DE102014215761A1

DE102014215761A1 - Gassensor-steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102014215761A1
Application number: DE102014215761.7A
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO CORPORATION Yamada Yuji; c/o DENSO CORPORATION Matsuoka Mikiyasu; Kenichi c/o DENSO CORPORATION Ono; c/o DENSO CORPORATION Oguri Takamasa; c/o DENSO CORPORATION Mishima Takao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2015-02-26
Also published as: US20150041318A1; US9816961B2; JP5904171B2; JP2015034800A

Abstract

Ein O2-Sensor (17) weist ein Sensorelement (31) auf, das eine Festelektrolytschicht (32) und ein Paar von Elektroden (33, 34) aufweist. Die Festelektrolytschicht (32) wird zwischen den Elektroden (33, 34) gehalten. Die Elektroden (33, 34) weisen eine atmosphärenseitige Elektrode (34), die zu einer positiven Seite wird, während eine elektromotorische Kraft vom Sensorelement (31) ausgegeben wird, und eine abgasseitige Elektrode (33), die zu einer negativen Seite wird, während die elektromotorische Kraft vom Sensorelement (31) ausgegeben wird, auf. Ein Widerstand (44) ist in einen elektrischen Pfad (70) geschaltet, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode (34) und einer Masse herstellt. Wenn das Sensorelement (31) die elektromotorische Kraft erzeugt, leitet der Widerstand (44) einen elektrischen Strom, der erzeugt wird, während die elektromotorische Kraft als eine elektrische Energiequelle verwendet wird, um eine Änderung in einer Ausgangscharakteristik des O2-Sensors (17) zu induzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gassensor-Steuervorrichtung.
Ein Gassensor, der eine elektromotorische Kraft (EMK) ausgibt, ist beispielsweise an einem Fahrzeugverbrennungsmotor (wie beispielsweise einem Kfz-Motor) vorgesehen. Bei dieser Art von Gassensor dient Abgas, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, als ein Messobjekt des Gassensors und wird eine Sauerstoffkonzentration des Abgases mit dem Gassensor gemessen. Diese Art von Gassensor weist eine EMK-(elektromotorische Kraft)-Zelle auf, die ein EMK-Signal ausgibt, das sich in Abhängigkeit davon ändert, ob das Abgas fett oder mager ist. Insbesondere gibt die EMK-Zelle dann, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist, das EMK-Signal von ungefähr 0,9 V aus. Demgegenüber gibt die EMK-Zelle dann, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, das EMK-Signal von ungefähr 0 V aus.
Bei dieser Art von Gassensor kann dann, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zwischen fett und mager ändert, eine Änderung im Sensorausgang nachteilig bezüglich einer Ist-Änderung im Luft-Kraftstoff-Verhältnis verzögert werden. Um die Ausgangscharakteristik eines solchen Gassensors zu verbessern, sind verschiedene Methoden vorgeschlagen worden.
Die JP 2012-063345 A (welche der US 2012/0043205 A1 entspricht) offenbart beispielsweise eine Gassensor-Steuervorrichtung, bei der eine Konstantstromschaltung mit wenigstens einer von einem Paar von Sensorelektroden (d. h. zwei Sensorelektroden) verbunden ist. Bei dieser Gassensor-Steuervorrichtung wird dann, wenn bestimmt wird, dass eine Anfrage zur Änderung der Ausgangscharakteristik des Gassensors vorliegt, eine Fließrichtung des elektrischen Konstantstroms auf der Grundlage der Anfrage bestimmt wird. Anschließend wird die Konstantstromschaltung gesteuert, um den elektrischen Konstantstrom in der bestimmten Richtung bereitzustellen. Insbesondere kann die Konstantstromschaltung den elektrischen Konstantstrom in einer beliebigen einer Vorwärtsrichtung und einer Rückwärtsrichtung bereitstellen und einen Stromwert des elektrischen Stroms über eine PWM-(Impulsbreitenmodulation)-Steuerung abstimmen.
Bei der vorstehend beschriebenen Methode wird die Bereitstellung des elektrischen Konstantstroms der Konstantstromschaltung jedoch durch die PWM-Steuerung gesteuert. Um beispielsweise einem Bedarf nach einer Kostenverringerung gerecht zu werden, kann dahingehend eine Verbesserung erfolgen, dass der Aufbau vereinfacht wird.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des obigen Nachteils geschaffen worden. Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gassensor-Steuervorrichtung bereitzustellen, die eine Ausgangscharakteristik eines Gassensors ändern kann, indem sie einen elektrischen Strom durch eine EMK-Zelle des Gassensors leitet, während ein Aufbau der Gassensor-Steuervorrichtung vereinfacht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gassensor-Steuervorrichtung für einen Gassensor bereitgestellt, der ein EMK-Signal entsprechend einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Abgases eines Verbrennungsmotors ausgibt und eine EMK-Zelle aufweist, die einen Festelektrolytkörper und ein Paar von Elektroden aufweist. Der Festelektrolytkörper wird zwischen dem Paar von Elektroden gehalten, das eine referenzseitige Elektrode, die zu einer positiven Seite wird, während eine elektromotorische Kraft von der EMK-Zelle ausgegeben wird, und eine abgasseitige Elektrode, die zu einer negativen Seite wird, während die elektromotorische Kraft von der EMK-Zelle ausgegeben wird, aufweist. Die Gassensor-Steuervorrichtung weist einen Widerstand auf, der in einen elektrischen Pfad geschaltet ist, der mit der EMK-Zelle verbunden ist. Wenn die EMK-Zelle die elektromotorische Kraft erzeugt, leitet der Widerstand einen elektrischen Strom, der erzeugt wird, während die elektromotorische Kraft der EMK-Zelle als eine elektrische Energiequelle verwendet wird, um eine Änderung in einer Ausgangscharakteristik des Gassensors zu induzieren.
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung und nicht zur Beschränkung der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine schematische Abbildung zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus eines Verbrennungsmotorsteuersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine schematische Abbildung zur Veranschaulichung eines Querschnitts eines Sensorelements und einer Sensorsteueranordnung gemäß der Ausführungsform;
3 zeigt ein EMK-Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einer elektromotorischen Kraft des Sensorelements;
4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von einem katalytischen Wandlungswirkungsgrad eines ersten Katalysators und Ausgangscharakteristika eines O₂-Sensors;
5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von einem katalytischen Wandlungswirkungsgrad eines ersten Katalysators und Ausgangscharakteristika eines O₂-Sensors;
6 zeigt eine schematische Abbildung zur Veranschaulichung von Reaktionen von Gaskomponenten am Sensorelement;
7 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Ersatzschaltung des Sensorelements und eines Widerstands;
8 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Aufbaus der Sensorsteueranordnung;
9 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung einer Widerstandsänderungsteuerung;
10 zeigt ein Diagramm zum Einstellen eines Widerstandswerts einer Widerstandsschaltung;
11 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Fehlerbestimmungsprozesses für die Widerstandsschaltung; und
12 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Aufbaus einer Sensorsteueranordnung gemäß einer Modifikation der Ausführungsform.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Gassensor verwendet, der in einem Abgaskanal eines Motors (Verbrennungsmotor) eines Fahrzeugs (wie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs) vorgesehen ist, und ein Verbrennungsmotorsteuersystem, das verschiedene Steuerungen (Steuerbetriebe oder Steueroperationen) des Verbrennungsmotors auf der Grundlage eines Ausgangs (Ausgangssignals) des Gassensors ausführt, beschrieben. In dem Verbrennungsmotorsteuersystem wird eine elektronische Steuereinheit (nachstehend als ECU bezeichnet) verwendet, um beispielsweise eine Steuerung einer Kraftstoffeinspritzmenge und eine Steuerung eines Zündzeitpunkts auszuführen. 1 zeigt eine schematische Abbildung zur Veranschaulichung eines Gesamtaufbaus des Verbrennungsmotorsteuersystems.
In der 1 ist der Verbrennungsmotor 10 beispielsweise ein Benzinmotor mit einer elektrisch gesteuerten Drosselklappe 11, Kraftstoffeinspritzventilen 12 und Zündvorrichtungen 13. Katalysatoren (auch als katalytische Wandler bezeichnet) 15a, 15b, die als eine Abgasreinigungsvorrichtung dienen, sind in einem Abgaskanal 14 (der als eine Abgasvorrichtung dient) des Verbrennungsmotors 10 installiert. Jeder der Katalysatoren 15a, 15b ist beispielsweise als ein Dreiwegekatalysator aufgebaut. Der Katalysator 15a ist ein erster Katalysator, der als ein stromaufwärtsseitiger Katalysator dient, und der Katalysator 15b ist ein zweiter Katalysator, der als ein stromabwärtsseitiger Katalysator dient. Der Dreiwegekatalysator reinigt bekanntermaßen drei Schadstoffkomponenten des Abgases, d. h. CO (Kohlenmonoxid), HC (Kohlenwasserstoff) und NOx (Stickstoffoxid, wie beispielsweise NO), und wird gebildet, indem Metall, wie beispielsweise Platin, Palladium, Rhodium, auf ein Keramiksubstrat aufgebracht wird, das beispielsweise in Form einer Honigwabe oder eines Gitters aufgebaut ist. In diesem Fall werden, am Dreiwegekatalysator, CO und HC, die die fetten Komponenten sind, durch eine Oxidationsreaktion gereinigt, und NOx, das die magere Komponente ist, durch eine Reduktionsreaktion gereinigt.
Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-(A/F)-Sensor 16 ist auf einer Stromaufwärtsseite des ersten Katalysators 15a in einer Strömungsrichtung des Abgases angeordnet, und ein Sauerstoff-(O₂)-Sensor 17 ist zwischen dem ersten Katalysator 15a und dem zweiten Katalysator 15b, d. h. auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a und auf der Stromaufwärtsseite des zweiten Katalysators 15b in der Strömungsrichtung des Abgases angeordnet. Der A/F-Sensor 16 gibt ein A/F-Signal aus, das für gewöhnlich proportional zum Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ist. Ferner gibt der O₂-Sensor 17 ein EMK-(elektromotorische Kraft)-Signal aus, das sich in Abhängigkeit davon ändert, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett oder mager ist.
Darüber hinaus sind verschiedene Sensoren, wie beispielsweise ein Drosselklappenöffnungsgradsensor 21, ein Kurbelwinkelsensor 22, ein Luftmengensensor 23 und ein Kühlmitteltemperatursensor 24, im Verbrennungsmotorsteuersystem installiert. Der Drosselklappenöffnungsgradsensor 21 misst den Öffnungsgrad der Drosselklappe 11. Der Kurbelwinkelsensor 22 gibt ein Kurbelwinkelsignal einer Rechteckwellenform bei jedem vorbestimmten Kurbelwinkel (wie beispielsweise eine 30-Grad-Kurbelwinkel-Periode) des Verbrennungsmotors 10 aus. Der Luftmengensensor 23 misst die Menge der Ansaugluft, die in den Verbrennungsmotor 10 gesogen wird. Der Kühlmitteltemperatursensor 24 misst die Temperatur des Verbrennungsmotorkühlmittels. Obgleich nicht in den Zeichnungen gezeigt, sind, neben den obigen Sensoren, ebenso beispielsweise ein Verbrennungsdrucksensor, der einen Verbrennungsdruck in einem Zylinder des Verbrennungsmotors misst, ein Gaspedalöffnungsgradsensor, der einen Öffnungsgrad eines Gaspedals (einen Gaspedalbetätigungsbetrag oder einen Betrag des Herabdrückens eines Gaspedals) misst, und ein Öltemperatursensor, der eine Temperatur eines Verbrennungsmotoröls misst, vorgesehen. Diese Sensoren dienen jeweils als eine Betriebszustandsmesseinrichtung.
Die ECU 25 weist einen Mikrocomputer bekannter Bauart auf, der eine CPU, ein ROM und ein RAM (Speicher) aufweist. Die ECU 25 führt verschiedene Steuerprogramme aus, die im ROM gespeichert sind, um verschiedene Steuerungen des Verbrennungsmotors 10 in Übereinstimmung mit dem Verbrennungsmotorbetriebszustand auszuführen. Insbesondere empfängt die ECU 25 Signale von den vorstehend beschriebenen Sensoren und berechnet die ECU 25 jede entsprechende Kraftstoffeinspritzmenge und jeden entsprechenden Zündzeitpunkt, um beispielsweise die Steuerung zur Ansteuerung der Kraftstoffeinspritzventile 12 und die Steuerung zur Ansteuerung der Zündvorrichtungen 13 auf der Grundlage der Signale auszuführen.
Insbesondere führt die ECU 25, bezüglich der Kraftstoffeinspritzmengensteuerung, eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung auf der Grundlage eines Messsignals des A/F-Sensors 16, der auf der Stromaufwärtsseite des ersten Katalysators 15a angeordnet ist, und eines Messsignals des O₂-Sensors 17, der auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a angeordnet ist, aus. Insbesondere führt die ECU 25 eine Hauptregelung derart aus, dass ein Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (ein Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Position auf der Stromaufwärtsseite des ersten Katalysators 15a), das mit dem A/F-Sensor 16 gemessen wird, mit einem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt, das auf der Grundlage des Verbrennungsmotorbetriebszustands bestimmt wird. Ferner führt die ECU 25 eine Nebenregelung derart aus, dass ein Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnis (ein Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnis an der Position auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a), das mit dem O₂-Sensor 17 gemessen wird, mit dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis übereinstimmt. Bei der Nebenregelung wird, angesichts beispielsweise einer Differenz zwischen dem Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a und dem Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das Sollluft-Kraftstoff-Verhältnis, das bei der Hauptregelung verwendet wird, korrigiert, oder ein Regelungskorrekturbetrag, der bei der Hauptregelung verwendet wird, korrigiert. Die ECU 25 führt eine stöchiometrische Regelung, die das Soll-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis setzt, als die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung aus.
Nachstehend ist der Aufbau des O₂-Sensors 17 beschrieben, der auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a angeordnet ist. Der O₂-Sensor 17 weist ein Sensorelement (auch als eine Messvorrichtung bezeichnet) 31 auf, die in Form eines Bechers aufgebaut ist. 2 zeigt einen Querschnitt des Sensorelements 31. Tatsächlich ist das Sensorelement 31 derart aufgebaut, dass das gesamte Sensorelement 31 in einem Gehäuse oder einer Elementeabdeckung aufgenommen ist, wobei das Sensorelement 31 im Verbrennungsmotorabgaskanal 14 angeordnet ist. Das Sensorelement 31 dient als eine EMK-Zelle.
In dem Sensorelement 31 weist eine Festelektrolytschicht (die als ein Festelektrolytkörper dient) 32 einen becherförmigen Querschnitt auf. Eine abgasseitige Elektrode 33 ist in einer Außenoberfläche der Festelektrolytschicht 32 gebildet, und eine atmosphärenseitige Elektrode 34 ist in einer Innenoberfläche der Festelektrolytschicht 32 gebildet. Jede der Elektroden 33, 34 ist als eine Schicht auf der entsprechenden der Außenoberfläche und der Innenoberfläche der Festelektrolytschicht 32 gebildet. Die Festelektrolytschicht 32 ist ein oxidgesinterter Körper, der Sauerstoffionen leitet, und wird gebildet, indem CaO, MgO, Y₂O₃ und/oder Yb₂O₃ als Stabilisator vollständig in ZrO₂, HfO₂, ThO₂ und/oder Bi₂O₃ gelöst werden. Ferner ist jede Elektrode 33, 34 aus einem Edelmetall, wie beispielsweise Platin, gebildet, das eine hohe katalytische Aktivität aufweist, und ist eine Oberfläche der Elektrode 33, 34 mit einer porösen Beschichtung bedeckt, die chemisch plattiert ist. Die vorstehend beschriebenen zwei Elektroden 33, 34 dienen als ein Paar von Elektroden (Sensorelektroden). Ein Innenraum, der von der Festelektrolytschicht 32 umgeben ist, ist eine Atmosphärenkammer (eine Referenzgaskammer oder einfach als Referenzkammer bezeichnet) 35. Eine Heizvorrichtung 36 ist in der Atmosphärenkammer 35 aufgenommen. Die Heizvorrichtung 36 weist ein ausreichendes Heizvermögen auf, um das Sensorelement 31 zu aktivieren, und das Sensorelement 31 wird durch Wärmeenergie, die von der Heizvorrichtung 36 erzeugt wird, vollständig erwärmt. Eine Aktivierungstemperatur des O₂-Sensors 17 liegt beispielsweise bei 500 bis 650 Grad Celsius. Das Atmosphärengas (Atmosphärenluft) wird in die Atmosphärenkammer 35 eingeleitet, so dass der Innenraum der Atmosphärenkammer 35 bei einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration gehalten wird.
In dem Sensorelement 31 ist das Abgas an der Außenseite (der Seite der Elektrode 33) der Festelektrolytschicht 32 vorhanden und ist das Atmosphärengas (Atmosphärenluft) an der Innenseite (der Seite der Elektrode 34) der Festelektrolytschicht 32 vorhanden. Eine elektromotorische Kraft wird zwischen der Elektrode 33 und der Elektrode 34 im Ansprechen auf eine Differenz in einer Sauerstoffkonzentration (eine Differenz in einem Sauerstoffteildruck) zwischen der Außenseite (der Seite der Elektrode 33) der Festelektrolytschicht 32 und der Innenseite (der Seite der Elektrode 34) der Festelektrolytschicht 32 erzeugt. Insbesondere ändert sich die erzeugte elektromotorische Kraft in Abhängigkeit davon, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett oder mager ist. In solch einem Fall ist die Sauerstoffkonzentration an der abgasseitigen Elektrode 33 geringer als die Sauerstoffkonzentration an der atmosphärenseitigen Elektrode 34, die als eine referenzseitige Elektrode dient, und wird die elektromotorische Kraft am Sensorelement 31 erzeugt, während die atmosphärenseitige Elektrode 34 und die abgasseitige Elektrode 33 als eine positive Seite bzw. negative Seite dienen. In diesem Fall ist die abgasseitige Elektrode 33, wie in 2 gezeigt, über einen elektrischen Pfad 50b auf Masse gelegt. Folglich gibt der O₂-Sensor 17 das EMK-Signal aus, das der Sauerstoffkonzentration (dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis) des Abgases entspricht.
3 zeigt ein EMK-Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases und der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31. In der 3 beschreibt die Abszisse eine Prozentzahl von Luftüberschuss λ. Wenn die Prozentzahl des Luftüberschusses λ gleich 1 ist (d. h. λ = 1), ist das Luft-Kraftstoff-Verhältnis das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis (stöchiometrisches Gemisch), das ebenso als ein theoretisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet wird. Das Sensorelement 31 weist dahingehend Eigenschaften auf, dass sich die vom Sensorelement 31 erzeugte elektromotorische Kraft in Abhängigkeit davon ändert, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett oder mager ist, und sich die vom Sensorelement 31 erzeugte elektromotorische Kraft um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis herum schnell ändert. Insbesondere ist die elektromotorische Kraft (auch als eine Sensor-EMK bezeichnet) des Sensorelements 31 zu der Zeit fetten Verhältnisses ungefähr 0,9 V und zu der Zeit mageren Verhältnisses ungefähr 0 V.
In der 2 ist eine Sensorsteueranordnung (auch als eine Sensorsteuervorrichtung bezeichnet) 40 mit dem Sensorelement 31 verbunden. Wenn die elektromotorische Kraft am Sensorelement 31 im Ansprechen auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (die Sauerstoffkonzentration) des Abgases erzeugt wird, wird das Sensormesssignal (das EMK-Signal), das der am Sensorelement 31 erzeugten elektromotorischen Kraft entspricht, vom Sensorelement 31 über den elektrischen Pfad 50a an einen Mikrocomputer 41 der Sensorsteueranordnung 40 ausgegeben. Der Mikrocomputer 41 weist eine CPU, ein ROM und ein RAM (Speicher) auf und führt verschiedene Operationen bei einer Ausführung jedes entsprechenden Programms aus, das in einem oder mehreren der Speicher gespeichert wird. Der Mikrocomputer 41 berechnet das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage des EMK-Signals des Sensorelements 31. Die Sensorsteueranordnung 40 ist in der ECU 25 der 1 gebildet. Bei der ECU 25 ist der Mikrocomputer 41 als eine Rechenvorrichtung (Recheneinrichtung) gebildet, die eine Verbrennungsmotorsteuerfunktion und eine Sensorsteuerfunktion aufweist. In diesem Fall berechnet der Mikrocomputer 41 die Verbrennungsmotordrehzahl und die Luftansaugmenge auf der Grundlage der Messergebnisse der verschiedenen Sensoren. Anstelle des nur einen Mikrocomputers kann die ECU 25 jedoch ebenso derart aufgebaut sein, dass sie einen Verbrennungsmotorsteuermikrocomputer, der die Verbrennungsmotorsteuerfunktion ausführt, und einen Sensorsteuermikrocomputer, der die Sensorsteuerfunktion ausführt, aufweist, sofern dies gewünscht ist.
Ferner bestimmt der Mikrocomputer 41 einen Aktivierungszustand des Sensorelements 31 und steuert der Mikrocomputer 41 die Ansteuerung der Heizvorrichtung 36 über eine Ansteuervorrichtung 42, die über einen elektrischen Pfad 50c mit der Heizvorrichtung 36 verbunden ist, auf der Grundlage eines Ergebnisses der Bestimmung des Aktivierungszustands des Sensorelements 31. Das Verfahren der Aktivierungsbestimmung des Sensorelements 31 und das Verfahren der Heizvorrichtungssteuerung sind bereits bekannt. Folglich sind die Aktivierungsbestimmung des Sensorelements 31 und die Heizvorrichtungssteuerung nur kurz beschrieben. Der Mikrocomputer 41 ändert die Spannung oder den elektrischen Strom, die bzw. der an das Sensorelement 31 gegeben wird, periodisch derart, dass diese bzw. dieser gleich einem Wechselstrom ist, und misst eine so erzeugte Änderung im elektrischen Strom oder eine so erzeugte Änderung in der elektrischen Spannung. Ein Widerstand des Sensorelements 31 (eine Impedanz des Sensorelements 31) wird auf der Grundlage der Änderung im elektrischen Strom oder der Änderung in der Spannung berechnet, und die Energieversorgungssteuerung der Heizvorrichtung 36 wird auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements 31 ausgeführt. Zu dieser Zeit liegt eine Korrelation zwischen dem Aktivierungszustand des Sensorelements 31 (der Temperatur des Sensorelements 31) und dem Widerstand des Sensorelements 31 vor. Wenn der Widerstand des Sensorelements 31 auf einen vorbestimmten Sollwert gesteuert wird, wird das Sensorelement 31 in dem gewünschten Aktivierungszustand (d. h. aktivierten Zustand) (dem Zustand, in dem die Aktivierungstemperatur des Sensorelements 31 in einem Bereich von 500 bis 650 Grad Celsius gehalten wird) gehalten. Es kann beispielsweise eine Sensorelementtemperaturregelung als die Heizvorrichtungssteuerung bzw. der Heizvorrichtungssteuerbetrieb ausgeführt werden.
Wenn der Verbrennungsmotor 10 betrieben wird, wird das Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases geändert. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis kann beispielsweise wiederholt zwischen fett und mager geändert werden. Zur Zeit der Änderung des Ist-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zwischen fett und mager kann dann, wenn eine Abweichung zwischen der Ausgabe des O₂-Sensors 17 und dem Vorhandensein von NOx, das eine magere Komponente ist, vorliegt, die Emissionsleistung gegebenenfalls beeinflusst werden. Die Menge an NOx im Abgas kann beispielsweise über die gewünschte Menge erhöht werden, während der Verbrennungsmotor 10 unter der hohen Last betrieben wird (während einer Beschleunigung des Fahrzeugs).
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Messmodus des O₂-Sensors 17 auf der Grundlage des Verhältnisses zwischen der Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17, der die elektromotorische Kraft ausgibt, und der Abgasreinigungscharakteristik des ersten Katalysators 15a, der auf der Stromaufwärtsseite des O₂-Sensors 17 angeordnet ist, geändert. Die Änderung des Messmodus des O₂-Sensors 17 ist nachstehend noch näher beschrieben. 4 zeigt eine Abbildung zur Veranschaulichung der katalytischen Wandlungscharakteristika des ersten Katalysators 15a, der der Dreiwegekatalysator ist, und der Ausgangscharakteristika des O₂-Sensors 17. Insbesondere zeigt 4: (I) ein Verhältnis zwischen einem katalytischen Wandlungswirkungsgrad von jeder der drei Schadstoffkomponenten (d. h. CO, HC, NOx) des Abgases am ersten Katalysator 15a und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis; (II) ein Verhältnis zwischen der Gaskonzentration von jeder der drei Schadstoffkomponenten und dem Sauerstoff auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis; (III) ein Verhältnis zwischen der Gaskonzentration von jeder der drei Schadstoffkomponenten und dem Sauerstoff um die Oberfläche der abgasseitigen Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis; und (IV) ein Verhältnis zwischen dem EMK-Ausgang des O₂-Sensors 17 und dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Der erste Katalysator 15a (der Dreiwegekatalysator) weist ein katalytisches Wandlungsfenster auf, in dem der katalytische Wandlungswirkungsgrad von jeder der drei Schadstoffkomponenten um den Punkt des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses herum (Prozentzahl an Luftüberschuss λ = 1) hoch wird, so wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ferner ist, bezüglich der Konzentrationen der drei Schadstoffkomponenten und der Konzentration des Sauerstoffs auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a, ersichtlich, dass ein Reaktionsgleichgewichtspunkt A1, bei dem die Konzentrationen der fetten Komponenten (CO, HC) und die Konzentration des Sauerstoffs im Wesentlichen zueinander gleich werden, um den Punkt des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses herum vorhanden ist, und dass ein NOx-Ausströmungspunkt A2, bei dem NOx (NO) beginnt, aus dem ersten Katalysator 15a auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a zu strömen, ebenso vorhanden ist. In diesem Fall befindet sich der NOx-Ausströmungspunkt A2 (der Startpunkt des Ausströmens von NOx aus dem Katalysator 15a) auf der fetten Seite des Reaktionsgleichgewichtspunkts A1 und sind der NOx-Ausströmungspunkt A2 und der Reaktionsgleichgewichtspunkt A1 eine Differenz ΔA voneinander beabstandet. D. h., der erste Katalysator 15a weist die Katalysatorwandlungskennlinie dahingehend auf, dass sich der NOx-Ausströmungspunkt (der als ein zweiter Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt dient) A2, bei dem NOx beginnt, aus dem ersten Katalysator 15a zu strömen, auf der fetten Seite des Reaktionsgleichgewichtspunkts (der als ein erster Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt dient) A1 befindet, der den Gleichgewichtspunkt für die fetten Komponenten und das Sauerstoff bildet. Der Reaktionsgleichgewichtspunkt A1 ist ein Wendepunkt der Gleichgewichtscharakteristik der fetten Komponenten und des Sauerstoffs, und der NOx-Ausströmungspunkt A2 ist ein Wendepunkt der Ausströmungskonzentrationscharakteristik von NOx.
Der Grund für die Erzeugung der Abweichung (Differenz) zwischen dem Punkt A1 und dem Punkt A2 kann wie folgt sein. Für den Fall, dass das Abgas, das CO, HC, NOx und O₂ enthält, während des Betriebs des Verbrennungsmotors 10 zum ersten Katalysator 15a geleitet wird, kann NOx gegebenenfalls aus dem ersten Katalysator 15a strömen, zusätzlich zu CO und HC. Auch in dem Bereich des katalytischen Wandlungsfensters des Dreiwegekatalysators sollte beispielsweise beachtet werden, dass eine gewisse Menge an CO, HC und NOx aus dem ersten Katalysator 15a strömt, wenn die Menge an CO, HC und NOx genau gemessen. In solch einem Fall strömt, obgleich O₂ im Gleichgewicht mit CO und HC aus dem ersten Katalysator 15a strömt (Beginn des Ausströmens von O₂ bei der Konzentration von CO und HC ≈ 0), NOx aus dem ersten Katalysator 15a auf der Stromabwärtsseite hiervon, und zwar unabhängig von der Reaktion von CO und HC. Folglich existiert die Differenz zwischen dem Punkt A1 und dem Punkt A2.
Ferner sind die Konzentrationen der obigen drei Komponenten und des Sauerstoffs um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum gleich den Konzentrationen der obigen drei Komponenten und des Sauerstoffs auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a. In diesem Fall ist der Betrag der fetten Komponenten (CO, HC) höher als der Betrag des Sauerstoffs auf der fetten Seite des Punkts A1 und ist der Betrag des Sauerstoffs höher als der Betrag der fetten Komponenten auf der mageren Seite des Punkts A1. Folglich wird, bezüglich der elektromotorischen Kraft des O₂-Sensors 17, entweder ein Signal fetten Verhältnisses (0,9 V) oder ein Signal mageren Verhältnisses (0 V) auf der einen oder der anderen Seite des Reaktionsgleichgewichtspunkts A1 des ersten Katalysators 15a ausgegeben. In diesem Fall kann angenommen werden, dass der Reaktionsgleichgewichtspunkt für die fetten Komponenten und das Sauerstoff am O₂-Sensor 17 mit dem Reaktionsgleichgewichtspunkt A1 am ersten Katalysator 15a übereinstimmen. Ferner ist NOx auf der fetten Seite des Punkts A1 vorhanden.
An der abgasseitigen Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 erfolgen die Oxidationsreaktion und die Reduktionsreaktion von CO, HC und NOx des Abgases gemäß den folgenden chemischen Reaktionsgleichungen (1) bis (3). CO + 0,5O₂ → CO₂ (1) CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (2) CO + NO → CO₂ + 0,5N₂ (3)
Ferner wird ein Verhältnis von k1, k2 >> k3 hergestellt, wobei k1, k2 und k3 eine Gleichgewichtskonstante der chemischen Reaktionsgleichung (1) bzw. eine Gleichgewichtskonstante der chemischen Reaktionsgleichung (2) bzw. eine Gleichgewichtskonstante der chemischen Reaktionsgleichung (3) beschreiben.
In diesem Fall wird, am O₂-Sensor 17, der Gleichgewichtspunkt (der Punkt, bei dem der EMK-Ausgang = 0,45 V ist) durch Gasreaktionen von beispielsweise CO, HC, NOx und O₂ bestimmt. Durch die Differenzen in der Gleichgewichtskonstante werden die Reaktionen von CO und HC mit O₂ jedoch Hauptreaktionen an der abgasseitigen Elektrode 33.
Ferner liegt die obige Differenz ΔA in der katalytischen Wandlungscharakteristik des ersten Katalysators 15a vor und weist die obige Differenz ΔA den Einfluss auf die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 auf. Folglich entspricht auch dann, wenn NOx aus dem ersten Katalysator 15a strömt, der Ausgang (d. h. das Ausgangssignal) des O₂-Sensors 17 nicht dem Ausstrom von NOx aus dem ersten Katalysator 15a. Dementsprechend kann der Ausstrom von NOx aus dem ersten Katalysator 15a nicht richtig überwacht und so die Menge an NOx-Emissionen gegebenenfalls erhöht werden.
Angesichts des obigen Nachteils wird, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der elektrische Strom, der einen vorbestimmten Stromwert aufweist, zwischen den Elektroden 33, 34 des Sensorelements 31 des O₂-Sensors 17 geleitet, so dass an dem Ort um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum die Konzentrationen der fetten Komponenten verringert werden und die Konzentration des Sauerstoffs erhöht wird. Insbesondere wird, wie in 5 gezeigt, der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum von dem Punkt A1 zu einem Punkt A3 geändert. In der 5 werden, verglichen mit der 4, alle der Konzentrationscharakteristika von CO, HC und O₂ um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum zur fetten Seite verschoben. Auf diese Weise kann für den Fall, dass die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 geändert wird und NOx aus dem ersten Katalysator 15a strömt, der Ausgang des O₂-Sensors 17 dem Ausstrom von NOx entsprechen.
Das Prinzip der Induzierung der Änderung der Sensorausgangscharakteristik durch Leiten des elektrischen Stroms zwischen den Elektroden 33, 34 ist wie folgt. CO, HC, NOx und O₂ sind, wie in 6 gezeigt, um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum vorhanden. Unter solchen Umständen wird der elektrische Strom derart durch das Sensorelement 31 geleitet, dass Sauerstoffionen von der atmosphärenseitigen Elektrode 34 durch die Festelektrolytschicht 32 zur abgasseitigen Elektrode 33 bewegt werden. Insbesondere erfolgt das Sauerstoffpumpen am Sensorelement 31. In diesem Fall reagiert, an der abgasseitigen Elektrode 33, das Sauerstoff, das durch die Festelektrolytschicht 32 zur Seite der abgasseitigen Elektrode 33 bewegt wird, mit CO und HC, um CO₂ bzw. H₂O zu bilden. Auf diese Weise werden CO und HC um die abgasseitige Elektrode 33 herum entfernt und der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum zur fetten Seite verschoben.
Nachstehend ist der Aufbau der Sensorsteueranordnung 40 beschrieben, die die Steuerung (oder auch Steuerbetrieb) bezüglich des O₂-Sensors 17 ausführt. Der Aufbau der Sensorsteueranordnung 40 ist in der 2 gezeigt. D. h., die Sensorsteueranordnung 40 weist den Mikrocomputer 41 auf, der als eine Steuervorrichtung (oder eine Steuereinrichtung) dient. Der Mikrocomputer 41 erhält das EMK-Signal, das vom Sensorelement 31 ausgegeben wird, über beispielsweise einen A/D-(Analog/Digital)-Wandler und berechnet das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (insbesondere das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a) des Abgases auf der Grundlage des erhaltenen EMK-Signals. Ferner ist eine Widerstandsschaltung (die als eine Stromleitungsregulierungsvorrichtung oder eine Stromleitungsregulierungseinrichtung dient) 43 mit einem Abschnitt 50a1 eines elektrischen Pfads 50a verbunden, der eine elektrische Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des Sensorelements 31 und dem Mikrocomputer 41 herstellt. Der Abschnitt 50a1 des elektrischen Pfads 50a ist an einer Zwischenposition zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des Sensorelements 31 und dem Mikrocomputer 41 auf dem elektrischen Pfad 50a angeordnet. Die Widerstandsschaltung 43 ist dazu ausgelegt, einen Fluss eines elektrischen Stroms durch das Sensorelement 31 zu induzieren, wenn das Sensorelement 31 die elektromotorische Kraft erzeugt.
Die Widerstandsschaltung 43 ist eine stromleitende Schaltung, die den elektrischen Strom leitet, der der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 entspricht, wenn die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 auf die Widerstandsschaltung 43 aufgebracht wird. Die Widerstandsschaltung 43 weist, wie in 2 gezeigt, einen Widerstand 44 auf, der in einen elektrischen Pfad 60 geschaltet ist, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des O₂-Sensors 17 und einer Masse (Erde), genauer gesagt, zwischen dem Abschnitt 50a1 des elektrischen Pfads 50a und der Masse herstellt. Der elektrischen Pfad 50a und der elektrischen Pfad 60 arbeiten zusammen, um einen elektrischen Pfad 70 zu bilden, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des O₂-Sensors 17 und der Masse (Erde) herstellt. Der Widerstand 44 dient als ein stromleitender Widerstand. In diesem Fall fließt dann, wenn der elektrische Strom I durch den Widerstand 44 entlang des elektrischen Pfades 60 zur Masse fließt, der entsprechende elektrische Strom von der abgasseitigen Elektrode 33 durch die Festelektrolytschicht 32 im Sensorelement 31 zur atmosphärenseitigen Elektrode 34 und bewegen sich so Sauerstoffionen von der atmosphärenseitigen Elektrode 34 durch die Festelektrolytschicht 32 im Sensorelement 31 zur abgasseitigen Elektrode 33 bewegen. Hier wird die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 als eine elektrische Energiequelle des elektrischen Stroms I verwendet, der durch den Widerstand 44 im elektrischen Pfad 60 geleitet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der elektrische Strom (genauer gesagt, ein Stromwert des elektrischen Stroms), der in das Sensorelement 31 gespeist wird, angesichts der Abweichung, d. h. der Differenz zwischen dem Reaktionsgleichgewichtspunkt A1 des Sauerstoffausstroms am ersten Katalysator 15a und dem NOx-Ausströmungspunkt A2 des NOx-Ausstroms am ersten Katalysator 15a bestimmt. Anschließend wird dieser bestimmte elektrische Strom an das Sensorelement 31 gegeben, so dass eine Änderung in der Ausgangscharakteristik, die der Differenz zwischen dem Reaktionsgleichgewichtspunkt A1 und dem NOx-Ausströmungspunkt A2 entspricht, an einem Zwischenpunkt (0,45 V in der vorliegenden Ausführungsform) der Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 gebildet wird. D. h., der elektrische Strom wird derart an das Sensorelement 31 gegeben, dass der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum an dem NOx-Ausströmungspunkt A2 oder einem Punkt benachbart zum NOx-Ausströmungspunkt A2 angeordnet wird. Auf diese Weise wird die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 auf der Grundlage des katalytischen Wandlungswirkungsgrads des ersten Katalysators 15a geändert. Folglich wird dann, wenn NOx aus dem ersten Katalysator 15a strömt, das Signal mageren Verhältnisses am O₂-Sensor 17 von dem Beginn des Ausströmens von NOx aus dem ersten Katalysator 15a an ausgegeben.
Hier wird, angesichts der Gewährleistung der Robustheit des O₂-Sensors 17 zum Zwecke der Beschränkung der NOx-Emissionen, der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum vorzugsweise auf der fetten Seite des NOx-Ausströmungspunkts A2 angeordnet (siehe 5). Insbesondere kann der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode des O₂-Sensors 17 herum von dem NOx-Ausströmungspunkt A2 auf der fetten Seite des NOx-Ausströmungspunkts A2 um den Betrag von beispielsweise ungefähr 0,1 bis 0,5% (vorzugsweise 0,1 bis 0,3%) bezüglich der Prozentzahl des Luftüberschusses λ verschoben werden, um einen leicht fetten Zustand aufzuweisen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Bereich des elektrischen Stroms (genauer gesagt, ein Bereich des Stromwertes des elektrischen Stroms) derart bestimmt, dass er zwischen 0,1 mA und 1,0 mA liegt, und wird der elektrische Strom in dem Bereich von 0,1 mA bis 1,0 mA an das Sensorelement 31 gegeben. Nachstehend ist ein praktisch wünschenswerter Bereich eines Widerstandswerts des Widerstands 44 für den Fall überprüft, dass der Bereich des elektrischen Stroms (der Bereich des Stromwertes des elektrischen Stroms) zwischen 0,1 mA und 1,0 mA liegt. 7 zeigt ein Ersatzschaltbild des Sensorelements 31 und des Widerstands 44. In der 7 beschreibt E1 eine elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 und Rdc einen Widerstandswert des Sensorelements 31. Ferner beschreibt E2 eine Spannung eines Zwischenpunkt zwischen dem Sensorelement 31 und dem Widerstand 44 auf dem elektrischen Pfad 70 und beschreibt R1 einen Widerstandswert des Widerstands 44. In diesem Fall wird angenommen, dass der Widerstandswert Rdc in einem Bereich von 50 Ω bis 200 Ω liegt, was der Widerstandswert des Sensorelements 31 ist, das sich im Aktivierungszustand (aktivierten Zustand) befindet. In dem Ersatzschaltbild der 7 sind die folgenden Verhältnisse erfüllt. E2 = E1 × (R1/(Rdc + R1)) I = E2/R1
Zunächst ist ein beispielhafter Fall beschrieben, bei dem die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 an dem stöchiometrischen Punkt in dem entsprechenden Bereich des elektrischen Stroms = 0,1 mA bis 1,0 mA geändert wird. In diesem Fall sind Rdc = 50 Ω bis 200 Ω, E1 = 0,45 V und I = 0,1 mA bis 1,0 mA festgelegt und ist ein minimal möglicher Wert des Widerstandswerts R1 gleich R1 = 250 Ω (für den Fall, dass Rdc = 200 Ω, E1 = 0,45 V und I = 1,0 mA festgelegt sind). Ferner ist ein maximal möglicher Wert des Widerstandswerts R1 gleich R1 = 4450 Ω (für den Fall, dass Rdc = 50 Ω, E1 = 0,45 V und I = 0,1 mA festgelegt sind). Folglich ist es wünschenswert, den Widerstandswert R1 des Widerstands 44 in dem Bereich ungefähr von 250 Ω bis 4,5 kΩ festzulegen.
Ferner ist ein beispielhafter Fall beschrieben, bei dem die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 auf der fetten Seite in dem Bereich des elektrischen Stroms = 0,1 mA bis 1,0 mA geändert wird. In diesem Fall sind Rdc = 50 Ω bis 200 Ω, E1 = 1,0 V und I = 0,1 mA bis 1,0 mA festgelegt und ist ein minimal möglicher Wert des Widerstandswerts R1 gleich R1 = 800 Ω (für den Fall, dass Rdc = 200 Ω, E1 = 1,0 V und I = 1,0 mA festgelegt sind). Ferner ist ein maximal möglicher Wert des Widerstandswerts R1 gleich R1 = 9950 Ω (für den Fall, dass Rdc = 50 Ω, E1 = 1,0 V und I = 0,1 mA festgelegt sind). Folglich ist es wünschenswert, den Widerstandswert R1 des Widerstands 44 in dem Bereich von ungefähr 800 Ω bis 10 kΩ festzulegen. Für den Fall, dass die elektromotorische Kraft E1 während der Zeit fetten Verhältnisses als E1 = 0,9 V angenommen wird, liegt der Bereich des Widerstandswerts R1 des Widerstands 44 bei ungefähr 700 Ω bis 9 kΩ.
Angesichts der Realisierung der geeigneten Änderung in der Ausgangscharakteristik am O₂-Sensor 17 in dem Bereich des stöchiometrischen Punkts zur fetten Seite wird angenommen, dass ein geeigneter Bereich des Widerstandswerts R1 des Widerstands 44 bei ungefähr 800 Ω bis 4,5 kΩ liegt. Für den Fall, dass der geeignete Bereich des Widerstandswerts R1 des Widerstands 44 jedoch innerhalb eines möglichen breiteren Bereichs geschätzt wird, kann der geeignete Bereich des Widerstandswerts R1 des Widerstands 44 bei ungefähr 200 Ω bis 10 kΩ liegen.
Nachstehend sind die Widerstandsschaltung 43 der Sensorsteueranordnung 40 und deren periphere Schaltung unter Bezugnahme auf die 8 näher beschrieben. Bei dem in der 8 gezeigten Aufbau ist der Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43 variabel steuerbar und wird der Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43 beispielsweise in Übereinstimmung mit einer Anfrage zur Änderung des Widerstandswerts geändert.
Bei der Sensorsteueranordnung 40 weist die Widerstandsschaltung 43 mehrere elektrische Pfade 60a–60c auf, die jeweils als der elektrische Pfad 60 der 2 vorgesehen sind und eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des O₂-Sensors 17 und der Masse (Erde), genauer gesagt, zwischen dem elektrischen Pfad 50a (genauer gesagt, dem Abschnitt 50a1 des elektrischen Pfads 50a in der 2) und der Masse herstellen. Eine Reihenschaltung des Schalters 45 und des Widerstands 44 ist in jedem dieser elektrischen Pfade 60a–60c in der Widerstandsschaltung 43 gebildet. In der 8 weisen diese Reihenschaltungen drei Reihenschaltungen auf. In jeder dieser drei Reihenschaltungen ist jeder von drei Schaltern 45a, 45b, 45c als der Schalter 45 vorgesehen und jeder von drei Widerständen 44a, 44b, 44c als der Widerstand 44 vorgesehen. Jeder der Schalter 45a–45c ist zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des Sensorelements 31 und dem entsprechenden der Widerstände 44a–44c vorgesehen. Jeder der Schalter 45a–45c ist eine Schaltvorrichtung (Schalteinrichtung), die durch ein Halbleiterschaltelement gebildet wird, wie beispielsweise einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Jeder der Schalter 45a–45c wird im Ansprechen auf einen Befehl, der vom Mikrocomputer 41 ausgegeben wird, ein- oder ausgeschaltet. Die Widerstandswerte R1, R2, R3 der Widerstände 44a–44c sind voneinander verschieden. Genauer gesagt, jeder der Widerstände 44a–44c weist den Widerstandswert auf, der verschieden von dem Widerstandswert von jedem der anderen Widerstände 44a–44c ist. Die Widerstandswerte R1, R2, R3 sind beispielsweise derart bestimmt, dass sie ein Verhältnis von beispielsweise R1 > R2 > R3 erfüllen.
In solch einem Fall werden die Schalter 45a–45c individuell ein- und ausgeschaltet (Ein/Aus-Steuerung). In Abhängigkeit davon, welcher der Schalter 45a–45c eingeschaltet ist, wird der mit dem Sensorelement 31 zu verbindende Widerstand unter den Widerständen 44a–44c geändert, um den Widerstandswert in der Widerstandsschaltung 43 zu ändern. Der Mikrocomputer 41 steuert das Ein/Aus-Schalten jedes Schalters 45a–45c auf der Grundlage des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10.
D. h., wenn der Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 geändert wird, ändert sich die Menge an fetten Komponenten im Abgas. Insbesondere wird dann, wenn die Drehzahl des Verbrennungsmotors oder die Last des Verbrennungsmotors erhöht werden, die Menge an fetten Komponenten im Abgas erhöht. Genauer gesagt, wenn die Drehzahl oder die Last des Verbrennungsmotors erhöht wird, werden die Durchflussrate des fetten Gases und die Gaskonzentration des fetten Gases erhöht. In solch einem Fall kann dann, wenn der Stromwert des elektrischen Stroms, der an das Sensorelement 31 zu geben ist, unabhängig vom Verbrennungsmotorbetriebszustand konstant gehalten wird, der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum gegebenenfalls unbeabsichtigt von einem gewünschten Punkt, der bezüglich des NOx-Ausströmungspunkts A2 bestimmt wird, abweichen. D. h., die Menge an zugeführtem Sauerstoff, das an den Ort um die abgasseitige Elektrode 33 des Sensorelements 31 herum durch das Leiten des elektrischen Stroms im Sensorelement 31 gegeben wird, kann gegebenenfalls bezüglich der Menge an fetten Komponenten, die um die abgasseitige Elektrode 33 des Sensorelements 31 vorhanden ist, unzureichend sein. Wenn dieser Mangel des zugeführten Sauerstoffs auftritt, verbleiben die fetten Komponenten um die abgasseitige Elektrode 33 herum. Folglich kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 nicht in einer gewünschten Weise geändert werden.
Dementsprechend wird, in der vorliegenden Ausführungsform, der Stromwert des elektrischen Stroms (der Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43), der durch das Sensorelement 31 geleitet wird, auf der Grundlage des Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10 variabel gesteuert. In diesem Fall kann auch dann, wenn die Menge an erforderlichem Sauerstoff, die erforderlich ist, um die Gleichgewichtsreaktion des fetten Gases auf der Oberfläche der abgasseitigen Elektrode 33 am O₂-Sensor 17 zu haben, im Ansprechen auf den Verbrennungsmotorbetriebszustand geändert wird, die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 im Ansprechen auf die Änderung im benötigten Sauerstoff in gewünschter Weise geändert werden. Es können eine Verbrennungsmotordrehzahl, eine Verbrennungsmotorlast und/oder eine Lastrate des Verbrennungsmotors 10 als (ein) Parameter des Verbrennungsmotorbetriebszustands verwendet werden.
Hier sollte beachtet werden, dass die Widerstandswerte der Widerstände 44a–44c in der Widerstandsschaltung 43, je nach Bedarf, derart festgelegt sein können, dass sie gleiche Werte aufweisen (d. h. R1 = R2 = R3). In solch einem Fall kann der Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43, die mit dem Sensorelement 31 verbunden ist, in Abhängigkeit davon geändert werden, wie viele der Schalter 45a–45c eingeschaltet werden (d. h. der Anzahl der eingeschalteten Schalter bzw. des eingeschalteten Schalters unter den Schaltern 45a–45c).
Ferner wird für den Fall, dass die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 geändert wird, indem der elektrische Strom (genauer gesagt, der Stromwert des elektrischen Stroms) gesteuert wird, der durch das Sensorelement 31 geleitet wird, wenn ein Fehler beispielsweise in der Widerstandsschaltung 43 auftritt, die Abgasemissionsleistung beeinflusst. Dementsprechend ist, in der vorliegenden Ausführungsform, eine Fehlerbestimmungsfunktion (Fehlerbestimmungsanordnung), die eine Fehlerbestimmung des Bestimmungsobjekts (d. h. der Widerstandsschaltung 43 in der vorliegenden Ausführungsform) ausführt, zum Mikrocomputer 41 hinzugefügt.
Ein Shunt-Widerstand 47 zum Messen des elektrischen Stroms ist, wie in 8 gezeigt, in den elektrischen Pfad 50b geschaltet, der eine Verbindung zwischen der abgasseitigen Elektrode 33 und der Masse herstellt, als eine Struktur, die verwendet wird, um den Fehler bzw. die Abnormität zu messen. Der elektrische Strom, der durch den Shunt-Widerstand 47 fließt, wird mit einer Strommessvorrichtung 48 gemessen. Die Strommessvorrichtung 48 kann eine Differenzverstärkerschaltung aufweisen, die beispielsweise einen Operationsverstärker aufweist. In diesem Fall wird der Ist-Stromwert des elektrischen Stroms, der in der Widerstandsschaltung 43 fließt, mit dem Shunt-Widerstand 47 und der Strommessvorrichtung 48 gemessen und führt der Mikrocomputer 41 die Fehlerbestimmung der Widerstandsschaltung 43 auf der Grundlage des Ist-Stromwerts des elektrischen Stroms aus.
Nachstehend sind eine Widerstandsänderungsteuerung und ein Fehlerbestimmungsprozess, die vom Mikrocomputer 41 ausgeführt werden, unter Bezugnahme auf die in den 9 und 11 gezeigten Ablaufdiagramme beschrieben. 9 zeigt das Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung der Widerstandsänderungsteuerung. Dieser Prozess wird vom Mikrocomputer 41 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt ausgeführt.
In der 9 wird, in Schritt S11, bestimmt, ob eine Ausführungsbedingung zum Ausführen der Widerstandsänderungsteuerung erfüllt ist. Die Ausführungsbedingung kann beispielsweise Folgendes umfassen: (I) der O₂-Sensor 17 und die Widerstandsschaltung 43 sind beide normal; und (II) die Nebenregelung erfolgt momentan. Wenn die Antwort auf die Anfrage in Schritt S11 JA lautet, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S12 voran.
In Schritt S12 wird der Verbrennungsmotorbetriebszustand, wie beispielsweise die Verbrennungsmotordrehzahl und/oder die Verbrennungsmotorlast (wie beispielsweise die Menge der Ansaugluft), erhalten. Anschließend erfolgt, im nächsten Schritt S13, die Einstellung des Widerstandswerts der Widerstandsschaltung 43 auf der Grundlage des Verbrennungsmotorbetriebszustands, der in Schritt S12 erhalten wird. Zu dieser Zeit wird der Widerstandswert auf der Grundlage von beispielsweise einem in der 10 gezeigten Verhältnis bestimmt. In der 10 wird dann, wenn die Verbrennungsmotordrehzahl oder die Verbrennungsmotorlast erhöht wird, der festzulegende Widerstandswert verringert. Für den Fall, dass die Widerstandswerte der Widerstände 44a–44c gleich R1 bzw. R2 bzw. R3 sind, können beispielsweise, wie in 8 gezeigt, der Widerstandswert R1 in einem niedrigen Verbrennungsmotordrehzahlbereich (einem niedrigen Verbrennungsmotorlastbereich) und der Widerstandswert R2 in einem mittleren Verbrennungsmotordrehzahlbereich (einem mittleren Verbrennungsmotorlastbereich) bestimmt werden. Ferner kann der Widerstandswert R3 in einem hohen Verbrennungsmotordrehzahlbereich (einem hohen Verbrennungsmotorlastbereich) bestimmt werden.
Anschließend werden, in Schritt S14, die Ein/Aus-Zustände der Schalter 45a–45c gesteuert, um den Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43 auf der Grundlage des Widerstandswerts zu ändern, der in Schritt S13 bestimmt wird. Wenn die Änderung des Widerstandswerts der Widerstandsschaltung 43 erfolgt, wird der Stromwert des elektrischen Stroms, der durch das Sensorelement 31 fließt, geändert und so die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in geeigneter Weise geändert.
11 zeigt das Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Fehlerbestimmungsprozesses der Widerstandsschaltung 43. Dieser Prozess wird vom Mikrocomputer 41 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt.
In der 11 wird, in Schritt S21, bestimmt, ob eine Ausführungsbedingung zum Ausführen des Fehlerbestimmungsprozesses erfüllt ist. Diese Ausführungsbedingung kann beispielsweise eine Bedingung dahingehend umfassen, dass sich das Sensorelement 31 im Aktivierungszustand befindet, d. h. dass die Temperatur des Sensorelements 31 höher oder gleich der vorbestimmten Aktivierungstemperatur ist. Wenn die Antwort auf die Anfrage in Schritt S21 JA lautet, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S22 voran.
In Schritt S22 wird ein Ist-Stromwert Ion des elektrischen Stroms erhalten, der mit dem Shunt-Widerstand 47 und der Strommessvorrichtung 48 gemessen wird, und zwar in einem Zustand, in dem einzig der entsprechende der Schalter 45a–45c eingeschaltet ist. Anschließend wird, in nächsten Schritt S23, ein Ist-Stromwert Ioff des elektrischen Stroms erhalten, der in einem Zustand gemessen wird, in dem alle der Schalter 45a–45c ausgeschaltet sind. Hierauf folgend werden, in Schritt S24, der Ist-Stromwert Ion und der Ist-Stromwert Ioff miteinander verglichen und wird auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Ist-Stromwert Ion und dem Ist-Stromwert Ioff bestimmt, ob der Fehler bzw. die Abnormität der Widerstandsschaltung 43 vorliegt. Insbesondere wird dann, wenn die Differenz zwischen dem Ist-Stromwert Ion und dem Ist-Stromwert Ioff null oder größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (übermäßig hoch) ist, bestimmt, dass der Fehler in der Widerstandsschaltung 43 vorliegt. Andernfalls wird bestimmt, dass die Widerstandsschaltung 43 normal ist (d. h. der Fehler nicht in der Widerstandsschaltung 43 vorliegt). Zu dieser Zeit wird für den Fall, dass jeder der Schalter 45a–45c nicht auf normale Weise Ein/Aus-geschaltet wird oder ein Fehler, wie beispielsweise ein Bruch oder ein Kurzschluss, auf dem entsprechenden elektrischen Pfad 60a–60c mit dem entsprechenden Widerstand 44a 44c auftritt, die Differenz zwischen dem Ist-Stromwert Ion und dem Ist-Stromwert Ioff zu null oder größer oder gleich dem vorbestimmten Wert, so dass bestimmt wird, dass der Fehler in der Widerstandsschaltung 43 vorliegt.
Das Erhalten des Ist-Stromwerts Ion des elektrischen Stroms in Schritt S22 kann vorzugsweise für jeden der Schalter 45a–45c ausgeführt werden, und die Fehlerbestimmung in Schritt S24 kann vorzugsweise für jeden der Schalter 45a–45c ausgeführt werden.
Anschließend wird, in Schritt S25, bestimmt, ob das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S24 das Vorhandensein des Fehlers anzeigt. Wenn die Antwort auf die Anfrage in Schritt S25 JA lautet (d. h. das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S24 zeigt das Vorhandensein des Fehlers), schreitet die Verarbeitung zu Schritt S26 voran. In Schritt S26 wird ein Fehlersicherheitsbetrieb ausgeführt, wie beispielsweise ein Stoppen des Leitens des elektrischen Stroms durch die Widerstandsschaltung 43, ein Stoppen der Nebenregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, ein Einschalten einer Fehlerwarnlampe, die beispielsweise in einer Instrumententafel vorgesehen ist, und/oder ein Speichern von Diagnosedaten in einer Speichervorrichtung (wie beispielsweise einem Speicher).
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform bringt die folgenden Vorteile hervor.
Das Sensorelement 31 kann als die Batterie verwendet werden, indem die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 verwendet wird. Angesichts dieses Punktes wird der elektrische Strom, der der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 entspricht, durch die Widerstandsschaltung 43 geleitet, die im elektrischen Pfad 70 (den elektrischen Pfaden 50a, 60) vorgesehen ist, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 und der Masse herstellt, während die elektromotorische Kraft im Sensorelement 31 erzeugt wird. In diesem Fall fließt der elektrische Strom, der gleich dem vorstehend beschriebenen elektrischen Strom ist, zwischen den zwei Elektroden 33, 34 am Sensorelement 31 und wird so die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 geändert. Bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau dienen der elektrische Pfad 70 (die elektrischen Pfade 50a, 60), die eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 und der Masse herstellen, und die Widerstandsschaltung 43 als die minimal erforderlichen Komponenten zur Änderung der Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17. Folglich kann, obwohl ein einfacher Aufbau verwendet wird, die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in der geeigneten gewünschten Weise geändert werden.
Durch die Verwendung der Widerstandsschaltung 43, die auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebaut ist, kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 abgestimmt werden, um dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis an dem Punkt zu entsprechen, an dem des Ausströmen von NOx am ersten Katalysator 15a beginnt. D. h., für den Fall, dass NOx aus dem ersten Katalysator 15a strömt, kann der O₂-Sensor 17 die entsprechende elektromotorische Kraft erzeugen, die dem Ausströmen von NOx aus dem ersten Katalysator 15a entspricht. Folglich kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in geeigneter Weise geändert werden und können so die NOx-Emissionen beschränkt werden.
Der elektrische Strom I, der durch den Widerstand 44 der Widerstandsschaltung 43 geleitet wird, verschiebt den Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum zu dem NOx-Ausströmungspunkt A2 (dem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt) oder dem Punkt benachbart zum NOx-Ausströmungspunkt A2. Folglich kann die besser geeignete Struktur zur Beschränkung der Emissionen von NOx durch eine Verwendung des Ausgangs des O₂-Sensors 17 realisiert werden.
Insbesondere kann, wenn der elektrische Strom I durch den Widerstand 44 der Widerstandsschaltung 43 derart bereitgestellt wird, dass der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum bezüglich des NOx-Ausströmungspunkts A2 (des zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt) leicht fett wird, die erforderliche Robustheit erzielt werden, um die NOx-Emissionen zu beschränken.
Der Schalter 45, der die atmosphärenseitige Elektrode 34 und den Widerstand 44 verbindet und trennt, ist vorgesehen, so dass zwischen dem Leitungszustand zum Leiten des elektrischen Stroms entsprechend der elektromotorischen Kraft durch das Sensorelement 31 und dem Nicht-Leitungszustand zum Stoppen des Leitens des elektrischen Stroms durch das Sensorelement 31 umgeschaltet werden kann. Auf diese Weise kann der Stromwert des elektrischen Stroms, der durch das Sensorelement 31 geleitet wird, in geeigneter Weise geändert und die Fehlerbestimmung in geeigneter Weise erzielt werden.
Der Ein/Aus-Zustand jedes Schalters 45a–45c wird auf der Grundlage des Verbrennungsmotorbetriebszustands gesteuert, um den Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43 zu ändern. Auf diese Weise kann auch dann, wenn die Menge der fetten Komponenten im Abgas aufgrund der Änderung im Verbrennungsmotorbetriebszustand geändert wird, die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in geeigneter Weise geändert und so der Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 herum bei dem gewünschten Punkt bezüglich des NOx-Ausströmungspunkts A2 gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise innerhalb ihres Schutzumfangs modifiziert werden. Die obige Ausführungsform kann beispielsweise wie folgt modifiziert werden.
Bei dem in der 8 gezeigten Aufbau weist die Widerstandsschaltung 43 drei Reihenschaltungen auf und weist jede der Reihenschaltungen den Schalter 45 (genauer gesagt, den Schalter 45a–45c) und den Widerstand 44 (genauer gesagt, den Widerstand 44a–44c) auf, die in Reihe geschaltet sind. Der Aufbau der Widerstandsschaltung 43 ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann jeden beliebigen anderen geeigneten Aufbau aufweisen. Der Schalter 45 (genauer gesagt, der Schalter 45a–45c) kann beispielsweise eliminiert sein, um einzig den Widerstand 44 (genauer gesagt, den Widerstand 44a–44c) in einer der drei Reihenschaltungen zu lassen. D. h., solange der Schalter 45 (genauer gesagt, der Schalter 45a–45c) in wenigstens einem der elektrischen Pfade 60a–60c vorgesehen ist, kann der Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43 geändert werden. Ferner kann die Anzahl der Reihenschaltungen, die jeweils den Schalter 45 (genauer gesagt, den Schalter 45a–45c) und den Widerstand 44 (genauer gesagt, den Widerstand 44a–44c) aufweisen, in eine, zwei, vier oder mehr als vier geändert werden.
Der Aufbau, der den Widerstandswert des/der Widerstands/Widerstände 44 (des Stromleitungswiderstand) ändert, kann derart aufgebaut sein, dass mehrere Widerstände auf dem elektrischen Pfad 70, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 und der Masse herstellt, in Reihe geschaltet sind und ein Schalter für jeden der Widerstände parallel zum Widerstand vorgesehen ist. Auch bei diesem Aufbau kann der Widerstandswert der Widerstandsschaltung 43 durch Öffnen/Schließen jedes entsprechenden Schalters geändert werden.
Die Widerstandsschaltung 43 kann in einer in der 12 gezeigten Weise aufgebaut sein, die eine Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. In der 12 ist ein Widerstand (Diagnosewiderstand) 51 zum Messen eines Fehlers (Abnormität) über einen elektrischen Pfad 60c parallel zu den Reihenschaltungen, die jeweils den Schalter 45 (genauer gesagt, den entsprechenden der Schalter 45a–45c) und den Widerstand 44 (genauer gesagt, den entsprechenden der Widerstände 44a–44c) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind, mit dem elektrischen Pfad 50a verbunden. Ein Widerstandswert des Diagnosewiderstands 51 beträgt beispielsweise 1 MΩ. Bei diesem Aufbau nimmt beispielsweise dann, wenn ein Bruch (Durchbruch) einer leitfähigen Leitung in einem Abschnitt auftritt (siehe Punkt E des elektrischen Pfads 50a in der 12) der elektrischen Schaltung auftritt, der sich zwischen dem Sensorelement 31 und der Sensorsteueranordnung 40 befindet, der EMK-Eingang (A/D-Eingang) des Mikrocomputers 41 einen vorbestimmten abnormen Wert (wie beispielsweise 0) an. Folglich kann der Fehler, d. h. der Bruch der leitfähigen Leitung, in geeigneter Weise bestimmt werden. Zur Zeit der Bestimmung des Auftretens des Fehlers, d. h. des Bruchs der leitfähigen Leitung, kann jeder Schalter 45 (genauer gesagt, jeder der Schalter 45a–45c) in den Offen-Zustand versetzt werden.
In der obigen Ausführungsform ist der O₂-Sensor 17 auf der Stromabwärtsseite des ersten Katalysators 15a angeordnet. Alternativ kann der O₂-Sensor 17 an einem Zwischenabschnitt des ersten Katalysators 15a installiert sein. In solch einem Fall kann der O₂-Sensor 17 am Substrat des ersten Katalysators 15a installiert sein. In jedem der obigen Fälle ist es lediglich erforderlich, dass der O₂-Sensor 17 aufgebaut ist, um das Abgas nach der Reinigung des Abgases am ersten Katalysator 15a als das Messobjekt zu verwenden, um die Gaskomponente(n) zu messen.
Neben dem O₂-Sensor 17 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann der Gassensor ein Gassensor sein, der einen Zweizellenaufbau aufweist, der eine EMK-Zelle und eine Pumpzelle aufweist. In solch einem Fall kann die Ausgangscharakteristik in geeigneter Weise an der EMK-Zelle des Zweizellen-Gassensors geändert werden.
Vorstehend ist eine Gassensor-Steuervorrichtung beschrieben.
Ein O₂-Sensor 17 weist ein Sensorelement 31 auf, das eine Festelektrolytschicht 32 und ein Paar von Elektroden 33, 34 aufweist. Die Festelektrolytschicht 32 wird zwischen den Elektroden 33, 34 gehalten. Die Elektroden 33, 34 weisen eine atmosphärenseitige Elektrode 34, die zu einer positiven Seite wird, während eine elektromotorische Kraft vom Sensorelement 31 ausgegeben wird, und eine abgasseitige Elektrode 33, die zu einer negativen Seite wird, während die elektromotorische Kraft vom Sensorelement 31 ausgegeben wird, auf. Ein Widerstand 44 ist in einen elektrischen Pfad 70 geschaltet, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 und einer Masse herstellt. Wenn das Sensorelement 31 die elektromotorische Kraft erzeugt, leitet der Widerstand 44 einen elektrischen Strom, der erzeugt wird, während die elektromotorische Kraft als eine elektrische Energiequelle verwendet wird, um eine Änderung in einer Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 zu induzieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-063345 A [0004]
US 2012/0043205 A1 [0004]

Claims

Gassensor-Steuervorrichtung für einen Gassensor (17), der ein EMK-Signal entsprechend einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis eines Abgases eines Verbrennungsmotors (10) ausgibt und eine EMK-Zelle (31) aufweist, die einen Festelektrolytkörper (32) und ein Paar von Elektroden aufweist, wobei der Festelektrolytkörper (32) zwischen dem Paar von Elektroden gehalten wird, das eine referenzseitige Elektrode (34), die zu einer positiven Seite wird, während eine elektromotorische Kraft von der EMK-Zelle (31) ausgegeben wird, und eine abgasseitige Elektrode (33), die zu einer negativen Seite wird, während die elektromotorische Kraft von der EMK-Zelle (31) ausgegeben wird, aufweist, wobei die Gassensor-Steuervorrichtung aufweist: – einen Widerstand (44), der in einen elektrischen Pfad (70) geschaltet ist, der mit der EMK-Zelle (31) verbunden ist, wobei der Widerstand (44) dann, wenn die EMK-Zelle (31) die elektromotorische Kraft erzeugt, einen elektrischen Strom leitet, der erzeugt wird, während die elektromotorische Kraft der EMK-Zelle (31) als eine elektrische Energiequelle verwendet wird, um eine Änderung in einer Ausgangscharakteristik des Gassensors (17) zu induzieren.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ausgangscharakteristik des Gassensors (17) durch Leitung des elektrischen Stroms, in einem Bereich von 0,1 mA bis 1,0 mA liegt, durch die EMK-Zelle (31) geändert wird; und – ein Widerstandswert des Widerstands (44) in einem Bereich von 200 Ω bis 10 kΩ liegt.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gassensor-Steuervorrichtung auf eine Abgasreinigungsvorrichtung des Verbrennungsmotors (10) angewandt wird; – die Abgasreinigungsvorrichtung in einer Abgasvorrichtung (14) des Verbrennungsmotors (10) installiert ist und einen Katalysator (15a) aufweist, der NOx, das eine magere Komponente des Abgases ist, und eine fette Komponente des Abgases reinigt; – der Gassensor (17) in der Abgasvorrichtung (14) an einem Ort installiert ist, der sich in einem Zwischenabschnitt des Katalysators (15a) oder auf einer Stromabwärtsseite des Katalysators (15a) befindet, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases nach der Reinigung des Abgases mit dem Katalysator (15a) zu messen; – der Katalysator (15a) eine Wandlungscharakteristik aufweist, die ein Verhältnis zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einem katalytischen Wandlungswirkungsgrad des Katalysators (15a) anzeigt; – die Wandlungscharakteristik des Katalysators (15a) einen zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A2) aufweist, der ein Startpunkt eines Ausströmens des NOx aus dem Katalysator (15a) ist und sich auf einer fetten Seite eines ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkts (A1) befindet, der einen Gleichgewichtspunkt für die fette Komponente und Sauerstoff bildet; und – der Widerstand (44) einen Fluss des elektrischen Stroms mit einem Stromwert, der einer Differenz zwischen dem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A1) und dem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A2) des Katalysators (15a) entspricht, im elektrischen Pfad (70) induziert.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (44) den Fluss des elektrischen Stroms mit dem Stromwert, der erforderlich ist, um einen Gleichgewichtspunkt einer Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode (33) der EMK-Zelle (31) herum zu dem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A2) oder einem benachbarten Punkt, der benachbart zum zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A2) liegt, zu verschieben, im elektrischen Pfad (70) induziert.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (44) den Fluss des elektrischen Stroms mit dem Stromwert, der erforderlich ist, um den Gleichgewichtspunkt der Gasreaktion um die abgasseitige Elektrode (33) der EMK-Zelle (31) herum zu einer fetten Seite des zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkts (A2) zu verschieben, im elektrischen Pfad (70) induziert.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schaltvorrichtung (45) aufweist, die eine Verbindung und eine Trennung zwischen der referenzseitigen Elektrode (34) und dem Widerstand (44) ermöglicht.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrische Pfad (70), der mit der EMK-Zelle (31) verbunden ist, mehrere elektrische Pfade (60a–60c) aufweist, die parallel angeordnet sind; – der Widerstand (44) einer von mehreren Widerständen (44a–44c) ist, die jeweils in die mehreren elektrischen Pfade (60a–60c) geschaltet sind; und – wenigstens einer der mehreren elektrische Pfade (60a–60c) eine Schaltvorrichtung (45a–45c) aufweist, die eine Verbindung und eine Trennung zwischen der referenzseitigen Elektrode (34) und einem entsprechenden der mehreren Widerstände (44a–44c) ermöglicht.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren Widerstände (44a–44c), die jeweils in den mehreren elektrischen Pfaden (60a–60c) vorgesehen sind, einen Widerstandswert aufweist, der sich von einem Widerstandswert von jedem der übrigen mehreren Widerstände (44a–44c) unterscheidet.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Steuervorrichtung (41) aufweist, die einen Öffnungs- und Schließzustand der Schaltvorrichtung (45a–45c) auf der Grundlage eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors (10) steuert.