DE102016002727A1

DE102016002727A1 - Sensorsteuervorrichtung und Sensorsteuersystem

Info

Publication number: DE102016002727A1
Application number: DE102016002727.4A
Authority: DE
Inventors: Dai Nishijima; Satoshi Teramoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2016-09-15
Also published as: JP2016166780A; US20160266062A1; US10627365B2; US20180321183A1; JP6587815B2; US10509009B2

Abstract

Es soll eine Sensorsteuervorrichtung für einen Gassensor bereitgestellt werden, der eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst. Die Sensorsteuervorrichtung kann die Konzentration der besonderen Gaskomponente und die Feuchtigkeit des zu messenden Gases genau messen und dabei das Auftreten von Schwärzungen eines Festelektrolytkörpers des Gassensors eindämmen. Falls die Feuchtigkeitserfassung mit einem Gassensor vom elektromotorischen Kraftzellentyp durchgeführt wird, ändert eine Sensorsteuervorrichtung 3 eine Sollspannung einer elektromotorischen Kraftzelle auf eine zweite Sollspannung für die Feuchtigkeitserfassung und anschließend auf eine dritte Sollspannung, die kleiner ist als eine erste Sollspannung, die für die Erfassung der Konzentration der besonderen Gaskomponente verwendet wird. Falls die Feuchtigkeitserfassung mit einem Gassensors vom Strombegrenzungstyp durchgeführt wird, ändert die Sensorsteuervorrichtung die an eine Pumpzelle angelegte Spannung auf eine zweite Anlegespannung für die Feuchtigkeitserfassung und anschließend auf eine dritte Anlegespannung, die kleiner ist als eine erste Anlegespannung, die für die Erfassung der Konzentration der besonderen Gaskomponente verwendet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorsteuervorrichtung und ein Sensorsteuersystem, die Feuchtigkeit in einem zu messenden Gas erfassen, und zwar unter Verwendung eines Gassensors zum Erfassen einer besonderen Gaskomponente, welche in dem zu messenden Gases enthalten ist.
Technischer Hintergrund
Einer von herkömmlich bekannten Sensoren, die in Kraftfahrzeugen verwendet werden, ist ein Sauerstoffgassensor, der an einem Auspuffkanal einer Brennkraftmaschine (z. B. eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs) angebracht ist, um die Sauerstoffkonzentration von Abgas zu erfassen. Dieser Sauerstoffsensor erfasst die Sauerstoffkonzentration und erfasst damit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases durch Nutzung der Erscheinung, dass sich die Höhe des durch ein Sensorelement fließenden Stroms mit der Sauerstoffkonzentration des Abgases ändert. Eine Sensorsteuervorrichtung, welche die Ansteuerung des Sauerstoffsensors ausführt, hat eine Funktion der Bestromung und Steuerung des Sensorelements und Wandlung des durch das Sensorelement fließenden Stroms in eine Spannung und Ausgabe der Spannung an eine elektronische Steuerungseinheit (ECU). Die ECU erhält die Sauerstoffkonzentration oder das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases anhand der Ausgabe der Sensorsteuervorrichtung. In der ECU wird die erhaltene Sauerstoffkonzentration bzw. das erhaltene Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases für eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, wie etwa Anpassung der Kraftstoffeinspritzmenge, genutzt.
Bei einem an einem Kraftfahrzeug montierten Sauerstoffsensor ist es möglich, dass sich die Sensorausgabe selbst unter identischen Bedingungen verschiebt, wenn sich die Kennlinien des Sensors zeitbedingt oder im Rahmen einer Lebensdauer verschlechtern. Zur Lösung eines solchen Problems wird in einem bekannten Verfahren eine Änderung der Kennlinien des Sauerstoffsensors ausgehend von der Sensorausgabe in einer Luftatmosphäre korrigiert. Es wurde auch eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung offenbart, welche die Feuchtigkeit der Atmosphäre mit Hilfe eines Sauerstoffsensors erfasst und die Korrektur der Kennlinien des Sensors mit höherer Genauigkeit entsprechend der Feuchtigkeit korrigiert (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Dort werden spezielle Verfahren zum Erfassen der Feuchtigkeit durch Verwendung eines Sauerstoffsensors beschrieben. In einem Verfahren, bei dem eine Sauerstoffkonzentrationszelle mit einem Festelektrolytkörper verwendet wird, wird die Spannung einer Sauerstoffpumpe zwischen einer ersten voreingestellten Spannung, bei der eine Elektrolyse der Feuchte in einem zu messenden Gas nicht stattfindet, und einer zweiten voreingestellten Spannung, bei der eine Elektrolyse der Feuchte in dem zu messenden Gas stattfindet, wechselnd geschaltet, und aus der Differenz der in den beiden Fällen gemessenen Sauerstoffpumpströme wird die Feuchtigkeitskonzentration gemessen. In einem anderen Verfahren, bei dem eine Sauerstoffkonzentrationszelle vom Doppelzellentyp verwendet wird, wird die Steuerspannung der Sauerstoffkonzentrationszelle selektiv auf eine erste voreingestellte Spannung und eine zweite voreingestellte Spannung eingestellt, die Sauerstoffpumpströme werden in beiden Fällen gemessen und aus der Differenz der Sauerstoffpumpströme wird die Feuchtigkeitskonzentration gemessen.
Dokumente des Stands der Technik – Patentdokumente

Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 5021697
Patentdokument 2: Offengelegte Japanische Patentanmeldung (kokal) Nr. S63-85351

Überblick über die Erfindung
Falls jedoch die Feuchtigkeit sehr gering und der Feuchtegehalt in der Atmosphäre niedrig ist, erzeugt die Elektrolyse, selbst wenn die Steuerspannung auf die zweite voreingestellte Spannung geschaltet wird, keine ausreichende Menge an Sauerstoff-Ionen, und Sauerstoff-Ionen können aus dem Metalloxid des Festelektrolytkörpers der Sauerstoffpumpzelle herausgepumpt werden. In einem solchen Fall wird das Metalloxid des Festelektrolytkörpers der Sauerstoffpumpzelle reduziert, wodurch an dem Festelektrolytkörper der Sauerstoffpumpzelle eine Schwärzung auftreten kann. Auch wenn eine hohe Spannung über längere Zeit an den Festelektrolytkörper angelegt wird, wird das Metalloxid in dem Festelektrolytkörper reduziert, und es kann eine Schwärzung auftreten. Bei Auftreten einer Schwärzung an dem Festelektrolytkörper der Sauerstoffkonzentrationszelle verschlechtern sich die Kennlinien (Ionenleitfähigkeit) des Festelektrolytkörpers, und es können sich die Genauigkeit der Gaserfassung und die Genauigkeit der Feuchtigkeitserfassung vermindern. Bei fortschreitender Schwärzung sinkt die Festigkeit des Festelektrolytkörpers, und es kann eine Rissbildung auftreten.
Die vorliegende Erfindung wurde getätigt, um das oben beschriebene Problem zu lösen, und es ist ein Ziel, eine Sensorsteuervorrichtung für einen Gassensor bereitzustellen, der eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst. Die Sensorsteuervorrichtung kann die besondere Gaskomponente und die Feuchtigkeit exakt messen und dabei das Auftreten von Schwärzungen eines Festelektrolytkörpers des Gassensors eindämmen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensorsteuersystems, das die Sensorsteuervorrichtung und den Gassensor umfasst, bereitzustellen.
Eine Sensorsteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Sensorsteuervorrichtung, die mit einem Gassensor zu verbinden ist, der eine elektromotorische Kraftzelle mit einem ersten Festelektrolytkörper und einem an dem ersten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar von ersten Elektroden und eine Pumpzelle mit einem zweiten Festelektrolytkörper und einem an dem zweiten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar von zweiten Elektroden umfasst und der eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst. Die Sensorsteuervorrichtung umfasst Stromsteuermittel zum Steuern eines zwischen dem Paar zweiter Elektroden fließenden Pumpstroms, so dass eine zwischen dem Paar erster Elektroden erzeugte elektromotorische Kraftzellenspannung den Wert einer Sollspannung annimmt; Pumpstromerfassungsmittel zum Erfassen des Pumpstroms; Spannungseinstellmittel zum Einstellen der Sollspannung auf eine erste Sollspannung, eine zweite Sollspannung und eine dritte Sollspannung in eben dieser Reihenfolge, wobei die erste Sollspannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte nicht wesentlich dissoziiert und die verwendet wird, wenn die besondere Gaskomponente erfasst wird, wobei die zweite Sollspannung eine Spannung ist, bei der eine in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte dissoziiert, und wobei die dritte Sollspannung niedriger als die erste Sollspannung ist; und Steuermittel zum Erfassen der Feuchtigkeit des zu messenden Gases ausgehend von einer Differenz zwischen dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die Sollspannung die erste Sollspannung ist, und dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die Sollspannung die zweite Sollspannung ist.
Bei der Sensorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Sollspannung der elektromotorischen Kraft auf die erste Sollspannung, die zweite Sollspannung und die dritte Sollspannung in eben dieser Reihenfolge eingestellt, wobei die erste Sollspannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte nicht wesentlich dissoziiert und die verwendet wird, wenn die besondere Gaskomponente erfasst wird, wobei die zweite Sollspannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte dissoziiert, und wobei die dritte Sollspannung niedriger als die erste Sollspannung ist. Infolge dessen kann ein Fortschreiten der Schwärzung verzögert werden, wodurch das besondere Gas und die Feuchtigkeit genau erfasst werden können. Speziell für den Fall, dass durch Elektrolyse von Feuchte keine ausreichende Menge an Sauerstoff-Ionen erzeugt wird, selbst wenn die Sollspannung auf die zweite Sollspannung geschaltet wird, können Sauerstoff-Ionen aus dem Metalloxid des Festelektrolytkörpers der Sauerstoffpumpzelle herausgepumpt werden. In einem solchen Fall wird das Metalloxid des Festelektrolytkörpers der Sauerstoffpumpzelle reduziert. Wechselt jedoch anschließend die Sollspannung auf die dritte Sollspannung, die niedriger als die erste Sollspannung ist, fließt der Pumpstrom durch die Sauerstoffpumpzelle in einer solchen Richtung, dass Sauerstoff hineingepumpt wird, wodurch das reduzierte Metalloxid oxidiert wird. Dadurch wird es möglich, das Fortschreiten der Schwärzung zu verzögern und eine genaue Erfassung des besonderen Gases und der Feuchtigkeit zu erreichen. Der Ausdruck ”die Sollspannung wird auf die erste Sollspannung und die zweite Sollspannung in eben dieser Reihenfolge eingestellt” bedeutet insbesondere, dass inmitten des Vorgangs des Wechselns der Sollspannung von der ersten Sollspannung auf die zweite Sollspannung die Sollspannung nicht auf eine Spannung niedriger als die erste Sollspannung oder eine Spannung höher als die zweite Sollspannung geändert wird. Der Ausdruck ”die Sollspannung wird auf die zweite Sollspannung und die dritte Sollspannung in eben dieser Reihenfolge eingestellt” bedeutet, dass inmitten des Vorgangs des Wechselns der Sollspannung von der zweiten Sollspannung auf die dritte Sollspannung die Sollspannung nicht auf eine Spannung höher als die zweite Sollspannung oder eine Spannung niedriger als die dritte Sollspannung geändert wird. Ferner bedeutet der Ausdruck ”die Sollspannung wird auf die erste Sollspannung, die zweite Sollspannung und die dritte Sollspannung in eben dieser Reihenfolge eingestellt”, dass die Sollspannung von der dritten Sollspannung auf die erste Sollspannung geschaltet (oder zurückgeschaltet) wird. Wenn die Sollspannung von der dritten Sollspannung auf die erste Sollspannung zurückgeschaltet wird, kann die Sollspannung unmittelbar zur ersten Sollspannung zurückgewechselt werden oder graduell zur ersten Sollspannung zurückgewechselt werden. Da die Erfassung der Konzentration des besonderen Gases durch die Verwendung der ersten Sollspannung erfolgt, wenn die Sollspannung unmittelbar von der dritten Sollspannung zur ersten Sollspannung zurückgewechselt wird, kann die übliche Erfassung der Konzentration des besonderen Gases zu einem früheren Zeitpunkt begonnen werden.
Bei der Sensorsteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Steuermittel dem Pumpstromerfassungsmittel das Erfassen des Pumpstrom bei Ablauf einer vorherbestimmten Zeit gestatten, nachdem die Sollspannung durch das Spannungseinstellmittel von der dritten Sollspannung auf die erste Sollspannung geändert wurde.
Wenn die Sollspannung von der dritten Sollspannung zur ersten Sollspannung zurückgewechselt wird, um mit der üblichen Erfassung der Konzentration des besonderen Gases zu beginnen, erfolgt die Erfassung des Pumpstroms erst nach dem Stabilwerden des Pumpstroms, nicht sofort beim Wechsel der Sollspannung. Die Gaskonzentration kann genau erfasst werden, indem der Pumpstrom nach Ablauf der vorherbestimmten Zeit erfasst wird, die nach dem Wechsel der Steuerspannung zur ersten Steuerspannung für das Stabilwerden des Pumpstroms notwendig ist.
Eine Sensorsteuervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Sensorsteuervorrichtung, die mit einem Gassensor zu verbinden ist, der eine Sauerstoffpumpzelle umfasst, die einen Festelektrolytkörper, eine an einer Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildete erste Elektrode und eine an der anderen Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildete zweite Elektrode aufweist, und der eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst. Die Sensorsteuervorrichtung umfasst Spannungsanlegemittel zum Anlegen einer ersten Anlegespannung, einer zweiten Anlegespannung und einer dritten Anlegespannung in eben dieser Reihenfolge an die Sauerstoffpumpzelle, wobei die erste Anlegespannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte nicht wesentlich dissoziiert und die verwendet wird, wenn die besondere Gaskomponente erfasst wird, wobei die zweite Anlegespannung eine Spannung ist, bei der eine in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte dissoziiert, und wobei die dritte Anlegespannung niedriger als die erste Anlegespannung ist; Pumpstromerfassungsmittel zum Erfassen des durch die Sauerstoffpumpzelle fließenden Pumpstroms; und Steuermittel zum Erfassen der Feuchtigkeit des zu messenden Gases ausgehend von einer Differenz zwischen dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die erste Anlegespannung an die Sauerstoffpumpzelle angelegt wird, und dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die zweite Anlegespannung an die Sauerstoffpumpzelle angelegt wird.
Bei der Sensorsteuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die erste Anlegespannung, die zweite Anlegespannung und die dritte Anlegespannung in eben dieser Reihenfolge an die Sauerstoffpumpzelle angelegt, wobei die erste Anlegespannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte nicht wesentlich dissoziiert und die verwendet wird, wenn die besondere Gaskomponente erfasst wird, wobei die zweite Anlegespannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte dissoziiert, und wobei die dritte Anlegespannung niedriger als die erste Anlegespannung ist. Infolge dessen kann ein Fortschreiten der Schwärzung verzögert werden, wodurch das besondere Gas und die Feuchtigkeit genau erfasst werden können. Speziell für den Fall, dass durch Elektrolyse von Feuchte keine ausreichende Menge an Sauerstoff-Ionen erzeugt wird, selbst wenn die zweite Anlegespannung an die Sauerstoffpumpzelle angelegt wird, können Sauerstoff-Ionen aus dem Metalloxid des Festelektrolytkörpers der Sauerstoffpumpzelle herausgepumpt werden. In einem solchen Fall wird das Metalloxid des Festelektrolytkörpers der Sauerstoffpumpzelle reduziert. Wird jedoch anschließend die dritte Anlegespannung, die niedriger als die erste Anlegespannung ist, an die Sauerstoffpumpzelle angelegt, fließt der Pumpstrom durch die Sauerstoffpumpzelle in einer solchen Richtung, dass Sauerstoff hineingepumpt wird, wodurch das reduzierte Metalloxid oxidiert wird. Dadurch wird es möglich, das Fortschreiten der Schwärzung zu verzögern und eine genaue Erfassung des besonderen Gases und der Feuchtigkeit zu erreichen. Der Ausdruck ”die erste Anlegespannung und die zweite Anlegespannung werden in eben dieser Reihenfolge angelegt” bedeutet insbesondere, dass inmitten des Vorgangs des Wechselns der Anlegespannung von der ersten Anlegespannung auf die zweite Anlegespannung keine Spannung niedriger als die erste Anlegespannung oder keine Spannung höher als die zweite Anlegespannung angelegt wird. Der Ausdruck ”die zweite Anlegespannung und die dritte Anlegespannung werden in eben dieser Reihenfolge angelegt” bedeutet, dass inmitten des Vorgangs des Wechselns der Anlegespannung von der zweiten Anlegespannung auf die dritte Anlegespannung keine Spannung höher als die zweite Anlegespannung oder keine Spannung niedriger als die dritte Anlegespannung angelegt wird. Ferner bedeutet der Ausdruck ”die erste Anlegespannung, die zweite Anlegespannung und die dritte Anlegespannung werden in eben dieser Reihenfolge angelegt”, dass die Anlegespannung von der dritten Anlegespannung auf die erste Anlegespannung geschaltet (oder zurückgeschaltet) wird. Wenn die Anlegespannung von der dritten Anlegespannung auf die erste Anlegespannung zurückgeschaltet wird, kann die Anlegespannung unmittelbar zur ersten Anlegespannung zurückgewechselt werden oder graduell zur ersten Anlegespannung zurückgewechselt werden. Da die Erfassung der Konzentration des besonderen Gases durch die Verwendung der ersten Anlegespannung erfolgt, wenn die Anlegespannung unmittelbar von der dritten Anlegespannung zur ersten Anlegespannung zurückgewechselt wird, kann die übliche Erfassung der Konzentration des besonderen Gases zu einem früheren Zeitpunkt begonnen werden.
Bei der Sensorsteuervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Steuermittel dem Pumpstromerfassungsmittel das Erfassen des Pumpstrom bei Ablauf einer vorherbestimmten Zeit gestatten, nachdem die an die Sauerstoffpumpzelle angelegte Spannung durch das Spannungsanlegemittel von der dritten Anlegespannung auf die erste Anlegespannung geändert wurde.
Wenn die Anlegespannung von der dritten Anlegespannung zur ersten Anlegespannung zurückgewechselt wird, um mit der üblichen Erfassung der Konzentration des besonderen Gases zu beginnen, erfolgt die Erfassung des Pumpstroms erst nach dem Stabilwerden des Pumpstroms, nicht sofort nach dem Wechsel der Anlegespannung. Die Gaskonzentration kann genau erfasst werden, indem der Pumpstrom nach Ablauf der vorherbestimmten Zeit erfasst wird, die nach dem Wechsel der Anlegespannung zur ersten Anlegespannung für das Stabilwerden des Pumpstroms notwendig ist.
Ein Sensorsteuersystem, das die Sensorsteuervorrichtung der ersten Ausführungsform oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und den entsprechenden Gassensor zum Erfassen der in dem zu messenden Gas enthaltenen besonderen Gaskomponente umfasst, kann die besondere Gaskomponente und Feuchtigkeit des zu messenden Gases durch Verwendung des Gassensors genau messen.
Die Sensorsteuervorrichtung der ersten Ausführungsform oder zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Sensorsteuervorrichtung und ein Sensorsteuersystem bereitstellen, die das Fortschreiten einer Schwärzung des Festelektrolytkörpers auch für den Fall, dass die Feuchtigkeit sehr gering und der Feuchtegehalt in der Atmosphäre niedrig ist, oder für den Fall, dass eine hohe Spannung an den Festelektrolytkörper angelegt wird, verzögern können und welche die besondere Gaskomponente und die Feuchtigkeit genau messen können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung der Ausgestaltung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine 100;
2 ist eine schematische Darstellung der Ausgestaltung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 einer ersten Ausführungsform;
3 ist ein Flussdiagramm der von einer Sensorsteuervorrichtung 3 der ersten Ausführungsform vollzogenen Hauptverarbeitung;
4 ist ein Diagramm zur Darstellung einer zeitabhängigen Änderung der Sollspannung in einem Vergleichsbeispiel;
5 ist ein Diagramm zur Darstellung einer zeitabhängigen Änderung der Sollspannung in dem Beispiel;
6 ist eine schematische Darstellung der Ausgestaltung eines Grenzstromsensors 40 einer zweiten Ausführungsform; und
7 ist ein Flussdiagramm der von einer Sensorsteuervorrichtung 70 der zweiten Ausführungsform vollzogenen Hauptverarbeitung.
Ausführungsformen der Erfindung
Eine erste Ausführungsform, bei der eine Sensorsteuervorrichtung und ein Sensorsteuersystem der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden, wird nunmehr unter Verweis auf die Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird als ein Beispiel der Sensorsteuervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine Sensorsteuervorrichtung 3 beschrieben, welche die Sauerstoffkonzentration und Feuchtigkeit eines zu messenden Gases auf Grundlage eines von einem Gassensor ausgegebenen Erfassungssignals erfassen kann. Als ein Beispiel des Gassensors wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 beschrieben, der so ausgestaltet ist, dass der Sensorstrom sich linear mit der Sauerstoffkonzentration ändert.
Ein Brennkraftmaschinensystem 100 umfasst einen Verbrennungsmotor 101 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Mit dem Verbrennungsmotor 101 ist ein Auspuffrohr 102 verbunden, um vom Verbrennungsmotor 101 ausgestoßenes Abgas aus dem Kraftfahrzeug herauszuführen. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 ist in dem Kanal des Auspuffrohrs 102 angeordnet. Insbesondere ist der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 ein Gassensor zum Erfassen der Konzentration einer besonderen Gaskomponente (in der vorliegenden Ausführungsform Sauerstoff), die im Abgas enthalten ist, das den vom Auspuffrohr 102 gebildeten Abgaskanal durchströmt. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 ist über einen Kabelbaum (Signaldraht) 91 mit der Sensorsteuervorrichtung 3 elektrisch verbunden, die an einer Position getrennt vom Sensor angeordnet ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 wird von der Sensorsteuervorrichtung 3 bestromt und gesteuert, um die Sauerstoffkonzentration zu erfassen. Die Sensorsteuervorrichtung 3 arbeitet bei Empfangen elektrischer Leistung aus einer Batterie 80 und gibt an eine ECU (elektronische Motorsteuerung) 5 ein Erfassungssignal aus, das die Sauerstoffkonzentration darstellt, die durch Verwendung des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 erfasst wurde. Die ECU 5 führt eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Regelung für den Motor 101 auf Grundlage der Ausgabe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 aus.
Als nächstes werden die Details des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 und der Sensorsteuervorrichtung 3 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 weist eine Struktur auf, bei der ein dünnes, langes plattenförmiges Sensorelement 10 in einem nicht dargestellten Gehäuse untergebracht ist. Der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 ist mit der Sensorsteuervorrichtung 3, die an einer Position getrennt vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 angebracht ist, über den Kabelbaum 91 für die Ausgabe des Ausgangssignals des Sensorelements 10 elektrisch verbunden (siehe 1).
In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere als ein Beispiel der Fall dargestellt, bei dem die Sensorsteuervorrichtung 3 zwischen dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 und der ECU 5 vorgesehen ist und der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 und die Sensorsteuervorrichtung 3 eine Sensoreinheit 4 darstellen. Der ”Gassensor” in der vorliegenden Erfindung entspricht dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1; die ”Sensorsteuervorrichtung” in der vorliegenden Erfindung entspricht der mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 verbundenen Sensorsteuervorrichtung 3; und das ”Sensorsteuersystem” in der vorliegenden Erfindung entspricht der Sensoreinheit 4. Natürlich kann die Art der Anordnung der Sensorsteuervorrichtung 3 frei geändert werden. Beispielsweise kann die Sensorsteuervorrichtung 3 in die ECU 5 integriert sein. In diesem Fall wird die Sensoreinheit durch den Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 und die ECU 5 gebildet.
Zuerst wird der Aufbau des Sensorelements 10 beschrieben. Das Sensorelement 10 weist eine Struktur auf, bei der die hauptsächlich aus Zirkoniumdioxid ausgebildeten Festelektrolytkörper 13 und 11 und die hauptsächlich aus Aluminiumoxid ausgebildeten Isoliersubstrate 12, 17, 18 und 24 in der Reihenfolge Isoliersubstrate 18 und 17, Festelektrolytkörper 13, Isoliersubstrat 12, Festelektrolytkörper 11 und Isoliersubstrat 24 gestapelt sind. Ein Paar von hauptsächlich aus Platin ausgebildeten Elektroden 19 und 20 sind an entgegengesetzten Seiten des Festelektrolytkörpers 11 ausgebildet. Gleichermaßen ist ein Paar von Elektroden 21 und 22 an entgegengesetzten Seiten des Festelektrolytkörpers 13 ausgebildet. Die Elektrode 22 ist zwischen dem Festelektrolytkörper 13 und dem Isoliersubstrat 17 angeordnet. Die Festelektrolytkörper 11 und 13 und die Isoliersubstrate 12, 17, 18 und 24 sind jeweils in Form einer länglichen Platte ausgebildet, und 2 zeigt Querschnitte dieser Glieder senkrecht zu ihrer Längsrichtung.
An einem Ende des Isoliersubstrats 12, bezogen auf dessen Längsrichtung, ist eine hohle Gaserfassungskammer 23 ausgebildet, deren gegenüberliegende Wandflächen durch die Festelektrolytkörper 11 und 13 ausgebildet sind und in die das zu messende Gas eingeleitet werden kann. Poröse diffusionsratenbegrenzende Abschnitte 15 sind an den gegenüberliegenden Enden der Gaserkennungskammer 23, bezogen auf deren Breitenrichtung, vorgesehen, um die Strömungsrate des in die Gaserfassungskammer 23 eingeleiteten zu messenden Gases zu begrenzen. Die Elektrode 20 an dem Festelektrolytkörper 11 und die Elektrode 21 an dem Festelektrolytkörper 13 sind dem Innenraum der Gaserfassungskammer 23 ausgesetzt.
Insbesondere ist ein hauptsächlich aus Platin ausgebildeter wärmeerzeugender Widerstand 26 zwischen den Isoliersubstraten 17 und 18 angeordnet und vergraben. Die Isoliersubstrate 17 und 18 und der wärmeerzeugende Widerstand 26 arbeiten als Heizung zum Erwärmen der Festelektrolytkörper 11 und 13 für die Aktivierung.
Die Oberfläche der Elektrode 19 an dem Festelektrolytkörper 11 ist mit einer aus Keramik (zum Beispiel Aluminiumoxid) ausgebildeten porösen Schutzschicht 25 bedeckt. Das heißt, diese Schutzschicht 25 verhindert eine Schädigung der Elektrode 19, die ansonsten durch giftige Inhaltsstoffe des Abgases, wie Silizium, verursacht würde. Das auf dem Festelektrolytkörper 11 aufliegende Isoliersubstrat 24 weist eine Öffnung auf, so dass das Isoliersubstrat 24 die Elektrode 19 nicht abdeckt, und die Schutzschicht 25 ist innerhalb der Öffnung vorgesehen.
Bei dem Sensorelement 10 der oben beschriebenen Ausgestaltung arbeiten der Festelektrolytkörper 11 und die an dessen entgegengesetzten Flächen vorgesehenen paarigen Elektroden 19 und 20 als Sauerstoffpumpzelle, die Sauerstoff von draußen in die Gaserfassungskammer 23 hineinpumpt oder Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 23 nach draußen pumpt (nachfolgend werden der Festelektrolytkörper 11 und das Elektrodenpaar 19 und 20 zusammen als ”Ip-Zelle” bezeichnet).
Gleichermaßen arbeiten der Festelektrolytkörper 13 und die an dessen entgegengesetzten Flächen vorgesehenen paarigen Elektroden 21 und 22 als Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle, die eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der Sauerstoffkonzentration zwischen den beiden Elektroden entspricht (nachfolgend werden der Festelektrolytkörper 13 und das Elektrodenpaar 21 und 22 zusammen als ”VS-Zelle” bezeichnet). Die Elektrode 22 arbeitet zudem als Sauerstoff-Referenzelektrode, die eine Sauerstoffkonzentration aufrechterhält, die als Referenz für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in der Gaserfassungskammer 23 dient. Die Funktionsweisen der Ip-Zelle und der VS-Zelle werden später noch im Detail beschrieben.
Als nächstes folgt die Beschreibung der mit dem Sensorelement 10 verbundenen Sensorsteuervorrichtung 3. Die Sensorsteuervorrichtung 3 besteht hauptsächlich aus einem Mikrocomputer 9 und einem Stromkreisabschnitt 30. Der Mikrocomputer 9 ist ein Mikrocomputerchip, auf dem eine CPU 6, ein ROM 7, ein RAM 8 (mit bekannten Ausgestaltungen) usw. montiert sind. Insbesondere speichert der ROM 7 beispielsweise ein Steuerprogramm, um die CPU 6 zur Durchführung verschiedener Arten von Verarbeitungen zu veranlassen.
Der Stromkreisabschnitt 30 besteht aus einer Heizungsbestromungssteuerschaltung 31, einer Pumpstromansteuerungsschaltung 32, einer Spannungsausgangsschaltung 33, einer Schwachstromversorgungsschaltung 34, einer Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 und einer Pumpstromerfassungsschaltung 36.
Die Heizungsbestromungssteuerschaltung 31 legt eine Spannung Vh an entgegengesetzte Enden des wärmeerzeugenden Widerstands 26 an und regelt gleichzeitig die Spannung per PWM, um dadurch die Erzeugung von Wärme durch den wärmeerzeugenden Widerstand 26 zu bewirken und so die Ip-Zelle und die VS-Zelle zu erwärmen. Die Schwachstromversorgungsschaltung 34 bewirkt das Fließen eines sehr kleinen Stromes Icp von der Elektrode 22 der VS-Zelle zu deren Elektrode 21, um dadurch Sauerstoff-Ionen von der Elektrode 21 zur Elektrode 22 zu führen, wodurch in der porösen Elektrode 22 eine Atmosphäre erzeugt wird, die eine Sauerstoff-Referenzkonzentration aufweist. Die Elektrode 22 arbeitet somit als Sauerstoff-Referenzelektrode, die als Bezugsbasis für die Erfassung der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases dient. Die Spannungsausgangsschaltung 33 erfasst die zwischen den Elektroden 21 und 22 der VS-Zelle generierte elektromotorische Kraft VS. Die Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 vergleicht eine vorherbestimmte Referenzspannung mit der von der Spannungsausgangsschaltung 33 erfassten elektromotorischen Kraft VS. Die Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 führt das Vergleichsergebnis in Rückkopplung an die Pumpstromansteuerungsschaltung 32. Auf der Grundlage des aus der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 erhaltenen Vergleichsergebnisses regelt die Pumpstromansteuerungsschaltung 32 die Größenordnung und Richtung des zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpstroms. Die Ip-Zelle pumpt daraufhin Sauerstoff in die Gaserfassungskammer 23 hinein oder pumpt Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 23 heraus. Die Pumpstromerfassungsschaltung 36 wandelt den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip in eine Spannung um und gibt die Spannung als Erfassungssignal an den Mikrocomputer 9 aus.
In der vorliegenden Ausführungsform werden drei Sollspannungen (eine erste Sollspannung, eine zweite Sollspannung und eine dritte Sollspannung) als Referenzspannung verwendet, die durch die Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 mit der elektromotorischen Kraft VS verglichen wird. Die erste Sollspannung wird auf eine Spannung eingestellt (z. B. 450 mV), die so bestimmt ist, dass, wenn die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in der Gaserfassungskammer 23 unter Rückkopplung des Vergleichsergebnisses der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 an die Pumpstromansteuerungsschaltung 32 geregelt wird, die enthaltene Feuchte (H₂O) des in die Gaserfassungskammer 23 eingeleiteten zu messenden Gases nicht wesentlich dissoziiert, und die Sauerstoffkonzentration wird gemessen.
Die zweite Sollspannung wird auf eine Spannung eingestellt (z. B. 1000 mV), die so bestimmt ist, dass, wenn die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in der Gaserfassungskammer 23 unter Rückkopplung des Vergleichsergebnisses der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 an die Pumpstromansteuerungsschaltung 32 geregelt wird, die enthaltene Feuchte (H₂O) des in die Gaserfassungskammer 23 eingeleiteten zu messenden Gases dissoziiert.
Die dritte Sollspannung wird auf eine Spannung eingestellt (z. B. 200 mV), die so bestimmt ist, dass, wenn die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in der Gaserfassungskammer 23 unter Rückkopplung des Vergleichsergebnisses der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 an die Pumpstromansteuerungsschaltung 32 geregelt wird, die enthaltene Feuchte (H₂O) des in die Gaserfassungskammer 23 eingeleiteten zu messenden Gases nicht wesentlich dissoziiert, und es wird Sauerstoff in die Gaserfassungskammer 23 gepumpt.
In der oben beschriebenen Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 wird üblicherweise die erste Sollspannung als die mit der elektromotorischen Kraft VS zu vergleichende Referenzspannung verwendet, und die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases wird auf Grundlage des Pumpstroms Ip berechnet. Im Falle der Feuchtigkeitserfassung wird indessen die zweite Sollspannung als Referenzspannung verwendet, und nach Beendigung der Feuchtigkeitserfassung wird die Referenzspannung auf die dritte Sollspannung geändert, bevor sie zur ersten Sollspannung gewechselt wird. Dies wird in der Folge noch näher beschrieben. Insbesondere gilt: die Pumpstromansteuerungsschaltung 32, die Spannungsausgangsschaltung 33 und die Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 entsprechen dem ”Stromsteuermittel” der vorliegenden Erfindung; und die Pumpstromerfassungsschaltung 36 entspricht dem ”Pumpstromerfassungsmittel” der vorliegenden Erfindung. Die erste Referenzspannung, die zweite Referenzspannung und die dritte Referenzspannung, die mit der elektromotorischen Kraft VS verglichen werden, entsprechen der ”ersten Sollspannung”, der ”zweiten Sollspannung” bzw. der ”dritten Sollspannung” der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird die Ausgestaltung der Motorsteuerungseinheit (ECU) 5 beschrieben. Die ECU 5 ist eine Vorrichtung zur elektronischen Steuerung des Betriebs des Verbrennungsmotors 101 des Kraftfahrzeugs und anderer Betriebsvorgänge. Die ECU 5 ist ein Mikrocomputer, auf dem eine CPU, ein ROM, ein RAM (mit bekannten Ausgestaltungen) usw. montiert sind. Die ECU 5 steuert die Kraftstoffeinspritzzeiten und Zündungszeiten durch Ausführen eines Steuerprogramms. Die ECU 5 empfängt als Information zur Durchführung dieser Steuerung das Ausgangssignal (Erfassungssignal) der Sensorsteuervorrichtung 3, das sich entsprechend der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases ändert. Die ECU 5 empfängt als weitere Informationen zudem Signale von anderen Sensoren (beispielsweise ein Signal, das den Kurbelwinkel darstellt, auf dessen Grundlage die Kolbenstellung und Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl) des Verbrennungsmotors 101 erfasst werden kann, ein Signal, das die Kühlmitteltemperatur darstellt, und ein Signal, das den Verbrennungsdruck darstellt).
Als nächstes wird der Vorgang des Erfassens der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases (Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) mit Hilfe des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 kurz beschrieben. Wird die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases gemessen, wird insbesondere die erste Sollspannung (z. b. 450 mV) als die Referenzspannung eingestellt (verwendet), die für den Vergleich durch die Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendet wird. Wie dies in 2 dargestellt ist, legt die Schwachstromversorgungsschaltung 34 zunächst einen sehr kleinen Strom Icp an die Elektrode 22 der VS-Zelle an, so dass der sehr kleine Strom Icp zu deren Elektrode 21 fließt. Infolge dessen wird in dem zu messenden Gas enthaltener Sauerstoff über den Festelektrolytkörper 13 von der Seite der Elektrode 21 zur Seite der Elektrode 22 gepumpt, und die Elektrode 22 arbeitet als Sauerstoff-Referenzelektrode. Die Spannungsausgangsschaltung 33 erfasst die zwischen den Elektroden 21 und 22 generierte elektromotorische Kraft VS. Die Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 vergleicht die elektromotorische Kraft VS mit der Referenzspannung. Die Pumpstromansteuerungsschaltung 32 regelt die Größenordnung und Richtung des zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpstroms anhand des Vergleichsergebnisses der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35, so dass die elektromotorische Kraft VS den Wert der Referenzspannung annimmt.
In dem Fall, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in die Gaserfassungskammer 23 eingeströmten Abgases sich auf der fetten Seite des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses befindet, wird insbesondere, da die Sauerstoffkonzentration des Abgases gering ist, der zwischen den Elektroden 19 und 20 fließende Pumpstrom Ip so gesteuert, dass die Ip-Zelle Sauerstoff von draußen in die Gaserfassungskammer 23 hineinpumpt. Für den Fall, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des in die Gaserfassungskammer 23 eingeströmten Abgases sich auf der mageren Seite des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses befindet, wird indessen, da im Abgas eine große Sauerstoffmenge vorliegt, der zwischen den Elektroden 19 und 20 fließende Pumpstrom Ip so gesteuert, dass die Ip-Zelle Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 23 nach draußen pumpt. Der Pumpstrom Ip zu diesem Zeitpunkt wird von der Pumpstromerfassungsschaltung 36 in eine Spannung umgewandelt, und die Spannung wird über den Mikrocomputer 9 als Ausgangssignal (Erfassungssignal) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 an die ECU 5 ausgegeben. In der ECU 5 kann die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases (das heißt: das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) auf Grundlage der Größenordnung und Richtung des vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor 1 ausgegebenen Pumpstroms Ip bestimmt werden.
Nunmehr wird die in der Sensorsteuervorrichtung 3 ausgeführte Hauptverarbeitung unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Zudem wird ein Programm zum Ausführen der in 3 dargestellten verschiedenen Verarbeitungsarten in dem oben beschriebenen ROM 7 (siehe 2) gespeichert und von der CPU 6 (siehe 2) ausgeführt. Diese Hauptverarbeitung wird in einer vorherbestimmten Taktung bei laufendem Betrieb der Brennkraftmaschine 100 ausgeführt. Insbesondere wird die Verarbeitung der Ansteuerung und Steuerung der Heizungsbestromungssteuerschaltung 31, der Pumpstromansteuerungsschaltung 32, der Spannungsausgangsschaltung 33, der Schwachstromversorgungsschaltung 34, der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 und der Pumpstromerfassungsschaltung 36 des Stromkreisabschnitts 30 separat von der in 3 dargestellten Hauptverarbeitung ausgeführt.
Wenn der Start der Hauptverarbeitung infolge eines Starts des Verbrennungsmotors erfolgt, so führt die CPU 6, wie dies in 3 dargestellt ist, eine Ersteinstellung S1 durch (S steht für Schritt). Bei der Ersteinstellung werden der RAM 8 des Mikrocomputers 9 usw. initialisiert, und es wird die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 in der Sensorsteuervorrichtung 3 verwendete Referenzspannung auf die erste Sollspannung (z. B. 450 mV) eingestellt.
Nach Beendigung der Ersteinstellung in S1 geht die CPU 6 zu S2 über und beurteilt, ob der Zeitpunkt für die Feuchtigkeitserfassung gekommen ist oder nicht. In der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Beurteilung, ob der Feuchtigkeitserfassungszeitpunkt eingetreten ist oder nicht, durch eine Beurteilung, ob ein Signal, das anzeigt, dass die Zufuhr von Kraftstoff zur Brennkraftmaschine 100 unterbrochen wurde (nachfolgend bezeichnet als ”Kraftstoffunterbrechungssignal”), empfangen wurde oder nicht.
Falls die CPU 6 in S2 urteilt, dass der Feuchtigkeitserfassungszeitpunkt noch nicht eingetreten ist, setzt die CPU 6 mit S3 fort, um eine gewöhnliche Sauerstoffkonzentrationserfassung vorzunehmen. Speziell liest die CPU 6 über die Pumpstromerfassungsschaltung 36 als „Ip_primär” den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip in einem Zustand, in dem die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung auf die erste Sollspannung (z. B. 450 mV) eingestellt ist, und gibt den Ip_primär als Ausgabesignal (Erfassungssignal) des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensors 1 an die ECU 5 aus.
Mit Ende der Verarbeitung von S3 geht die CPU 6 zu S4 über und beurteilt, ob der Motor sich in einem abgeschalteten Zustand befindet oder nicht (d. h. ob der Motor AUS ist). Falls der Motor AUS ist, beendet die CPU 6 die Hauptverarbeitung. Falls der Motor nicht AUS ist, kehrt die CPU 6 zu S2 zurück.
Falls die CPU 6 in S2 urteilt, dass der Feuchtigkeitserfassungszeitpunkt eingetreten ist, setzt die CPU 6 mit S5 fort. In S5 liest die CPU 6 über die Pumpstromerfassungsschaltung 36 als ”Ip_primär” den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip in einem Zustand, in dem die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung auf die erste Sollspannung (z. B. 450 mV) eingestellt ist. Der gelesene Ip_primär wird in dem RAM 8 gespeichert. Anschließend ändert die CPU 6 die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung von der ersten Referenzspannung auf die zweite Referenzspannung (z. B. 1000 mV) (S6).
Anschließend fährt die CPU 6 mit S7 fort. In S7 liest die CPU 6 über die Pumpstromerfassungsschaltung 36 als ”Ip_sekundär” den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip in einem Zustand, in dem die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung auf die zweite Sollspannung (z. B. 1000 mV) eingestellt ist. Der gelesene ”Ip_sekundär” wird in dem RAM 8 gespeichert. Obwohl dies in 3 nicht dargestellt ist, kann die CPU 6 vor dem Lesen des ”Ip_sekundär” bis zum Ablauf einer vorherbestimmten Zeit warten, die für das Stabilwerden des Sauerstoffpumpstroms erforderlich ist.
Als nächstes berechnet die CPU 6 den Feuchtegehalt des zu messenden Gases anhand der in dem RAM 8 gespeicherten Werte ”Ip_primär” und ”Ip_sekundär” (S8). In S8 subtrahiert die CPU 6 den ”Ip_primär” vom ”Ip_sekundär” und erhält so die Differenz aus beiden, d. h. die Ip-Stromdifferenz. Diese Ip-Stromdifferenz zeigt die Konzentration an Sauerstoff, die aus der Feuchtigkeit des zu messenden Gases (also aus dem Feuchtegehalt des zu messenden Gases) herrührt und somit die Feuchtigkeit des gemessenen Gases anzeigt.
Insbesondere wird bevorzugt, dass der ”Ip_primär”, der in S8 zur Berechnung des Feuchtegehaltes verwendet wird, in S5 unmittelbar vor S6 gelesen wird, wo die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung von der ersten Sollspannung auf die zweite Sollspannung geändert wird. Dies vermindert die Zeitdifferenz zwischen dem Erfassungszeitpunkt des ”Ip_primär” und dem Erfassungszeitpunkt des ”Ip_sekundär”, um dadurch das Problem einzuschränken, dass die Feuchtigkeit sich zwischen der Erfassung des ”Ip_primär” und der Erfassung des ”Ip_sekundär” ändert.
Als nächstes geht die CPU 6 zu S9 über und ändert die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung von der zweiten Referenzspannung auf die dritte Referenzspannung (z. B. 200 mV).
Nach Beendigung der Verarbeitung von S9 geht die CPU 6 zu S10 über und beurteilt, ob eine vorherbestimmte Zeit t1 abgelaufen ist oder nicht. Mit Ablauf der vorherbestimmten Zeit t1 setzt die CPU 6 mit S11 fort, um die Referenzspannung von der dritten Sollspannung auf die erste Sollspannung zu ändern. Die vorherbestimmte Zeit t1 wird als Haltezeit eingestellt, während der die Referenzspannung auf der dritten Sollspannung gehalten werden muss, um das reduzierte Metalloxid des Festelektrolytkörpers zu oxidieren.
Nach Beendigung der Verarbeitung von S11 geht die CPU 6 zu S12 über und beurteilt, ob nach erfolgter Änderung der Referenzspannung auf die erste Sollspannung eine vorherbestimmte Zeit t2 abgelaufen ist oder nicht. Mit Ablauf der vorherbestimmten Zeit t2 setzt die CPU 6 mit S4 fort und beendet die Feuchtigkeitserfassung. Die vorherbestimmte Zeit t2 wird so eingestellt, dass, nachdem die Referenzspannung auf die erste Sollspannung geändert wurde, gewartet wird, bis der Sauerstoffpumpstrom stabil wird, bevor die übliche Erfassung der Sauerstoffkonzentration erfolgt.
Insbesondere beträgt die dritte Sollspannung in der oben beschriebenen Ausführungsform 200 mV. Die dritte Sollspannung kann jedoch eine beliebige Spannung gleich oder kleiner als die erste Sollspannung sein und kann 0 V betragen. Die dritte Sollspannung und die vorherbestimmte Zeit t1 können durch Ausführen einer Vorab-Prüfung entsprechend der Größenordnung der zweiten Sollspannung, der Haltezeit der zweiten Sollspannung sowie dem Material und der Dicke der Festelektrolytkörper des Gassensorelements bestimmt werden. Die vorherbestimmte Zeit t1 kann so bestimmt werden, dass die vorherbestimmte Zeit t1 desto kürzer ist, je niedriger die dritte Sollspannung ist.
Um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, erfolgte als Vergleichsprüfung jeweils ein Haltbarkeitstest für den Fall, dass die Referenzspannung auf die zweite Sollspannung und die dritte Sollspannung eingestellt wurde, und für den Fall, dass die Referenzspannung nur auf die erste Sollspannung und die zweite Sollspannung eingestellt wurde.
Ein Haltbarkeitstest wurde durchgeführt, indem 3000 Mal ein Betriebszyklus wiederholt wurde, bei dem die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung nach einem in 4 dargestellten Muster verändert wurde (Vergleichsbeispiel). Zudem wurde ein Haltbarkeitstest durchgeführt, indem 3000 Mal ein Betriebszyklus wiederholt wurde, bei dem die von der Referenzspannungsvergleichsschaltung 35 verwendete Referenzspannung nach einem in 5 dargestellten Muster verändert wurde (Beispiel). Die Haltbarkeitsprüfungen des Vergleichsbeispiels und Beispiels wurden unter den gleichen Bedingungen durchgeführt, davon ausgenommen das Änderungsmuster der Referenzspannung. Zur Beurteilung der Kennlinien des Sensorelements wurde das Änderungsverhältnis zwischen der Sensorausgabe vor dem Haltbarkeitstest und der Sensorausgabe nach dem Haltbarkeitstest unter den folgenden Bedingungen gemessen. Ein Vierzylindermotor wurde mit einer Drehzahl von 2500 min^–1 betrieben. Von den vier Zylindern wurden drei Zylinder durch eine stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuerung gesteuert, und in den verbleibenden einen Zylinder wurde Kraftstoff in einer Menge eingespritzt, die 30% größer was als die Menge des von der stöchiometrischen Steuerung zugeführten Kraftstoffs. In diesem Zustand wurde die Sauerstoffkonzentration des Abgases durch Verwendung des Sensorelements des Vergleichsbeispiels und des Sensorelements des Beispiels gemessen. Infolge der 30% fetten Steuerung für nur einen Zylinder wies der Sensor-Ausgangsstrom, der die Sauerstoffkonzentration darstellt, eine Variation bei einer Frequenz von ca. 30 Hz auf. Die Amplitude dieser Schwankung wurde als Ansprechvermögen des Sensors festgelegt. Durch Ansetzen des Ansprechvermögens vor Haltbarkeitsprüfung als 100% wurde das Ansprechvermögen nach Haltbarkeitsprüfung ermittelt, und der Absolutwert der Differenz zwischen dem Ansprechvermögen vor Haltbarkeitsprüfung und dem Ansprechvermögen nach Haltbarkeitsprüfung wurde als Ansprechverschlechterungsrate verwendet. Das heißt, wenn das Ansprechvermögen nach der Haltbarkeitsprüfung 80% beträgt, wird die Ansprechverschlechterungsrate 20%. Es versteht sich, dass je kleiner die Ansprechverschlechterungsrate ist, desto kleiner die Verschlechterung des Ansprechverhaltens ist. Tabelle 1 zeigt die Ansprechverschlechterungsraten des Vergleichsbeispiels und Beispiels nach der oben beschriebenen Haltbarkeitsprüfung. Tabelle 1:

Ansprechverschlechterungsrate

Beispiel 2%

Vergleichsbeispiel 16%
Wie dies aus Tabelle 1 ersichtlich ist, liegt die Ansprechverschlechterungsrate in dem Vergleichsbeispiel bei 16%, während die Ansprechverschlechterungsrate des Beispiels 2% beträgt, was erheblich niedriger als beim Vergleichsbeispiel ist.
Unter Bezugnahme auf 6 wird nun eine zweite Ausführungsform beschrieben, in der die Gaskonzentrations-/Feuchtigkeitserfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. In der ersten Ausführungsform ist das Gassensorelement ein Doppelzellengassensorelement, das eine Sauerstoffpumpzelle und eine Referenzzelle aufweist. Im Gegensatz dazu ist das Gassensorelement in der zweiten Ausführungsform ein so genanntes Gassensorelement vom Grenzstrom-Typ, das eine einzige Zelle aufweist. Die vorliegende Erfindung ist mit der ersten Ausführungsform identisch, abgesehen vom Gassensorelement und von der Sensorsteuervorrichtung. In der Folge werden nur die Abschnitte beschrieben, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheiden. Insbesondere sind in den Zeichnungen die mit der ersten Ausführungsform übereinstimmenden Abschnitte mit gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet.
Die Details eines Grenzstromsensors 40 und einer Sensorsteuervorrichtung 70 werden unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Der Grenzstromsensor 40 weist eine Struktur auf, in der ein dünnes, langes plattenförmiges Sensorelement 50 in einem nicht dargestellten Gehäuse untergebracht ist. Der Grenzstromsensor 40 ist mit der Sensorsteuervorrichtung 70, die an einer Position getrennt vom Grenzstromsensor 40 angebracht ist, über einen Kabelbaum (nicht dargestellt) für die Ausgabe des Ausgangssignals des Sensorelements 50 elektrisch verbunden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere als ein Beispiel der Fall dargestellt, dass die Sensorsteuervorrichtung 70 zwischen dem Grenzstromsensor 40 und der ECU 5 vorgesehen ist und der Grenzstromsensor 40 und die Sensorsteuervorrichtung 70 eine Sensoreinheit 80 darstellen. Der ”Gassensor” in der vorliegenden Erfindung entspricht dem Grenzstromsensor 40; die ”Sensorsteuervorrichtung” in der vorliegenden Erfindung entspricht der mit dem Grenzstromsensor 40 verbundenen Sensorsteuervorrichtung 70; und das ”Sensorsteuersystem” in der vorliegenden Erfindung entspricht der Sensoreinheit 80. Natürlich kann die Art der Anordnung der Sensorsteuervorrichtung 70 frei geändert werden. Beispielsweise kann die Sensorsteuervorrichtung 70 in die ECU 5 integriert sein. In diesem Fall wird die Sensoreinheit durch den Grenzstromsensor 40 und die ECU 5 gebildet.
Zuerst wird der Aufbau des Sensorelements 50 beschrieben. Das Sensorelement 50 weist eine Struktur auf, bei der ein hauptsächlich aus Zirkoniumdioxid ausgebildeter Festelektrolytkörper 41 und die hauptsächlich aus Aluminiumoxid ausgebildeten Isoliersubstrate 44, 43, 17 und 18 in der Reihenfolge Isoliersubstrate 18 und 17, Isoliersubstrat 43, Festelektrolytkörper 41 und Isoliersubstrat 44 gestapelt sind. Ein Paar von hauptsächlich aus Platin ausgebildeten Elektroden 46 und 47 sind an entgegengesetzten Seiten des Festelektrolytkörpers 41 ausgebildet. Der Festelektrolytkörper 41 und die Isoliersubstrate 44, 43, 17 und 18 sind jeweils in Form einer länglichen Platte ausgebildet, und 6 zeigt Querschnitte dieser Glieder senkrecht zu ihrer Längsrichtung.
An einem Ende des Isoliersubstrats 43, bezogen auf dessen Längsrichtung, ist eine hohle Gaserfassungskammer 42 ausgebildet, deren eine Wandfläche durch den Festelektrolytkörper 41 ausgebildet ist und in die das zu messende Gas eingeleitet werden kann. Isolierende Distanzstücke, welche die Gaserfassungskammer 42 definieren, sind an in Breitenrichtung entgegengesetzten Enden der Gaserfassungskammer 42 vorgesehen. Die isolierenden Distanzstücke weisen Gaseinlassöffnungen (nicht dargestellt) auf, um das zu messende Gas in die Gaserfassungskammer 42 einzuleiten und gleichzeitig die Strömungsrate des zu messenden Gases zu begrenzen. Insbesondere ist die Elektrode 47 an dem Festelektrolytkörper 41 dem Innenraum der Gaserfassungskammer 42 ausgesetzt.
Insbesondere ist ein hauptsächlich aus Platin ausgebildeter wärmeerzeugender Widerstand 26 zwischen den Isoliersubstraten 17 und 18 angeordnet und vergraben. Die Isoliersubstrate 17 und 18 und der wärmeerzeugende Widerstand 26 arbeiten als Heizung zum Erwärmen des Festelektrolytkörpers 41 für die Aktivierung.
Die Oberfläche der Elektrode 46 an dem Festelektrolytkörper 41 ist mit einer aus Keramik (zum Beispiel Aluminiumoxid) ausgebildeten porösen Schutzschicht 45 bedeckt. Das heißt, diese Schutzschicht 45 verhindert eine Schädigung der Elektrode 46, die ansonsten durch giftige Inhaltsstoffe des Abgases, wie Silizium, verursacht würde. Das auf dem Festelektrolytkörper 41 aufliegende Isoliersubstrat 44 weist eine Öffnung auf, so dass das Isoliersubstrat 44 die Elektrode 46 nicht abdeckt, und die Schutzschicht 45 ist innerhalb der Öffnung vorgesehen.
Bei dem Sensorelement 50 der oben beschriebenen Ausgestaltung arbeiten der Festelektrolytkörper 41 und die an dessen entgegengesetzten Flächen vorgesehenen paarigen Elektroden 46 und 47 als Sauerstoffpumpzelle, die Sauerstoff von draußen in die Gaserfassungskammer 42 hineinpumpt oder Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 42 nach draußen pumpt (nachfolgend werden der Festelektrolytkörper 41 und das Elektrodenpaar 46 und 47 zusammen als ”Ip-Zelle” bezeichnet). Die Funktionsweise der Ip-Zelle wird später noch im Detail beschrieben.
Als nächstes folgt die Beschreibung der mit dem Sensorelement 50 verbundenen Sensorsteuervorrichtung 70. Die Sensorsteuervorrichtung 70 besteht hauptsächlich aus einem Mikrocomputer 9 und einem Stromkreisabschnitt 60. Der Mikrocomputer 9 ist ein Mikrocomputerchip, auf dem eine CPU 6, ein ROM 7, ein RAM 8 (mit bekannten Ausgestaltungen) usw. montiert sind. Insbesondere speichert der ROM 7 beispielsweise ein Steuerprogramm, um die CPU 6 zur Durchführung verschiedener Arten von Verarbeitungen zu veranlassen.
Der Stromkreisabschnitt 60 besteht aus einer Heizungsbestromungssteuerschaltung 31, einer Pumpspannungsanlegeschaltung 61 und einer Pumpstromerfassungsschaltung 36.
Die Heizungsbestromungssteuerschaltung 31 legt eine Spannung Vh an entgegengesetzte Enden des wärmeerzeugenden Widerstands 26 an und regelt gleichzeitig die Spannung per PWM, um dadurch die Erzeugung von Wärme durch den wärmeerzeugenden Widerstand 26 zu bewirken und so die Ip-Zelle zu erwärmen. Die Pumpspannungsanlegeschaltung 61 legt eine vorherbestimmte Spannung zwischen den Elektroden 46 und 47 der Ip-Zelle an. Die Pumpstromerfassungsschaltung 36 erfasst den zwischen den Elektroden 46 und 47 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip, wenn die vorherbestimmte Spannung angelegt wird, wandelt den erfassten Pumpstrom in eine Spannung um und gibt die Spannung als Erfassungssignal an den Mikrocomputer 9 aus.
In der vorliegenden Erfindung werden drei Anlegespannungen (eine erste Anlegespannung, eine zweite Anlegespannung und eine dritte Anlegespannung) als von der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 angelegte Spannung verwendet. Die erste Anlegespannung wird auf eine Spannung (z. B. 450 mV) eingestellt, die so bestimmt ist, dass die enthaltene Feuchte (H₂O) des in die Gaserfassungskammer 42 eingeleiteten zu messenden Gases nicht wesentlich dissoziiert, und der Grenzstrom, welcher der Sauerstoffkonzentration in der Gaserfassungskammer 42 entspricht, kann gemessen werden.
Die zweite Anlegespannung wird auf eine Spannung (z. B. 1.000 mV) eingestellt, die so bestimmt ist, dass die enthaltene Feuchte (H₂O) des in die Gaserfassungskammer 42 eingeleiteten zu messenden Gases dissoziiert, und der Grenzstrom, welcher der Sauerstoffkonzentration in der Gaserfassungskammer 42 entspricht, kann gemessen werden.
Die dritte Anlegespannung wird auf eine Spannung (z. B. 200 mV) eingestellt, die so bestimmt ist, dass die enthaltene Feuchte (H₂O) des in die Gaserfassungskammer 42 eingeleiteten zu messenden Gases nicht wesentlich dissoziiert, und es wird Sauerstoff in die Gaserfassungskammer 42 hineingepumpt.
In der oben beschriebenen Pumpspannungsanlegeschaltung 61 wird gewöhnlich die erste Spannung verwendet, und die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases wird auf Grundlage des Pumpstroms Ip berechnet. In dem Fall der Feuchtigkeitserfassung wird indessen die zweite Anlegespannung verwendet, und nach Beendigung der Feuchtigkeitserfassung wird die Anlegespannung auf die dritte Anlegespannung geändert, bevor sie zur ersten Anlegespannung gewechselt wird. Dies wird in der Folge noch näher beschrieben. Insbesondere entspricht die Pumpspannungsanlegeschaltung 61 dem ”Spannungsanlegemittel” der vorliegenden Erfindung; und die Pumpstromerfassungsschaltung 36 entspricht dem ”Pumpstromerfassungsmittel” der vorliegenden Erfindung.
Als nächstes wird der Vorgang des Erfassens der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases (Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) mit Hilfe des Grenzstromsensors 40 kurz beschrieben. Wird die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases gemessen, wird in der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 die erste Anlegespannung (z. b. 450 mV) eingestellt (verwendet), Wenn die erste Anlegespannung angelegt wird, fließt als Pumpstrom ein Grenzstrom, welcher der in der Gaserfassungskammer 42 vorliegenden Sauerstoffkonzentration entspricht. Die Pumpstromerfassungsschaltung erfasst hierbei den Pumpstrom und gibt ihn als ein der Sauerstoffkonzentration entsprechendes Signal an den Mikrocomputer 9 aus.
Der Pumpstrom Ip zu diesem Zeitpunkt wird insbesondere von der Pumpstromerfassungsschaltung 36 in eine Spannung umgewandelt, und die Spannung wird über die Sensorsteuervorrichtung als Ausgangssignal (Erfassungssignal) des Grenzstromsensors 40 an die ECU 5 ausgegeben. In der ECU 5 kann die Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases (das heißt: das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) auf Grundlage der Größenordnung des vom Grenzstromsensor 40 ausgegebenen Pumpstroms Ip bestimmt werden.
Nunmehr wird die in der Sensorsteuervorrichtung 70 ausgeführte Hauptverarbeitung unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Zwischen der Hauptverarbeitung der ersten Ausführungsform (3) und der Hauptverarbeitung der zweiten Ausführungsform besteht folgender Unterschied. In der ersten Ausführungsform erfolgt die Schaltung der Referenzspannung mit der ersten Sollspannung, der zweiten Sollspannung und der dritten Sollspannung. Im Gegensatz dazu erfolgt in der zweiten Ausführungsform die Schaltung der an die Sauerstoffpumpzelle angelegten Spannung mit der ersten Anlegespannung, der zweiten Anlegespannung und der dritten Anlegespannung.
Wie dies in 7 dargestellt ist, führt die CPU 6 eine Ersteinstellung in der Sensorsteuervorrichtung 70 aus (S1) und beurteilt, ob der Zeitpunkt für die Feuchtigkeitserfassung gekommen ist oder nicht (S2).
Falls die CPU 6 in S2 urteilt, dass der Feuchtigkeitserfassungszeitpunkt eingetreten ist, setzt die CPU 6 mit S25 fort. In S25 liest die CPU 6 über die Pumpstromerfassungsschaltung 36 als ”Ip_primär” den zwischen den Elektroden 46 und 47 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip in einem Zustand, in dem die von der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 angelegte Spannung die erste Anlegespannung (z. B. 450 mV) ist. Der gelesene Ip_primär wird in dem RAM 8 gespeichert. Anschließend ändert die CPU 6 die von der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 verwendete Spannung von der ersten Anlegespannung auf die zweite Anlegespannung (z. B. 1000 mV) (S26).
Anschließend fährt die CPU 6 mit S27 fort. In S27 liest die CPU 6 über die Pumpstromerfassungsschaltung 36 als ”Ip_sekundär” den zwischen den Elektroden 46 und 47 der Ip-Zelle fließenden Pumpstrom Ip in einem Zustand, in dem die von der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 angelegte Spannung von der ersten Anlegespannung auf die zweite Anlegespannung geändert wurde. Der gelesene ”Ip_sekundär” wird in dem RAM 8 gespeichert.
Als nächstes berechnet die CPU 6 den Feuchtegehalt des zu messenden Gases anhand der in dem RAM 8 gespeicherten Werte ”Ip_primär” und ”Ip_sekundär” (S28). In S28 subtrahiert die CPU 6 den ”Ip_primär” vom ”Ip_sekundär” und erhält so die Differenz aus beiden, d. h. die Ip-Stromdifferenz. Diese Ip-Stromdifferenz zeigt die Konzentration an Sauerstoff, die aus der Feuchtigkeit des zu messenden Gases (also aus dem Feuchtegehalt des zu messenden Gases) herrührt und somit die Feuchtigkeit des gemessenen Gases anzeigt.
Insbesondere wird bevorzugt, dass der ”Ip_primär”, der in S28 zur Berechnung des Feuchtegehaltes verwendet wird, in S25 unmittelbar vor S26 gelesen wird, wo die von der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 angelegte Spannung von der ersten Anlegespannung auf die zweite Anlegespannung geändert wird. Dies vermindert die Zeitdifferenz zwischen dem Erfassungszeitpunkt des ”Ip_primär” und dem Erfassungszeitpunkt des ”Ip_sekundär”, um dadurch das Problem einzuschränken, dass die Feuchtigkeit sich zwischen der Erfassung des ”Ip_primär” und der Erfassung des ”Ip_sekundär” ändert.
Als nächstes geht die CPU 6 auf S29 über und ändert die von der Pumpspannungsanlegeschaltung 61 angelegte Spannung von der zweiten Anlegespannung auf die dritte Anlegespannung (z. B. 200 mV).
Nach Beendigung der Verarbeitung von S29 fährt die CPU 6 mit S30 fort und beurteilt, ob eine vorherbestimmte Zeit t3 abgelaufen ist oder nicht. Mit Ablauf der vorherbestimmten Zeit t3 setzt die CPU 6 mit S31 fort, um die Anlegespannung von der dritten Anlegespannung auf die erste Anlegespannung zu ändern. Die vorherbestimmte Zeit t3 wird als Haltezeit eingestellt, während der die Anlegespannung auf der dritten Anlegespannung gehalten werden muss, um das reduzierte Metalloxid des Festelektrolytkörpers zu oxidieren.
Nach Beendigung der Verarbeitung von S31 fährt die CPU 6 mit S32 fort und beurteilt, ob nach erfolgter Änderung der Anlegespannung auf die erste Anlegespannung eine vorherbestimmte Zeit t4 abgelaufen ist oder nicht. Mit Ablauf der vorherbestimmten Zeit t4 setzt die CPU 6 mit S4 fort und beendet die Feuchtigkeitserfassung. Die vorherbestimmte Zeit t4 wird so eingestellt, dass, nachdem die Anlegespannung auf die erste Anlegespannung geändert wurde, gewartet wird, bis der Sauerstoffpumpstrom stabil wird, bevor die übliche Erfassung der Sauerstoffkonzentration erfolgt.
Die dritte Anlegespannung kann eine beliebige Spannung gleich oder kleiner als die erste Anlegespannung sein und kann 0 V betragen. Die dritte Anlegespannung und die vorherbestimmte Zeit t3 können durch Ausführen einer Vorab-Prüfung entsprechend der Größenordnung der zweiten Anlegespannung, der Haltezeit der zweiten Anlegespannung sowie dem Material und der Dicke des Festelektrolytkörpers des Gassensorelements bestimmt werden. Die vorherbestimmte Zeit t3 kann so bestimmt werden, dass die vorherbestimmte Zeit t3 desto kürzer ist, je niedriger die dritte Anlegespannung ist.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise verändert werden, ohne dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verlassen wird. In den oben beschriebenen Ausführungsformen besteht das Ziel in der Feuchtigkeitserfassung zur Korrektur der Kennlinien eines Sauerstoffsensors entsprechend der durch Verwendung des Sauerstoffsensors erfassten Feuchtigkeit der Atmosphäre, und die Feuchtigkeitserfassung wird zum Zeitpunkt der Kraftstoffunterbrechung ausgeführt. Die Feuchtigkeitserfassung kann jedoch zu jedem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, beispielsweise beim Start des Fahrzeugmotors.
Zusammenfassend soll eine Sensorsteuervorrichtung für einen Gassensor bereitgestellt werden, der eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst. Die Sensorsteuervorrichtung kann die Konzentration der besonderen Gaskomponente und die Feuchtigkeit des zu messenden Gases genau messen und dabei das Auftreten von Schwärzungen eines Festelektrolytkörpers des Gassensors eindämmen. Falls die Feuchtigkeitserfassung mit einem Gassensor vom elektromotorischen Kraftzellentyp durchgeführt wird, ändert eine Sensorsteuervorrichtung 3 eine Sollspannung einer elektromotorischen Kraftzelle auf eine zweite Sollspannung für die Feuchtigkeitserfassung und anschließend auf eine dritte Sollspannung, die kleiner ist als eine erste Sollspannung, die für die Erfassung der Konzentration der besonderen Gaskomponente verwendet wird. Falls die Feuchtigkeitserfassung mit einem Gassensors vom Strombegrenzungstyp durchgeführt wird, ändert die Sensorsteuervorrichtung die an eine Pumpzelle angelegte Spannung auf eine zweite Anlegespannung für die Feuchtigkeitserfassung und anschließend auf eine dritte Anlegespannung, die kleiner ist als eine erste Anlegespannung, die für die Erfassung der Konzentration der besonderen Gaskomponente verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Vollbereichssensor
3: Sensorsteuervorrichtung
4: Sensoreinheit
9: Mikrocomputer
10: Sensorelement
11: Festelektrolytkörper
13: Festelektrolytkörper
32: Pumpstromansteuerungsschaltung
33: Spannungsausgangsschaltung
34: Schwachstromversorgungsschaltung
35: Referenzspannungsvergleichsschaltung
36: Pumpstromerfassungsschaltung
100: Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5021697 [0004]
JP 63-85351 [0004]

Claims

Sensorsteuervorrichtung (3), die mit einem Gassensor (1) zu verbinden ist, der eine elektromotorische Kraftzelle mit einem ersten Festelektrolytkörper (13) und einem an dem ersten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar von ersten Elektroden (21, 22) und eine Pumpzelle mit einem zweiten Festelektrolytkörper (11) und einem an dem zweiten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar von zweiten Elektroden (19, 20) umfasst und der eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst, wobei die Sensorsteuervorrichtung umfasst: Stromsteuermittel (32, 33, 35) zum Steuern eines zwischen dem Paar zweiter Elektroden fließenden Pumpstroms, so dass eine zwischen dem Paar erster Elektroden erzeugte elektromotorische Kraftzellenspannung gleich einer Sollspannung wird; Pumpstromerfassungsmittel (36) zum Erfassen des Pumpstroms; Spannungseinstellmittel (3) zum Einstellen der Sollspannung auf eine erste Sollspannung, eine zweite Sollspannung und eine dritte Sollspannung in eben dieser Reihenfolge, wobei die erste Sollspannung eine Spannung ist, bei der eine in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte nicht wesentlich dissoziiert und die verwendet wird, wenn die besondere Gaskomponente erfasst wird, wobei die zweite Sollspannung eine Spannung ist, bei der die in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte dissoziiert, und wobei die dritte Sollspannung niedriger als die erste Sollspannung ist; und Steuermittel (3, S8) zum Erfassen der Feuchtigkeit des zu messenden Gases aus einer Differenz zwischen dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die Sollspannung die erste Sollspannung ist, und dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die Sollspannung die zweite Sollspannung ist.
Sensorsteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel (3) dem Pumpstromerfassungsmittel das Erfassen des Pumpstroms bei Ablauf einer vorherbestimmten Zeit gestattet, nachdem die Sollspannung durch das Spannungseinstellmittel (3) von der dritten Sollspannung auf die erste Sollspannung geändert wurde.
Sensorsteuervorrichtung (70), die mit einem Gassensor (40) zu verbinden ist, der eine Sauerstoffpumpzelle umfasst, die einen Festelektrolytkörper (41), eine an einer Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildete erste Elektrode (46) und eine an der anderen Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildete zweite Elektrode (47) aufweist, und die eine in einem zu messenden Gas enthaltene besondere Gaskomponente erfasst, wobei die Sensorsteuervorrichtung umfasst: Spannungsanlegemittel (70) zum Anlegen einer ersten Anlegespannung, einer zweiten Anlegespannung und einer dritten Anlegespannung in eben dieser Reihenfolge an die Sauerstoffpumpzelle, wobei die erste Anlegespannung eine Spannung ist, bei der eine in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte nicht wesentlich dissoziiert und die verwendet wird, wenn die besondere Gaskomponente erfasst wird, wobei die zweite Anlegespannung eine Spannung ist, bei der eine in dem zu messenden Gas enthaltene Feuchte dissoziiert, und wobei die dritte Anlegespannung niedriger als die erste Anlegespannung ist; Pumpstromerfassungsmittel (36) zum Erfassen des durch die Sauerstoffpumpzelle fließenden Pumpstroms; und Steuermittel (70) zum Erfassen der Feuchtigkeit des zu messenden Gases aus einer Differenz zwischen dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die erste Anlegespannung an die Sauerstoffpumpzelle angelegt wird, und dem Pumpstrom zu dem Zeitpunkt, an dem die zweite Anlegespannung an die Sauerstoffpumpzelle angelegt wird.
Sensorsteuervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Steuermittel dem Pumpstromerfassungsmittel (70) das Erfassen des Pumpstroms bei Ablauf einer vorherbestimmten Zeit gestattet, nachdem die an die Sauerstoffpumpzelle angelegte Spannung durch das Spannungsanlegemittel (70) von der dritten Anlegespannung auf die erste Anlegespannung geändert wurde.
Sensorsteuersystem (4), umfassend: einen Gassensor (1), der eine elektromotorische Kraftzelle mit einem ersten Festelektrolytkörper (13) und einem an dem ersten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar von ersten Elektroden (21, 22) und eine Pumpzelle mit einem zweiten Festelektrolytkörper (11) und einem an dem zweiten Festelektrolytkörper ausgebildeten Paar von zweiten Elektroden (19, 20) umfasst; und eine Sensorsteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2.
Sensorsteuersystem (80), umfassend: einen Gassensor (40), der eine Sauerstoffpumpzelle mit einem Festelektrolytkörper (41), eine an einer Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildete erste Elektrode (46) und eine an der anderen Fläche des Festelektrolytkörpers ausgebildete zweite Elektrode (47) umfasst; und eine Sensorsteuervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4.