DE102018124399A1

DE102018124399A1 - Sensor-Steuervorrichtung und Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102018124399A1
Application number: DE102018124399.5A
Authority: DE
Inventors: Takanori NUNOME; Tomomi IMAIDA; Satoshi Teramoto
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2019-04-11
Also published as: JP2019070552A; CN109632914B; CN109632914A; JP6989336B2; US20190107505A1

Abstract

Offenbart wird eine Sensor-Steuervorrichtung zur Steuerung eines Gassensors des Typs, der ein Sensorelement, in dem ein Paar von Elektroden an einem Festelektrolytkörper angeordnet sind, um einen Konzentrationserfassungsstrom zwischen den Elektroden zu bewirken, und eine Heizung aufweist. Die Sensor-Steuervorrichtung umfasst einen Temperaturerfassungsabschnitt, um einen Temperaturwert des Festelektrolytkörpers zu erfassen und einen Steuerabschnitt, um eine Rückkopplungssteuerung der Wärmeerzeugung der Heizung durchzuführen, und zwar basierend auf vorbestimmten Rückkopplungsbedingungen. Die Rückkopplungsbedingungen sind so eingestellt, dass, wenn ein Versuchsgas, das eine Maschinenabgas simuliert, das von einer Verbrennungsmaschine durch Verbrennen eines stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Gemischs ausgestoßen wird, als das zu messende Gas mit einer Temperatur von 25°C und einer Gasflussrate des Versuchsgases, die alle 10 Sekunden zwischen 10 m/s und 60 m/s umgeschaltet wird, zugeführt wird, eine Variation des Konzentrationserfassungsstroms 1,6µA oder kleiner ist.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensor-Steuervorrichtung zu Steuerung eines Gassensors des Typs mit einem Sensorelement und einer Heizung. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Sensoreinheit, die mit einem Gassensor und einer Sensor-Steuervorrichtung ausgestattet ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein Gassensor des Typs mit einem Sensorelement und einer Heizung, wie er in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. H11-304758 offenbart ist, ist bekannt.
Überblick über die Erfindung
Die Genauigkeit der Erfassung der Gaskonzentration kann in einer Umgebung, in der sich die Temperatur des Sensorelements plötzlich ändert, nachlassen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Technik zur Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung der Gaskonzentration des Gassensors bereitzustellen.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensor-Steuervorrichtung zur Steuerung eines Gassensors bereitgestellt, wobei der Gassensor ein Sensorelement und eine Heizung, welche das Sensorelement erwärmt, umfasst und dazu ausgebildet ist, die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente, die in einem zu messenden Gas enthalten ist, zu erfassen, wobei das Sensorelement wenigstens eine Zelle aufweist, welche einen Festelektrolytkörper und ein Paar von Elektroden umfasst, welche derart an dem Festelektrolytkörper angeordnet sind, dass sie einen Fluss eines Konzentrationserfassungsstroms zwischen dem Paar von Elektroden in Abhängigkeit von der Konzentration der spezifischen Gaskomponente bewirken, wobei die Sensor-Steuervorrichtung umfasst:

einen Temperaturerfassungsabschnitt, der dazu konfiguriert ist einen Temperaturwert des Festelektrolytkörper zu erfassen; und
einen Steuerabschnitt, der dazu konfiguriert ist, eine Rückkopplungssteuerung für die Wärmeerzeugung der Heizung, basierend auf einer vorbestimmten Rückkopplungsbedingung auszuführen, sodass eine Abweichung zwischen dem erfassten Temperaturwert und einem vorbestimmten Zielwert null wird,
wobei die Rückkopplungsbedingung so eingestellt sind, dass, wenn ein Versuchsgas, das ein Verbrennungsabgas simuliert, das von einer internen Verbrennungsmaschine durch die Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Gemischs abgegeben wird, an den Gassensor als das zu messende Gas zugeführt wird, während eine Temperatur des Versuchsgases bei 25°C gehalten wird und eine Gasflussrate des Versuchsgases alle 10 Sekunden zwischen 10 m/s und 60 m/s umgeschaltet wird, eine Variationsbreite des Konzentrationserfassungsstroms 1,6 µA oder kleiner ist.

Hierbei bezieht sich der Temperaturwert des Festelektrolytkörpers auf eine Temperatur des Festelektrolytkörpers oder auf irgendeinen Parameterwert, der mit der Temperatur des Festelektrolytkörpers korreliert (wie die Impedanz oder Admittanz).
Die so konfigurierte Sensor-Steuervorrichtung beschränkt die Variationsbreite des Konzentrationserfassungsstroms auf 1,6 µA oder kleiner, selbst in einer Umgebung, in der sich die Temperatur des Sensorelements plötzlich ändert. Die Variationsbreite des Konzentrationserfassungsstroms kann durch die so konfigurierte Sensor-Steuervorrichtung enger beschränkt werden als mit herkömmlichen Sensor-Steuervorrichtungen. Daher ermöglicht es die so konfigurierte Sensor-Steuervorrichtung, dass der Gassensor Gaskonzentrationserfassung im Vergleich mit herkömmlichen Gassensoren mit verbesserter Genauigkeit ausführt, selbst in einem vorübergehenden Zustand, in dem sich die Temperatur des Sensors ändert.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wie oben beschriebene Sensor-Steuervorrichtung bereitgestellt,
wobei die Rückkopplungsbedingung einen Rückkopplungsterm umfasst.
In Übereinstimmung mit einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine wie oben beschriebene Sensor-Steuervorrichtung bereitgestellt,
wobei der Rückkopplungsterm wenigstens einen Proportionalterm und einen Integralterm als Rückkopplungsterm umfasst.
In Übereinstimmung mit einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensor-Steuervorrichtung bereitgestellt, umfassend:
einen Gassensor, der ein Sensorelement, das wenigstens eine Zelle aufweist, welche einen Festelektrolytkörper und ein Paar von Elektroden, die an dem Festelektrolytkörper angeordnet sind, umfasst und eine Heizung, die das Sensorelement erwärmt umfasst;
und eine wie oben beschriebene Sensor-Steuervorrichtung.
Die so erhaltene Sensoreinheit erzielt die gleichen Effekte wie oben beschriebene Sensor-Steuervorrichtung.
Weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden zudem aus der folgenden Beschreibung verständlich.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems, bei dem eine Sensoreinheit mit einem Gassensor und eine Sensor-Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt sind.
2 ist ein schematisches Diagramm des Gassensors und der Sensor-Steuervorrichtung gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Graph, der Änderungen der Parameterwerte ΔRpvs und ΔIp des Gassensors über die Zeit zeigt.
4 ist ein Graph, der ein Verhältnis zwischen Parameterwerten dRpvs/dt und ΔIp des Gassensors zeigt.
5A bis 5C sind Graphen, die Testergebnisse eines Vergleichsbeispiel zeigen.
6A bis 6C sind Graphen, die Testergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 und 2 zeigen eine Sensoreinheit gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Sensoreinheit in der vorliegenden Ausführungsform ist für eine Nutzung in einem Fahrzeug konstruiert und ist, wie in 1 und 2 gezeigt, mit einer Sensor-Steuervorrichtung 1 und einem Gassensor 3 ausgestattet.
Die Sensor-Steuervorrichtung 1 ist am Fahrzeug befestigt und so konfiguriert, dass sie den Betrieb des Gassensors 3 steuert. Die Sensor-Steuervorrichtung 1 ist über eine Kommunikationsverbindung 8 mit einem elektronischen Steuergerät (ECU) 9 verbunden, welches so konfiguriert ist, dass es den Betrieb einer internen Verbrennungsmaschine 5 steuert, so dass die Sensor-Steuervorrichtung 1 Daten über die Kommunikationsverbindung 8 an das elektronische Steuergerät 9 übermitteln und von ihm erhalten kann. (Das elektronische Steuergerät 9 wird im Folgenden als Maschinen-ECU 9 bezeichnet).
Der Gassensor 3 ist an einem Abgasrohr 7 der internen Verbrennungsmaschine 5 befestigt und dazu ausgelegt, die Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas der internen Verbrennungsmaschine zu erfassen. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Gassensor 3 als eine sogenannte „lineare Lambdasonde“ bereitgestellt, die in der Lage ist, Sauerstoffkonzentration in einem großen Messbereich zu erfassen.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Gassensor 3 ein Sensorelement 11 und eine Heizung 12.
Das Sensorelement 11 hat eine Pumpzelle 13. Die Pumpzelle 13 umfasst einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper 14, der aus teilweise stabilisiertem Ziconia in einer Plattenform ausgebildet ist, und ein Paar von Pumpelektroden 15 und 16, die hauptsächlich aus Platin ausgebildet sind und an vorderen und rückwärtigen Oberflächen des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers 14 angeordnet sind. Auch wenn sie nicht im Speziellen in den Zeichnungen dargestellt sind, findet sich eine Messgaskammer und eine Sauerstoffreferenzkammer im Sensorelement 11 ausgebildet. Die Pumpelektrode 15 ist der Messgaskammer ausgesetzt, während die Pumpelektrode 16 der Sauerstoffreferenzkammer ausgesetzt ist. Das Abgas wird der Messgaskammer als ein zu messendes Gas durch eine poröse Diffusionsschicht (nicht dargestellt) von außerhalb des Sensorelements 11 zugeführt. Andererseits wird die Luft, die als ein Referenzgas in die Sauerstoffreferenzkammer zugeführt wird, von außerhalb des Sensorelements 11 zugeführt.
Das Sensorelement 11 liegt in Form eines Sauerstoffsensorelements vor, das eine Sauerstoffkonzentration mit einer sogenannten „Strombegrenzungsmethode“ ermittelt. Die Ausgabe-Charakteristiken des Sensorelements 11, die ein Verhältnis zwischen einer zwischen dem Paar von Pumpelektroden 15 und 16 angelegten Spannung (im Folgenden als „Sensorelementspannung Vp“ bezeichnet) und einem Stromfluss zwischen dem Paar von Pumpelektroden 15 und 16 (im Folgenden als „Pumpstrom Ip“ bezeichnet; dem beanspruchten Konzentrationserfassungsstrom entsprechend) darstellen, umfassen einen Proportionalbereich und einen flachen Bereich. In dem Proportionalbereich ändert sich der Pumpstrom Ip proportional zu einem Anstieg der Sensorelementspannung Vp. In dem flachen Bereich wird der Pumpstrom auf einem konstanten Wert gehalten, mit praktisch keiner Änderung, unabhängig von einer Änderung der Sensorelementspannung Vp. Dieser flache Bereich ist ein Bereich einer Strombegrenzung (im Folgenden als „Strombegrenzungsbereich“ bezeichnet), in dem der Pumpstrom Ip in Bezug auf die Sensorelementspannung Vp konstant gehalten wird.
Es ist bekannt, dass der Pumpstrom Ip in dem Strombegrenzungsbereich einen Wert gemäß der Sauerstoffkonzentration annimmt. Der Wert des Pumpstroms Ip in der Strombegrenzungsregion (der sogenannte „Strombegrenzungswert“) nimmt mit einer Zunahme der Sauerstoffkonzentration zu. Und zwar je höher die Konzentration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs ist (d. h. umso magerer das Luft-Treibstoff-Verhältnis ist), desto größer ist der Strombegrenzungswert und je geringer die Konzentration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs ist (d. h. umso fetter das Luft-Treibstoff-Verhältnis ist), desto kleiner ist der Strombegrenzungswert. Die Konzentration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs kann daher über einen großen Bereich ermittelt werden, indem der Pumpstrom Ip unter Anlegen der Sensorelementspannung Vp entsprechend der Strombegrenzungsregion gemessen wird.
Die Heizung 12 weist einen Heizkörper, der beispielsweise aus einem aluminiumbasierten Material ausgebildet ist, und einen Heizwiderstand auf, der beispielsweise aus einem platinbasierten Material ausgebildet ist und in dem Heizkörper eingebettet ist. Der Heizwiderstand ist an seinen beiden Enden elektrisch mit der Sensor-Steuervorrichtung 1 verbunden, sodass die Heizung 12 mit der Stromversorgung durch die Sensor-Steuervorrichtung 1 Wärme erzeugt, um das Sensorelement 11 auf eine Aktivierungstemperatur zu erwärmen.
Der Gassensor 3 wird in einen Status versetzt, in dem er Gas erfassen kann, wenn das Sensorelement 11 von der Wärme der Heizung 12 aktiviert ist.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Sensor-Steuervorrichtung 1 eine CAN-Interfaceschaltung 21 (im Folgenden als CAN I/F Schaltung 21 bezeichnet), eine Steuerschaltung 22, einen Microcomputer 23 und Verbindungsanschlüsse 24, 25, 26 und 27. „CAN“ ist eine geschützte Abkürzung für Controller Area Network.
Die CAN I/F Schaltung 21 führt Datenaustausch mit der Maschinen-ECU 9 gemäß eines CAN-Kommunikationsprotokolls durch.
Die Steuerschaltung 22 ist als eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) bereitgestellt. Die Steuerschaltung 22 hat einen Referenzspannungserzeugungsbereich 31, einen Stromversorgungsbereich 32, einen Analog-Digital-Wandlerbereich 33 (im Folgenden als „AD-Wandlerbereich 33“ bezeichnet), einen PID-Verarbeitungsbereich 34, einen Strom-Digital-Analog-Wandlerbereich 35 (im Folgenden als „Strom-DA-Wandlerbereich 35“ bezeichnet), einen Rpvs-Bestimmungsbereich 36, einen Tastverhältnisberechnungsbereich 37 und einen Heizungstreiberbereich 38. Die Steuerschaltung 22 hat zudem einen Pumpstromanschluss 41 (im Folgenden als „Ip+ Anschluss 41“ bezeichnet), einen Erfassungsspannungsanschluss 42 (im Folgenden als Vs+ Anschluss bezeichnet), einen allgemeinen Anschluss 43 (im Folgenden als „COM Anschluss 43“ bezeichnet) und einen Heizungsanschluss 44 (im Folgenden als „HTR+ Anschluss“ bezeichnet). Der Ip+ Anschluss 41 und der Vs+ Anschluss 42 sind mit dem Verbindungsanschluss 25 der Sensor-Steuervorrichtung 1 verbunden. Der COM Anschluss 43 ist mit dem Verbindungsanschluss 24 der Sensor-Steuervorrichtung 1 verbunden. Die Pumpelektroden 15 und 16 sind mit den Verbindungsanschlüssen 24 bzw. 25 der Sensor-Steuervorrichtung 1 verbunden. Der HTR+ Anschluss 44 ist mit dem Verbindungsanschluss 26 der Sensor-Steuervorrichtung 1 verbunden. Die beiden Enden der Heizung 12 (Heizwiderstand) sind mit den Verbindungsanschlüssen 26 bzw. 27 der Sensor-Steuervorrichtung 1 verbunden. Ferner ist der Verbindungsanschluss 27 geerdet.
Der Referenzspannungserzeugungsbereich 31 erzeugt eine Referenzspannung und legt sie an den COM Anschluss 43 an. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Referenzspannung auf 2,7 V eingestellt.
Der Stromversorgungsbereich 32 liefert einen Strompuls Irpvs über den Vs+ Anschluss 42 an das Sensorelement 11, um einen internen Widerstandswert Rpvs der Pumpzelle 13 zu ermitteln. Der Stromversorgungsbereich 32 liefert den Strompuls Irpvs nicht kontinuierlich, sondern liefert den Strompuls Irpvs periodisch für eine vorbestimmte Zeit auf der Basis eines Kommandos des Minicomputers 23.
Der AD-Wandlerbereich 33 wandelt ein analoges Signal (Spannungswert), das von dem Vs+ Anschluss 42 eingegeben wird, in digitale Daten um und gibt die digitalen Daten an den PID-Verarbeitungsbereich 34 und an den Rpvs-Bestimmungsbereich 36 aus.
Der PID-Verarbeitungsbereich 36 führt Verarbeitungsoperationen für eine PID-Steuerung des Pumpstroms Ip auf Basis der digitalen Daten, die von dem AD - Wandlerbereich 33 ausgegeben wurden, so aus, dass eine Spannungsdifferenz zwischen dem Vs+ Anschluss 42 und dem COM Anschluss 43 eine vorbestimmte Steuerungsreferenzspannung wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuerungsreferenzspannung auf 400 mV eingestellt. Der PID-Verarbeitungsbereich 34 bestimmt den Wert des Pumpstroms Ip durch die PID-Verarbeitung und gibt digitale Daten, die den bestimmten Pumpstrom repräsentieren, an den Strom-DA-Wandlerbereich 35 aus.
Der Strom-DA-Wandlerbereich 35 liefert Strom über den Ip+ Anschluss 41 an das Sensorelement 11, gemäß der digitalen Daten (Stromwert), die von dem PID-Verarbeitungsbereich 34 eingegeben wurden.
Der Rpvs-Bestimmungsbereich 36 führt eine Verarbeitungsoperation aus, um den internen Widerstandswert Rpvs der Pumpzelle 13 zu bestimmen und zwar basierend auf den digitalen Daten, die von dem AD-Wandlerbereich 33 während der Bereitstellung des Strompulses Irpvs von dem Stromversorgungsbereich 32 an das Sensorelement 11 eingegeben wurden und gibt dann digitale Daten aus, die den bestimmten internen Widerstandswert Rpvs repräsentieren, an den Tastverhältnisberechnungsbereich 37 aus.
Der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 berechnet, basierend auf den digitalen Daten, die von dem Rpvs-Bestimmungsbereich 36 eingegeben werden, eine nötige Wärmeerzeugung der Heizung 12, um die Temperatur des Sensorelements 11 an einer festgelegten Sensorzieltemperatur zu halten. Der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 berechnet ferner ein Tastverhältnis der der Heizung 12 zugeführten Energie, und zwar basierend auf der berechneten Wärmeerzeugung. Der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 erzeugt ein Steuersignal zur Pulsweitenmodulation (PWM) gemäß des berechneten Tastverhältnisses und gibt das PWM Steuersignal an den Heizungstreiberbereich 38 aus.
In der vorliegenden Ausführungsform führt der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 eine Rückkopplungssteuerung zur Berechnung der Wärmeerzeugung aus. Genauer betrachtet berechnet der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 eine Abweichung zwischen dem internen Widerstandswert Rpvs, der von dem Rpvs-Bestimmungsbereich 36 eingegeben wird, und einem internen Widerstandszielwert gemäß der Sensorzieltemperatur und berechnet dann einen Proportionalterm und einen Integralterm als Rückkopplungsterme basierend auf der Abweichung. Hierbei wird der Proportionalterm berechnet, indem die Abweichung mit einem vorbestimmten Faktor multipliziert wird und der Integralterm wird berechnet, indem ein Wert der Abweichung mit einem vorbestimmten Integralfaktor multipliziert wird. Der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 berechnet ein Ergebnis einer Addition des Proportionalterms und des Integralterms als die Wärmeerzeugung. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Proportionalfaktor auf 1670 eingestellt und der Integralfaktor ist auf 750 eingestellt.
Die Heizungstreiberbereich 38 treibt die Heizung durch PWM Steuerung der Spannung Vh, die zwischen den beiden Enden der Heizung 12 in Übereinstimmung mit dem von dem Tastverhältnisberechnungsbereich 37 eingegebenen PWM Steuersignal angelegt wird.
Der Microcomputer 23 weist eine CPU 51, ein ROM 52 und ein RAM 53 auf. Verschiedene Funktionen des Microcomputers 23 werden erreicht, indem die CPU 51 Programme ausführt, die in einem nicht flüchtigen Speichermedium gespeichert sind. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht das ROM 52 dem nicht flüchtigen Speichermedium, in dem die Programme gespeichert werden. Indem ein Programm ausgeführt wird, führt der Microcomputer 23 eine Funktion entsprechend dem ausgeführten Programm aus. Die Sensor-Steuervorrichtung 1 kann einen einzigen Microcomputer oder ein Vielzahl von Microcomputern aufweisen. Ein Teil der Funktionen oder alle Funktionen, die von dem Microcomputer 23 ausgeführt werden, können als Hardware mit einem einzigen IC oder einer Vielzahl von ICs konfiguriert sein.
In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 51 die Sauerstoffkonzentration gemäß der Flussrichtung und einem Wert des Pumpstroms Ip durch Ausführung eines Programms, das in den ROM 52 gespeichert ist.
Hierbei sind die folgenden Terme wie folgt definiert: ΔRpvs ist eine interne Widerstandsdifferenz, die ermittelt wird, indem der interne Widerstandszielwert von dem ermittelten internen Widerstandswert Rpvs subtrahiert wird; ΔIp ist eine Pumpstromdifferenz, die ermittelt wird, indem ein Wert des Pumpstroms Ip gemäß des internen Widerstandszielwerts von einem Wert des Pumpstroms Ip gemäß des ermittelten internen Widerstandswert Rpvs subtrahiert wird und dRpvs/dt ist ein Wert, der einen Betrag einer Änderung des internen Widerstandswerts Rpvs pro Zeiteinheit darstellt.
3 zeigt Änderungen über die Zeit der internen Widerstandsdifferenz ΔRpvs und der Pumpstromdifferenz ΔIp in dem Fall, in dem der interne Widerstandswert Rpvs periodisch in Bezug auf den internen Widerstandszielwert zunimmt und abnimmt. Wie in 3 gezeigt, nimmt die Pumpstromdifferenz ΔIp in Abhängigkeit mit der periodischen Zu- und Abnahme der internen Widerstandsdifferenz ΔRpvs periodisch zu und ab.
4 zeigt ein Verhältnis des Wertes dRpvs/dt und der Pumpstromdifferenz ΔIp. Wie durch die Gerade L1 in 4 gezeigt, kann das Verhältnis des Wertes dRpvs/dt und der Pumpstromdifferenz ΔIp durch eine lineare Gleichung (erster Ornung) beschrieben werden. Im Speziellen ist das Verhältnis des Wertes dRpvs/dt und der Pumpstromdifferenz ΔIp durch folgende Gleichung (1) beschrieben: $Δ ip = A*dRpvs/dt + B$
wobei der Koeffizient A eine Steigung der linearen Gleichung, dargestellt durch die Gerade L1, ist und der Koeffizient B ein Achsenschnittpunkt der linearen Gleichung, dargestellt durch die Gerade L1, ist. In 4 ist der Wert des Koeffizienten A auf etwa -0,15 eingestellt und der Wert des Koeffizienten B auf 0 eingestellt.
Um die Änderungen des Pumpstroms Ip aufgrund plötzlicher Temperaturänderungen des Gassensors 3 zu evaluieren, wurde der folgende Evaluierungstest an dem Beispiel unter Verwendung der Sensor-Steuervorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform und an einem Vergleichsbeispiel unter Verwendung einer herkömmlichen Sensor-Steuervorrichtung ausgeführt. Die Sensor-Steuervorrichtung des Vergleichsbeispiels hatte die gleiche Konfiguration wie die Sensor-Steuervorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform, außer, dass der Proportionalfaktor und der Integralfaktor (als Rückkopplungsfaktoren) des Tastverhältnisberechnungsbereichs auf 245 bzw. 235 gesetzt waren.
Im Rahmen des Evaluierungstests wurde der Gassensor an einem Gasflussrohr befestigt und normal betrieben. In diesem Zustand wurden der Pumpstrom Ip und die Temperatur des Sensorelements 11 (im Folgenden als „Elementtemperatur“ bezeichnet) des Gassensors 3 gemessen, während ein Versuchsgas als das zu messende Gas über das Gasflussrohr dem Gassensor 3 zugeführt wurde. Die Elementtemperatur wurde anhand des internen Widerstandswerts Rpvs bestimmt, der von dem Rpvs-Bestimmungsbereich 36 ausgegeben wird.
Das Versuchsgas, das hierbei genutzt wurde, war ein Gas, das ein Verbrennungsabgas simuliert, das von einer internen Verbrennungsmaschine 5 durch Verbrennung eines Luft-Treibstoff-Gemischs mit einem stöchiometrischen Luft-Treibstoffverhältnis (λ=1) in der internen Verbrennungsmaschine 5 ausgestoßen wird, d. h. ein Gas, das 13 Vol.-% Kohlenstoffdioxid (CO₂) enthält, wobei der Rest Stickstoff (N2) ist. Während des Evaluierungstests wurde die Temperatur des Versuchsgases auf konstant 25°C gehalten. Des Weiteren war das Gasflussrohr mit einem Solenoidventil ausgestattet, sodass die Gasflussrate des Versuchsgases alle 10 Sekunden mit dem Solenoidventil zwischen 10 m/s und 60 m/s umgeschaltet wurde, um so plötzliche Temperaturunterschiede des Gassensors 3 zu bewirken.
Die Ergebnisse des Evaluierungstests des Vergleichsbeispiels sind in den Graphen G1 bis G3 der 5A bis 5C geplottet, wobei Graph G1 Änderungen des Pumpstroms Ip über die Zeit zeigt, Graph G2 Änderungen der Elementtemperatur und der Gasflussrate über die Zeit zeigt und Graph G3 Änderungen des Werts dT/dt der Elementtemperatur über die Zeit zeigt.
Wie in Graph G2 gezeigt, wurde die Gasflussrate während des Zeitdauer von Sekunde 0 bis Sekunde 4 auf 60 m/s gehalten, plötzlich an Sekunde 4 von 60 m/s auf 10 m/s reduziert und während der Zeitdauer von Sekunde 4 bis Sekunde 14 auf 10 m/s gehalten, dann in Sekunde 14 plötzlich von 10n m/s auf 60 m/s erhöht und dann während der Zeitdauer von Sekunde 14 bis Sekunde 20 auf 60 m/s gehalten.
Als die Gasflussrate bei Sekunde 4 plötzlich von 60 m/s auf 10 m/s reduziert wurde, nahm die Elementtemperatur wie in Graph G2 gezeigt von ungefähr 800°C auf 830°C zu und der Pumpstrom Ip nahm wie in Graph G1 gezeigt von ungefähr 0,5 µA auf ungefähr 1,5 µA zu. Als die Gasflussrate bei Sekunde 14 plötzlich von 10 m/s auf 60 m/s erhöht wurde, nahm die Elementtemperatur wie in Graph G2 gezeigt von ungefähr 790°C auf 770°C ab und der Pumpstrom Ip nahm wie in Graph G1 gezeigt von ungefähr 0,5 µA auf ungefähr -0,25 µA ab.
Bei dem Vergleichsbeispiel lag der Mittelwert des Pumpstroms Ip über den Zeitraum von Sekunde 0 bis Sekunde 20 bei +0,60 µA und der Maximalwert und der Minimalwert im Zeitraum von Sekunde 0 bis Sekunde 20 lag bei +1,47 µA bzw. -0,24 µA. Das bedeutet, der Variationsbereich des Pumpstroms Ip (mit dem Mittelwert des Pumpstroms als Zentrum) reichte bei dem Vergleichsbeispiel von -0,84 µA bis +0,87 µA. Das heißt die Variationsbreite ΔIp des Pumpstroms Ip lag beim Vergleichsbeispiel bei 1,71 µA.
Wie in Graph G3 gezeigt, betrug der Durchschnittswert des Werts dT/dt über den Zeitabschnitt von Sekunde 0 bis Sekunde 20 -0,063°C/s und der Maximalwert und der Minimalwert im Zeitraum von Sekunde 0 bis Sekunde 20 lag bei +23.128°C/s bzw. bei -20,915°C/s. Das bedeutet, der Variationsbereich des Werts dT/dt (mit dem Mittelwert des Werts als Zentrum) reichte bei dem Vergleichsbeispiel von -20,852°C/s zu +23,191°C/s.
Die Ergebnisse des Evaluierungstests des Beispiels sind in den Graphen G4 bis G6 der 6A bis 6C geplottet, wobei Graph G4 Änderungen des Pumpstroms Ip über die Zeit zeigt, Graph G5 Änderungen der Elementtemperatur und der Gasflussrate über die Zeit zeigt und Graph G6 Änderungen des Werts dT/dt der Elementtemperatur über die Zeit zeigt.
Wie in Graph G5 gezeigt, wurde die Gasflussrate während des Zeitdauer von Sekunde 0 bis Sekunde 4 auf 60 m/s gehalten, plötzlich an Sekunde 4 von 60 m/s auf 10 m/s reduziert und während der Zeitdauer von Sekunde 4 bis Sekunde 14 auf 10 m/s gehalten, dann in Sekunde 14 plötzlich von 10n m/s auf 60 m/s erhöht und dann während der Zeitdauer von Sekunde 14 bis Sekunde 20 auf 60 m/s gehalten.
Als die Gasflussrate bei Sekunde 4 plötzlich von 60 m/s auf 10 m/s reduziert wurde, nahm die Elementtemperatur wie in Graph G5 gezeigt von ungefähr 800°C auf 810°C zu und der Pumpstrom Ip nahm wie in Graph G4 gezeigt von ungefähr 0,7 µA auf ungefähr 1,0 µA zu. Als die Gasflussrate bei Sekunde 14 plötzlich von 10 m/s auf 60 m/s erhöht wurde, nahm die Elementtemperatur wie in Graph G5 gezeigt von ungefähr 800°C auf 790°C ab und der Pumpstrom Ip nahm wie in Graph G4 gezeigt von ungefähr 0,7 µA auf ungefähr 0,1 µA ab.
Bei dem Beispiel lag der Mittelwert des Pumpstroms Ip über den Zeitraum von Sekunde 0 bis Sekunde 20 bei +0,62 µA und der Maximalwert und der Minimalwert im Zeitraum von Sekunde 0 bis Sekunde 20 lag bei +0,98 µA bzw. +0,12 µA. Das bedeutet, der Variationsbereich des Pumpstroms Ip (mit dem Mittelwert des Pumpstroms als Zentrum) reichte bei dem Beispiel von -0,50 µA bis +0,36 µA. Das heißt die Variationsbreite ΔIp des Pumpstroms Ip lag beim Beispiel bei 0,86 µA.
Wie in Graph G6 gezeigt, betrug der Durchschnittswert des Werts dT/dt über den Zeitabschnitt von Sekunde 0 bis Sekunde 20 -0,003°C/s und der Maximalwert und der Minimalwert des Werts dT/dt im Zeitraum von Sekunde 0 bis Sekunde 20 lag bei +15,000°C/s bzw. bei -15,357°C/s. Das bedeutet, der Variationsbereich des Werts dT/dt (mit dem Mittelwert des Werts als Zentrum) reichte bei dem Beispiel von -15,382°C/s zu +15,075°C/s.
Aus den obigen Testergebnissen wird deutlich, dass die Ergebnisse der Gaskonzentrationserfassung des Gassensors 3 genauer und mit weniger Variation behaftet sind als die des Vergleichsbeispiels, selbst während vorübergehender Änderungen der Elementtemperatur.
Wie oben beschrieben ist die Sensor-Steuervorrichtung 1 dazu konfiguriert, den Gassensor 3 zu steuern. Der Gassensor 3 ist vom Typ mit dem Sensorelement 11 und der Heizung 12, die das Sensorelement 11 erwärmt und dazu ausgebildet ist, die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas zu erfassen. Das Sensorelement 11 umfasst die Pumpzelle 13, in der ein Paar von Elektroden 15 und 16 an dem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörper 14 angeordnet sind. Bei der Sensor-Steuervorrichtung 1 erfasst und bestimmt der Rpvs-Bestimmungsbereich 36 den internen Widerstandswert Rpvs der Pumpzelle 13, welcher mit der Temperatur des Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytkörpers 14 korreliert und der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 führt eine Rückkopplungssteuerung der Wärmeerzeugung der Heizung 12 auf Basis der vorbestimmten Rückkopplungsbedingung (d. h. einem Proportionalterm und einem Integralterm) durch, sodass die Abweichung zwischen dem erfassten internen Widerstandswert Rpvs und dem internen Widerstandszielwert null wird. Diese Rückkopplungsterme sind so eingestellt, dass, wenn das Versuchsgas (das das Verbrennungsabgas simuliert, das von der Maschine 5 durch die Verbrennung des stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Gemischs in der Maschine 5 ausgestoßen wird) als das zu messende Gas an den Gassensor 3 zugeführt wird, während die Temperatur des Versuchsgases auf 25°C gehalten wird und die Gasflussrate des Versuchsgases alle 10 Sekunden zwischen 10 m/s und 60 m/s umgeschaltet wird, die Variationsbreite ΔIp des Pumpstroms 1,6 µA oder kleiner wird.
Auf diese Weise beschränkt die Sensor-Steuervorrichtung 1 die Variationsbreite ΔIp des Pumpstroms Ip selbst in einer Umgebung auf 1,6 µA oder kleiner, in der sich die Temperatur des Sensorelements 11 plötzlich ändert. Wenn die Variationsbreite ΔIp des Pumpstroms Ip durch die Sensor-Steuervorrichtung 1 enger beschränkt werden kann als bei der herkömmlichen Sensor-Steuervorrichtung, ermöglicht es die Sensor-Steuervorrichtung 1, dass der Gassensor 3 eine Gaskonzentrationserfassung im Vergleich mit dem herkömmlichen Sensor mit verbesserter Genauigkeit ausführt, selbst in einem vorübergehenden Zustand, in dem sich die Temperatur des Sensorelements 11 ändert.
In der oben beschriebenen Ausführungsform entspricht der Sauerstoffionen leitende Festelektrolytkörper 14 dem beanspruchten Festelektrolytkörper, die Pumpelektroden 15 und 16 entsprechen den beanspruchten Paar von Elektroden, die Pumpzelle 13 entspricht der beanspruchten Zelle, der Sauerstoff entspricht der beanspruchten spezifischen Gaskomponente, der Pumpstrom Ip entspricht dem beanspruchten Konzentrationserfassungsstrom, der interne Widerstandswert Rpvs entspricht dem beanspruchten Temperaturwert des Festelektrolytkörpers, der interne Widerstandszielwert entspricht dem beanspruchten Zielwert, der Rpvs-Bestimmungsbereich 36 entspricht dem beanspruchten Temperaturerfassungsabschnitt und der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 entspricht dem beanspruchten Steuerabschnitt.
Auch wenn die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die obige Ausführungsform beschrieben wurde, soll die obige Ausführungsform das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern und beabsichtigt nicht die vorliegende Erfindung darauf zu beschränken. Verschiedene Variationen und Modifikationen können auf die obige Ausführungsform angewendet werden, ohne vom Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
So kann beispielsweise der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 zusätzlich zum Proportionalterm und zum Integralterm noch einen Differentialterm als Rückkopplungsterme berechnen, auch wenn der Tastverhältnisberechnungsbereich 37 in der obigen Ausführungsform den Proportionalterm und den Integralterm als Rückkopplungsterme berechnet.
Auch wenn in der obigen Ausführungsform ein Sauerstoffsensor als Gassensor genutzt wird, ist die vorliegende Erfindung auf jeden anderen Gassensor, wie einen NOx-Sensor, anwendbar. Bei der Nutzung eines Sauerstoffsensors als Gassensor, ist der Sauerstoffsensor nicht auf den einzelligen Sensortyp mit Strombegrenzung wie in der obigen Ausführungsform beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auf jeden anderen Typ von Gassensor wie einen zweizelligen Gassensor, bei dem der Gassensor zwei Zellen aufweist, eine Sauerstoffpumpzelle mit einem Paar von Elektroden und eine Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle mit einem Paar von Elektroden, angewendet werden. Der Typ des zweizelligen Sauerstoffsensors kann eine Sauerstoffkonzentration über einen weiten Messbereich erfassen und zwar basierend auf einem Pumpstrom, der unter Anwendung einer Pumpaktion gegen die Messkammer durch die Sauerstoffpumpzelle fließt, indem der Erregungszustand der Sauerstoffpumpzelle so gesteuert wird, dass eine elektromotorische Kraft, die zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationserfassungszelle entsteht, einen Zielwert erreicht.
Es ist in der obigen Ausführungsform möglich, die Funktion einer Komponente unter einer Vielzahl von Komponenten aufzuteilen oder die Funktionen einer Vielzahl von Komponenten in einer zusammenzufassen. Jedes technische Merkmal der obigen Ausführungsform kann angemessen wegfallen, ersetzt oder kombiniert werden. Alle Ausführungsformen und Modifikationen, die aus dem technischen Hauptinhalt der folgenden Ansprüche abgeleitet sind, sind in der vorliegenden Erfindung enthalten.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, nicht nur wie in der oben beschriebenen Sensor-Steuervorrichtung 1, sondern auch als ein System, das die Sensor-Steuervorrichtung 1, ein Programm, das es einem Computer erlaubt als die Sensor-Steuervorrichtung 1 zu funktionieren, ein nicht flüchtiges Speichermedium um darin ein solches Programm zu speichern, eine Sensorsteuerungsmethode und dergleichen.
Der gesamte Inhalt der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-196042 (eingereicht am 6. Oktober 2017) ist durch Inbezugnahme aufgenommen. Der Hauptinhalt der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf die folgenden Ansprüche festgelegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H11304758 [0002]
JP 2017196042 [0062]

Claims

Sensor-Steuervorrichtung (1) zur Steuerung eines Gassensors (3), wobei der Gassensor (3) ein Sensorelement (11) und eine Heizung (12), welche das Sensorelement (11) erwärmt, umfasst und dazu ausgebildet ist, die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente, die in einem zu messenden Gas enthalten ist, zu erfassen, wobei das Sensorelement (11) wenigstens eine Zelle (13) aufweist, welche einen Festelektrolytkörper (14) und ein Paar von Elektroden (15, 16) umfasst, welche derart an dem Festelektrolytkörper (14) angeordnet sind, dass sie einen Fluss eines Konzentrationserfassungsstroms zwischen dem Paar von Elektroden (15, 16) in Abhängigkeit von der Konzentration der spezifischen Gaskomponente bewirken, wobei die Sensor-Steuervorrichtung (1) umfasst: einen Temperaturerfassungsabschnitt (36), der dazu konfiguriert ist, einen Temperaturwert des Festelektrolytkörpers (14) zu erfassen; und einen Steuerabschnitt (37), der dazu konfiguriert ist, eine Rückkopplungssteuerung für die Wärmeerzeugung der Heizung (12) basierend auf einer vorbestimmten Rückkopplungsbedingung auszuführen, sodass eine Abweichung zwischen dem erfassten Temperaturwert und einem vorbestimmten Zielwert null wird, wobei die Rückkopplungsbedingung so eingestellt ist, dass, wenn ein Versuchsgas, das ein Verbrennungsabgas simuliert, das von einer internen Verbrennungsmaschine durch die Verbrennung eines stöchiometrischen Luft-Treibstoff-Gemischs abgegeben wird, dem Gassensor als das zu messende Gas zugeführt wird, während eine Temperatur des Versuchsgases bei 25 °C gehalten wird und eine Gasflussrate des Versuchsgases alle 10 Sekunden zwischen 10 m/s und 60 m/s umgeschaltet wird, eine Variationsbreite des Konzentrationserfassungsstroms 1,6 µA oder kleiner ist.
Sensor-Steuervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsbedingung einen Rückkopplungsterm umfasst.
Sensor-Steuervorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, wobei die Rückkopplungsbedingung wenigstens einen Proportionalterm und einen Integralterm als Rückkopplungsterme umfasst.
Sensoreinheit, umfassend: einen Gassensor (3), der ein Sensorelement (11), das wenigstens eine Zelle (13) aufweist, welche einen Festelektrolytkörper (14) und ein Paar von Elektroden (15, 16), die an dem Festelektrolytkörper (14) angeordnet sind, umfasst und eine Heizung (12), die das Sensorelement (11) erwärmt umfasst, und eine Sensor-Steuervorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.