DE102014215766A1

DE102014215766A1 - Gassensor-Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102014215766A1
Application number: DE201410215766
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO CORPORATION Yamada Yuji; c/o DENSO CORPORATION Matsuoka Mikiyasu; 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: 2015-02-12
Also published as: US9594049B2; US20150041320A1; JP2015034802A; JP5904173B2

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 eine atmosphärenseitige Elektrode (34) und eine abgasseitige Elektrode (33) aufweisen. Eine Konstantstromschaltung (43) ist in einen elektrischen Pfad (70) geschaltet, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode (34) und einer Masse herstellt, um einen Fluss eines vorbestimmten elektrischen Konstantstroms zwischen den Elektroden (33, 34) durch die Festelektrolytschicht (32) zu induzieren. Eine Spannungsschaltung (60) ist in einen elektrischen Pfad (50b) geschaltet, der eine Verbindung zwischen der abgasseitigen Elektrode (33) und einer Masse herstellt, um ein elektrisches Potential der abgasseitigen Elektrode (33) um einen vorbestimmten Betrag bezüglich eines elektrischen Potentials an einer Ausgangsseite der Konstantstromschaltung (43), von der der elektrische Strom aus der Konstantstromschaltung (43) fließt, zu erhöhen.

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.
Um den Aufbau der Konstantstromschaltung zu vereinfachen, wird die EMK-Zelle, die sich im EMK-Erzeugungszustand befindet, als eine Batterie verwendet, und kann ein Fluss eines elektrische Stroms in der EMK-Zelle induziert werden, indem die von der EMK-Zelle erzeugte elektromotorische Kraft verwendet wird. Für den Fall, dass die elektromotorische Kraft der EMK-Zelle verwendet wird, um den Fluss des elektrischen Stromes in der EMK-Zelle zu induzieren, wird der Fluss des elektrischen Konstantstroms, der durch die EMK-Zelle geleitet wird, jedoch durch den Spannungswert der elektromotorischen Kraft beeinflusst. In einem Zustand, in dem die elektromotorische Kraft der EMK-Zelle verhältnismäßig gering ist, kann der Stromwert des elektrischen Konstantstroms gegebenenfalls übermäßig verringert werden, um einen unerwartet niedrigen Wert aufzuweisen. D. h., im Falle der EMK-Zelle des Gassensors ändert sich der Spannungswert der EMK-Zelle in dem Bereich von 0 bis 0,9 V. Im mageren Zustand kann der Stromwert des elektrischen Konstantstroms gegebenenfalls den übermäßig niedrigen Wert annehmen oder kann der elektrische Konstantstrom nicht durch die EMK-Zelle geleitet werden. Folglich besteht Bedarf an einer Verbesserung.
Die vorliegende Erfindung ist angesichts des obigen Nachteils geschaffen worden. Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gassensor-Steuervorrichtung bereitzustellen, die einen Fluss eines elektrische Stroms mit einem gewünschten Stromwert ungeachtet eines Spannungswerts einer elektromotorischen Kraft der EMK-Zelle induzieren kann, und gleichzeitig einen Aufbau der Gassensor-Steuervorrichtung zu vereinfachen.
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 eine Stromleitungsregelvorrichtung und eine Spannungsschaltung auf. Die Stromleitungsregelvorrichtung ist in einen elektrischen Pfad geschaltet, der mit der EMK-Zelle verbunden ist, um einen Fluss eines elektrischen Stroms zwischen der abgasseitigen Elektrode und der referenzseitigen Elektrode durch den Festelektrolytkörper in der EMK-Zelle zu induzieren, während die elektromotorische Kraft der EMK-Zelle als eine elektrische Energiequelle verwendet wird. Die Spannungsschaltung erhöht ein elektrisches Potential der abgasseitigen Elektrode um einen vorbestimmten Betrag bezüglich eines elektrischen Potentials einer Ausgangsseite der Stromleitungsregelvorrichtung, von der der elektrische Strom aus der Stromleitungsregelvorrichtung fließt.
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 eines Aufbaus der Sensorsteueranordnung;
8 zeigt ein EMK-Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis und einer elektromotorischen Kraft des Sensorelements;
9A bis 9C zeigen Diagramme zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen der elektromotorischen Kraft des Sensorelements und einem elektrischen Konstantstrom;
10 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Bruchfehlerbestimmungsprozesses; und
11 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 NE-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 Soll-Luft-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. als eine 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 an 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 einen 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 hierfür Bedarf besteht.
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 nachstehend 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 an Sauerstoff auf der fetten Seite des Punkts A1 und ist der Betrag an Sauerstoff 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. Aufgrund der 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, HO, 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 HO, um CO₂ bzw. H₂O zu bilden. Auf diese Weise werden CO und HO 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 den 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 Konstantstromschaltung 43 (die als eine Stromleitungsregelvorrichtung oder eine Stromleitungsregeleinrichtung dient) 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 Konstantstromschaltung 43 ist dazu ausgelegt, dann, wenn das Sensorelement 31 die elektromotorische Kraft erzeugt, einen Fluss eines elektrischen Stroms, der der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 entspricht, durch das Sensorelement 31 zu induzieren. In diesem Fall induziert die Konstantstromschaltung 43 den Fluss des elektrischen Stromes von der abgasseitigen Elektrode 33 durch die Festelektrolytschicht 32 zur atmosphärenseitigen Elektrode 34, so dass sich die Sauerstoffionen von der atmosphärenseitigen Elektrode 34 durch die Festelektrolytschicht 32 im Sensorelement 31 zur abgasseitigen Elektrode 33 bewegen.
In der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Steuerung des elektrischen Konstantstroms auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Reaktionsgleichgewichtspunkt A1 des Sauerstoffausstroms am ersten Katalysator 15a und dem NOx-Ausströmungspunkt A2 des NOx-Ausstroms am ersten Katalysator 15a. Insbesondere wird der elektrische Konstantstrom derart gesteuert, 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 an Luftüberschuss λ verschoben werden, um einen leicht fetten Zustand aufzuweisen.
Die Konstantstromschaltung 43 der Sensorsteueranordnung 40 und eine periphere Schaltung hiervon sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 7 näher beschrieben.
Die Konstantstromschaltung 43 weist, wie in 7 gezeigt, eine Spannungserzeugungsanordnung 51, einen Operationsverstärker 52, einen n-Kanal-MOSFET 53 und einen Widerstand 54 auf. Der Operationsverstärker 52 und der MOSFET 53 arbeiten zusammen, um als eine Betriebsvorrichtung zu dienen. Die Spannungserzeugungsanordnung 51 erzeugt eine vorbestimmte konstante Spannung. Der MOSFET 53 und der Widerstand 54 sind in einem elektrischen Pfad 80, der eine Verbindung zwischen dem Abschnitt 50a1 des elektrischen Pfades 50a und einer Masse herstellt, in Reihe geschaltet. Der elektrische Pfad 50a und der elektrische Pfad 80 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 n-Kanal-MOSFET 53 wird durch einen Ausgang des Operationsverstärkers 52 angesteuert. Der Widerstand 54 ist mit einer Source des MOSFET 53 verbunden. Die Spannungserzeugungsanordnung 51 weist eine Konstantspannungsquelle 51a (wie beispielsweise eine Konstantspannungsquelle, die 5 V ausgibt) und zwei Widerstände 51b, 51c auf. Die Konstantspannungsquelle 51a und die Widerstände 51b, 51c sind in Reihe geschaltet, und ein Zwischenpunkt zwischen den Widerständen 51b, 51c bildet einen Spannungsausgangspunkt X1. Ein nicht invertierender Anschluss (auch als ein +Eingangsanschluss bezeichnet) des Operationsverstärkers 52 ist mit dem Spannungsausgangspunkt X1 verbunden, und ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 52 ist mit einem Gate des MOSFET 53 verbunden. Ferner ist ein invertierender Anschluss (auch als –Eingangsanschluss bezeichnet) des Operationsverstärkers 52 mit einem Zwischenpunkt X2 zwischen dem MOSFET 53 und dem Widerstand 54 im elektrischen Pfad 60 verbunden. Das Gate, der Drain und die Source des MOSFET 53 sind mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 52 bzw. der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des Sensorelements 31 bzw. dem Widerstand 54 verbunden.
Die Konstantstromschaltung 43, die auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebaut ist, wird derart betrieben, dass die Spannung des nicht invertierenden Anschlusses des Operationsverstärkers 52 und die Spannung des invertierenden Anschlusses des Operationsverstärkers 52 zueinander gleich werden. Folglich werden die Spannung des Zwischenpunkts X2 und die Spannung des Spannungsausgangspunkts X1 zueinander gleich. Ein elektrischer Konstantstrom ICs, der einen Stromwert aufweist, der auf der Grundlage der Spannung des Zwischenpunkts X2 und des Widerstandswerts des Widerstands 54 bestimmt wird, fließt durch eine Reihenschaltung, die im elektrischen Pfad 70 gebildet ist und das Sensorelement 31, den MOSFET 53 und den Widerstand 54 aufweist, die einer nach dem anderen in Reihe geschaltet sind. Zu dieser Zeit wird der MOSFET 53 im Ansprechen auf eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 52 betrieben, die aufgrund einer Differenz zwischen der Eingangsspannung des nicht invertierenden Anschlusses und der Eingangsspannung des invertierenden Anschlusses des Operationsverstärkers 52 erzeugt wird, so dass der MOSFET 53 als ein Stromsteuerelement dient, das den elektrischen Konstantstrom Ics leitet. Die Spannung des Zwischenpunkts X2 dient als eine Referenzspannung.
Vorzugsweise werden die Spannung des Spannungsausgangspunkts X1, die Spannung des Zwischenpunkts X2 und der Widerstandswert des Widerstands 54 auf der Grundlage des Stromwertes des elektrischen Stromes bestimmt, der durch das Sensorelement 31 geleitet werden muss, und zwar zur Zeit der Erzeugung der elektromotorischen Kraft im Sensorelement 31. Insbesondere werden beispielsweise für den Fall, dass der elektrische Strom, der den Stromwert von 0,1 mA aufweist, durch das Sensorelement 31 geleitet werden muss, und zwar zur Zeit der Erzeugung der elektromotorischen Kraft (0 bis 0,9 V) im Sensorelement 31, die Spannung des Spannungsausgangspunkts X1 und die Spannung des Zwischenpunkts X2 bestimmt, um einen Wert von 10 mV aufzuweisen, und der Widerstandswert des Widerstands 54 bestimmt, um einen Wert von 100 Ω aufzuweisen. Ferner werden für den Fall, dass der elektrische Strom, der den Stromwert von 0,2 mA aufweist, durch das Sensorelement 31 geleitet werden muss, die Spannung des Spannungsausgangspunkts X1 und die Spannung des Zwischenpunkts X2 bestimmt, um einen Wert von 20 mV aufzuweisen, und der Widerstandswert des Widerstands 54 bestimmt, um einen Wert von 100 Ω aufzuweisen. Ferner werden für den Fall, dass der elektrische Strom, der den Stromwert in einem Bereich von 0,1 mA bis 1,0 mA aufweist, durch das Sensorelement 31 geleitet werden muss, die Spannung des Spannungsausgangspunkts X1 und die Spannung des Zwischenpunkts X2 bestimmt, um in einem Bereich von 10 mV bis 100 mV zu liegen, und der Widerstandswert des Widerstands 54 bestimmt, um einen Wert von 100 Ω aufzuweisen. In solch einem Fall ist jedoch die Referenzspannung, die die Spannung des Zwischenpunkts X2 zwischen dem MOSFET 53 und dem Widerstand 54 in der Konstantstromschaltung 43 ist, geringer als die elektromotorische Kraft (0,45 V) des Sensorelements 31, die bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird.
Vorzugsweise reicht der Bereich des Widerstandswerts des Widerstands 54 ungefähr von 50 Ω bis 500 Ω. Hier wird angenommen, dass der Widerstandswert des Sensorelements 31 gleich 350 Ω ist und der Stromwert des elektrischen Stroms, der durch das Sensorelement 31 fließt, gleich 1,0 mA ist. Ferner wird angenommen, dass der Widerstandswert des Widerstands 54 gleich 500 Ω ist. In solch einem Fall kann dann, wenn die elektromotorische Kraft größer oder gleich 0,85 V ist, der elektrische Strom, der den gewünschten Stromwert aufweist (1,0 mA), durch das Sensorelement 31 geleitet werden. Angesichts der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 im fetten Zustand kann der elektrische Strom, der den gewünschten Stromwert aufweist (1,0 mA), für den Fall, dass der Widerstandswert des Widerstands 54 gleich 500 Ω ist, durch das Sensorelement 31 geleitet werden. Der Widerstandswert des Widerstands 54 ist als ein maximaler Widerstandswert des Widerstands 54 definiert. Ferner ist, um das Leiten des elektrischen Stroms, der den gewünschten Stromwert aufweist (1,0 mA), durch das Sensorelement 31 in dem Zustand des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu ermöglichen, der maximale Widerstandswert des Widerstands 54 vorzugsweise auf 100 Ω gesetzt. Der Widerstandswert des Widerstands 54 ist jedoch nicht auf den obigen Wert beschränkt, für den Fall, dass der maximale Widerstandswert des Sensorelements 31 im Aktivierungszustand des Sensorelements 31 auf einen Wert von kleiner oder gleich 350 Ω gesetzt wird. Wenn der maximale Widerstandswert des Sensorelements 31 im Aktivierungszustand (d. h. aktivierten Zustand) beispielsweise auf 300 Ω gesetzt ist, kann der maximale Widerstandswert des Widerstands 54 auf 150 Ω gesetzt werden. Der minimale Widerstandswert (50 Ω) des Widerstands 54 ist bestimmt, um das Messen eines Fehlers zu ermöglichen. In solch einem Fall wird dann, wenn der Widerstandswert des Widerstands 54 gleich 50 Ω ist, die Spannung des Sensorelements 31 während der Zeit des Leitens des elektrischen Stromes mit dem Stromwert von 0,1 mA durch das Sensorelement 31 gleich 5 mV. In solch einem Fall wird dann, wenn ein 14-Bit-A/D-Wandler mit einem Spannungsbereich von 0 bis 5 V verwendet wird, ein Messwert gleich 16 (= 2^14/1000) sein. Dementsprechend kann der Fehler in geeigneter Weise gemessen werden.
In der Sensorsteueranordnung 40, die die Konstantstromschaltung 43 obiger Struktur aufweist, wird dann, wenn die elektromotorische Kraft im Sensorelement 31 erzeugt wird, der vorbestimmte elektrische Konstantstrom Ics durch den MOSFET 53 und den Widerstand 54 geleitet, während die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 als eine elektrische Energiequelle verwendet wird (genauer gesagt, das Sensorelement 31 als eine Batterie verwendet wird). Folglich kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 geändert werden.
8 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ausgangscharakteristik des Sensorelements 31 für den Fall, dass der elektrische Konstantstrom Ics unter Verwendung der Konstantstromschaltung 43 im Sensorelement 31 geleitet wird. In der 8 wird eine Kennlinie, die die Ausgangscharakteristik des Sensorelements 31 zeigt, wie durch einen Pfeil gezeigt, zur fetten Seite verschoben, wenn der elektrische Konstantstrom Ics durch den MOSFET 53 und den Widerstand 54 geleitet wird, um den elektrischen Konstantstrom Ics durch das Sensorelement 31 zu leiten. Ferner wird, im Schaltungsaufbau der 7, die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 an einem Zwischenpunkt zwischen dem Sensorelement 31 und dem MOSFET 53 in der Reihenschaltung gemessen, die das Sensorelement 31, den MOSFET 53 und den Widerstand 54 im elektrischen Pfad 70 aufweist, so dass die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 verhältnismäßig gering wird.
Hier wird für den Fall, dass der elektrische Konstantstrom Ics durch das Sensorelement 31 geleitet wird, der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics vorzugsweise konstant gehalten, um die Bewegung der konstanten Menge der Sauerstoffionen im Sensorelement 31 auch dann zu realisieren, wenn die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 in dem Bereich von 0 bis 0,9 V geändert wird. Für den Fall, dass die Konstantstromschaltung 43 obigen Aufbaus verwendet wird, wird der Fluss des elektrischen Konstantstroms Ics jedoch erzeugt, während die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 als die elektrische Energiequelle verwendet wird. Folglich wird der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics in einem Bereich, in dem die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 verhältnismäßig gering ist, verhältnismäßig gering. Insbesondere kann der Konstantstromwert des elektrischen Konstantstroms Ics in einem Bereich, in dem die elektromotorische Kraft größer oder gleich einem unteren Schwellenwert Vy in der 8 ist, aufrechterhalten werden. Demgegenüber kann der Konstantstromwert des elektrischen Konstantstroms Ics in einem Bereich, in dem die elektromotorische Kraft unter dem unteren Schwellenwert Vy liegt, nicht aufrechterhalten werden und fällt somit unter einen geeigneten Wert. Gemäß der Ausgangscharakteristik des Sensorelements 31 in der 8 wird die Ausgangscharakteristik zu einer, die durch eine gestrichelte Linie auf einer unteren Spannungsseite gezeigt ist, die unter einem Punkt Z in der 8 liegt, für den Fall, dass der Konstantstromwert des elektrischen Konstantstroms Ics bereitgestellt wird, um die Ausgangscharakteristik des Sensorelements 31 durch den gesamten EMK-Bereich des Sensorelements 31 hindurch zu verschieben. Wenn der Stromwert jedoch in dem Bereich verringert wird, in dem die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 unter die untere Schwellenwertspannung Vy fällt, wird der Betrag der Verschiebung der Ausgangscharakteristik auf der unteren Spannungsseite des Punktes Z, wie durch eine durchgezogene Linie in der 8 gezeigt, verringert. Die untere Schwellenwertspannung Vy ist eine Schwellenwertspannung, über der der geeignete Fluss des elektrischen Konstantstroms Ics in der Konstantstromschaltung 43 garantiert ist. Bei dem in der 7 gezeigten Aufbau ist der untere Schwellenwert Vy auf eine Spannung gesetzt, die der Spannung des Zwischenpunkts X2 und einem Durchlasswiderstand des MOSFET 53 (einem Spannungsabfall zur Zeit des Einschaltens des MOSFET 53) entspricht.
Die untere Schwellenwertspannung Vy ändert sich in Abhängigkeit des Widerstandswerts des Sensorelements 31, der den Aktivierungszustand des Sensorelements 31 anzeigt, und/oder des Stromwertes des elektrischen Konstantstroms ICs, der durch das Sensorelement 31 geleitet werden muss, und zwar unter Verwendung der Konstantstromschaltung 43. Die 9A bis 9C zeigen dieses Verhältnis. 9A zeigt einen Fall, in dem der Widerstandswert des Sensorelements 31 gleich 50 Ω ist. 9B zeigt einen Fall, in dem der Widerstandswert des Sensorelements 31 gleich 150 Ω ist. 9C zeigt einen Fall, in dem der Widerstandswert des Sensorelements 31 gleich 350 Ω ist.
Es wird, unter Bezugnahme auf die 9A bis 9C ersichtlich, dass die Schwellenwertspannung Vy (d. h. die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31, die den Fluss des elektrischen Stromes mit dem geeigneten Stromwert ermöglicht) erhöht wird, wenn der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics erhöht wird. In der 9A ist beispielsweise die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 0,1 mA ist, gleich 0,03 V. Ferner ist, in der 9A, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 0,5 mA ist, gleich 0,15 V. Ferner ist, in der 9A, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 1,0 mA ist, gleich 0,3 V. Darüber hinaus ist, in der 9B, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 0,1 mA ist, gleich 0,04 V. Ferner ist, in der 9B, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 0,5 mA ist, gleich 0,2 V. Darüber hinaus ist, in der 9B, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics 1,0 mA ist, gleich 0,4 V. Ferner ist, in der 9C, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 0,1 mA ist, gleich 0,06 V. Ferner ist, in der 9C, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 0,5 mA ist, gleich 0,3 V. Ferner ist, in der 9C, die untere Schwellenwertspannung Vy für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms Ics gleich 1,0 mA ist, gleich 0,6 V. Die Konstantstromschaltung 43 der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht den Fluss des elektrischen Konstantstroms durch das Sensorelement 31 zur Zeit der Ausgabe der elektromotorischen Kraft im fetten Zustand. Ferner ermöglicht die Konstantstromschaltung 43 der vorliegenden Ausführungsform vorzugsweise den Fluss des erforderlichen elektrischen Konstantstroms in einem EMK-Bereich, der größer oder gleich der elektromotorischen Kraft (0,45 V) des Sensorelements 31 ist, die bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird. In solch einem Fall kann, obgleich die untere Schwellenwertspannung Vy in der 9C gleich 0,6 V ist (für den Fall, dass der Stromwert des elektrischen Konstantstroms gleich 1,0 mA ist), beispielsweise ein oberer Grenzwert des Bereichs des Stromwertes des elektrischen Konstantstroms verringert werden, um dieser Anforderung gerecht zu werden.
In diesem Fall kann die Bewegung der Sauerstoffionen von der atmosphärenseitigen Elektrode 34 zur abgasseitigen Elektrode 33 gegebenenfalls unbeabsichtigt verringert oder gestoppt werden, und zwar einzig in dem Bereich geringer elektromagnetischer Kraft (dem Bereich, der unter der unteren Schwellenwertspannung Vy in der 8 liegt) des Sensorelements 31. In solch einem Fall kann dann, wenn die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 im Ansprechen auf eine Änderung im Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases geändert wird, die Bewegung der Sauerstoffionen in einigen Fällen eine erwartete Bewegung oder in einigen anderen Fällen eine unerwartete Bewegung sein. Folglich kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 gegebenenfalls im gesamten EMK-Ausgangsbereich des O₂-Sensors 17 beeinflusst werden.
Angesichts dieses Punktes ist, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in den 2 und 7 gezeigt, eine Spannungsschaltung 60 in den elektrischen Pfad 50b geschaltet, der eine Verbindung zwischen der abgasseitigen Elektrode 33 des Sensorelements 31 und der Masse herstellt, um eine positive Spannung von der Spannungsschaltung 60 an die abgasseitige Elektrode 33 zu legen. Die Spannungsschaltung 60 ist eine Offset-Spannungs-Schaltung, die ein elektrisches Potential der abgasseitigen Elektrode 33 um einen vorbestimmten Betrag (ein vorbestimmtes elektrisches Potential) bezüglich eines elektrischen Potential der Ausgangsseite der Konstantstromschaltung 43, von der der elektrische Strom aus der Konstantstromschaltung 43 fließt (d. h. ein elektrisches Potential auf der Masseseite des Widerstands 54, auf der sich die Masse befindet), steigert, d. h. erhöht. Die Spannungsschaltung 60 weist eine Spannungserzeugungsanordnung 61 und eine Pufferschaltung 62 auf. Die Spannungserzeugungsanordnung 61 erzeugt eine vorbestimmte Offset-Spannung. Die Pufferschaltung 62 ist aus einem Operationsverstärker aufgebaut. Die Spannungserzeugungsanordnung 61 weist eine Konstantspannungsquelle 61a (wie beispielsweise eine Konstantspannungsquelle, die 5 V ausgibt) und zwei Widerstände 61b, 61c auf. Die Konstantspannungsquelle 61a und die Widerstände 61b, 61c sind in Reihe geschaltet, und ein Zwischenpunkt zwischen den Widerstände 61b, 61c bildet einen Offset-Spannungs-Punkt X3. Der Offset-Spannungs-Punkt X3 ist mit der Pufferschaltung 62 verbunden, und eine Ausgangsspannung der Pufferschaltung 62 wird bei der Spannung (Spannungswert) gehalten, die gleich der Spannung (Spannungswert) des Offset-Spannungs-Punkts X3 ist. Die Spannung (Spannungswert) des Offset-Spannungs-Punkts X3 beträgt beispielsweise 2,0 V.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau, der die Spannungsschaltung 60 aufweist, kann auch in dem Bereich geringer EMK, in dem die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 verhältnismäßig gering ist, der Stromwert des elektrischen Konstantstroms, der durch die Konstantstromschaltung 43 induziert wird und zwischen der abgasseitigen Elektrode 33 und der atmosphärenseitigen Elektrode 34 fließt, auf dem erforderlichen Niveau gehalten werden (d. h. es kann verhindert werden, dass er auf den übermäßig niedrigen Pegel fällt). D. h., die übermäßige Verringerung des Stromwertes des elektrischen Stroms, der durch die Konstantstromschaltung 43 induziert und durch das Sensorelement 31 geleitet wird, kann beschränkt werden. Folglich kann die ungewünschte Verringerung im Betrag der Verschiebung, die durch die durchgezogene Linie in der 8 gezeigt ist, auf die untere Spannungsseite des Punktes Z in der 8 beschränkt werden.
Obgleich der Mikrocomputer 41 ein Spannungssignal (Eingangsspannung) empfängt, das eine Summe der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 und der Offset-Spannung beschreibt, ist der Spannungswert der Offset-Spannung im Mikrocomputer 41 bekannt. Folglich kann der Mikrocomputer 41 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Grundlage eines Wertes messen, der erhalten wird, indem der Spannungswert der Offset-Spannung von dem Spannungswert der Eingangsspannung, die an den Mikrocomputer 41 gegeben wird, subtrahiert wird.
Ferner wird, gemäß dem vorstehend beschriebenen Aufbau, bei dem die Spannungsschaltung 60 verbunden ist, das EMK-Signal, bei dem die Offset-Spannung hinzugefügt ist, an den Mikrocomputer 41 ausgegeben. Folglich ist der Spannungswert des EMK-Signals stets größer oder gleich dem Spannungswert der Offset-Spannung, ungeachtet des Spannungswerts des Sensorelements 31, der in dem Bereich von 0 bis 0,9 V liegt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Bruchfehlerbestimmung zur Bestimmung, ob ein Bruch der leitfähigen Leitung vorliegt, auf der Grundlage dieser Tatsache ausgeführt. 10 zeigt das Ablaufdiagramm, das den Bruchfehlerbestimmungsprozess anzeigt. Dieser Prozess wird vom Mikrocomputer 41 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt.
In 10 wird, in Schritt S11, das EMK-Signal erhalten. Anschließend wird, in Schritt S12, bestimmt, ob ein Spannungswert des erhaltenen EMK-Signals unter einem vorbestimmten Wert liegt. Dieser vorbestimmte Wert kann beispielsweise gleich dem Spannungswert der Offset-Spannung der Spannungsschaltung 60 sein. Alternativ kann der vorbestimmte Wert geringfügig unter dem Spannungswert der Offset-Spannung der Spannungsschaltung 60 liegen. Wenn die Antwort auf die Frage in Schritt S12 JA lautet, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S13 voran. In Schritt S13 wird bestimmt, dass der Bruchfehler (der Bruch der leitfähigen Leitung) in dem elektrischen Pfad 70 vorliegt, der mit dem Sensorelement 31 verbunden ist. Anschließend wird, in Schritt S14, ein Fehlersicherheitsprozess (auch als Fail-Safe-Prozess bezeichnet) ausgeführt, wie beispielsweise ein Stoppen des Leitens des elektrischen Stroms durch die Konstantstromschaltung 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).
Der Mikrocomputer 41 weist einen Spannungssignalgewinnungsabschnitt und einen Fehlerbestimmungsabschnitt auf, um den in der 10 gezeigten Bruchfehlerbestimmungsprozess auszuführen. Insbesondere erhält der Spannungssignalgewinnungsabschnitt das Spannungssignal der elektromotorischen Kraft, das vom Sensorelement 31 ausgegeben wird, so wie es vorstehend unter Bezugnahme auf den Schritt S11 beschrieben ist. Der Fehlerbestimmungsabschnitt bestimmt, ob der Bruchfehler im elektrischen Pfad 70 vorliegt, der mit dem Sensorelement 31 verbunden ist, auf der Grundlage des Spannungssignals der elektromotorischen Kraft, so wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die Schritte S12 und S13 beschrieben ist. Sowohl der Spannungssignalgewinnungsabschnitt als auch der Fehlerbestimmungsabschnitt können durch ein entsprechendes Programm realisiert werden, dass in dem Speicher gespeichert und von der CPU im Mikrocomputer 41 ausgeführt wird. Ferner können diese Abschnitte durch mehr als einen Mikrocomputer realisiert werden, sofern hierfür Bedarf besteht.
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 ist die Konstantstromschaltung (die als die Stromleitungsregelvorrichtung oder die Stromleitungsregeleinrichtung dient) 43 als die Schaltung gebildet, die den elektrischen Strom leitet, während die am Sensorelement 31 erzeugte elektromotorische Kraft als die elektrische Energiequelle des elektrischen Stroms verwendet wird. In diesem Fall ist es dann, wenn das Sensorelement 31 als die Batterie verwendet wird, nicht erforderlich, eine andere elektrische Energiequelle bereitzustellen, die als Ersatz für das Sensorelement 31 verwendet wird. Folglich kann der Aufbau der Konstantstromschaltung 43 vereinfacht werden. Gemäß dieser Vereinfachung des Aufbaus ist die Kostenreduzierung möglich.
Demgegenüber ändert sich die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 in dem Bereich von beispielsweise 0 bis 0,9 V. Für den Fall, dass das Sensorelement 31 als die Batterie verwendet wird, kann dann, wenn die elektromotorische Kraft gering wird, der Stromwert des elektrischen Stroms, der durch die Konstantstromschaltung 43 induziert und durch das Sensorelement 31 geleitet wird, gegebenenfalls übermäßig gering werden. Angesichts dieses Punktes ist die Spannungsschaltung 60 vorgesehen, die das elektrische Potential der abgasseitigen Elektrode 33 um den vorbestimmten Betrag (vorbestimmtes elektrisches Potential) bezüglich des elektrischen Potentials der Ausgangsseite der Konstantstromschaltung 43 erhöht, von der der elektrische Strom aus der Konstantstromschaltung 43 fließt (d. h. das elektrische Potential auf der Masseseite des Widerstands 54, auf der sich die Masse befindet). Folglich kann, auch in dem Bereich verhältnismäßig geringer elektromotorischer Kraft, die übermäßige Verringerung des Stromwertes des elektrischen Stroms, der durch die Konstantstromschaltung 43 induziert und durch das Sensorelement 31 geleitet wird, beschränkt werden. Folglich wird der Aufbau vereinfacht und kann der elektrische Strom, der den gewünschten Stromwert aufweist, durch das Sensorelement 31 geleitet werden, und zwar unabhängig von dem Spannungswert der elektromotorischen Kraft, die am Sensorelement 31 erzeugt wird. Dementsprechend kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in geeigneter Weise geändert werden.
Die Konstantstromschaltung 43 ist derart aufgebaut, dass sie den Fluss des erforderlichen elektrischen Konstantstroms Ics mit dem Konstantstromwert in dem EMK-Bereich, der größer oder gleich der elektromotorischen Kraft (0,45 V) des Sensorelements 31 ist, die bei dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt wird, ermöglicht. Insbesondere kann, bezüglich der in der 8 gezeigten Charakteristik, der erforderliche elektrische Konstantstrom Ics in dem Bereich durch das Sensorelement 31 geleitet werden, der größer oder gleich dem Punkt Z ist, der unter dem stöchiometrischen Punkt liegt. In diesem Fall kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in der gewünschten Weise wenigstens in dem Bereich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zum fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis geändert werden.
Durch die Verwendung der Konstantstromschaltung 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 der Ausstrom des NOx an dem ersten Katalysator 15a beginnt. D. h., für den Fall, dass NOx aus dem ersten Katalysator 15a strömt, kann der O₂-Sensors 17 die entsprechende elektromotorische Kraft erzeugen, die dem Ausstrom von NOx aus dem e15a entspricht. Folglich kann die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 in geeigneter Weise geändert werden und können so die NOx-Emissionen beschränkt werden.
Der elektrische Konstantstrom Ics, der durch die Konstantstromschaltung 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 eine besser geeignete Struktur zur Beschränkung der Emissionen von NOx durch die Verwendung des Ausgangs des O₂-Sensors 17 realisiert werden.
Insbesondere kann, wenn der elektrische Konstantstrom Ics über die Konstantstromschaltung 43 derart an das Sensorelement 31 gegeben 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-Punkts) leicht fett wird, die erforderliche Robustheit erzielt werden, um die NOx-Emissionen zu beschränken.
Bei dem Aufbau, der dazu ausgelegt ist, die positive Spannung von der Spannungsschaltung 60 an die abgasseitige Elektrode 33 zu legen, kann das Auftreten des Bruchfehlers der leitfähigen Leitung durch die Ausführung des Bruchmessbetriebs auf der Grundlage des EMK-Signals in dem Zustand, in dem die positive Spannung von der Spannungsschaltung 60 an die abgasseitige Elektrode 33 gelegt wird, in geeigneter Weise bestimmt 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.
Der Aufbau der Sensorsteueranordnung 40 kann geändert werden. So kann beispielsweise, wie in 11 gezeigt, anstelle der Konstantstromschaltung 43 der obigen Ausführungsform, eine Widerstandsschaltung (die als eine Stromleitungsregelvorrichtung oder eine Stromleitungseinrichtung dient) 71 in den elektrischen Pfad 80 geschaltet sein, der eine Verbindung zwischen dem Anschnitt 50a1 des elektrischen Pfades 50a und der Masse herstellt. Die Widerstandsschaltung 71 ist dazu ausgelegt, den Fluss des elektrischen Stroms durch das Sensorelement 31 zu induzieren, wenn das Sensorelement 31 die elektromotorische Kraft erzeugt. Die Widerstandsschaltung 71 ist eine Stromleitungsschaltung, die den elektrische Strom leitet, der der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 entspricht, wenn die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 an die Widerstandsschaltung 71 gegeben wird. Die Widerstandsschaltung 71 weist einen Widerstand 72 auf, der in den elektrischen Pfad 80 geschaltet ist, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 des O₂-Sensors 17 und der Masse (Erde), genauer gesagt, zwischen dem Anschnitt 50a1 des elektrischen Pfades 50a und der Masse herstellt. Der Widerstand 72 dient als ein Stromleitungswiderstand. In diesem Fall fließt dann, wenn ein elektrischer Strom I durch den Widerstand 72 entlang des elektrischen Pfades 80 zur Masse fließt, der entsprechende elektrische Strom von der abgasseitigen Elektrode 33 zur atmosphärenseitigen Elektrode 34 durch die Festelektrolytschicht 32 im Sensorelement 31 und bewegen sich so die Sauerstoffionen von der atmosphärenseitigen Elektrode 34 durch die Festelektrolytschicht 32 im Sensorelement 31 zur abgasseitigen Elektrode 33.
Auch bei diesem Aufbau ist die Spannungsschaltung 60, die die positive Spannung an die abgasseitige Elektrode 33 legt, in den elektrischen Pfad 50 zwischen der abgasseitigen Elektrode 33 und der Masse geschaltet. Folglich kann die übermäßige Verringerung des Stromwertes des elektrischen Stroms, der durch die Widerstandsschaltung 71 fließt, in dem Bereich geringer elektromotorischer Kraft, in dem die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 einen verhältnismäßig geringen Wert annimmt, beschränkt 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 montiert sein. In jedem der obigen Fälle ist es lediglich erforderlich, dass der O₂-Sensor 17 dazu ausgelegt ist, das Abgas nach dessen Reinigung 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 an der EMK-Zelle des Zweizellen-Gassensors in geeigneter Weise 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 eine atmosphärenseitige Elektrode 34 und eine abgasseitige Elektrode 33 aufweisen. Eine Konstantstromschaltung 43 ist in einen elektrischen Pfad 70 geschaltet, der eine Verbindung zwischen der atmosphärenseitigen Elektrode 34 und einer Masse herstellt, um einen Fluss eines vorbestimmten elektrischen Konstantstroms zwischen den Elektroden 33, 34 durch die Festelektrolytschicht 32 zu induzieren. Eine Spannungsschaltung 60 ist in einen elektrischen Pfad 50b geschaltet, der eine Verbindung zwischen der abgasseitigen Elektrode 33 und einer Masse herstellt, um ein elektrisches Potential der abgasseitigen Elektrode 33 um einen vorbestimmten Betrag bezüglich eines elektrischen Potentials an einer Ausgangsseite der Konstantstromschaltung 43, von der der elektrische Strom aus der Konstantstromschaltung 43 fließt, zu erhöhen.
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: – eine Stromleitungsregelvorrichtung (43, 71), die in einen elektrischen Pfad (70) geschaltet ist, der mit der EMK-Zelle (31) verbunden ist, um einen Fluss eines elektrischen Stroms zwischen der abgasseitigen Elektrode (33) und der referenzseitigen Elektrode (34) durch den Festelektrolytkörper (32) in der EMK-Zelle (31) zu induzieren, während die elektromotorische Kraft der EMK-Zelle (31) als eine elektrische Energiequelle verwendet wird; und – eine Spannungsschaltung (60), die ein elektrisches Potential der abgasseitigen Elektrode (33) um einen vorbestimmten Betrag bezüglich eines elektrischen Potentials einer Ausgangsseite der Stromleitungsregelvorrichtung (43, 71), von der der elektrische Strom aus der Stromleitungsregelvorrichtung (43, 71) fließt, erhöht.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungsregelvorrichtung (43) den Fluss des elektrischen Stroms, der ein elektrischer Konstantstrom mit einem konstanten Stromwert ist, in einem entsprechenden EMK-Bereich induziert, der größer oder gleich einer vorbestimmten elektromotorischen Kraft der EMK-Zelle (31) ist, die bei einem theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases erzeugt wird.
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 in einem Zwischenabschnitt des Katalysators (15a) oder auf einer Stromabwärtsseite des Katalysators (15a) liegt, 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 – die Stromleitungsregelvorrichtung (43) den Fluss des elektrischen Stroms induziert, der zwischen der abgasseitigen Elektrode (33) und der referenzseitigen Elektrode (34) geleitet wird und einen Stromwert aufweist, der einer Differenz zwischen dem ersten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A1) und dem zweiten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Punkt (A2) des Katalysators (15a) entspricht.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungsregelvorrichtung (43, 71) den Fluss des elektrischen Stroms induziert, der zwischen der abgasseitigen Elektrode (33) und der referenzseitigen Elektrode (34) geleitet wird und den Stromwert aufweist, 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.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleitungsregelvorrichtung (43, 71) den Fluss des elektrischen Stroms induziert, der zwischen der abgasseitigen Elektrode (33) und der referenzseitigen Elektrode (34) geleitet wird und den Stromwert aufweist, 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.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: – einen Spannungssignalgewinnungsabschnitt, der ein Spannungssignal der elektromotorischen Kraft erhält, die von der EMK-Zelle (31) ausgegeben wird; und – einen Fehlerbestimmungsabschnitt, der bestimmt, ob ein Bruchfehler in dem elektrischen Pfad (70) vorliegt, der mit der EMK-Zelle (31) verbunden ist, auf der Grundlage des Spannungssignals der elektromotorischen Kraft.