DE102017110515A1

DE102017110515A1 - Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung

Info

Publication number: DE102017110515A1
Application number: DE102017110515.8A
Authority: DE
Inventors: Satoru Abe; Tomonori Uemura; Tetsuya Ito; Satoshi Teramoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2017-05-15
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US10082480B2; US20170336342A1; JP2017207396A

Abstract

Es soll eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung bereitgestellt werden, die dazu eingerichtet ist, eine Gaskonzentration in dem Fall genau zu detektieren, dass die Gaskonzentration unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors vom Grenzstromtyp detektiert wird. Hierzu wird in Schritt 160 bestimmt, ob der Pumpstrom I'p gleich oder größer als 0 [mA] ist oder nicht. Da der Pumpstrom I'p gleich oder größer als 0 [mA] ist und somit angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, wird in Schritt 170 der Widerstand R1 für mager als ein Widerstand R eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 130 zurück. Das heißt, um die Korrekturformel (1) als eine Anlegespannungslinie ID für einen mageren Fall zu verwenden, wird der Widerstand R1 für mager als der Widerstand R verwendet. Da der Pumpstrom I'p kleiner als 0 [mA] ist und somit angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist, wird im Schritt 180 ein Widerstand R2 für fett als der Widerstand R eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 130 zurück. Das heißt, um die Korrekturformel (2) als eine Anlegespannungslinie ID für einen fetten Fall zu verwenden, wird der Widerstand R2 (hier ist R1 < R2) für fett als der Widerstand R verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung zum Detektieren der Konzentration eines spezifischen Gases, das in einem zu messenden Gas enthalten ist.
Herkömmlicherweise ist ein Luft-Kraftstoff-Sensor vom Grenzstromtyp bekannt, zum Beispiel als eine Einrichtung zum Detektieren der Konzentration (d. h. eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses: A/F) von Sauerstoff in einem Abgas, das aus einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs ausgetragen wird. Dieser Typ Luft-Kraftstoff-Sensor weist als ein Sensorelement zum Beispiel ein Festelektrolyt und ein Paar von Elektroden auf, die dem Festelektrolyten bereitgestellt werden, und ist so ausgelegt, dass Strom (Pumpstrom Ip) entsprechend der Sauerstoffkonzentration aufgrund von Spannung (Anlegespannung Vp) fließt, die zwischen dem Paar von Elektroden angelegt wird.
4(A) zeigt Ausgabekenndaten, welche die Beziehung zwischen dem Pumpstrom Ip und der Anlegespannung Vp des oben genannten Sensorelements angeben. Bei den Ausgabekenndaten ist bekannt, dass es einen ebenen Bereich parallel zur Spannungsachse gibt, d. h. einen Bereich (Grenzstrombereich) GD des Grenzstroms, in dem der Pumpstrom Ip konstant ist. Zusätzlich ist bekannt, dass sich der Pumpstrom Ip im Grenzstrombereich GD erhöht, wenn sich die Sauerstoffkonzentration erhöht.
Daher wird herkömmlicherweise eine Anlegespannung Vp entsprechend dem Grenzstrombereich GD an das Sensorelement angelegt, und die Sauerstoffkonzentration wird anhand des durch das Anlegen ermittelten Pumpstroms Ip detektiert. Das heißt, die Sauerstoffkonzentration (d. h. das Luft-Kraftstoff-Verhältnis) wird durch ein sogenanntes Grenzstromverfahren detektiert.
Bei der oben genannten Technik ist es, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis genau zu detektieren, nötig, die Anlegespannung Vp in einem Bereich anzusteuern, der dem Grenzstrombereich GD entspricht. Daher wird normalerweise unter Verwendung einer linearen Funktion, die eine gerade Linie angibt, eine Anlegespannungslinie ID eingestellt, die das Verhältnis zwischen der Anlegespannung Vp und dem Pumpstrom Ip angibt (um die Anlegespannung Vp zu bestimmen), und dann wird die Anlegespannung Vp unter Verwendung der Anlegespannungslinie ID bestimmt.
Wie allerdings in der 4(B) gezeigt wird, ändern sich die Ausgabekenndaten und der Grenzstrombereich GD abhängig von der Temperatur (Seite H mit hoher Temperatur, Seite L mit niedriger Temperatur). Daher ist in den vergangenen Jahren ein neues Verfahren zum Einstellen der Anlegespannungslinie ID vorgeschlagen worden (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
Bei diesem Einstellungsverfahren wird die Anlegespannungslinie ID unter Verwendung einer einzigen geraden Linie (lineare Funktion) eingestellt, um so durch einen Bereich zu laufen, in dem die Grenzstrombereiche GD mehrerer Ausgabekenndaten (Seite H mit hoher Temperatur, Seite L mit niedriger Temperatur) für unterschiedliche Temperaturbedingungen einander überlappen.
Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. 4124119
Allerdings ist die herkömmliche Technik, bei der die Anlegespannungslinie ID unter Verwendung einer einzigen geraden Linie eingestellt wird, indem, wie oben beschrieben wird, lediglich eine Temperaturbedingung berücksichtigt wird, nicht immer ausreichend.
Das heißt, tatsächlich variiert der Widerstandswert des Festelektrolyten abhängig von der Gasatmosphäre (d. h. der Sauerstoffkonzentration) oder von jedem Sensorelement, und daher besteht die Möglichkeit, dass sich die Detektionsgenauigkeit für die Sauerstoffkonzentration verschlechtert.
Selbst wenn die Temperaturbedingung berücksichtigt wird, kann zum Beispiel, abhängig von der Sauerstoffkonzentration (zum Beispiel bei einem fetten Fall, in dem die Kraftstoffmenge größer als in einem stöchiometrischen Zustand ist), die Anlegespannungslinie ID bei Verwendung einer einzigen geraden Linie von den Grenzstrombereichen GD abweichen. Selbst wenn das Ansteuern unter Verwendung der Anlegespannungslinie ID durchgeführt wird, kann in einem derartigen Fall die Sauerstoffkonzentration nicht genau detektiert werden.
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Gaskonzentration für den Fall genau zu detektieren, dass die Gaskonzentration unter Verwendung eines Gaskonzentrationssensors vom Grenzstromtyp detektiert wird.

(1) Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung, die für einen Gaskonzentrationssensor eingerichtet ist, der ein Sensorelement umfasst, das einen Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar von Elektroden, die auf dem Festelektrolyten ausgebildet sind, aufweist, wobei die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Spannung zwischen dem Paar von Elektroden auf Basis einer Anlegespannungslinie anzulegen, die eine lineare Funktion mit einem Achsenschnittpunkt bei einem vorbestimmten Spannungswert ist, Grenzstrom zu detektieren, der zwischen dem Paar von Elektroden in Übereinstimmung mit der Spannung fließt, und eine Gaskonzentration einer spezifischen Komponente in einem zu messenden Gas auf Basis des Grenzstroms zu detektieren.

Bei dieser Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung wird die Anlegespannungslinie in einem Detektionsbereich zum Detektieren der Gaskonzentration so eingestellt, dass sie durch mehrere Grenzstrombereiche läuft: jeweilige Grenzstrombereiche für unterschiedliche Werte der Gaskonzentration und einen Bereich, in dem Grenzstrombereiche für unterschiedliche Temperaturbedingungen des Sensorelements einander überlappen. Zusätzlich wird, als ein Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung der Anlegespannungslinie, ein Verhältnis für mager eingestellt, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das der Gaskonzentration entspricht, mager ist, und ein Verhältnis für fett, das sich vom Verhältnis für mager unterscheidet, wird eingestellt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist.
Somit wird im ersten Aspekt als eine Basisausgestaltung die Anlegespannungslinie so eingestellt, dass sie durch jeweilige Grenzstrombereiche für unterschiedliche Gaskonzentrationen läuft und durch einen Bereich, in dem jeweilige Grenzstrombereiche für unterschiedliche Temperaturbedingungen des Sensorelements einander überlappen.
Zusätzlich wird im ersten Aspekt in der oben beschriebenen Basiskonfiguration, als das Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung der Anlegespannungslinie (welches eine lineare Funktion ist), das Verhältnis für mager eingestellt, was dem Fall entspricht, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das der Gaskonzentration entspricht, mager ist, und das Verhältnis für fett wird eingestellt, das sich vom Verhältnis für mager unterscheidet und dem Fall entspricht, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist.
Daher ist es möglich, die Gaskonzentration genau zu detektieren (insbesondere das Luft-Kraftstoff-Verhältnis).
Das heißt, sogar für den Fall, dass die Temperaturbedingung berücksichtigt wird, die zum Beispiel von der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen abhängig ist, kann die Anlegespannungslinie, die eine einzige gerade Linie verwendet, von einigen Grenzstrombereichen abweichen, und in diesem Fall kann es unmöglich sein, zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration genau zu detektieren, selbst wenn das Ansteuern unter Verwendung dieser Anlegespannungslinie durchgeführt wird.
Im ersten Aspekt wird allerdings ein Verhältnis (d. h. ein Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung), das sich zwischen einem mageren Fall und einem fetten Fall unterscheidet, eingestellt, wodurch verhindert werden kann, dass die Anlegespannungslinie von den Grenzstrombereichen abweicht. Durch Verwenden der Anlegespannungslinie, die, wie oben beschrieben wird, eingestellt ist, ist es daher möglich, die Gaskonzentration (insbesondere das Luft-Kraftstoff-Verhältnis) mit höherer Genauigkeit zu detektieren.

(2) In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Verhältnis für mager so eingestellt, dass es größer als das Verhältnis für fett ist.

Der zweite Aspekt zeigt beispielhaft ein bevorzugtes Einstellungsverfahren für das Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung. Indem somit das Verhältnis für mager und das Verhältnis für fett eingestellt werden, ist es möglich, eine bevorzugte Anlegespannungslinie einzustellen (d. h. eine Anlegespannungslinie, bei der es unwahrscheinlich ist, dass sie von den Grenzstrombereichen abweicht), die mit den tatsächlichen Spannungs-Strom-Kenndaten übereinstimmt.

(3) In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Umschalten zwischen dem Verhältnis für fett und dem Verhältnis für mager auf der Basis des Grenzstroms, der zwischen dem Paar von Elektroden fließt, durchgeführt. Der dritte Aspekt zeigt beispielhaft ein bevorzugtes Einstellungsverfahren für das Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung. Da der Grenzstrom, der zwischen dem Paar von Elektroden fließt, der Gaskonzentration entspricht (insbesondere dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis), wird das Umschalten zwischen dem Verhältnis für mager und dem Verhältnis für fett in Übereinstimmung mit dem Grenzstrom durchgeführt, wodurch die Anlegespannungslinie eingestellt werden kann, bei der es unwahrscheinlich ist, dass sie von den Grenzstrombereichen abweicht.
(4) In einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, das Verhältnis für mager verwendet, und wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von mager nach fett geändert wird, wird das Verhältnis für mager in einem Hysteresebereich auf der fetten Seite verwendet, der in einem vorbestimmten Bereich auf der fetten Seite eines stöchiometrischen Zustands eingestellt ist.

Im vierten Aspekt wird die Hysterese für eine Zeitvorgabe des Umschaltens zwischen dem Verhältnis für mager und dem Verhältnis für fett eingestellt.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von mager nach fett geändert wird, wird das Verhältnis für mager in dem Hysteresebereich der fetten Seite verwendet. Wenn dann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (auf der fetten Seite) den Hysteresebereich der fetten Seite überschreitet, wird das Umschalten zum Verhältnis für fett durchgeführt.
Wenn zum Beispiel das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch wird, wird eine Zeitvorgabe für das Umschalten verschoben, anstatt unmittelbar zwischen dem Verhältnis für mager und dem Verhältnis für fett umzuschalten, wodurch verhindert werden kann, dass das Umschalten zwischen dem Verhältnis für mager und dem Verhältnis für fett in einem stöchiometrischen Zustand häufig durchgeführt wird.
Insbesondere für den Fall, dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis als ein stöchiometrisches Verhältnis eingestellt ist, kann häufiges Umschalten zwischen dem Verhältnis für mager und dem Verhältnis für fett durch Einstellung von Hysterese, wie oben beschrieben wird, verhindert werden, und daher besteht ein Vorteil darin, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stabil auf das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis angesteuert werden kann.

(5) In einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist, das Verhältnis für fett verwendet, und wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von fett nach mager geändert wird, wird das Verhältnis für fett in einem Hysteresebereich auf der mageren Seite verwendet, der in einem vorbestimmten Bereich auf der mageren Seite eines stöchiometrischen Zustands eingestellt ist.

Im fünften Aspekt wird, wie im vierten Aspekt, die Hysterese für eine Zeitvorgabe des Umschaltens zwischen dem Verhältnis für mager und dem Verhältnis für fett eingestellt. Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von fett nach mager geändert wird, wird das Verhältnis für fett im Hysteresebereich der mageren Seite verwendet. Wenn dann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (auf der mageren Seite) den Hysteresebereich der mageren Seite überschreitet, wird das Umschalten zum Verhältnis für mager durchgeführt.
In dem fünften Aspekt wird die gleiche Wirkung wie in dem vierten Aspekt bereitgestellt.
Nachfolgend werden Konfigurationen der vorliegenden Erfindung beschrieben

• Der Grenzstrom ist, wie allgemein bekannt ist, ein Stromwert in einem Bereich (Grenzstrombereich), in dem sich, selbst wenn sich die zwischen dem Paar von Elektroden angelegte Spannung ändert, der Wert des Stroms, der zwischen dem Paar von Elektroden fließt, nicht wesentlich ändert. Der Grenzstrom entspricht einer Gaskonzentration (z. B. der Sauerstoffkonzentration oder dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis).
• Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) ist das Massenverhältnis von Luft (A) in Bezug auf Kraftstoff (F). Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, gibt hier das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an, dass die Kraftstoffmenge kleiner als bei einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis (stöchiometrischer Zustand) ist, und wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist, gibt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis an, dass die Kraftstoffmenge größer als in einem stöchiometrischen Zustand ist.
• Die Anlegespannungslinie weist bei einem vorbestimmten Spannungswert einen Achsenschnittpunkt auf und definiert durch eine lineare Funktion die Beziehung zwischen der zwischen dem Paar von Elektroden angelegten Spannung und dem Strom, der durch das Paar von Elektroden fließt (wenn die Spannung angelegt ist). Die Anlegespannungslinie ist so eingestellt, dass sie für mehrere Gaskonzentrationen (insbesondere Luft-Kraftstoff-Verhältnisse) durch mehrere Grenzstrombereiche läuft.

Daher kann unter Verwendung der Anlegespannungslinie, zum Beispiel durch Einstellung des Stroms, die zwischen dem Paar von Elektroden angelegte Spannung berechnet werden.
Als eine Formel, welche die Anlegespannungslinie angibt, kann für den Fall, dass die Formel in einem Spannungs-Strom-Koordinatensystem (wie im x-y-Koordinatensystem) dargestellt wird, die folgende Formel (A) verwendet werden. Spannung Vp = Strom Ip × α + fester Wert a (A)
Hier kann als α ein Innenwiderstand Ri für Gleichstrom des Sensorelements (insbesondere des Festelektrolyten) verwendet werden. Es ist anzumerken, dass der feste Wert a ein Achsenschnittpunkt mit dem Spannungswert (beim Strom Ip = 0) ist.
Die Formel (A) kann in die folgende Formel (B) umgeformt werden. Strom Ip = Spannung Vp × ß + fester Wert b (B)
Hier ist ß der Reziprokwert von α und kann als (1/Ri) dargestellt werden. Es ist anzumerken, dass der feste Wert b ein Achsenschnittpunkt mit dem Stromwert (bei der Spannung Vp = 0) ist.
Es ist anzumerken, dass das „Verhältnis (ΔIp/ΔVp) der Änderung (ΔIp) des Stroms in Bezug auf die Änderung (ΔVp) der Spannung“ zum Beispiel ß in Formel (B) entspricht. Das heißt zum Beispiel, dass für den Fall der Darstellung der Anlegespannungslinie in einem Spannungs-Strom-Koordinatensystem, wie es in der 4(A) gezeigt wird, ß eine Steigung der Anlegespannungslinie ID ist.

• Die Hysterese auf der fetten Seite ist eine Verlaufswirkung (Verlaufsphänomen), die das Verhältnis für mager während einer vorbestimmten Periode hält, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der mageren Seite zur fetten Seite geändert wird. Die Hysterese auf der mageren Seite ist eine Verlaufswirkung (Verlaufsphänomen), die das Verhältnis für fett während einer vorbestimmten Periode hält, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der fetten Seite zur mageren Seite geändert wird.

Eine derartige Hysterese kann zum Beispiel auf Basis des Grenzstroms eingestellt werden, der zwischen dem Paar von Elektroden fließt. Zusätzlich kann die Hysterese zum Beispiel auf Basis eines Zählers eingestellt werden, der sich als Reaktion auf die von einem stöchiometrischen Zustand abgelaufene Zeit ändert.
Die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung der vorliegenden Erfindung stellt eine Wirkung bereit, die Detektionsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases in einem zu messenden Gas zu verbessern.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hierbei zeigt:
1 eine erläuternde Ansicht, welche die Systemausgestaltung eines Luft-Kraftstoff-Sensors und einer Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung in der ersten Ausführungsform zeigt;
2 eine erläuternde Schnittansicht eines Sensorelements in der ersten Ausführungsform entlang einer Dickenrichtung (d. h. A-A-Querschnitt in der 3), die auch die elektrische Ausgestaltung zeigt;
3 eine erläuternde Teilschnittansicht des Sensorelements in der ersten Ausführungsform, gesehen aus der Dickenrichtung;
4(A) eine Kurve, die eine Basisbeziehung (U-I-Kenndaten) zwischen Spannung und Strom des Luft-Kraftstoff-Sensors zeigt und die einen Grenzstrombereich zeigt, der sich in Übereinstimmung mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis ändert;
4(B) eine Kurve, die eine Basisbeziehung (U-I-Kenndaten) zwischen Spannung und Strom des Luft-Kraftstoff-Sensors zeigt und die einen vom Widerstand dominierten Bereich und einen Grenzstrombereich zeigt, die sich in Übereinstimmung mit einer Temperatur des Elements ändern.
5 eine Kurve, die eine Anlegespannungslinie in der ersten Ausführungsform zeigt, die durch die Korrekturformel (1) und die Korrekturformel (2) eingestellt wird.
6 ein Flussdiagramm, das einen Ansteuerungsprozess für die Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektion in der ersten Ausführungsform zeigt.
7 eine Kurve, die eine Hysterese für eine Zeitvorgabe des Umschaltens in der zweiten Ausführungsform zwischen der Korrekturformel (1) und der Korrekturformel (2) zeigt.
8 ein Flussdiagramm, das einen Ansteuerungsprozess für die Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektion in der zweiten Ausführungsform zeigt.
9 ein Flussdiagramm, das einen Ansteuerungsprozess für die Luft-Kraftstoff-Verhältnisdetektion in der dritten Ausführungsform zeigt.
In den folgenden Ausführungsformen wird als ein Beispiel eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung gezeigt, die eine Gaskonzentration unter Verwendung eines Luft-Kraftstoff-Sensors misst, der ein Typ Gaskonzentrationssensor ist.
1. Erste Ausführungsform
1-1. Gesamtausgestaltung
Zuerst wird die Gesamtausgestaltung eines Systems gezeigt, das für eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung in der ersten Ausführungsform relevant ist.
Wie in der 1 in der ersten Ausführungsform gezeigt wird, ist ein Luft-Kraftstoff-Sensor 5 zum Beispiel an einem Abgasrohr 3 eines Verbrennungsmotors 1 eines Fahrzeugs befestigt, und eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung 7 detektiert auf der Basis der Ausgabe aus dem Luft-Kraftstoff-Sensor 5 eine Sauerstoffkonzentration (d. h. ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis) in einem Abgas, das aus dem Verbrennungsmotor 1 ausgetragen wird.
Wie in der 2 und 3 gezeigt wird, umfasst der Luft-Kraftstoff-Sensor 5 ein Sensorelement 9 vom gestapelten Typ zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration. Das Sensorelement 9 ist ein länglich geformtes Element und in einem Gehäuse oder dergleichen aufgenommen (nicht dargestellt).
Insbesondere umfasst das Sensorelement 9 in einer Schichtform einen Festelektrolyten (Festelektrolytschicht) 11, eine Diffusionswiderstandsschicht 13, eine Isolierzwischenschicht 15, eine erste Isolieraußenschicht 17 und eine zweite Isolieraußenschicht 19 und eine Messkammer 21 und eine Referenzsauerstoffkammer 23.
Unter ihnen ist die Festelektrolytschicht 11 ein rechteckiges Plattenmaterial, das zum Beispiel aus teilstabilisiertem Zirconiumdioxid besteht, und sie weist eine Oberfläche, die der Messkammer 21 zugewandt ist und auf der die erste Elektrode 25 bereitgestellt wird, und eine Oberfläche, die der Referenzsauerstoffkammer 23 zugewandt ist und auf der eine zweite Elektrode 27 bereitgestellt wird, auf. Das heißt, ein Paar aus der ersten Elektrode 25 und der zweiten Elektrode 27 ist so angeordnet, dass sie einander gegenüberliegen, wobei sich die Festelektrolytschicht 11 dazwischen befindet. Es sei angemerkt, dass die Elektroden 25, 27 zum Beispiel aus Platin bestehen. Die Festelektrolytschicht 11, die mit den Elektroden 25, 27 bereitgestellt wird, wird hier als ein Abschnitt 10 des Elements bezeichnet.
Die Diffusionswiderstandsschicht 13 ist eine poröse Schicht, die zwischen der Festelektrolytschicht 11 und der ersten Isolieraußenschicht 17 bereitgestellt wird und die zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid oder dergleichen besteht. Durch die Diffusionswiderstandsschicht 13 wird ein Abgas von außen (Raum im Abgasrohr 3) in die Messkammer 21 eingebracht, und die Diffusion des Abgases wird gesteuert.
Die Isolierzwischenschicht 15 ist eine dichte Schicht (so ausgebildete Schicht, dass sie kein Gaseindringen zulässt), die zwischen der Festelektrolytschicht 11 und der ersten Isolieraußenschicht 17 bereitgestellt wird und die zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid oder dergleichen besteht. Die Isolierzwischenschicht 15 wird zusammen mit der Diffusionswiderstandsschicht 13 so bereitgestellt, dass sie die Begrenzungsfläche der Messkammer 21 umgibt.
Die erste Isolieraußenschicht 17 ist eine dichte Schicht, die so bereitgestellt wird, dass sie die Messkammer 21, die Isolierzwischenschicht 15 und die Diffusionswiderstandsschicht 13 in der 2 von oben bedeckt, und die zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid oder dergleichen besteht. Die zweite Isolieraußenschicht 19 ist eine dichte Schicht, die so bereitgestellt wird, dass sie die Begrenzungsfläche der Referenzsauerstoffkammer 23 bedeckt, und die zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid oder dergleichen besteht. Es ist anzumerken, dass, obwohl dies nicht gezeigt wird, ein Heizelement zum Beheizen des Sensorelements 9 in der zweiten Isolieraußenschicht 19 eingebettet ist.
Die Messkammer 21 ist ein rechteckiger Parallelepipedraum, in den ein Abgas über die Diffusionswiderstandsschicht 13 von außen eingebracht wird, und die erste Elektrode 25 wird an der Festelektrolytschicht 11 im Inneren der Messkammer 21 bereitgestellt.
Die Referenzsauerstoffkammer 23 ist ein länglich geformter Raum, in den Luft eingebracht wird, und öffnet sich in der 3 nach oben. Es ist anzumerken, dass die zweite Elektrode 27 an der Festelektrolytschicht 11 im Inneren der Referenzsauerstoffkammer 23 bereitgestellt wird.
Als Nächstes wird die elektrische Ausgestaltung der Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung 7 beschrieben.
Wie in der 2 gezeigt wird, ist die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung 7 eine Einrichtung zum Steuern des Betriebs des Sensorelements 9 (d. h. des Luft-Kraftstoff-Sensors 5) und zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration (d. h. des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) im Abgas und umfasst einen Mikrocomputer 31 und eine elektrische Steuerschaltung 33.
Der Mikrocomputer 31 ist eine elektronische Steuereinrichtung, die bekannte CPU, ROM, RAM und dergleichen umfasst. Es ist anzumerken, dass das ROM Daten speichert, wie zum Beispiel eine Anlegespannungslinie und eine Hysterese, die zum Steuern benötigt werden.
Die elektrische Steuerschaltung 33 ist eine bekannte Schaltung, die in der Lage ist, Spannung (Anlegespannung Vp) zwischen den Elektroden 25, 27 anzulegen und den Strom (Pumpstrom Ip) zu messen, der zwischen den Elektroden 25, 27 fließt, indem sie vom Mikrocomputer 31 gesteuert wird.
1-2. Basisbetrieb
Als Nächstes wird das Pumpen von Sauerstoff beschrieben, das eine der Basisoperationen des Luft-Kraftstoff-Sensors 5 ist.
Wie in der 2 gezeigt wird, wird im Sensorelement 9 ein Abgas um dieses herum in die Messkammer 21 über die Diffusionswiderstandsschicht 13 eingebracht. Hier wird der Fall beschrieben, dass Spannung so angelegt wird, dass die erste Elektrode 25 positiv und die zweite Elektrode 25 negativ ist.
Zuerst wird für den Fall, dass die Kraftstoffmenge im Abgas kleiner als in einem stöchiometrischen Zustand ist (stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis: A/F = 14,7) (sogenannter magerer Fall), Sauerstoff im Abgas von der ersten Elektrode 25 in Sauerstoffionen zerlegt, indem Spannung (Anlegespannung Vp) zwischen den Elektroden 25, 27 angelegt wird.
Somit laufen die Sauerstoffionen von der ersten Elektrode 25 durch die Festelektrolytschicht 11, um der zweiten Elektrode 27 zugeführt zu werden, und werden dann als Sauerstoff von der zweiten Elektrode 27 zur Referenzsauerstoffkammer 23 ausgetragen. Sogenanntes Pumpen von Sauerstoff aus der Messkammer 21 wird durchgeführt. Somit fließt Strom (Pumpstrom Ip), der positiver Strom ist, von der Seite der zweiten Elektrode 27 zur Seite der ersten Elektrode 25.
Andererseits wird für den Fall, dass die Kraftstoffmenge im Abgas größer als in einem stöchiometrischen Zustand ist (sogenannter fetter Fall), im Gegensatz zum mageren Fall Sauerstoff in der Referenzsauerstoffkammer 23 von der zweiten Elektrode 27 in Sauerstoffionen zerlegt.
Dann laufen die zerlegten Sauerstoffionen von der zweiten Elektrode 27 durch die Festelektrolytschicht 11, um der ersten Elektrode 25 zugeführt zu werden, und werden dann als Sauerstoff von der ersten Elektrode 25 zur Messkammer 21 ausgetragen. Sogenanntes Pumpen von Sauerstoff in die Messkammer 21 wird durchgeführt. Somit fließt Strom, der negativer Strom ist, von der Seite der ersten Elektrode 25 zur Seite der zweiten Elektrode 27.
Wie später ausführlich beschrieben wird, kann daher das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf der Basis des oben beschriebenen Pumpstroms Ip detektiert werden.
1-3. Beziehung zwischen Spannung und Strom
Als Nächstes werden die Beziehung zwischen der Anlegespannung Vp und dem Pumpstrom Ip und die Anlegespannungslinie ID, die bei der Gaskonzentrationsdetektion verwendet werden, beschrieben.
Wie in der 4(A) gezeigt wird, weist eine Kurve (Kennlinie TL), welche die Beziehung zwischen der Anlegespannung Vp und dem Pumpstrom Ip angibt, einen proportionalen Teil HB, in dem der Pumpstrom Ip sich im Verhältnis zur Erhöhung der Anlegespannung Vp ändert, und einen flachen Teil parallel zur Spannungsachse auf.
Von diesen Teilen ist der proportionale Teil HB ein vom Widerstand dominierter Bereich, der durch einen Gleichstrom-Innenwiderstand Ri (kann hier nachstehend einfach als ein Widerstand R bezeichnet werden) des Abschnitts 10 des Elements (insbesondere der Festelektrolytschicht 11) des Sensorelements 9 beeinflusst wird. Das heißt, im vom Widerstand dominierten Bereich erhöht sich, wenn sich die Anlegespannung Vp erhöht, der Pumpstrom Ip im Verhältnis dazu. Der Widerstand R ändert sich in Übereinstimmung mit der Temperatur (Temperatur des Elements) des Sensorelements 9 (insbesondere der Festelektrolytschicht 11), wie später beschrieben wird.
Der flache Teil ist ein Teil, in dem sich, auch wenn sich die Anlegespannung Vp ändert, der Pumpstrom Ip nicht wesentlich ändert, sondern einen konstanten Wert hält (Grenzstrom). Der flache Teil ist ein Grenzstrombereich GD, der den Pumpstrom Ip angibt, welcher der Sauerstoffkonzentration (d. h. dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis) entspricht, und in dem die Änderung des Grenzstroms der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entspricht.
Das heißt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis die magere Seite erreicht, erhöht sich der Grenzstrom des Pumpstroms Ip, und wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis die fette Seite erreicht, verringert sich der Grenzstrom. Daher kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis anhand des Grenzstroms berechnet werden.
Für den Fall, dass eine einfache Kennlinie TL, wie sie in der 4(A) gezeigt wird, angenommen wird, ist es zum Beispiel vorstellbar, eine einfache gerade Anlegespannungslinie ID einzustellen, welche die Anlegespannungskenndaten angibt, damit sie gemäß den jeweiligen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen durch die Grenzstrombereiche GD läuft, und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung der Anlegespannungslinie ID zu detektieren. Das heißt, es ist vorstellbar, eine vorbestimmte Spannung in Übereinstimmung mit der Anlegespannungslinie ID anzulegen und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis des Pumpstroms Ip (der den Grenzstrom angibt) zu berechnen, der zu dem Zeitpunkt ermittelt wird.
Wie oben beschrieben wird, ist in der Kennlinie TL allerdings die Seite mit niedriger Spannung (linke Seite in der 4(A)) in Bezug auf den Grenzstrombereich GD ein vom Widerstand dominierter Bereich, der durch den Widerstand R der Festelektrolytschicht 11 beeinflusst wird, und weist derartige Kenndaten auf, dass sich dieser Teil in Übereinstimmung mit der Temperatur des Elements ändert.
Wie in der 4(A) gezeigt wird, erhöht sich, falls sich die Temperatur des Elements verringert (im Fall der Seite L mit niedriger Temperatur), insbesondere der Widerstand R, und die Steigung des geraden proportionalen Teils HB verringert sich. Falls sich andererseits die Temperatur des Elements erhöht (im Fall der Seite H mit hoher Temperatur, auf der die Temperatur höher ist als auf der Seite L mit niedriger Temperatur), verringert sich der Widerstand R, und die Steigung des geraden proportionalen Teils HB erhöht sich.
Wenn sich die Temperatur des Elements ändert, wie oben beschrieben wird und wie in der 4(B) gezeigt wird, ändert sich zusätzlich nicht nur die Steigung (Steigung des proportionalen Teils HB) der Kennlinie TL, sondern auch der Grenzstrombereich GD entlang der Richtung der Spannungsachse (siehe zum Beispiel die Grenzströme GD auf der Seite H mit hoher Temperatur und auf der Seite L mit niedriger Temperatur in der Luft).
Daher ist es notwendig, die Anlegespannungslinie ID unter Berücksichtigung auch der Änderung des Grenzstrombereichs GD aufgrund der Temperatur des Elements einzustellen.
Dementsprechend wird in der vorliegenden ersten Ausführungsform, wie in der 5 gezeigt wird, eine einzige Anlegespannungslinie ID so eingestellt, dass sie sich an einem stöchiometrischen Punkt krümmt (so dass sich die Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung unterscheidet).
Insbesondere wird die Anlegespannungslinie ID durch die folgenden Korrekturformeln (1), (2) eingestellt, die sich zwischen einem mageren Fall und einem fetten Fall unterscheiden. Das heißt, für einen mageren Fall wird die Anlegespannungslinie ID durch die folgende Korrekturformel (1) als eine gerade Linie, die einen vorbestimmten Wert (R1) aufweist, eingestellt, und für einen fetten Fall wird die Anlegespannungslinie ID durch die folgende Korrekturformel (2) als eine gerade Linie eingestellt, die einen vorbestimmten Wert (R2) aufweist, der sich von R1 unterscheidet.
Es ist anzumerken, dass Einheiten in den Korrekturformeln (1), (2) wie folgt dargestellt werden: Anlegespannung Vp [mV], Pumpstrom Ip [mA], Widerstand R1 [Ω], Widerstand R2 [Ω] und Spannungswertschnittpunkt 400 [mV]. Vp = Ip × R1 + 400 (1) Vp = Ip × R2 + 400 (2)
Durch Umformen der Korrekturformeln (1), (2) werden die folgenden Korrekturformeln (1)' bzw. (2)' ermittelt. Ip = Vp × (1/R1) – (400/R1) (1)' Ip = Vp × (1/R2) – (400/R2) (2)'
Hier ist der Widerstand R1 ein Mittelwert des Widerstandswerts der Festelektrolytschicht 11 in einem Bereich von einer stöchiometrischen Atmosphäre zur Luftatmosphäre und beträgt zum Beispiel 60 [Ω]. Der Widerstand R2 ist ein Mittelwert des Widerstandswerts der Festelektrolytschicht 11 in einem Bereich von einer stöchiometrischen Atmosphäre zu einer fetten Atmosphäre und beträgt zum Beispiel 100 [Ω]. Es ist anzumerken, dass der Widerstand R1 und der Widerstand R2 eine Beziehung R1 < R2 aufweisen.
Das heißt, da die Anlegespannungslinie ID an einem stöchiometrischen Punkt gekrümmt ist und R1 < R2 erfüllt wird, weisen die Steigungen der jeweiligen Anlegespannungslinien ID, die in einem Spannungs-Strom-Koordinatensystem in der 5 gezeigt werden, eine Beziehung wie folgt auf: Steigung (1/R1) der Korrekturformel (1)' > Steigung (1/R2) der Korrekturformel (2)'.
Insbesondere ist in der 5 die Steigung (1/R1) der Kurve der Korrekturformel (1)' für einen mageren Fall groß und ist somit steil, und die Steigung (1/R2) der Kurve der Korrekturformel (2)' ist für einen fetten Fall kleiner als die der Korrekturformel (2) und ist somit schwach.
Der Widerstand R1 wird so eingestellt, dass die Anlegespannungslinie ID für einen mageren Fall und einen stöchiometrischen Fall durch die Grenzstrombereiche GD der Kennlinien TL läuft.
Andererseits wird der Widerstand R2 so eingestellt, dass die Anlegespannungslinie ID für einen fetten Fall und einen stöchiometrischen Fall durch die Grenzstrombereiche GD der Kennlinien TL läuft.
Weiterhin ist in den Korrekturformeln (1) und (2) 400 [mV], was der Schnittpunkt mit dem Spannungswert der Anlegespannung Vp ist, ein fester Wert, bei dem die Kennlinie TL einen stöchiometrischen Fall angibt und der Pumpstrom Ip 0 [mA] angibt. Hier liegt der Grund dafür, den Wert auf 400 [mV] einzustellen, darin, dass das Sensorelement 9 derartige Kenndaten aufweist, dass die Mitte des Grenzstrombereichs GD 400 [mV] für den Fall ist, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch ist.
Es sei angemerkt, dass die Korrekturformeln (1), (2) durch ein Experiment oder dergleichen auf der Basis der Kenndaten des verwendeten Sensorelements 9 eingestellt werden können.
In der 5 werden die Kennlinien TL für den Fall von Luft und für den Fall, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis 13 unter einer vorbestimmten Temperatur (zum Beispiel 750 °C) liegt, gezeigt. In der vorliegenden ersten Ausführungsform werden die Anlegespannungslinien ID, die durch die Korrekturformeln (1), (2) (d. h. die Korrekturformeln (1)', (2)') definiert werden, so eingestellt, dass in einem vorbestimmten Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Detektionsbereich (von A/F = 10 bis Luft) die Anlegespannungslinien ID durch die Grenzstrombereiche GD der Kennlinien TL in einem vorbestimmten Temperaturbereich (zum Beispiel 630 °C bis 1050 °C) laufen.
1-4. Steuerung
Als Nächstes wird ein Prozess zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) unter Verwendung der Anlegespannungslinie ID durch den Mikrocomputer 31 beschrieben.
Wie in der 6 gezeigt wird, wird zuerst im Schritt (S) 100 400 [mV] als Anfangswert der Anlegespannung Vp eingestellt. Es ist anzumerken, dass zu diesem Zeitpunkt ein vorbestimmter fester Wert (zum Beispiel 60 [Ω]) als ein Anfangswert R0 des Widerstands R eingestellt wird.
Im anschließenden Schritt 110 wird Steuern durchgeführt, um die Temperatur (Temperatur des Elements) des Sensorelements 9 durch Anlegen von Spannung an das Heizelement zu erhöhen. Wie allgemein bekannt ist, wird danach das Heizelement so angesteuert, dass es die Temperatur des Elements auf einer Zieltemperatur hält.
Im anschließenden Schritt 120 wird bei der Zieltemperatur die Spannung von 400 [mV], die im Schritt 100 eingestellt worden ist, zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 unter Verwendung der elektrischen Steuerschaltung 33 angelegt, und der Pumpstrom Ip, der zu diesem Zeitpunkt zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 fließt, wird gemessen.
Im anschließenden Schritt 130 wird die Anlegespannung Vp durch Anwenden des Messwerts (Ip Strommesswert) des im Schritt 120 gemessenen Pumpstroms Ip zum Beispiel auf die Korrekturformel (1) berechnet (hier wird der Anfangswert R0 als der Widerstand R verwendet).
Im anschließenden Schritt 140 wird das Ersetzen der Anlegespannung Vp durchgeführt. Das heißt, die im Schritt 130 berechnete Anlegespannung Vp wird als die Spannung verwendet, die zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 anzulegen ist.
Im anschließenden Schritt 150 wird die Anlegespannung Vp, die im Schritt 140 ersetzt worden ist, zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 angelegt, und der Pumpstrom I'p, der durch das Anlegen zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 fließt, wird gemessen.
Da der gemessene Pumpstrom I'p der Sauerstoffkonzentration entspricht, kann die Sauerstoffkonzentration anhand des Pumpstroms I'p berechnet werden. Es ist anzumerken, dass, da die Sauerstoffkonzentration dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis anhand des Pumpstroms I'p unter Verwendung eines Kennfelds oder dergleichen berechnet werden kann.
Im anschließenden Schritt 160 wird bestimmt, ob der Pumpstrom I'p gleich oder größer als 0 [mA] ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Bestimmung positiv ist, fährt der Prozess hier mit dem Schritt 170 fort, und falls das Ergebnis der Bestimmung andererseits negativ ist, fährt der Prozess mit dem Schritt 180 fort.
Da der Pumpstrom I'p gleich oder größer als 0 [mA] ist und somit angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, wird im Schritt 170 der Widerstand R1 für mager als der Widerstand R eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 130 zurück.
Das heißt, um die in der 5 gezeigte Korrekturformel (1) als die Anlegespannungslinie ID für einen mageren Fall zu verwenden, wird der Widerstand R1 für mager als der Widerstand R eingestellt.
Andererseits wird im Schritt 180, da der Pumpstrom I'p kleiner als 0 [mA] ist und somit angibt, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist, der Widerstand R2 für fett als der Widerstand R eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 130 zurück. Das heißt, um die in der 5 gezeigte Korrekturformel (2) als die Anlegespannungslinie ID für einen fetten Fall zu verwenden, wird der Widerstand R2 (hier ist R1 < R2) für fett als der Widerstand R eingestellt.
1-5. Wirkungen

• In der ersten Ausführungsform wird als eine Basisausgestaltung die Anlegespannungslinie ID so eingestellt, dass sie durch die jeweiligen Grenzstrombereiche GD für unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen (d. h. Luft-Kraftstoff-Verhältnisse) und durch einen Bereich, in dem die jeweiligen Grenzstrombereiche GD für unterschiedliche Temperaturbedingungen des Sensorelements 9 (insbesondere des Abschnitts 10 des Elements) einander überlappen, läuft.

Zusätzlich wird in der ersten Ausführungsform in der oben beschriebenen Basisausgestaltung das Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung in der Anlegespannungslinie ID (die eine lineare Funktion ist) in Übereinstimmung damit umgeschaltet, ob das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager oder fett ist.
Insbesondere wird als die Anlegespannungslinie ID die Korrekturformel (1) in einem mageren Fall verwendet, und die Korrekturformel (2) wird in einem fetten Fall verwendet. Das heißt, als der Widerstand R, der für die Korrekturformeln (1), (2) verwendet wird, wird R1 in einem mageren Fall verwendet, und R2 (hier ist R1 < R2) wird in einem fetten Fall verwendet.
Das heißt, für die Korrekturformeln (1)', (2)' wird in einem mageren Fall (1/R1) mit einem größeren Wert als ein Verhältnis für mager verwendet, und in einem fetten Fall wird (1/R2) mit einem kleineren Wert als ein Verhältnis für fett verwendet. Es sei angemerkt, dass, da R1 < R2 erfüllt wird, 1/R1 > 1/R2 erfüllt wird. Somit ist es möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit höherer Genauigkeit zu detektieren.
Das heißt, sogar für den Fall, dass die Temperaturbedingung berücksichtigt wird, die zum Beispiel von der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen abhängig ist, kann die Anlegespannungslinie ID, die eine einzige gerade Linie verwendet, von einigen Grenzstrombereichen GD abweichen, und in diesem Fall kann es unmöglich sein, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis genau zu detektieren, selbst wenn das Ansteuern unter Verwendung dieser Anlegespannungslinie ID durchgeführt wird. In der ersten Ausführungsform wird allerdings ein Verhältnis der Änderung (d. h. 1/R1, 1/R2), das sich zwischen einem mageren Fall und einem fetten Fall unterscheidet, eingestellt, wodurch verhindert werden kann, dass die Anlegespannungslinie ID von den Grenzstrombereichen GD abweicht.
Durch Verwenden der Anlegespannungslinie ID, die, wie oben beschrieben wird, eingestellt ist, ist es daher möglich, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit höherer Genauigkeit zu detektieren.

• Zusätzlich wird in der ersten Ausführungsform der Widerstand R1, R2 (d. h. das Verhältnis für mager (1/R1), das Verhältnis für fett (1/R2)) auf der Basis des Stroms, der zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 fließt, umgeschaltet.

Das heißt, da der Pumpstrom Ip, der zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 fließt, dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis entspricht, wird der Widerstand R1, R2 in Übereinstimmung mit dem Pumpstrom Ip umgeschaltet, wodurch die Anlegespannungslinie ID eingestellt werden kann, bei der es unwahrscheinlich ist, dass sie von den Grenzstrombereichen GD abweicht.
1-6. Korrespondenzbeziehung zu den Ansprüchen
Hier wird die Korrespondenzbeziehung der Formulierungen zwischen den Ansprüchen und der ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Festelektrolytschicht 11, die Elektroden 25, 27, der Luft-Kraftstoff-Sensor 5 und die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung 7 in der ersten Ausführungsform entsprechen jeweils den Beispielen für einen Festelektrolyten, Elektroden, einen Gaskonzentrationssensor und eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung in der vorliegenden Erfindung.
2. Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform beschrieben, während die Beschreibung des gleichen Inhalts wie in der ersten Ausführungsform weggelassen wird. Es sei angemerkt, dass die gleichen Komponenten wie in der ersten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform angegeben werden.
Die vorliegende zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform im Steuerprozess, und daher wird der Unterschied beschrieben.
Das heißt, in der vorliegenden zweiten Ausführungsform wird die Hysterese, wie sie in 7 durch eine gestrichelte Linie gezeigt wird, zum Umschalten zwischen der Korrekturformel (1) und der Korrekturformel (2) eingestellt, wodurch häufiges Umschalten in der Nähe eines stöchiometrischen Zustands verhindert wird. Nachstehend wird daher hier der Steuerprozess ausführlich beschrieben.
Wie in der 8 gezeigt wird, ist zuerst ein Prozess vom Schritt 200 bis zum Schritt 250 der gleiche wie der Prozess vom Schritt 100 bis zum Schritt 150 in der ersten Ausführungsform.
Das heißt, im Schritt 200 werden 400 [mV] als die Anlegespannung Vp eingestellt.
Im anschließenden Schritt 210 wird die Temperatur (Temperatur des Elements) des Sensorelements 9 gesteuert.
Im anschließenden Schritt 220 wird die Spannung von 400 [mV] zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 angelegt, und der Pumpstrom Ip zu diesem Zeitpunkt wird gemessen.
Im anschließenden Schritt 230 wird die Anlegespannung Vp durch Anwenden des Ip-Strommesswerts, der im Schritt 220 gemessen worden ist, zum Beispiel auf die Korrekturformel (1) berechnet.
Im anschließenden Schritt 240 wird das Ersetzen der Anlegespannung Vp durchgeführt.
Im anschließenden Schritt 250 wird die ersetzte Anlegespannung Vp zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 angelegt, und der Pumpstrom I'p wird gemessen.
Dann wird im Schritt 260 bestimmt, ob der im Schritt 250 gemessene Pumpstrom I'p größer als 0,1 [mA] ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Bestimmung positiv ist, fährt der Prozess hier mit dem Schritt 270 fort, und falls das Ergebnis der Bestimmung andererseits negativ ist, fährt der Prozess mit dem Schritt 280 fort.
Im Schritt 270 wird, da der Pumpstrom I'p größer als 0,1 [mA] ist, der Widerstand R1 für mager als der Widerstand R für die Korrekturformel (1) eingestellt, und der Prozess fährt mit dem Schritt 230 fort.
Daher wird in diesem Fall die Anlegespannung Vp im Schritt 230 unter Verwendung der Korrekturformel (1) berechnet.
Andererseits wird im Schritt 280 bestimmt, ob der im Schritt 250 gemessene Pumpstrom I'p kleiner als –0,1 [mA] ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Bestimmung positiv ist, fährt der Prozess mit dem Schritt 290 fort, und falls das Ergebnis der Bestimmung andererseits negativ ist, fährt der Prozess mit dem Schritt 230 fort.
Im Schritt 290 wird, da der Pumpstrom I'p kleiner als –0,1 [mA] ist, der Widerstand R2 für fett als der Widerstand R für die Korrekturformel (2) eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 230 zurück.
Daher wird in diesem Fall die Anlegespannung Vp im Schritt 230 unter Verwendung der Korrekturformel (2) berechnet.
Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung im Schritt 280 negativ ist und der Prozess zum Schritt 230 zurückkehrt, wird die Anlegespannung Vp unter Verwendung der vorherigen Korrekturformel (1) oder (2) berechnet, auf die der vorherige Widerstand (R1 oder R2) angewendet wird, ohne den Widerstand R umzuschalten.
Aufgrund der oben beschriebenen Ausgestaltung wird in der vorliegenden zweiten Ausführungsform der gleiche Effekt wie in der ersten Ausführungsform bereitgestellt. Zusätzlich wird, wie oben beschrieben wird, anstatt unmittelbar den Widerstand R1, R2 an einem stöchiometrischen Punkt zum Umschalten der Korrekturformel (1), (2) umzuschalten, die Hysterese eingestellt, um eine Zeitvorgabe des Umschaltens der Korrekturformel (1), (2) zu verschieben, wodurch verhindert werden kann, dass die Korrekturformel an einem stöchiometrischen Punkt unmittelbar umgeschaltet wird.
Insbesondere für den Fall, dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis als ein stöchiometrisches Verhältnis eingestellt ist, kann durch Einstellen der Hysterese, wie oben beschrieben wird, häufiges Umschalten der Korrekturformel (1), (2) verhindert werden, und daher besteht ein Vorteil darin, dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stabil auf das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis angesteuert werden kann.
3. Dritte Ausführungsform
Als Nächstes wird die dritte Ausführungsform beschrieben, während die Beschreibung des gleichen Inhalts wie in der zweiten Ausführungsform weggelassen wird. Es ist anzumerken, dass die gleichen Komponenten wie in der zweiten Ausführungsform durch die gleichen Bezugszeichen wie in der zweiten Ausführungsform angegeben werden.
Die vorliegende dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform im Steuerprozess, und daher wird der Unterschied beschrieben.
Das heißt, in der vorliegenden dritten Ausführungsform wird die Hysterese unter Verwendung eines Zählers eingestellt, um zwischen der Korrekturformel (1) und der Korrekturformel (2) umzuschalten. Nachstehend wird daher hier der Steuerprozess ausführlich beschrieben.
Wie in der 9 gezeigt wird, ist zuerst ein Prozess vom Schritt 300 bis zum Schritt 350 der gleiche wie der Prozess vom Schritt 100 bis zum Schritt 150 in der ersten Ausführungsform.
Das heißt, im Schritt 300 werden 400 [mV] als die Anlegespannung Vp eingestellt.
Im anschließenden Schritt 310 wird die Temperatur (Temperatur des Elements) des Sensorelements 9 gesteuert.
Im anschließenden Schritt 320 wird die Spannung von 400 [mV] zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 angelegt, und der Pumpstrom Ip zu diesem Zeitpunkt wird gemessen.
Im anschließenden Schritt 330 wird die Anlegespannung Vp durch Anwenden des Ip-Strommesswerts, der im Schritt 320 gemessen worden ist, zum Beispiel auf die Korrekturformel (1) berechnet.
Im anschließenden Schritt 340 wird das Ersetzen der Anlegespannung Vp durchgeführt.
Im anschließenden Schritt 350 wird die ersetzte Anlegespannung Vp zwischen dem Paar von Elektroden 25, 27 angelegt, und der Pumpstrom I'p wird gemessen.
Dann wird im Schritt 360 bestimmt, ob der im Schritt 350 gemessene Pumpstrom I'p gleich oder größer als 0 [mA] ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Bestimmung positiv ist, fährt der Prozess hier mit dem Schritt 370 fort, und falls das Ergebnis der Bestimmung andererseits negativ ist, fährt der Prozess mit dem Schritt 400 fort.
Im Schritt 370 wird ein Zähler A um 1 inkrementiert, und ein Zähler B wird nullgesetzt.
Im anschließenden Schritt 380 wird bestimmt, ob der Zähler A gleich oder größer als 10 ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Bestimmung positiv ist, fährt der Prozess hier mit dem Schritt 390 fort, und falls das Ergebnis der Bestimmung andererseits negativ ist, kehrt der Prozess zum Schritt 330 zurück.
Im Schritt 390 wird, da eine vorbestimmte Zeit, die einem Wert von 10 oder mehr des Zählers A entspricht, abgelaufen ist (beginnend damit, dass der Pumpstrom I'p gleich oder größer als 0 [mA] wird), der Widerstand R1 für mager als der Widerstand R für die Korrekturformel (1) eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 330 zurück. Zusätzlich wird im Schritt 390 der Zähler A nullgesetzt, obwohl dies nicht gezeigt wird.
Daher wird für diesen Fall die Anlegespannung Vp im Schritt 330 unter Verwendung der Korrekturformel (1) berechnet.
Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung im Schritt 380 negativ ist, ist die Zeit gemäß der Hysterese noch nicht abgelaufen, und daher kehrt der Prozess zum Schritt 330 zurück, um erneut den gleichen Prozess zu wiederholen.
Andererseits wird im Schritt 400, anschließend an die negative Bestimmung im Schritt 360, der Zähler B um 1 inkrementiert, und der Zähler A wird nullgesetzt.
Im anschließenden Schritt 410 wird bestimmt, ob der Zähler B gleich oder größer als 10 ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Bestimmung positiv ist, fährt der Prozess hier mit dem Schritt 420 fort, und falls das Ergebnis der Bestimmung andererseits negativ ist, kehrt der Prozess zum Schritt 330 zurück.
Im Schritt 420 wird, da eine vorbestimmte Zeit, die einem Wert von 10 oder mehr des Zählers B entspricht, abgelaufen ist (beginnend damit, dass der Pumpstrom I'p kleiner als 0 [mA] wird), der Widerstand R2 für fett als der Widerstand R für die Korrekturformel (2) eingestellt, und der Prozess kehrt zum Schritt 330 zurück. Zusätzlich wird der Zähler B im Schritt 420 nullgesetzt, obwohl dies nicht gezeigt wird.
Daher wird für diesen Fall die Anlegespannung Vp im Schritt 330 unter Verwendung der Korrekturformel (2) berechnet.
Für den Fall, dass das Ergebnis der Bestimmung im Schritt 410 negativ ist, ist die Zeit gemäß der Hysterese noch nicht abgelaufen, und daher kehrt der Prozess zum Schritt 330 zurück, um erneut den gleichen Prozess zu wiederholen.
Aufgrund der oben beschriebenen Ausgestaltung wird in der vorliegenden dritten Ausführungsform der gleiche Effekt wie in der zweiten Ausführungsform bereitgestellt. Das heißt, wie oben beschrieben wird, wird, anstatt unmittelbar den Widerstand R1, R2 an einem stöchiometrischen Punkt zum Umschalten der Korrekturformel (1), (2) umzuschalten, die Hysterese eingestellt, um eine Zeitvorgabe des Umschaltens der Korrekturformel (1), (2) zu verschieben, wodurch verhindert werden kann, dass die Korrekturformel an einem stöchiometrischen Punkt unmittelbar umgeschaltet wird. Daher besteht ein Vorteil darin, dass zum Beispiel sogar für den Fall, dass das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf ein stöchiometrisches Verhältnis eingestellt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis stabil so angesteuert werden kann, dass es das Ziel-Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.
4. Andere Ausführungsformen
Während die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann in verschiedenen Modi ausgeführt werden, ohne von der Kernaussage der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

(1) Obwohl zum Beispiel ein vorbestimmter fester Wert (400 [mV]) in den oben genannten Ausführungsformen als der Schnittpunkt mit der Anlegespannung der Korrekturformel verwendet wird, kann ein anderer Wert (z. B. 450 [mV]) verwendet werden.
(2) Obwohl R1 (z. B. 60 [Ω]) bzw. R2 (z. B. 100 [Ω]) als die Widerstände R für die Korrekturformeln (1) bzw. (2) verwendet werden, können andere Werte, die R1 < R2 erfüllen, verwendet werden.
(3) In den oben genannten Ausführungsformen ist eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung, die eine Sauerstoffkonzentration unter Verwendung eines Sauerstoffsensors (Luft-Kraftstoff-Sensor) detektiert, zum Detektieren der Sauerstoffkonzentration gezeigt worden. Allerdings ist die vorliegende Erfindung auch auf eine Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung anwendbar, die zum Beispiel eine Gaskonzentration von NO_x, H₂O oder dergleichen detektiert.
(4) Die Komponenten in den oben genannten Ausführungsformen können wie geeignet kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

5: Luft-Kraftstoff-Sensor;
9: Sensorelement;
7: Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung;
11: Festelektrolytschicht;
21: Messkammer;
23: Referenzsauerstoffkammer;
25: erste Elektrode;
27: zweite Elektrode

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 4124119 [0007]

Claims

Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung, die für einen Gaskonzentrationssensor eingerichtet ist, der ein Sensorelement umfasst, das einen Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit und ein Paar von Elektroden aufweist, die auf dem Festelektrolyten ausgebildet sind, wobei die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung dazu ausgelegt ist, eine Spannung zwischen dem Paar von Elektroden auf Basis einer Anlegespannungslinie anzulegen, die eine lineare Funktion mit einem Achsenschnittpunkt bei einem vorbestimmten Spannungswert ist, einen Grenzstrom zu detektieren, der zwischen dem Paar von Elektroden in Übereinstimmung mit der Spannung fließt, und eine Gaskonzentration einer spezifischen Komponente in einem zu messenden Gas auf Basis des Grenzstroms zu detektieren, wobei in einem Detektionsbereich zum Detektieren der Gaskonzentration die Anlegespannungslinie so eingestellt ist, dass sie durch mehrere Grenzstrombereiche läuft, nämlich jeweilige Grenzstrombereiche für unterschiedliche Werte der Gaskonzentration und einen Bereich, in dem jeweilige Grenzstrombereiche für unterschiedliche Temperaturbedingungen des Sensorelements einander überlappen, und wobei ein Verhältnis der Änderung des Stroms in Bezug auf die Änderung der Spannung der Anlegespannungslinie ein Verhältnis für mager eingestellt wird, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das der Gaskonzentration entspricht, mager ist, und ein Verhältnis für fett eingestellt wird, das von dem Verhältnis für mager verschieden ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist.
Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis für mager größer ist als das Verhältnis für fett.
Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche dazu konfiguriert ist, zwischen dem Verhältnis für fett und dem Verhältnis für mager auf der Basis des Grenzstroms, der zwischen dem Paar von Elektroden fließt, umzuschalten.
Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist und das Verhältnis für mager eingestellt ist, die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung dazu konfiguriert ist, dass das Verhältnis für mager in einem Hysteresebereich der fetten Seite eingestellt bleibt, der in einem vorbestimmten Bereich auf der fetten Seite eines stöchiometrischen Zustands eingestellt ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von mager nach fett geändert wird.
Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist und das Verhältnis für fett eingestellt ist, die Gaskonzentrationsdetektionseinrichtung dazu konfiguriert ist, dass das Verhältnis für fett in einem Hysteresebereich der mageren Seite eingestellt bleibt, der in einem vorbestimmten Bereich auf der mageren Seite eines stöchiometrischen Zustands eingestellt ist, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von fett nach mager geändert wird.