-
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2013-197114 , eingereicht am 24. September 2013, deren gesamte Inhalte hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen sind.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaskonzentrationsdetektor, der einen Gassensor und einen Abnormalitätserfassungsabschnitt zum Erfassen einer Abnormalität in dem Gassensor umfasst.
-
2. Beschreibung des Standes der Technik
-
Es ist ein Gaskonzentrationsdetektor zum Erfassen einer Konzentration von Stickoxiden, NOx, die in Abgas eines Automobils enthalten sind, bekannt, zum Beispiel der Gaskonzentrationsdetektor, der einen Gassensor und einen Abnormalitätserfassungsabschnitt zum Erfassen einer Abnormalität in dem Gassensor umfasst. Siehe zum Beispiel
japanisches Patent Nr. 4020019 .
-
Der Gassensor dieses Gaskonzentrationsdetektors umfasst zwei plattenähnliche Festelektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit. Jeder Festelektrolytkörper ist auf beiden Oberflächen von diesem mit Elektroden ausgestaltet. Durch die Festelektrolytkörper und die Elektroden werden Zellen gebildet. Die Zellen umfassen eine Pumpenzelle zum Anpassen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgas, eine Überwachungszelle zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas und eine Sensorzelle zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases, das in dem Messgas enthalten ist. Dieser Gaskonzentrationsdetektor ist dazu konfiguriert, einen Strom, der zu der Überwachungszelle fließt, und einen Strom, der zu der Sensorzelle fließt, zu messen und die Konzentration des spezifischen Gases basierend auf den gemessenen Werten dieser Ströme zu berechnen.
-
Die Elektroden sind mit Leitungen bzw. Drähten verbunden, durch die der Strom fließt. Deshalb, wenn irgendeine der Leitungen aus irgendeinem Grund bricht, wird es unmöglich, die Konzentration des spezifischen Gases genau zu messen. Deshalb muss der Gaskonzentrationsdetektor periodisch überprüfen, ob es in irgendeiner der Leitungen eine Beschädigung bzw. einen Bruch gibt.
-
Um die Leitungsbeschädigung zu überprüfen, wird an jede der Zellen durch die Leitungen eine Wechselspannung angelegt. Wie im Vorstehenden erklärt ist, besitzt jede Zelle die Struktur als eine Kapazität, in der Elektroden auf beiden Seiten eines Festelektrolytkörpers ausgestaltet sind. Dementsprechend, wenn es keine Leitungsbeschädigung gibt, fließt ein Wechselstrom zu der Zelle, wenn die Wechselspannung an die Zelle angelegt wird, während andererseits, wenn es eine Leitungsbeschädigung gibt, kein Wechselstrom zu der Zelle fließt, auch wenn die Wechselspannung an die Zelle angelegt wird. Folglich ist es durch Erfassen, ob der Wert des Wechselstroms, der zu der Zelle fließt, wenn die Wechselspannung an die Zelle angelegt wird, größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist oder nicht, möglich, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Leitungsbeschädigung zu bestimmen.
-
Bei dem vorstehenden Gaskonzentrationsdetektor ist die Zelle, die in einem der zwei Festelektrolytkörper gebildet ist, von der Zelle, die in dem anderen Festelektrolytkörper gebildet ist, jedoch elektrisch isoliert. Deshalb ist es notwendig, eine Wechselspannung an beide der Zellen einzeln anzulegen, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Leitungsbeschädigung für alle Leitungen zu bestimmen. Dementsprechend erhöht sich das Schaltungsausmaß und die Kosten des Abnormalitätserfassungsabschnittes, da eine Schaltung zum Anlegen der Wechselspannung für jede der Zellen bereitgestellt werden muss. Zusätzlich, da die Wechselspannung nacheinander an die Zellen angelegt wird, nimmt es Zeit in Anspruch, die Leitungsbeschädigungsüberprüfung zu vervollständigen.
-
KURZFASSUNG
-
Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel stellt einen Gaskonzentrationsdetektor bereit, der einen Gassensor und einen Abnormalitätserfassungsabschnitt, der mit dem Gassensor verbunden ist, um eine Abnormalität in dem Gassensor zu erfassen, aufweist,
wobei
der Gassensor einen Festelektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, Elektroden, die auf beiden Oberflächen des Festelektrolytkörpers geformt sind, und Leitungen, die entsprechend mit den Elektroden verbunden sind, umfasst,
die Elektroden eine Pumpenelektrode, eine Überwachungselektrode und eine Sensorelektrode, die auf einer der Oberflächen des Festelektrolytkörpers geformt sind, so dass diese einem Messgas ausgesetzt sind, und eine Referenzelektrode, die auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers geformt ist, so dass diese einem Referenzgas ausgesetzt ist, umfassen,
der Festelektrolytkörper, die Pumpenelektrode und die Referenzelektrode eine Pumpenzelle zum Anpassen einer Sauerstoffkonzentration des Messgases bilden,
der Festelektrolytkörper, die Überwachungselektrode und die Referenzelektrode eine Überwachungszelle zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration des Messgases bilden,
der Festelektrolytkörper, die Sensorelektrode und die Referenzelektrode eine Sensorzelle zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases, das in dem Messgas enthalten ist, bilden,
die Pumpenelektrode, die Überwachungselektrode, die Sensorelektrode und die Referenzelektrode in dem einzelnen Festelektrolytkörper geformt sind,
jede der Leitungen, die entsprechend mit der Pumpenelektrode, der Überwachungselektrode und der Sensorelektrode verbunden ist, mit einem Strommessabschnitt verbunden ist,
der Abnormalitätserfassungsabschnitt dazu konfiguriert ist, eine Wechselspannung an eine Spezifische der Pumpenelektrode, der Überwachungselektrode, der Sensorelektrode und der Referenzelektrode anzulegen und gleichzeitig Ströme zu messen, die entsprechend zwischen der spezifischen Elektrode und jeder der anderen der Pumpenelektrode, der Überwachungselektrode, der Sensorelektrode und der Referenzelektrode durch den Festelektrolytkörper fließen, unter Verwendung der Strommessabschnitte, und
der Abnormalitätserfassungsabschnitt dazu konfiguriert ist, zu bestimmen, dass zumindest eine der Leitungen, die entsprechend mit der Pumpenelektrode, der Überwachungselektrode, der Sensorelektrode und der Referenzelektrode verbunden ist, beschädigt ist, wenn zumindest einer der Ströme, die durch die Strommessabschnitte gemessen werden, kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
-
Gemäß dem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist ein Gaskonzentrationsdetektor bereitgestellt, dessen Abnormalitätserfassungsabschnitt eine einfache Struktur aufweist und in einer kurzen Zeit dazu in der Lage ist, zu bestimmen, ob es in seinem Gassensor eine Leitungsbeschädigung gibt.
-
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung inklusive der Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
In den anhängigen Zeichnungen zeigen:
-
1 ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Gaskonzentrationsdetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
-
2 ein Diagramm, das eine teilweise Querschnittsansicht eines Gassensors zeigt, der in dem Gaskonzentrationsdetektor umfasst ist, zusammen mit dem Schaltungsdiagramm von dessen Abnormalitätserfassungsabschnitt;
-
3 eine Querschnittsansicht von 2 entlang einer Linie III-III;
-
4 eine Querschnittsansicht von 2 entlang einer Linie IV-IV;
-
5 eine Querschnittsansicht von 2 entlang einer Linie V-V;
-
6 eine Querschnittsansicht von 2 entlang einer Linie VI-VI;
-
7 ein Diagramm, das ein schematisches Ersatzschaltbild von drei Zellen, die in dem Gassensor umfasst sind, zeigt;
-
8 einen Graphen, der zeitliche Variationen einer Wechselspannung, die an eine der Zellen angelegt ist, und von Strömen zeigt, die auf einer Sensorleitung, einer Überwachungsleitung und einer Pumpenleitung fließen, wenn es keine Leitungsbeschädigung in dem Gaskonzentrationsdetektor gibt;
-
9 einen Graphen, der zeitliche Variationen der angelegten Wechselspannung und der Ströme zeigt, wenn die Sensorleitung beschädigt ist;
-
10 einen Graphen, der zeitliche Variationen der angelegten Wechselspannung und der Ströme zeigt, wenn die Überwachungsleitung beschädigt ist;
-
11 einen Graphen, der zeitliche Variationen der angelegten Wechselspannung und der Ströme zeigt, wenn eine Referenzleitung beschädigt ist;
-
12 einen Graphen, der zeitliche Variationen der angelegten Wechselspannung und der Ströme zeigt, wenn eine Pumpenleitung beschädigt ist; und
-
13 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Frequenz der Wechselspannung und der Impedanz zwischen einer Pumpenelektrode und einer Referenzelektrode in dem Gaskonzentrationsdetektor gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt.
-
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
-
Ein Gaskonzentrationsdetektor 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit Bezugnahme auf 1 bis 13 beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Gaskonzentrationsdetektor 1 einen Gassensor 2 und einen Abnormalitätserfassungsabschnitt 3, der mit dem Gassensor 2 verbunden ist.
-
Wie in 2 bis 6 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 2 einen Festelektrolytkörper 22 mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit, Elektroden 23, die auf beiden Oberflächen des Festelektrolytkörpers 22 ausgestaltet sind, Leitungen bzw. Drähte 24, die jeweils mit einer entsprechenden der Elektroden 23 als ein Stromdurchgang verbunden sind. Die Elektroden 23 umfassen eine Pumpenelektrode 23p, eine Überwachungselektrode 23m und eine Sensorelektrode 23s, die auf einer der Oberflächen des Festelektrolytkörpers 22 ausgestaltet sind, so dass diese einem Messgas g ausgesetzt sind, und eine Referenzelektrode 23b, die auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 22 geformt ist, so dass diese einem Referenzgas ausgesetzt ist. Die Leitungen 24 umfassen eine Pumpenleitung 24p, die mit der Pumpenelektrode 23p verbunden ist, eine Überwachungsleitung 24m, die mit der Überwachungselektrode 23m verbunden ist, eine Sensorleitung 24s, die mit der Sensorelektrode 23s verbunden ist, und eine Referenzleitung 24b, die mit der Referenzelektrode 23b verbunden ist.
-
Der Festelektrolytkörper 22, die Pumpenzelle 23p und die Referenzelektrode 23 bilden eine Pumpenzelle 11 zum Anpassen der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas. Der Festelektrolytkörper 22, die Überwachungselektrode 23m und die Referenzelektrode 23b bilden eine Überwachungszelle 12 zum Messen der Sauerstoffkonzentration in dem Messgas. Der Festelektrolytkörper 22, die Sensorelektrode 23s und die Referenzelektrode 23b bilden eine Sensorzelle 13 zum Messen eines spezifischen Gases, das in dem Messgas enthalten ist. Die Pumpenelektrode 23p, die Überwachungselektrode 23m, die Sensorelektrode 23s und die Referenzelektrode 23b sind in dem einzelnen Festelektrolytkörper 22 gebildet.
-
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, sind die Pumpenzelle 11, die Überwachungszelle 12 und die Sensorzelle 13 entsprechend mit Strommessabschnitten 30p, 30m und 30s verbunden. Der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 legt eine Wechselspannung an eine Spezifische der Elektroden 23 (in diesem Ausführungsbeispiel die Pumpenelektrode 23p) relativ zu der Referenzelektrode 23b an. Gleichzeitig messen die Strommessabschnitte 30p, 30m und 30s entsprechend einen Strom Ip, der zu der Pumpenelektrode 23p fließt, einen Strom Im, der zu der Überwachungselektrode 23m fließt und einen Strom Is, der zu der Sensorelektrode 23s fließt, unter Verwendung der Strommessabschnitte 30p, 30m und 30s. Der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 bestimmt, dass zumindest eine der Leitungen 24 beschädigt ist, wenn zumindest einer der Ströme Ip, Im und Is kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
-
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gassensor 2 ein Stickoxidsensor bzw. ein NOx-Sensor zum Messen einer Stickoxid- bzw. NOx-Konzentration in einem Abgas.
-
Wie in 2, 5 und 6 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 2 ein erstes Isolationselement 27 und ein zweites Isolationselement 28. Der Festelektrolytkörper 22 besteht aus Zirkonoxid („zirconia”). Das erste und zweite Isolationselement 27 und 28 besteht aus Keramik. Zwischen dem ersten Isolationselement 27 und dem Festelektrolytkörper 22 wird ein erster Abstand 27 eingesetzt, um eine Messgaskammer 20 zu bilden. Abgas des Automobils wird als das Messgas g in die Messgaskammer 20 eingeleitet. Zwischen dem zweiten Isolationselement 28 und dem Festelektrolytkörper 22 wird ein zweiter Abstandshalter 280 eingesetzt, um eine Referenzgaskammer 21 zu bilden. Atmosphärenluft wird als ein Referenzgas in die Referenzgaskammer 21 eingeleitet.
-
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 2 einen diffusen Widerstandsabschnitt bzw. einen Abschnitt mit diffusem Widerstand 26. Das Messgas g wird durch den diffusen Widerstandsabschnitt 26 in die Messgaskammer 20 eingeleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Messgases g wird durch den diffusen Widerstandsabschnitt 26 beschränkt.
-
Das zweite Isolationselement 28 umfasst einen Heizer 29, der darin eingebettet ist. Vor der Verwendung des Gassensors 2 wird ein Strom an den Heizer 29 angelegt, um den Festelektrolytkörper 22 auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen.
-
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, weist jede der Elektroden 23 eine rechteckige Form auf. Jede der Leitungen 24 ist an einem Ende mit dem Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 elektrisch verbunden.
-
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, ist die Pumpenleitung 24p mit dem Pumpenstrommessabschnitt 30p zum Messen des Stroms, der zu der Pumpenzelle 11 fließt, verbunden, ist die Überwachungsleitung 24m mit dem Überwachungsstrommessabschnitt 30m zum Messen des Stroms, der zu der Überwachungszelle 12 fließt, verbunden, und ist die Sensorleitung 24s mit dem Sensorstrommessabschnitt 30s zum Messen des Stroms, der zu der Sensorzelle 13 fließt, verbunden.
-
Die Pumpenelektrode 23p und die Überwachungselektrode 23m bestehen aus einer Legierung aus Pt und Au. Die Sensorelektrode 23s besteht aus einer Legierung aus Pt und Rh. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Gleichspannung an jede der Pumpenzelle 11, der Überwachungszelle 12 und der Sensorzelle 13 relativ zu der Referenzelektrode 23b angelegt, um die Konzentration des spezifischen Gases (Stickoxid) zu messen. Genauer wird die Referenzelektrode 23b auf ein hohes Potential gesetzt, und werden die entgegengesetzten Elektroden (Pumpenelektrode 23p, Überwachungselektrode 23m und Sensorelektrode 23s) auf ein niedriges Potential gesetzt.
-
Wenn Abgas eines Automobils in die Messgaskammer 20 eingeleitet wird, werden Sauerstoffmoleküle in dem Abgas durch die Pumpenelektrode 23p in Sauerstoffionen zersetzt. Die Sauerstoffionen bewegen sich durch den Festelektrolytkörper 22 und werden zu der Referenzgaskammer 21 ausgestoßen. Als ein Ergebnis wird die Sauerstoffkonzentration des Abgases verringert.
-
Ein kleiner Betrag an Sauerstoffmolekülen verbleibt in dem Abgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch die Pumpenzelle 11 verringert wurde. Die Konzentration dieser Sauerstoffmoleküle wird unter Verwendung der Überwachungszelle 12 gemessen. Das heißt, die Sauerstoffmoleküle werden durch die Überwachungselektrode 23m in Sauerstoffionen zerlegt und die Sauerstoffionen werden durch den Festelektrolytkörper 22 in die Referenzgaskammer 21 ausgestoßen. Der Strom, der zu dieser Zeit zu der Überwachungszelle 12 fließt, wird durch den Überwachungsstrommessabschnitt 30m gemessen. Die verbleibende Sauerstoffkonzentration A1 wird basierend auf dem Wert des gemessenen Stroms berechnet.
-
In diesem Ausführungsbeispiel werden die Konzentrationen der Sauerstoffmoleküle und der Stickoxide, die in dem Abgas enthalten sind, dessen Sauerstoffkonzentration durch die Pumpenzelle 11 verringert wurde, unter Verwendung der Sensorzelle 13 gemessen. Das heißt, die Sauerstoffmoleküle und Stickoxide werden durch die Sensorelektrode 23s zersetzt, um Sauerstoffionen zu produzieren. Die Sauerstoffionen werden durch den Festelektrolytkörper 22 zu der Referenzgaskammer 21 ausgestoßen. Gleichzeitig wird der Strom, der zu der Sensorzelle 13 fließt, durch den Sensorstrommessabschnitt 30s gemessen (siehe 1 und 2). Die Konzentration A2 der Summe der Sauerstoffmoleküle und Stickoxide wird basierend auf dem Wert des gemessenen Stroms berechnet. Die Konzentration der Stickoxide wird gemäß (A2 – A1) gemessen. Diese Berechnungen werden durch eine CPU 351 eines später beschriebenen Mikrocomputers 35 durchgeführt (siehe 1).
-
Wie vorstehend erklärt wurde, sind die Pumpenelektrode 23p, die Überwachungselektroden 23m, die Sensorelektrode 23s und die Referenzelektrode 23b auf dem einzelnen Festelektrolytkörper 22 geformt. Dementsprechend, wie in 7 gezeigt ist, ist eine parasitäre Kapazität zwischen jeweils zwei von diesen Elektroden 23 vorhanden. Zum Beispiel ist eine parasitäre Kapazität C1 zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Referenzelektrode 23b vorhanden, ist eine parasitäre Kapazität C2 zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Überwachungselektrode 23m vorhanden, und ist eine parasitäre Kapazität C3 zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Sensorelektrode 23s vorhanden.
-
Dementsprechend, wenn die AV-Spannung Vp an die Pumpenelektrode 23p angelegt wird, fließt ein Wechselstrom Ib zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Referenzelektrode 23b durch den Festelektrolytkörper 22, fließt ein Wechselstrom Im zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Überwachungselektrode 23m durch den Festelektrolytkörper 22 und fließt ein Wechselstrom Is zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Sensorelektrode 23 durch den Festelektrolytkörper 22.
-
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, wird, um eine Leitungsbeschädigungsüberprüfung durchzuführen, die Wechselspannung Vp an die Pumpenelektrode 23p durch die Pumpenleitung 24p angelegt, und die Wechselströme Ip, Im und Is, die entsprechend auf der Pumpenleitung 24p, der Überwachungsleitung 24m und der Sensorleitung 24s in diesem Zustand fließen, werden durch die Strommessabschnitte 30p, 30m und 30s gemessen. Wenn irgendeine der Leitungen 24p, 24m, 24s und 24b beschädigt ist, wird gemessen, dass einer der Werte der Wechselströme Ip, Im und Is kleiner als sein normaler Wert ist. Der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 bestimmt, ob es eine Leitungsbeschädigung in den Leitungen 24 gibt, basierend auf den gemessenen Werten der Wechselströme Ip, Im und Is.
-
Wenn die Wechselspannung Vp an die Pumpenelektrode 23p angelegt wird, erfassen die Strommessabschnitte 30p, 30m und 30s entsprechend die Ströme Ip, Im und Is, die auf den Leitungen 24p, 24m und 24s fließen, wie in 8 gezeigt ist. Um zu bestimmen, ob die Sensorleitung 24s beschädigt ist oder nicht, führt der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 zum Beispiel einen Vergleich zwischen dem Maximalwert Imax des gemessenen Wechselstroms Is mit einem vorbestimmten Referenzwert ILs durch. Der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 führt solche Vergleiche ebenso für die Wechselströme Ip und Im durch. Wenn erfasst wird, dass der Maximalwert für alle Wechselströme Is, Im und Ip größer als der Referenzwert ist, bestimmt der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3, dass keine der Leitungen 24 beschädigt ist.
-
In einem Fall, in dem die Sensorleitung 24s beschädigt ist, überschreitet der Wert des Wechselstroms Is, der durch den Sensorstrommessabschnitt 30s gemessen wird, nicht den vorbestimmten Referenzwert ILs, wie in 9 gezeigt ist.
-
In einem Fall, in dem die Überwachungsleitung 24m beschädigt ist, ist der Wert des Wechselstroms Im, der durch den Überwachungsstrommessabschnitt 30m gemessen wird, gleich Null, wie in 10 gezeigt ist.
-
In einem Fall, in dem die Referenzleitung 24b beschädigt ist, sind die Wellenformen der Wechselströme Is, Im und Ip wie in 11 gezeigt. In diesem Fall wird gemessen, dass der Wechselstrom Is, der zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Sensorelektrode 23s fließt, und der Wechselstrom, der zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Überwachungselektrode 23m fließt, normal sind. Da der Wechselstrom Ib gleich Null ist, da die Referenzleitung 24b beschädigt ist, wird der Wechselstrom Ip als die Summe der Wechselströme Is und Im gemessen.
-
In einem Fall, in dem die Pumpenleitung 24p beschädigt ist, sind die Wellenformen der Wechselströme Is, Im und Ip wie in 12 gezeigt. In diesem Fall sind alle der Wechselströme Is, Im und Ip gleich Null, da keine Spannung an die Pumpenelektrode 23p angelegt wird.
-
Wenn die Wellenformen der Wechselströme Is, Im und Ip wie in einer der 9 bis 12 gezeigt sind, bestimmt der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3, dass zumindest eine der Leitungen 24p, 24m, 24s und 24b beschädigt ist.
-
Als Nächstes wird die Schaltungsstruktur des Gaskonzentrationsdetektors 1 erklärt. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 den Mikrocomputer 35, einen D/A-Wandler 353 und eine Konstantspannungsschaltung 354. Der Mikrocomputer 35 dient ebenso als eine Konzentrationsberechnungseinheit zum Berechnen der Stickoxidkonzentration des Abgases. Der Mikrocomputer 35 umfasst eine CPU 351 und einen A/D-Wandler 352.
-
Der A/D-Wandler 352 ist mit drei Operationsverstärkern 31, 32 und 33 verbunden. Diese Operationsverstärker 31, 32 und 33 werden als die Strommessabschnitte 30 verwendet. Der nichtinvertierende Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 31 ist mit dem D/A-Wandler 353 durch einen Tiefpassfilter 36 verbunden. Die nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse des zweiten Operationsverstärkers 32 und des dritten Operationsverstärkers 33 sind mit dem ersten Ausgabeanschluss O1 der Konstantspannungsschaltung 354 verbunden. Die invertierenden Eingangsanschlüsse der Operationsverstärker 31, 32 und 33 sind entsprechend mit der Pumpenleitung 24p, der Überwachungsleitung 24m und der Sensorleitung 24s verbunden. Widerstände R1, R2 und R3 sind entsprechend zwischen den Ausgangsanschlüssen und den invertierenden Eingangsanschlüssen der Operationsverstärker 31, 32 und 33 bereitgestellt.
-
Die Konstantspannungsschaltung 354 ist mit einem vierten Operationsverstärker 34 als ein Spannungsfolger verbunden. Der Ausgangsanschluss des vierten Operationsverstärkers 34 ist mit der Referenzleitung 24b verbunden. Die Ausgangsspannung Vb der Konstantspannungsschaltung 354 wird an die Referenzelektrode 23b des Gassensors 2 durch den vierten Operationsverstärker 34 angelegt.
-
Um eine Beschädigungsüberprüfung der Leitungen 24 durchzuführen, erzeugt der D/A-Wandler 353 eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird durch den Tiefpassfilter 36 geglättet, um die in 8 gezeigte Wellenform der Wechselspannung aufzuweisen.
-
Wie in 1 gezeigt ist, wird die durch den Tiefpassfilter 36 geglättete Wechselspannung an den nichtinvertierenden Eingangsanschluss des ersten Operationsverstärkers 31 angelegt. Gleichzeitig ist die Spannung des nichtinvertierenden Eingangsanschlusses im Wesentlichen gleich zu der Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses aufgrund eines virtuellen Kurzschlusses zwischen diesen. Dementsprechend wird die Wechselspannung Vp an die Pumpenelektrode 230 angelegt.
-
Gleichzeitig, wenn keine der Leitungen 24 beschädigt ist, fließt ein Wechselstrom auf allen Leitungen 24, wie vorstehend beschrieben ist. Wenn der Wechselstrom Is auf der Sensorleitung 24s fließt, wird erfasst, dass die Spannung VAD3 des Eingangsanschlusses AD3 des A/D-Wandlers 352 gleich Vms – Is·R3 ist, wobei Vms die Spannung ist, die an die Sensorelektrode 23s angelegt wird. Da die Spannung Vms die Ausgangsspannung des ersten Ausgangsanschlusses O1 der Konstantspannungsschaltung 354 ist, ist dessen Wert bekannt. Der Widerstandswert des Widerstands R3 ist ebenso bekannt. Dementsprechend kann durch Messen der Spannung VAD3 der Wechselstrom Is bestimmt werden. Die anderen Wechselströme Im und Ip können auf eine ähnliche Weise bestimmt werden.
-
Als Nächstes wird ein Verfahren des Messens der Stickoxidkonzentration des Abgases beschrieben. Um die Stickoxidkonzentration zu messen, gibt die Konstantspannungsschaltung 354 eine Gleichspannung Vms von ihrem ersten Ausgabeanschluss O1 aus. Diese Gleichspannung Vms wird an die Überwachungselektrode 23m und die Sensorelektrode 23s durch den zweiten Operationsverstärker 32 und den dritten Operationsverstärker 33 angelegt. Des Weiteren gibt die Konstantspannungsschaltung 354 eine Gleichspannung Vb von ihrem zweiten Ausgabeanschluss O2 aus. Diese Gleichspannung Vb wird an die Referenzelektrode 23b angelegt. Des Weiteren gibt der D/A-Wandler 353 eine Gleichspannung Vp' aus. Diese Gleichspannung Vp' wird an die Pumpenelektrode 23p über den Tiefpassfilter 36 und den ersten Operationsverstärker 31 angelegt.
-
Ein Strom im entsprechend der Sauerstoffkonzentration des Abgases, dessen Sauerstoffkonzentration durch die Pumpenzelle 11 reduziert wurde, fließt auf der Überwachungsleitung 24. Andererseits fließt ein Strom is entsprechend der Konzentration der Summe von Sauerstoff und Stickoxid, die in dem Abgas enthalten sind, auf der Sensorleitung 24s. Die Werte dieser Ströme werden durch die Strommessabschnitte 30m und 30s gemessen. Die CPU 351 berechnet die Stickoxidkonzentration basierend auf diesen gemessenen Werten.
-
Als Nächstes wird eine Beziehung zwischen der Frequenz der Wechselspannung Vp, die an die Pumpenelektrode 23p angelegt wird, und der Zwischenelektrodenimpedanz mit Bezug auf 13 erklärt. Der Graph von 13 zeigt, wie die Impedanz Zp zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Referenzelektrode 23b variiert, wenn sich die Frequenz der Wechselspannung Vb in dem Bereich von 40 Hz bis 106 Hz ändert. Die Impedanz Zp ist gleich der Wechselspannung Vp geteilt durch den Wechselstrom Ip. Das heißt Zp = Vp/Ip.
-
Wie von dem Graphen von 13 gesehen werden kann, variiert die Impedanz Zp nicht stark mit der Änderung der Frequenz der Wechselspannung Vp, solange die Frequenz der Wechselspannung Vp zwischen 1 kHz und 300 kHz liegt. Um eine Beschädigung der Leitungen 24 zu überprüfen, ist es vorzuziehen, den Wechselstrom Ip in einem Bereich zu messen, in dem die Impedanz Zp mit der Änderung der Frequenz der Wechselspannung Vp nicht stark variiert, so dass der Wechselstrom Ip genau gemessen werden kann. Wenn andererseits die Frequenz der Wechselspannung Vp zu hoch ist, ist es für den Strommessabschnitt 30 schwierig, den Wechselstrom Ip genau zu messen. Deshalb ist es vorzuziehen, die Frequenz der Wechselspannung Vp zwischen 1 kHz und 50 kHz einzustellen.
-
Im Übrigen weisen die Impedanz Zr zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Überwachungselektrode 23 und die Impedanz Zs zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Sensorelektrode 23s die ähnliche Frequenzcharakteristik wie die Impedanz Zp auf. Dementsprechend ist es vorzuziehen, die Frequenz der Wechselspannung Vp zwischen 1 kHz und 50 kHz einzustellen.
-
Als Nächstes werden Vorteile des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels erklärt. Wie in 2 und 7 gezeigt ist, sind die Pumpenelektrode 23p, die Überwachungselektrode 23m, die Sensorelektrode 23s und die Referenzelektrode 23b in dem einzelnen Festelektrolytkörper 22 geformt. Dementsprechend liegt der Festelektrolytkörper 22 jeweils zwischen zwei von diesen Elektroden 23 und eine parasitäre Kapazität ist zwischen jeweils zwei dieser Elektroden 23 vorhanden. Deshalb, wenn eine Wechselspannung an irgendeine dieser Elektroden 23 angelegt wird, fließt ein Wechselstrom zu jeder dieser Elektroden 23 durch die parasitäre Kapazität, und als ein Ergebnis fließt ein Wechselstrom zu jeder dieser Elektroden 23. Folglich ist es möglich, eine Beschädigung von allen Leitungen 24 nur durch Anlegen einer Wechselspannung an eine dieser Elektroden 23 zu überprüfen. Das heißt, es ist nicht notwendig, eine Wechselspannung an jede der Elektroden 23 einzeln anzulegen, um eine Beschädigungsüberprüfung der Leitungen 24 durchzuführen. Dies ermöglicht es, die Schaltungsstruktur des Abnormalitätserfassungsabschnitts 3 zu vereinfachen, weil der Abnormalitätserfassungsabschnitt 3 nur eine Wechselstromanlegungsschaltung 360 erfordert (siehe 1 und 2). Zusätzlich, da die Beschädigungsüberprüfung der Leitungen 24 nur dadurch vorgenommen werden kann, dass die Wechselspannung Vp nur einmal an eine der Elektroden 23 angelegt wird, kann die Zeitperiode, die zum Vollenden der Beschädigungsüberprüfung der Leitungen 24 notwendig ist, kurz gemacht werden.
-
Dieses Ausführungsbeispiel ist dazu konfiguriert, die Wechselspannung Vp an die Pumpenelektrode 23p anzulegen, um die Leitungsbeschädigungsüberprüfung durchzuführen. Dies ermöglicht eine genaue Messung des Stroms im, der zu der Überwachungszelle 12 fließt, und des Stroms is, der zu der Sensorzelle 13 fließt, wenn die Konzentration des spezifischen Gases gemessen wird. Dies liegt daran, dass, da der D/A-Wandler 353 und der Tiefpassfilter 36, die die Wechselspannungsanlegungsschaltung 360 bilden, die eine Fehlerquelle zur Zeit des Messens eines sehr kleinen Stroms werden kann, notwendig sind, um die Wechselspannung Vp anzulegen, es wünschenswert ist, zu vermeiden, dass diese mit der Zelle verbunden werden, zu der ein sehr kleiner Strom fließt. Wenn die Konzentration des spezifischen Gases gemessen wird, fließt ein relativ großer Strom zu der Pumpenzelle 11, während andererseits ein sehr kleiner Strom zu der Überwachungszelle 12 und der Sensorzelle 13 fließt. Dementsprechend wird es durch Anbringen der Wechselspannungsanlegungsschaltung 360 nicht zu der Überwachungszelle 12 oder der Sensorzelle 13, sondern zu der Pumpenzelle 11 möglich, zu verhindern, dass die kleinen Ströme im und is, die entsprechend auf der Überwachungszelle 12 und der Sensorzelle 13 fließen, stark nach außerhalb der Wechselspannungsanlegungsschaltung 360 lecken bzw. austreten, so dass die Messgenauigkeit der Ströme im und is verbessert werden kann.
-
In diesem Ausführungsbeispiel können die Strukturen der Strommessabschnitte 30p, 30m und 30s vereinfacht werden, da die Wechselspannung Vp an die Pumpenelektrode 23p angelegt wird. Ein großer Wechselstrom fließt zu der Zelle, an die die Wechselspannung Vp angelegt wird, zur Zeit des Durchführens der Leitungsbeschädigungsüberprüfung. In einem Fall, in dem die Wechselspannung Vp an die Überwachungselektrode 23m oder die Sensorelektrode 23s angelegt wird, fließen dementsprechend sehr kleine Ströme im und is auf der Überwachungsleitung 24m und der Sensorleitung 24s zur Zeit des Messens der Konzentration des spezifischen Gases, während andererseits die großen Wechselströme Im und Is entsprechend auf der Überwachungsleitung 24m und der Sensorleitung 24s zur Zeit des Durchführens der Leitungsbeschädigungsüberprüfung fließen. Dementsprechend müssen in diesem Fall die Strommessabschnitte 30s und 30m mit einer Umschaltschaltung bereitgestellt werden, um sowohl ein Messen der großen als auch der sehr kleinen Ströme zu ermöglichen. Zusätzlich, da von solch einer Umschaltschaltung ein Strom leckt bzw. austritt, könnte die Erfassungsgenauigkeit verschlechtert werden. Im Gegensatz dazu fließt ein großer Strom auf der Pumpenleitung 240 zur Zeit des Messens der Konzentration des spezifischen Gases. Dementsprechend ist in dem Fall, in dem die Wechselspannung Vp an die Pumpenelektrode 23p zur Zeit des Durchführens der Leitungsbeschädigungsüberprüfung angelegt wird, der Wert eines Stroms, der auf der Pumpenleitung 24p zur Zeit des Messens der Konzentration des spezifischen Gases fließt, ungefähr der Gleiche wie der Wert eines Stroms, der auf der Pumpenleitung 24p zur Zeit des Durchführens der Leitungsbeschädigungsüberprüfung fließt. Folglich kann in diesem Fall die Struktur des Pumpenstrommessabschnitts 30p vereinfacht werden, da er keine Umschaltschaltung benötigt.
-
In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 2 und 7 gezeigt ist, ist die Referenzelektrode 23b der Pumpenzelle 11, der Überwachungszelle 12 und der Sensorzelle 13 gemeinsam. Dementsprechend können die Wechselströme Im und Is, die entsprechend auf der Überwachungsleitung 24m und der Sensorleitung 24s fließen, während die Leitungsbeschädigungsüberprüfung durchgeführt wird, einfach gemessen werden. Wenn die Referenzelektrode 23b entsprechend den drei Zellen 11 bis 13 in drei Teile aufgeteilt wird, ist eine parasitäre Kapazität zwischen der Pumpenelektrode 23p und jedem der drei Teile vorhanden. Weiterhin ist eine parasitäre Kapazität zwischen der Überwachungselektrode 23m und jedem der drei Teile, und zwischen der Sensorelektrode 23s und jedem der drei Teile vorhanden. Als ein Ergebnis, wenn die Wechselspannung VP an die Pumpenelektrode 23p angelegt wird, da Wechselströme durch verschiedene Pfade fließen, könnten die Wechselströme Im und Is, die entsprechend auf der Überwachungsleitung und der Sensorleitung fließen, zu klein werden. Folglich ist es vorzuziehen, dass die Referenzelektrode 23b der Pumpenzelle 11, der Überwachungszelle 12 und der Sensorzelle 13 gemeinsam ist.
-
In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt ist, ist die Messgaskammer 20 nicht mit irgendeiner Partition oder Öffnung zwischen der Seite der Pumpenelektrode 23p und der Seite der Sensorelektrode 23s und der Überwachungselektrode 23p bereitgestellt. Dementsprechend, da das Messgas g gleichmäßig von der Seite der Pumpenelektrode 23p zu der Seite der Sensorelektrode 23s und der Überwachungselektrode 23 strömt, ist es möglich, eine Änderung der Konzentration des spezifischen Gases, das in dem Messgas enthalten ist, prompt zu erfassen. Das heißt, das Ansprechverhalten des Gassensors 2 kann hoch gemacht werden.
-
In diesem Ausführungsbeispiel, wie in 3 gezeigt ist, sind die Entfernung L1 zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Überwachungselektrode 23m und die Entfernung 12 zwischen der Pumpenelektrode 23p und der Sensorelektrode 23s in der Strömungsrichtung des Messgases g (in der X-Richtung) zueinander gleich. Dementsprechend erreicht das Messgas g, dessen Sauerstoffkonzentration nach einem Durchströmen über die Pumpenelektrode 23p reduziert wurde, die Überwachungselektrode 23m und die Sensorelektrode 23s ungefähr gleichzeitig. Das heißt, da die Sauerstoffkonzentration des Messgases g an der Überwachungselektrode 23m fast die gleiche ist wie die an der Sensorelektrode 23s, kann die Konzentration des spezifischen Gases mit einem hohen Grad an Genauigkeit berechnet werden.
-
Wie vorstehend beschrieben ist gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Gaskonzentrationsdetektor mit einem Abnormalitätserfassungsabschnitt bereitgestellt, der eine einfache Struktur aufweist und dazu in der Lage ist, in einer kurzen Zeit zu bestimmen, ob ein Leitungsbeschädigung auftritt.
-
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird die Wechselspannung an die Pumpenelektrode 23p angelegt. Die Wechselspannung kann jedoch an die Referenzelektrode 23b oder die Überwachungselektrode 23m oder die Sensorelektrode 23s angelegt werden.
-
In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel sind der D/A-Wandler 353 und die Konstantspannungsschaltung 354 getrennt von dem Mikrocomputer 35 bereitgestellt. Jedoch können diese in dem Mikrocomputer 35 enthalten sein.
-
Die vorstehend erklärten bevorzugten Ausführungsbeispiele sind Beispiele der Erfindung der vorliegenden Anmeldung, die nur durch die nachstehenden Ansprüche beschrieben wird. Es ist zu verstehen, dass Modifikationen der bevorzugten Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, wie dem Fachmann ersichtlich ist.
-
Ein Gaskonzentrationsdetektor umfasst einen Gassensor und einen Abnormalitätserfassungsabschnitt. Der Gassensor umfasst einen einzelnen Festelektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und Elektroden, die auf beiden Oberflächen des einzelnen Festelektrolytkörpers geformt sind. Der Abnormalitätserfassungsabschnitt ist dazu konfiguriert, eine Wechselspannung an eine Spezifische der Elektroden anzulegen und gleichzeitig Ströme, die entsprechend zwischen der spezifischen Elektrode und jeder der anderen Elektroden durch den Festelektrolytkörper fließen, zu messen und zu bestimmen, dass zumindest eine der Leitungen, die entsprechend mit den entsprechenden Elektroden verbunden sind, beschädigt ist, wenn zumindest einer der gemessenen Ströme kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2013-197114 [0001]
- JP 4020019 [0003]
