass die Temperatur des Heizungselements 7 in einer kürzeren Zeit eine Temperatur erreicht, bei der das Gasdetektionselement 6 aktiviert werden kann. Das Gasdetektionselement 6 kann jedoch reißen oder brechen, wenn ein großer Temperaturanstieg während der verkürzten Aktivierungszeit vorliegt.
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In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Temperaturanstiegskurve, welche erhalten wird, wenn die an das Heizungselement 7 angelegte Effektivspannung 12 V beträgt (im Folgenden auch als eine „12 V Temperaturanstiegskurve“ bezeichnet; in 2 ist diese Kurve durch eine gepunktete Linie dargestellt), als eine Temperaturanstiegskurve verwendet, welche eine schnelle Aktivierung des Gasdetektionselements 6 ermöglicht und gleichzeitig die auf die Festelektrolytkörper wirkende Last reduziert. Die Energieversorgungs-Spannung der Batterie 8 kann von Fahrzeug zu Fahrzeug verschieden sein, in denen die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 verwendet wird. Daher führt die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 eine PWM Steuerung so durch, dass der Temperaturanstieg des Heizungselements 7 der 12 V Temperaturanstiegskurve folgt.
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Insbesondere wenn in der vorliegenden Ausführungsform die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 (das Heizungselement 7) mit einer Batterie 8 verbunden ist, deren Energieversorgungs-Spannung größer als 16 V ist, setzt die CPU 11 die Frequenz des Pulssignals, welches an die Heizungssteuerungs-Schaltung 30 ausgegeben wird (PWM Frequenz) auf 30 Hz oder mehr (z.B. 100 Hz). Insbesondere schaltet die CPU 11 der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 das Schaltgerät 31 einmal (in jeder Periode der PWM Steuerung) zu der Zeit an und aus, welche in Abhängigkeit des Tastverhältnisses gesetzt ist. Die CPU 11 führt so eine PWM Steuerung durch, nachdem die Länge einer Periode der PWM Steuerung auf 0,01 Sekunden (in diesem Fall beträgt die PWM Frequenz 100 Hz) gesetzt ist. Zudem setzt die CPU 11 das Tastverhältnis so, dass die Änderung der Temperatur des Heizungselements 7 pro 0,1 Sekunden weniger als 25°C beträgt. Durch die oben beschriebenen zwei Einstellungen kann die Last auf das Gasdetektionselement 6 reduziert werden, auch wenn die Energieversorgungs-Spannung der Batterie 8, welche an das Heizungselement 7 angelegt wird, größer als 16 V ist.
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Die PWM Steuerung des Heizungselements 7 wird auf den oben beschriebenen Einstellungen basierend aus folgenden Gründen durchgeführt. Der 12 V Temperaturanstiegskurve entsprechend, welche zu beobachten ist, wenn die an das Heizungselement 7 angelegte Effektivspannung 12 V beträgt, beträgt die Temperatur des Heizungselements 7 T1°C, wenn eine vorbestimmte Zeit nach dem Start der Versorgung verstrichen ist, und beträgt T2°C, nachdem 0,1 Sekunden seit dem Verstreichen der vorbestimmten Zeit verstrichen sind.
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Als Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 mit einer Batterie 8 verbunden ist, deren Energieversorgungs-Spannung 16 V beträgt, wird die PWM Frequenz auf 10 Hz gesetzt und eine PWM Steuerung wird durchgeführt, in welcher das Tastverhältnis derart gesetzt ist, dass der Temperaturanstieg des Heizungselements 7 der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgt. Da die PWM Frequenz 10 Hz beträgt, beträgt die Länge einer PWM Periode 0,1 Sekunden. Die CPU 11 berechnet das Tastverhältnis auf Grundlage des Innenwiderstands der Vs Zelle 61, sodass die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) T2°C beträgt, nachdem 0,1 Sekunden seit dem Verstreichen der vorbestimmten Zeit nach dem Start der Versorgung verstrichen sind (siehe 3). Wenn die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) nach einem Verstreichen der vorbestimmten Zeit seit dem Start der Versorgung T1°C beträgt, so wie dies in dem Fall ist, wenn die angelegte Energieversorgungs-Spannung 12 V beträgt, setzt die CPU 11 das Tastverhältnis so, dass die Effektivspannung 12 V beträgt. In diesem Fall ist das Schaltgerät 31 zwischen 0 und P Sekunden angeschaltet, wodurch 16 V an das Heizungselement 7 angelegt sind. Zwischen P und 0,1 Sekunden ist das Schaltgerät 31 abgeschaltet. Während das Schaltgerät 31 angeschaltet ist (nachfolgend auch als „AN-Zeit“ bezeichnet) erhöht sich die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) aufgrund des Anlegens der 16 V Energieversorgungs-Spannung um Tx°C. Während das Schaltgerät 31 abgeschaltet ist (nachfolgend auch als „AUS-Zeit“ bezeichnet), verringert sich die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) aufgrund natürlicher Kühlung, wodurch die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) auf T2°C sinkt, nachdem 0,1 Sekunden seit dem Verstreichen der vorbestimmten Zeit verstrichen sind.
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Im Gegensatz zu der Temperaturanstiegskurve aus 3 zeigt die 12 V Temperaturanstiegskurve aus 2 aus den folgenden Gründen sogar während der AUS-Zeit einen Anstieg der Temperatur. In 2 ist die Temperatur des Heizungselements 7 ein Wert, welcher unter Verwendung eines Temperaturdetektors mit einem Thermoelement gemessen wurde, welches in Kontakt mit der Oberfläche des Heizungselements 7 in einer Position über dem Heizmuster des hitzeerzeugenden Widerstands 71 ist, wobei das Heizmuster in dem Heizungselement 7 ausgebildet ist. Aufgrund der Auflösung des Temperaturdetektors kann die Temperaturanstiegskurve eine schrittweise Temperaturänderung zeigen, deren Dauer kürzer als die Länge einer PWM Periode ist. Während der AN-Zeit erhöht sich die Temperatur des Heizungselements 7 aufgrund der durch den hitzeerzeugenden Widerstand 71 erzeugten Hitze. Während der AUS-Zeit im Anschluss an die AN-Zeit fällt die Temperatur des hitzeerzeugenden Widerstands 71, wie in 3 gezeigt, ab. Nachdem die Temperatur des hitzeerzeugenden Widerstands 71 jedoch immer noch höher als die Temperatur der Oberfläche des Heizungselements 7 ist, erhöht sich die Temperatur des Heizungselements 7 weiterhin. Wenn die Temperatur der Oberfläche des Heizungselements 7 ansteigt und sich der Temperatur des hitzeerzeugenden Widerstands 71 nähert, wird die Temperaturanstiegsrate niedrig; trotzdem erhöht sich die Temperatur der Oberfläche des Heizungselements 7 weiterhin. Um die Beschreibung des Vorgangs zu vereinfachen, wird in 3 die Temperatur des Heizungselements 7 so dargestellt, dass sie während der AN-Zeit ansteigt und während der AUS-Zeit abfällt. Dies kann wahr sein, wenn die Temperatur des hitzeerzeugenden Widerstands 71 direkt gemessen wird oder wenn die PWM Frequenz extrem niedrig ist. Wenn hingegen die Oberflächentemperatur des Heizungselements 7 gemessen wird, kann die Oberflächentemperatur dessen mit einer Anstiegsrate, welche sich von PWM Periode zu PWM Periode verändert, weiterhin ansteigen.
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Die Erfinder haben bestätigt, dass in dem Fall, in dem eine Batterie 8 mit einer Energieversorgungs-Spannung von 32 V (höher als 16 V) verwendet wird, das Gasdetektionselement 6 reißen oder brechen kann, wenn die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 eine PWM Steuerung so durchführt, dass der Temperaturanstieg des Heizungselements 7 der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgt.
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Wie in 2 gezeigt, ändert sich der Temperaturanstieg pro Zeiteinheit der 12 V Temperaturanstiegskurve mit der Zeit, die seit dem Start der Versorgung verstrichen ist. Der Temperaturanstieg pro Zeiteinheit der 12 V Temperaturanstiegskurve ist zu Beginn der Versorgung groß. Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch Steuerung des Temperaturanstiegs pro Zeiteinheit zu Beginn der Versorgung ein Reißen oder Brechen des Gasdetektionselements 6, sogar in einer Dauer verhindert werden kann, während der das Gasdetektionselement 6 aufgrund der darauf wirkenden Last leicht reißen oder brechen würde (z.B. auch in einer Dauer, während der das Heizungselement 7 eine erhöhte Temperatur aufweist).
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Es wird ein Fall berücksichtigt, in dem eine Batterie 8, deren Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt, mit der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 verbunden ist. Die PWM Frequenz ist, wie in dem oben beschriebenen Fall, auf 10 Hz gesetzt und eine PWM Steuerung wird durchgeführt, in der das Tastverhältnis so gesetzt ist, dass die Temperatur des Heizungselements 7 so ansteigt, dass diese der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgt (siehe 2). Wie in 4 gezeigt, beträgt die Länge einer PWM Periode 0,1 Sekunden. Nachdem die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstand 71) T1°C beträgt, nachdem die vorbestimmte Zeit seit dem Start der Versorgung verstrichen ist, setzt die CPU 11 das Tastverhältnis so, dass der Effektivwert der an das Heizungselement 7 angelegten Spannung 12 V beträgt. Während der AN-Zeit zwischen 0 und Q Sekunden sind 32 V an das Heizungselement 7 angelegt. Auf die AN-Zeit folgt die AUS-Zeit, welche zwischen Q und 0,1 Sekunden andauert. Nach dem Verstreichen der AUS-Zeit endet eine Periode. In dem Fall, in dem 32 V anliegen, ist die Temperaturanstiegsrate des Heizungselements 7 (die Steigung einer Linie, welche den Temperaturanstieg darstellt) während der AN-Zeit größer als jene Steigung, welche in dem Fall beobachtet wird, in dem 16 V angelegt sind. Die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) erhöht sich aufgrund des Anlegens von 32 V während der AN-Zeit um Ty°C, fällt aufgrund natürlicher Kühlung während der AUS-Zeit ab und beträgt T2°C, nachdem 0,1 Sekunden seit dem Verstreichen der vorbestimmten Zeit verstrichen sind, so wie dies in dem oben beschriebenen Fall war. Der Temperaturanstieg von Ty°C des Heizungselements 7 während der AN-Zeit, welcher in dem Fall beobachtet wird, in dem die PWM Frequenz 10 Hz und die Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt, ist größer als der Temperaturanstieg Tx°C während der AN-Zeit, welcher in dem Fall beobachtet wird, in dem die PWM Frequenz auf 10 Hz gesetzt ist und die Energieversorgungs-Spannung 16 V beträgt.
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Wie in 2 gezeigt, betrug die maximale Temperaturanstiegsrate des Heizungselements 7 pro 0,1 Sekunden 25, 5°C in dem Fall, in dem die PWM Frequenz auf 10 Hz gesetzt war und die Energieversorgungs-Spannung 32 V betrug (die Temperaturanstiegskurve, welche in einem solchen Fall erhalten wird, ist durch eine gestrichelte Linie mit langen und kurzen Strichen dargestellt).
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In dem Fall, in dem die Energieversorgungs-Spannung der Batterie 8, welche mit der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 verbunden ist, 32 V beträgt, beträgt, wie oben genannt, der Temperaturanstieg während der AN-Zeit Ty°C, was verhältnismäßig groß ist, weil die PWM Frequenz auf 10 Hz gesetzt ist, wodurch eine außerordentliche Last auf das Gasdetektionselement 6 wirkt. Daher kann das Gasdetektionselement 6 reißen oder brechen.
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In dem Fall, in dem die Energieversorgungs-Spannung der Batterie 8 32 V beträgt (größer als 16 V) und die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 eine PWM Steuerung so durchführt, dass die Temperatur des Heizungselements 7 so ansteigt, dass diese der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgt, kann eine große Last auf die Festelektrolytkörper wirken. So eine Last kann durch eine Reduktion der dem Heizungselement 7 zugeführten Energie reduziert werden. Eine Verringerung der Temperaturanstiegsrate des Heizungselements 7 durch Reduktion der dem Heizungselement 7 zugeführten Energie wirkt sich jedoch auf eine schnelle Aktivierung des Gasdetektionselements 6 aus. Die Erfinder haben eine Technik zur Lösung dieses Problems entwickelt, in der die PWM Frequenz so erhöht wird, dass das Gasdetektionselement schnell aktiviert wird und der Temperaturanstieg pro Periode verringert ist.
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Es wird ein Fall berücksichtigt, in dem die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 mit der Batterie 8 verbunden ist, deren Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt, die PWM Frequenz auf 100 Hz gesetzt ist und eine PWM Steuerung durchgeführt wird, in der das Tastverhältnis so gesetzt ist, dass die Temperatur des Heizungselements 7 so ansteigt, dass diese der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgt. Wie in 5 gezeigt, beträgt die Länge einer PWM Periode 0,01 Sekunden. Nachdem die Temperatur des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) T1°C beträgt, nachdem seit dem Start der Versorgung die vorbestimmte Zeit verstrichen ist, setzt die CPU 11 das Tastverhältnis so, dass der Effektivwert der an das Heizungselement 7 angelegten Spannung 12 V beträgt. Während der AN-Zeit zwischen 0 und R Sekunden werden 32 V an das Heizungselement 7 angelegt. Auf die AN-Zeit folgt die AUS-Zeit, welche von R bis 0,01 Sekunden andauert. Nach dem Verstreichen der AUS-Zeit endet eine Periode. Während der AN-Zeit, während der 32 V anliegen, ist die Temperaturanstiegsrate des Heizungselements 7 (hitzeerzeugenden Widerstands 71) (die Steigung einer Linie, welche den Temperaturanstieg darstellt) die gleiche, wie die, die in 4 gezeigt ist, und ist größer als die, welche in dem Fall beobachtet wird, in dem die Energieversorgungs-Spannung 16 V beträgt. Die Temperatur des Heizungselements 7 steigt aufgrund des Anlegens von 32 V während der AN-Zeit um Tz°C, und fällt aufgrund der natürlichen Kühlung während der AUS-Zeit ab. Eine solche Periode, in der die Temperatur einmal ansteigt und abfällt, wird 10 Mal wiederholt, wodurch die Temperatur des Heizungselements 7 T2°C beträgt, nachdem 0,1 Sekunden seit dem Verstreichen der vorbestimmten Zeit verstrichen sind. Der Temperaturanstieg Tz°C des Heizungselements 7 während der AN-Zeit, welcher in dem Fall zu beobachten ist, indem die PWM Frequenz auf 100 Hz gesetzt ist und die Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt, ist geringer als der Temperaturanstieg Ty°C während der AN-Zeit, welcher in dem Fall zu beobachten ist, in dem die PWM Frequenz 10 Hz beträgt und die Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt.
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Wie in 2 gezeigt, betrug der maximale Temperaturanstieg des Heizungselements 7 pro 0,1 Sekunden 18,3°C in dem Fall, in dem die PWM Frequenz auf 100 Hz gesetzt war und die Energieversorgungs-Spannung 32 V betrug (die Temperaturanstiegskurve in diesem Fall ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt).
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In dem Fall, in dem die Energieversorgungs-Spannung der Batterie 8, welche mit der Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 verbunden ist, 32 V beträgt, kann der Temperaturanstieg während der AN-Zeit verhältnismäßig klein (Tz°C) gestaltet werden, indem die PWM Frequenz auf 100 Hz erhöht wird. Dieser Temperaturanstieg ist bedeutend kleiner als der Temperaturanstieg Ty°C, welcher in dem oben beschriebenen Fall zu beobachten ist, in dem die Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt und die PWM Frequenz auf 10 Hz gesetzt ist. Daher wird eine reduzierte Last an das Gasdetektionselement 6 angelegt, wodurch ein Reißen und Brechen des Gasdetektionselements verhindert werden kann.
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Insbesondere durch eine Erhöhung der PWM Frequenz und die damit verbundene Verkürzung der Länge einer jeden Periode der PWM Steuerung kann die AN-Zeit in jeder Periode verkürzt werden. Somit kann der Temperaturanstieg der Heizung während der AN-Zeit niedrig gehalten werden, auch wenn eine Energieversorgungs-Spannung, welche größer als 16 V ist, an das Heizungselement 7 angelegt ist. Somit kann die auf das Detektionselement wirkende Last reduziert werden, indem die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 mit der Batterie 8 verbunden ist, deren Energieversorgungs-Spannung 32 V beträgt, die PWM Frequenz auf 100 Hz gesetzt wird und eine PWM Steuerung mit dem Tastverhältnis durchgeführt wird, welches so gesetzt ist, dass der Temperaturanstieg der Heizung pro 0,1 Sekunden weniger als 25°C beträgt. Zudem kann, auch wenn die AN-Zeit verkürzt ist, der Effektivwert der an die Heizung angelegten Spannung beibehalten werden. Durch Steuerung des Effektivwerts der an das Heizungselement 7 angelegten Spannung durch Durchführung einer PWM Steuerung derart, dass die Temperatur des Heizungselements 7 der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgt, kann somit die an das Heizungselement 7 (hitzeerzeugenden Widerstand 71) angelegte elektrische Energie, wie in dem Fall einer herkömmlichen Vorrichtung, beibehalten werden. Somit kann das Gasdetektionselement 6 schnell aktiviert werden.
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In dem Fall, in dem die Energieversorgungs-Spannung 32 V betrug, führten die Erfinder ein Experiment durch, in dem eine PWM Steuerung bei einer PWM Frequenz von 30 Hz oder mehr durchgeführt wurde und das Tastverhältnis so gesetzt wurde, dass der Temperaturanstieg des Heizungselements 7 der 12 V Temperaturanstiegskurve (Ziel) folgte. Auch in so einem Fall riss oder brach das Gasdetektionselement 6 nicht. Die Erfinder bestätigten, dass auch in dem Fall, in dem die Energieversorgungs-Spannung der Batterie 8 größer als 16 V ist und damit eine PWM Steuerung durchgeführt wurde, die die 12 V Temperaturanstiegskurve als Ziel verwendet, riss oder brach das Gasdetektionselement 6 nicht, solange die PWM Frequenz auf 30 Hz oder mehr gesetzt war.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedener Weise ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen, modifiziert werden. In der Ausführungsform ist die Sensorsteuerungs-Vorrichtung 1 die ECU des Fahrzeugs; jedoch kann eine Steuerungs-Vorrichtung unabhängig von der ECU bereitgestellt sein. Der in der Ausführungsform verwendete Gassensor ist ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 2; jedoch kann die vorliegende Erfindung auf andere Typen von Gassensoren angewendet werden (z.B. einen Sauerstoffsensor, einen NOx Sensor, einen Luft-Qualität-Sensor, einen HC Sensor, etc.), welche ein Gasdetektionselement, dessen Substrat ein Festelektrolytkörper ist, und ein Heizungselement, welches den Festelektrolytkörper zur schnellen Aktivierung heizt, aufweisen.
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Zudem zielt die vorliegende Erfindung auf die 12 V Temperaturanstiegskurve ab, ist darauf jedoch nicht beschränkt. So kann auf andere Temperaturanstiegskurven, beispielsweise eine 10 V Temperaturanstiegskurve oder eine 8 V Temperaturanstiegskurve, abgezielt werden. Das bedeutet, dass der Effektivwert der Spannung einen Wert von weniger als 16 V aufweisen kann, obgleich eine Dauer, welche benötigt wird, um die Temperatur des Gasdetektionselements von beispielsweise einer Umgebungstemperatur auf eine Temperatur zu erhöhen, bei der eine Detektion eines Gases möglich ist, weniger als 15 Sekunden beträgt.
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Die Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf die obigen Ausführungsformen beschrieben. Die Erfindung sollte jedoch nicht als auf diese beschränkt erachtet werden. Weiterhin sollte einem Fachmann klar sein, dass diverse Änderungen der gezeigten und beschriebenen Erfindung in Form und Detail gemacht werden können. Es ist beabsichtigt, dass solche Änderungen innerhalb der Intention und dem Rahmen der nachfolgend angeführten Ansprüche liegen.
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Diese Anmeldung basiert auf der
japanischen Patentanmeldung, Nr. 2013-035376 , eingereicht am 26. Februar 2013, welche hierin durch Inbezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorsteuerungs-Vorrichtung
- 2
- Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor
- 6
- Gasdetektionselement
- 7
- Heizungselement
- 8
- Batterie
- 11
- CPU
- 31
- Schaltgerät
- 61
- Vs Zelle
- 62
- Ip Zelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 9-127035 [0003]
- JP 2013-035376 [0048]
