DE102019122173A9

DE102019122173A9 - Gassensor-Diagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE102019122173A9
Application number: DE102019122173.0A
Authority: DE
Inventors: Kensuke Takizawa; Toshihiko Harada; Hiroki Ichikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2019-08-19
Publication date: 2020-05-07
Also published as: JP2020046267A; DE102019122173A1; US20200088665A1; JP7057741B2

Abstract

In einer Gassensor-Diagnosevorrichtung variiert ein Temperaturveränderungsteil eine Temperatur eines Sensorelements in einem Ammoniaksensor bei einer ersten Temperatur, die außerhalb des vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs ist. Ein Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil detektiert, ob das Mischpotential des Sensorelements einen vorbestimmten Ausgangsschwellwert nicht überschreitet, nachdem das Temperaturveränderungsteil eine Temperatur des Sensorelements variiert hat. Ein Temperaturerfassungsteil detektiert eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur des Sensorelements, bei dem das Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil detektiert, dass das Mischpotential des Sensorelements den vorbestimmten Ausgangsschwellwert unterschreitet. Das Verschlechterungszustands-Detektionsteil detektiert einen Verschlechterungszustand des Ammoniaksensors basierend auf der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur des Sensorelements, die durch das Temperaturerfassungsteil detektiert worden ist.

Description

Gassensor-Diagnosevorrichtung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Gassensor-Diagnosevorrichtungen, die eine Diagnose von Gassensoren ausführen.
Hintergrund
Ein Abgasreinigungssystem wird bekanntermaßen zum Reinigen von Abgas verwendet, das in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine strömt. Das Abgasreinigungssystem verwendet ein selektives katalytisches Reduktionssystem (SCR-System) und Harnstoffwasser als Reduktionsmittel. Das SCR-System ist eine Einrichtung zum Umwandeln von in dem Abgas enthaltenen Stickoxiden (NOx) mit Hilfe eines Katalysators in einen zweiatomigen Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O). Im Allgemeinen ist auf einer stromabwärtigen Seite des SCR-Systems in der Abgasleitung ein Ammoniaksensor angeordnet. Der Ammoniaksensor ist ein Mischpotentialsensor, der das Vorhandensein von Ammoniak, das in dem Abgas auf der stromabwärtigen Seite des SCR-Systems verblieben ist, detektieren soll.
Patentschrift 1, die japanische Patentschrift Nr. 2017-110967 offenbart eine Diagnosevorrichtung zum Detektieren eines Ammoniaksensorausfalls. Insbesondere detektiert die in der Patentschrift 1 gezeigte Diagnosevorrichtung eine Impedanz zwischen einer Detektionselektrode und einer Referenzelektrode des Ammoniaksensors und führt die Diagnose des Ammoniaksensors auf der Grundlage von Impedanzdetektionsergebnissen aus. Im Allgemeinen weist eine derartige Diagnosevorrichtung einen komplizierten Aufbau auf, da sie einen Schaltkreis voraussetzt, der eine Wechselstrom- (AC-) Impedanz detektiert, sowie einen Schaltkreis, der die Detektionsergebnisse der AC-Impedanz empfängt.
Kurzfassung
Daher ist es wünschenswert, eine Diagnosevorrichtung zum Detektieren eines Ammoniaksensorausfalls mit einem einfachen Aufbau zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gassensor-Diagnosevorrichtung für einen Mischpotential-Gassensor vorgesehen. Der Gassensor weist ein Sensorelement auf, das so angeordnet ist, dass es einem Detektionszielgas ausgesetzt ist. Das Sensorelement erzeugt und überträgt ein Mischpotential an die Gassensor-Diagnosevorrichtung, wenn das Sensorelement bei einer Aktivierungstemperatur innerhalb eines vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs erwärmt wird.
Die Gassensor-Diagnosevorrichtung weist eine zentrale Verarbeitungseinheit auf, die ein Temperaturveränderungsteil, ein Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil, ein Temperaturerfassungsteil und ein Verschlechterungszustands-Detektionsteil bereitstellt. Das Temperaturveränderungsteil variiert eine Temperatur des Sensorelements bei einer ersten Temperatur, die außerhalb des vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs ist. Das Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil detektiert, ob das Mischpotential des Sensorelements nicht höher ist als ein vorbestimmter Ausgangsschwellwert, nachdem das Temperaturveränderungsteil die Temperatur des Sensorelements variiert hat. Zum Beispiel ist der vorbestimmte Ausgangsschwellwert 5 mV, worauf in der Beschreibung später eingegangen wird. Das Temperaturerfassungsteil detektiert eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur des Sensorelements, bei der das Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil detektiert, dass das Mischpotential des Sensorelements nicht höher ist als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert. Der vorbestimmte Ausgangsschwellwert ist z. B. 5 mV. Das Verschlechterungszustands-Detektionsteil detektiert, ob sich das Sensorelement verschlechtert hat, auf der Grundlage der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur des Sensorelements, die durch das Temperaturerfassungsteil detektiert wird.
Im Allgemeinen ist ein Mischpotential-Gassensor, z. B. ein Ammoniaksensor, einem Detektionszielgas, wie z. B. einem Abgas, das von einer Brennkraftmaschine bei einer Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Aktvierungstemperaturbereichs ausgeschieden wird, ausgesetzt, und der Gassensor gibt ein Mischpotential aus. Andererseits erreicht eine elektrochemische Reaktion in dem Sensorelement ihren Gleichgewichtszustand, und das Mischpotential ist nicht höher als ein vorbestimmter Ausgangsschwellwert, wenn ein Sensorelement in dem Gassensor eine Temperatur erreicht, die höher ist als der vorbestimmte Aktivierungstemperaturbereich. Der vorbestimmte Ausgangsschwellwert ist z. B. 5 mV, worauf in der Beschreibung später eingegangen wird. Nach der Durchführung verschiedener Arten von Experimenten haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass ein Nullspannungsverschiebungs-Phänomen bei einer Temperatur eintritt, die höher ist als die eines normalen Sensors, der korrekt arbeitet, d. h. der normal arbeitet, wo das Mischpotential den vorbestimmten Ausgangsschwellwert bei der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur unterschreitet.
Selbst wenn zudem das Sensorelement bei einer Temperatur arbeitet, die niedriger ist als der vorbestimmte Aktivierungstemperaturbereich, tritt bekanntermaßen das Nullspannungsverschiebungs-Phänomen auf, bei dem das Mischpotential des Mischpotentialsensors nicht höher ist als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert (z. B. 5 mV).
Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben festgestellt, dass, wenn das Sensorelement auf eine Temperatur gekühlt wird, die außerhalb des vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs ist, die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur höher wird als die eines normalen Sensors, der in einem Verschlechterungszustand, in dem der Sensor sich verschlechtert hat, normal arbeitet.
Dementsprechend ist es für die Gassensor-Diagnosevorrichtung vorzuziehen, die Temperatur des Sensorelements außerhalb des vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs zu messen, so dass das Mischpotential des Sensorelements auf einen Wert verschoben wird, der nicht höher ist als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert, d. h. so dass das Mischpotential des Sensorelements wegfällt.
Die Gassensor-Diagnosevorrichtung detektiert eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur, die eine Temperatur ist, wenn das Mischpotential auf null oder auf eine Spannung nahe null verschoben wird, d. h. auf eine Temperatur, wenn das Mischpotential den vorbestimmten Ausgangsschwellwert unterschreitet, und detektiert einen Verschlechterungsgrad des Sensorelements auf der Basis der detektierten Temperatur. Dementsprechend ist die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Lage, einen Verschlechterungszustands eines Gassensors mit hoher Genauigkeit normal auszuführen, und einem einfachen Aufbau und Steuerbetrieb auszuführen.
Figurenliste
Eine bevorzugte, rein beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung mit Hilfe eines Beispiels beschrieben. Es zeigen:

1 eine Ansicht, die eine schematische Struktur eines Abgasreinigungssystems für eine Brennkraftmaschine 10 zeigt;
2 eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Ammoniaksensors 30 zeigt, der mit einer Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist, und der in einem zweiten Verbundsensor 25 montiert ist, der auf einer stromabwärtigen Seite eines auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 angeordnet ist, der auf dem in 1 gezeigten Abgasreinigungssystem montiert ist;
3 eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau einer Detektionselektrode in dem Ammoniaksensor 30 zeigt, die in dem zweiten Verbundsensor 25 montiert ist, der in 1 gezeigt ist;
4 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Temperatur eines Sensorelements 31 in dem Ammoniaksensor 30, der in 2 gezeigt ist, und eines Mischpotentials V des Ammoniaksensors 30 in dem zweiten Verbundsensor 25 zeigt, der auf der stromabwärtigen Seite des auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 angeordnet ist, der in 1 gezeigt ist;
5A und 5B Graphen, die eine Beziehung zwischen einer Temperatur und einem absoluten Wert eines Mischpotentials eines Ammoniaksensors in einem Initialzustand, einem leichten Verschlechterungszustand und einem fortgeschrittenen Verschlechterungszustand desselben zeigen;
6A und 6B Zeitsteuerungsdiagramme, die eine Sauerstoffkonzentration und eine Ammoniak- (NH₃)- Konzentration in einem Abgas in einem Brennstoffabschaltungszustand zeigen; und
7 eine Ansicht, die ein Flussdiagramm eines Verschlechterungsdiagnosevorgangs des Ammoniaksensors zeigt, der durch die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgeführt wird.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der nachstehenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen sind identische oder einander entsprechende Bauteile in den verschiedenen Diagrammen durch identische Bezugszeichen gekennzeichnet.
Beispielhafte Ausführungsform
Es folgte eine Beschreibung einer Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 bis 7. Die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform wird auf ein Abgasreinigungssystem angewendet, das ein von einer Brennkraftmaschine, wie z. B. einer fahrzeuggestützten Mehrzylinder-Dieselmaschine, ausgeschiedenes Abgas reinigt. Die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform ist für die Anwendung auf verschiedene Arten von Maschinen, wie z. B. eine Magerverbrennungs-Benzinmaschine, geeignet.
1 ist eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau des Abgasreinigungssystems der Brennkraftmaschine 10 zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, weist das Abgasreinigungssystem eine Abgasleitung 12, einen auf der stromaufwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysator 21, einen ersten Verbundsensor 24, eine Ammoniumhydroxid-Zuführvorrichtung 23, einen auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysator 22, einen zweiten Verbundsensor 25 und eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 50 auf.
2 ist eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau eines Ammoniaksensors 30 zeigt, der in den zweiten Verbundsensor 25 montiert ist. Der zweite Verbundsensor 25 weist den Ammoniaksensor 30 auf, der in 2 gezeigt ist. Der Ammoniaksensor 30 ist mit einer Sensorelementsteuerung 40 als die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgestattet. Auf den Aufbau und das Verhalten des Ammoniaksensors 30, der mit der Sensorelementsteuerung 40 ausgestattet ist, wird später ausführlicher eingegangen.
Die Brennkraftmaschine 10 ist mit einer Saugleitung 11 und einer Abgasleitung 12 verbunden. In jede Brennkammer (nicht gezeigt) in der Brennkraftmaschine 10 wird Außenluft eingeführt. Das von der Brennkraftmaschine 10 ausgeschiedene Abgas strömt in die Abgasleitung 12. Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 ist in der Brennkraftmaschine 10 installiert, um einen Brennstoff in die jeweiligen Brennkammern einzuspritzen.
Wie in 1 gezeigt ist, sind ein auf der stromaufwärtigen Seite befindlicher selektiver katalytischer Reduktionskatalysator 21 (der nachstehend als der auf der stromaufwärtigen Seite befindliche SCR-Katalysator 21 bezeichnet wird) und ein auf der stromabwärtigen Seite befindlicher selektiver katalytischer Reduktionskatalysator 22 (der nachstehend als der auf der stromabwärtigen Seite befindliche SCR-Katalysator 22 bezeichnet wird) an der Abgasleitung 12 befestigt. Der auf der stromaufwärtigen Seite befindliche SCR-Katalysator 21 weist einen Sauerstoffkatalysator und einen Dieselpartikelfilter (DPF) auf. Der Sauerstoffkatalysator oxidiert Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) etc., die in dem von der Brennkraftmaschine 10 ausgeschiedenen Abgas enthalten sind. Der DPF nimmt die in dem Abgas enthaltenen Partikel auf.
Der auf der stromabwärtigen Seite befindliche SCR-Katalysator 22 ist ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator, der Ammoniumhydroxid (Ammoniakwasser) als ein Reduktionsmittel zum Reduzieren von Stickoxid (NOx) verwendet, das in dem Abgas enthalten ist. In dem auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysator 22 wird durch das Ammoniak NH₃ in dem Ammoniumhydroxid, das von einer Ammoniumhydroxid-Zuführvorrichtung 23 zugeführt wird, das NOx selektiv reduziert, das in dem Abgas enthalten ist, das in der Abgasleitung 12 strömt, das auf der stromabwärtigen Seite der Abgasleitung 12 angeordnet ist, die in 1 gezeigt ist. Dadurch kann NOx aus dem Abgas eliminiert und das Abgas gereinigt werden. Das Ammoniumhydroxid wird in dem auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 gespeichert. Eine Reduktionsreaktion zwischen dem in dem Abgas enthaltenen NOx und dem gespeicherten Ammoniumhydroxid ereignet sich in dem auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysator 22.
In der Abgasleitung 12 ist der erste Verbundsensor 24 zwischen dem auf der stromaufwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysator 21 und dem auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysator 22 angeordnet. Der erste Verbundsensor 24 detektiert Konzentrationen von NOx und Sauerstoff in dem Abgas, und gibt Detektionssignale aus, die dem detektierten Stickoxid und den detektierten Sauerstoffkonzentrationen entsprechen.
Ferner ist der zweite Verbundsensor 25 an einer stromabwärtigen Seite des auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 in der Abgasleitung 12 angeordnet. Der zweite Verbundsensor 25 detektiert Konzentrationen von NOx, Sauerstoff und Ammoniak, die in dem Abgas enthalten sind, und gibt Detektionssignale aus, die den detektierten NOx-, Sauerstoff- und Ammoniak-Konzentrationen entsprechen.
Die Detektionsergebnisse von dem ersten und dem zweiten Verbundsensor 24 und 25 werden an die ECU 50 übertragen. Der zweite Verbundsensor 25 weist einen Ammoniak- (NH₃-) Sensor 30 und einen Stickstoff- (NOx-) Sensor auf.
Der der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Gedanke wird durch den Aufbau des Abgasreinigungssystems, das in 1 gezeigt ist, nicht eingeschränkt. So ist z. B. die Verwendung einer NOx-Sensoreinheit, einer Sauerstoffsensoreinheit und einer Ammoniaksensoreinheit, die voneinander unabhängig in der Abgasleitung angeordnet sind, zulässig.
Die ECU 50 ist mit einem Mikrocomputer ausgestattet, der aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einem Nur-Lese-Speicher (ROM) und einem Direktzugriffspeicher (RAM) etc. besteht. Die ECU 50 führt Steuervorgänge zum Anpassen einer Luftzuführmenge und Steuervorgänge der Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 auf der Basis einer Drehzahl der Brennkraftmaschine 10 und einer Höhe einer Last in Bezug auf die Brennkraftmaschine 10 aus. Die ECU 50 führt ferner Steuervorgänge der Ammoniumhydroxid-Zuführvorrichtung 23 etc. auf Basis der Betriebsbedingung der Brennkraftmaschine 10 und der Detektionssignale aus, die von den verschiedenen Typen von Sensoren, wie z. B. dem ersten Verbundsensor 24, dem zweiten Verbundsensor 25, dem Ammoniaksensor 30 etc., übertragen werden.
Eine Beschreibung des Ammoniaksensors 30, der in dem zweiten Verbundsensor 25 montiert ist, erfolgt unter Bezugnahme auf 2 und 3.
Wie in 2 gezeigt ist, ist der Ammoniaksensor 30 in dem zweiten Verbundsensor 25 montiert, der auf einer stromabwärtigen Seite des auf der stromaufwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 angeordnet ist, der an dem Abgasreinigungssystem, das in 1 gezeigt ist, befestigt ist. 3 ist eine Ansicht, die einen schematischen Aufbau einer Detektionselektrode 37 in dem Ammoniaksensor 30 zeigt, der in dem zweiten Verbundsensor 25 montiert ist, der in 1 gezeigt ist.
Der Ammoniaksensor 30 ist mit einem Sensorelement 31 und der Sensorelementsteuerung 40 ausgestattet. Die Sensorelementsteuerung 40 führt eine Steuerung des Sensorelements 31 aus. Das heißt, dass die Sensorelementsteuerung 40 der Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entspricht.
Ähnlich wie die ECU 50 ist die Sensorelementsteuerung 40 als die Gassensor-Diagnosevorrichtung mit einem Mikrocomputer ausgestattet, der aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einem Nur-Lese-Speicher (ROM), einem Direktzugriffsspeicher (RAM) etc. besteht. Die Sensorelementsteuerung 40 ist mit der ECU 50 verbunden. Die Sensorelementsteuerung 40 überträgt an die ECU 50 Detektionssignale, die Detektionswerten des Ammoniaksensors 30 entsprechen.
Das Sensorelement 31 ist ein Mischpotential-Sensorelement, das dem Abgas als ein Detektionszielgas direkt ausgesetzt ist und ein Mischpotential erzeugt und bereitstellt. Eine Heizeinrichtung 33 ist auf einem Isoliersubstrat 32 des Sensorelements 31 ausgebildet. In dem Aufbau des Sensorelements 31 ist ein eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweisendes Festelektrolyt 34 durch eine Referenzgaskammer 35 gestapelt. Das heißt, dass die Referenzgaskammer 35 so ausgebildet ist, dass sie zwischen dem Isoliersubstrat 32 und dem Isoliersubstrat 32 sandwichartig angeordnet ist. In die Referenzgaskammer 35 wird Außenluft eingeführt. Das Festelektrolyt 34 besteht z. B. aus einem yttriumstabilisierten Zirkon (YSZ).
Auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolyten 34 ist ein Paar von Elektroden ausgebildet. Eine der Elektroden ist eine Referenzelektrode 36, die zur Innenseite der Referenzgaskammer 35 freiliegt. Die andere der Elektroden ist eine Detektionselektrode 37, die zu dem Detektionszielgas, wie z. B. dem Abgas, freiliegt.
Ein Gemisch aus einem Festelektrolyt 37A und einem Katalysator 37B wird auf eine Oberfläche des Festelektrolyten 34 aufgetragen, um die Detektionselektrode 37 auszubilden. Als der Katalysator 37B kann z. B. Gold (Au) verwendet werden. Die gegebenenfalls erfolgende Ausbildung einer Schutzschicht, welche aus einer porösen Keramik mit gasdurchlässigen Eigenschaften besteht, auf der Oberfläche der Detektionselektrode 37 wird als angemessen betrachtet.
Ein Thermistor 38 ist auf dem Sensorelement 31 angeordnet, um eine Temperatur T des Sensorelements 31 zu detektieren. Der der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Gedanke wird durch diesen Aufbau nicht eingeschränkt. Es wird beispielsweise als angemessen betrachtet, eine Temperatur T des Sensorelements 31 auf der Basis von Parametern zu detektieren, die eine Korrelation zwischen einem Widerstandswert der Heizeinrichtung 33, einem Widerstandswert des Festelektrolyten 34 und der Temperatur T des Sensorelements 31 darstellen.
In dem Sensorelement läuft auf der Oberfläche der Detektionselektrode 37 eine elektrochemische Reaktion von Ammoniak und Sauerstoff ab. Die elektrochemische Reaktion von Ammoniak und Sauerstoff erzeugt eine elektromotorische Kraft, d. h. eine Mischspannung zwischen der Detektionselektrode 37 und der Referenzelektrode 36. Das Sensorelement 31 detektiert das Mischpotential V (NH₃) und überträgt ein Detektionssignal, das das Mischpotential als ein Detektionsergebnis darstellt, an die Sensorelementsteuerung 40 in dem Ammoniaksensor 30.
Weil zwischen dem Mischpotential V (NH₃) und einer Ammoniakkonzentration eine Korrelation vorliegt, kann die Sensorelementsteuerung 40 eine Ammoniakkonzentration von Ammoniak, das in dem Abgas als das Detektionszielgas enthalten ist, auf der Basis einer Korrelationsgleichung berechnen, die durch diese vorbereitete Korrelationsbeziehung erhalten wurde.
Die elektrochemische Reaktion von Ammoniak und Sauerstoff auf der Detektionselektrode 37 wird durch eine Temperatur T des Sensorelements 31 beeinflusst.
4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Temperatur des Sensorelements 31 in dem in 2 gezeigten Ammoniaksensor 30 und dem Mischpotential V (NH₃) des Ammoniaksensors 30 in dem zweiten Verbundsensor 25 zeigt, der auf der stromabwärtigen Seite des auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 angeordnet ist, der in 1 gezeigt ist.
Wenn, wie 4 zu entnehmen ist, die Temperatur T des Sensorelements 31 in dem gleichen Detektionszielgas variiert, variiert auch das Mischpotential V (NH₃). Dementsprechend wird der Ammoniaksensor 30 bei einer vorbestimmten Aktivierungstemperatur verwendet, die innerhalb eines Aktivierungstemperaturbereichs A ist. In dem Aktivierungstemperaturbereich A weist ein absoluter Wert des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31 einen hohen Wert auf.
Damit das Sensorelement 31 eine vorbestimmte Aktivierungstemperatur erreicht, passt die Sensorelementsteuerung 40 eine Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung 33 an. Insbesondere passt die Sensorelementsteuerung 40 die Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung 33 so an, dass das Sensorelement 31 die vorbestimmte Aktivierungstemperatur von 500 °C aufweist, die innerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A von 400 °C bis 600 °C ist. Diese Steuerung ermöglicht der Sensorelementsteuerung 40, eine Ammoniakkonzentration in dem Detektionszielgas, d. h. einem Abgas, auf der Basis der Korrelationsgleichung zwischen dem Mischpotential V (NH₃) und der Ammoniakkonzentration bei der vorbestimmten Aktivierungstemperatur korrekt zu berechnen.
Es folgt eine Beschreibung eines Nullspannungsverschiebungs-Phänomens (oder Wegfall-Phänomens) des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31 unter Bezugnahme auf 5A und 5B.
5A und 5B sind Graphen, die eine Beziehung zwischen einer Temperatur T und einem absoluten Wert eines Mischpotentials V (NH₃) des Ammoniaksensors 30 in einem Initialzustand, einem leichten Verschlechterungszustand und einem fortgeschrittenen Verschlechterungszustand desselben zeigen.
Insbesondere stellen 5A und 5B Detektionsergebnisse des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31 des Ammoniaksensors 30 im Initialzustand, im leichten Verschlechterungszustand und im fortgeschrittenen Verschlechterungszustand desselben dar, wenn die Temperatur T des Sensorelements 31 variiert, während ein Versuchsgas (50 ppm von NH₃, 20 % von O₂ und N₂ als Rest) von einer Temperatur von 250 °C bei einer Gasströmungsrate von 5 l/min in der Abgasleitung strömt.
Das heißt, dass 5A eine Beziehung zwischen einer Temperatur T des Sensorelements 31 und einem absoluten Wert des Mischpotentials V (NH₃) zeigt, wenn das Sensorelement 31 durch die Heizeinrichtung 33 erwärmt wird. Zunächst erzeugt die Heizeinrichtung 31 thermische Energie und führt die thermische Energie dem Sensorelement 31 bei einer hohen Temperatur zu, die höher ist als die vorbestimmte Aktivierungstemperatur von 500 °C und außerhalb des vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs (A). Diese Steuerung erlaubt dem Sensorelement 31, eine Temperatur aufzuweisen, die höher als der Aktivierungstemperaturbereich A ist. Danach erreicht die elektrochemische Reaktion bei der Detektionselektrode 37 des Sensorelements 31 ihren Gleichgewichtszustand, und das Mischpotential V (NH₃) wird dadurch null, in anderen Worten tritt also das Nullspannungsverschiebungs-Phänomen des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31 ein.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das Phänomen beobachtet, bei dem eine notwendige Temperatur des Sensorelements 31 zum Erreichen des Gleichgewichtszustands des elektrochemischen Zustands umso höher wird, je mehr sich ein Zustand des Sensorelements 31 verschlechtert. Das bedeutet, dass die Aktivierungsfähigkeit des Katalysators 37B in der Detektionselektrode 37 reduziert ist.
Ein verschlechterter Sensor oder ein verschlechtertes Sensorelement weist eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd (a) auf, bei der das Mischpotential V (NH₃) auf null oder auf eine Spannung nahe null verschoben wird, in anderen Worten, den vorbestimmten Ausgangsschwellwert unterschreitet. Der vorbestimmte Ausgangsschwellwert ist z. B. 5 mV, worauf in der Beschreibung später eingegangen wird. In anderen Worten fällt das Mischpotential V (NH₃) weg und erreicht eine Nullspannung oder eine Spannung nahe null. Die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd (a) des verschlechterten Sensors wird höher als eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd (f) eines normalen Sensors, der korrekt und normal arbeitet. Das heißt, dass es klar zu erkennen ist, dass die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd (a) eines verschlechterten Sensors, bei der das Mischpotential V (NH₃) null wird, höher ist als die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd (f) eines normalen Sensors.
Dementsprechend kann die Sensorelementsteuerung 40 den Diagnosebetrieb zum Detektieren, ob das Sensorelement 31 korrekt arbeitet, d. h. normal arbeitet, auf der Basis der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd des Mischpotentials V (NH₃) ausführen.
5B zeigt hingegen eine Beziehung zwischen dem Mischpotential V (NH₃) und einem absoluten Wert des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31, wenn das Sensorelement 31 von der vorbestimmten Aktivierungstemperatur von 500 °C durch Abschalten der Heizeinrichtung 33 abkühlt.
Wenn die Sensorelementsteuerung 40 die Heizeinrichtung 33 in dem Sensorelement 31, die die thermische Energie erzeugt, stoppt, so dass das Sensorelement 31 auf eine Temperatur abkühlt, die niedriger als der Aktivierungstemperaturbereich A ist, wird dadurch die Aktivierung des Katalysators 37B der Detektionselektrode 37 in dem Sensorelement 31 reduziert und ein elektrischer Zustand des Festelektrolyten 37A der Detektionselektrode 37 erhöht. Dies bewirkt das Nullspannungsverschiebungs-Phänomen des Mischpotentials V (NH₃).
Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben das Phänomen beobachtet, bei dem die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd des Mischpotentials V (NH₃) umso höher wird, je mehr sich das Sensorelement 31 verschlechtert. Das Mischpotential V (NH₃) wird bei der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd auf null verschoben. Es kann dabei in Betracht gezogen werden, dass dieses Phänomen durch eine Reduktion der Aktivierung des Katalysators 37B in der Detektionselektrode 37 hervorgerufen wird.
Ein verschlechterter Sensor ist weist ein niedrigeres Mischpotential V (NH₃) auf als ein normaler Sensor in seinem Initialzustand. Der verschlechterte Sensor weist die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd auf, bei der das offenkundige Mischpotential V (NH₃) wegfällt oder auf null verschoben wird, was höher ist als das des normalen Sensors.
Das heißt, dass ein verschlechterter Sensor in Bezug auf die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Ttdh des Mischpotentials V (NH₃) einen höheren Wert aufweist als ein normaler Sensor.
Dementsprechend kann die Sensorelementsteuerung 40 die Verschlechterungsdiagnose zum Detektieren eines verschlechterten Zustands des Sensorelements 31 auf der Basis der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Ttdh des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31 ausführen.
Es folgt nun eine Beschreibung der Bedingungen zum Ausführen der Verschlechterungsdiagnose des Sensorelements 31.
Wenn der Sauerstoff im Abgas eine Überschusskonzentration aufweist, die höher ist als eine normale Sauerstoffkonzentration im Abgas im Hinblick auf eine Ammoniakkonzentration, in anderen Worten, wenn eine Sauerstoffkonzentration im Abgas nicht geringer als eine vorbestimmte hohe Konzentration ist, macht sich das Nullspannungsverschiebungs-Phänomen des Mischpotentials V (NH₃) bemerkbar.
Wenn die Brennkraftmaschine 10 in einem hohen Luft-Brennstoff- (A/F-) Verhältnis in einem Brennstoffabschaltungszustand oder Magerverbrennungszustand angetrieben wird, tritt häufig das Nullspannungsverschiebungs-Phänomen des Mischpotentials V (NH₃) auf.
Weil das Abgas in einem Brennstoffabschaltungszustand kein NOx enthält, wird der Ammoniaksensor 30 durch das NOx nicht verschlechtert. Das heißt, dass eine Ausführung der Verschlechterungsdiagnose des Ammoniaksensors 30 in dem Brennstoffabschaltungszustand vorzuziehen ist.
In der Beschreibung folgt nun eine kurze Erläuterung einer Sauerstoffkonzentration und einer Ammoniak- (NH₃-) Konzentration im Abgas im Brennstoffabschaltungszustand unter Bezugnahme auf 6A und 6B.
6A und 6B sind Zeitsteuerungsdiagramme, die eine Sauerstoffkonzentration und eine Ammoniak- (NH₃-) Konzentration im Abgas im Brennstoffabschaltungszustand zeigen.
Wenn die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 die Brennstoffzufuhr, d. h. die Brennstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine 10 bei einer Steuerzeit t1 unterbricht, die in 6A und 6B gezeigt ist, unterbricht die Ammoniumhydroxid-Zuführvorrichtung 23 die Zufuhr von Ammoniumhydroxid in die Abgasleitung 12. Da unter diesen Umständen kein NOx erzeugt wird, ist eine Unterbrechung der Zufuhr von Ammoniumhydroxid in das in der Abgasleitung 12 strömende Abgas vorzuziehen.
Wenn jedoch die Zufuhr von Ammoniumhydroxid in die Abgasleitung 12 unterbrochen wird, wird der verbliebene Ammoniak, der an den Innenwänden der Abgasleitung 12 und an der Innenseite des auf der stromabwärtigen Seite befindlichen SCR-Katalysators 22 haftengeblieben ist, in das in der Abgasleitung 12 strömende Abgas abgeführt. Dementsprechend nimmt eine Konzentration des verbliebenen Ammoniaks allmählich ab und erreicht im Laufe der Zeit einen Wert von näherungsweise null bei einer Steuerzeit t13.
Wenn hingegen die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 die Brennstoffzufuhr, d. h. die Brennstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine 10, unterbricht, nähert sich eine Sauerstoffkonzentration von Sauerstoff, der in dem Abgas in der Abgasleitung 12 enthalten ist, allmählich der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre, und die Sauerstoffkonzentration erreicht zu einer in 6A und 6B gezeigten Steuerzeit t12 ihren Gleichgewichtszustand.
Dadurch wird ein Sauerstoffüberschusszustand, oder sauerstoffreicher Zustand, erzeugt, in dem die im Abgas enthaltene Sauerstoffkonzentration höher wird als die Ammoniakkonzentration während der Zeitspanne zwischen der Steuerzeit t12 und der Steuerzeit t13. Die Ausführung der Verschlechterungsdiagnose des Sensorelements 31 in dem Ammoniaksensor 30 ist daher vorzuziehen.
Unter Bezugnahme auf 7 folgt nun eine Beschreibung des Verschlechterungsdiagnosevorgangs des Ammoniaksensors 30, der durch die Sensorelementsteuerung 40 in dem Ammoniaksensor 30 ausgeführt wird.
7 ist eine Ansicht, die ein Flussdiagramm des Verschlechterungsdiagnosevorgangs des Ammoniaksensors 30 als einen Gassensor zeigt, der durch die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgeführt wird.
Die Sensorelementsteuerung 40 führt den Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30 zu einer vorgegebenen Zeitspanne wiederholt aus.
In dem in 7 gezeigten Schritt S10 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob ein Diagnose-Flag einen Wert 1 aufweist. Das Diagnose-Flag mit dem Wert 1 gibt an, dass die Sensorelementsteuerung 40 den Verschlechterungsvorgang des Ammoniaksensors 30 ausführt. Das heißt, wenn die Bedingungen in Schritt S11 bis Schritt S15 erfüllt sind, weist das Diagnose-Flag den Wert 1 auf. Der Wert 1 des Diagnose-Flag gibt an, dass die Sensorelementsteuerung 40 den Diagnosevorgang ausführt.
Wie in 7 gezeigt ist, wird der Betriebsablauf bis Schritt S17 fortgesetzt, wenn das Detektionsergebnis in Schritt S10 ein positives Ergebnis angibt („JA“ in Schritt S10), d. h. angibt, dass das Diagnose-Flag den Wert 1 aufweist.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S10 hingegen ein negatives Ergebnis angibt („NEIN“ in Schritt S10), d. h. angibt, dass das Diagnose-Flag nicht den Wert 1 aufweist, wird der Betriebsablauf bei Schritt S11 fortgesetzt.
In Schritt S11 detektiert die Sensorelementsteuerung 40 auf der Basis der von der ECU 50 übertragenen Informationen, ob die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 die Brennstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine 10 unterbrochen hat.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S11 negativ ist („NEIN“ in Schritt S11), d. h. anzeigt, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 Brennstoff einspritzt, beendet die Sensorelementsteuerung 40 den Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30, der in 7 gezeigt ist.
Wenn hingegen das Detektionsergebnis in Schritt S11 positiv ist („JA“ in Schritt S11), d. h. anzeigt, dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 die Brennstoffeinspritzung unterbrochen hat, wird der Betriebsablauf bei Schritt S12 fortgesetzt.
In Schritt S12 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob die Temperatur T des Sensorelements 12 die vorbestimmte Aktivierungstemperatur innerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A erreicht hat, d. h. diese nicht unterschreitet. Es ist für die Sensorelementsteuerung 40 schwierig, die Verschlechterungsdiagnose des Sensorelements 31 des Ammoniaksensors 30 unter der Voraussetzung normal auszuführen, wenn die Temperatur T des Sensorelements 31 die vorbestimmte Aktivierungstemperatur nicht erreicht.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S12 positiv ist („JA“ in Schritt S12), d. h. anzeigt, dass die Temperatur T des Sensorelements 31 die vorbestimmte Aktivierungstemperatur innerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A nicht erreicht (diese unterschreitet), beendet die Sensorelementsteuerung 40 den Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30, der in 7 gezeigt ist.
Wenn hingegen das Detektionsergebnis in Schritt S12 negativ ist („NEIN“ in Schritt S12), d.h. anzeigt, dass die Temperatur T des Sensorelements 31 die vorbestimmte Aktivierungstemperatur innerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A erreicht hat (diese nicht unterschreitet), wird der Betriebsablauf bei Schritt S13 fortgesetzt.
In Schritt S13 empfängt die Sensorelementsteuerung 40 ein von dem Sensorelement 31 übertragenes Detektionssignal, das das Mischpotential V (NH₃) des Ammoniaksensors 30 anzeigt. Das Mischpotential V (NH₃), das in Schritt S13 erhalten wird, entspricht der Ammoniakkonzentration. Weil die NOx-Konzentration in dem Abgas als das Detektionszielgas während der Brennstoffzufuhr-Unterbrechungszeitspanne näherungsweise null wird, berechnet die Sensorelementsteuerung 40 die Ammoniakkonzentration auf Basis des Detektionsergebnisses des NOx-Sensors, der in den zweiten Verbundsensor 25 montiert ist. In diesem Fall wird es als für die Sensorelementsteuerung 40 geeignet betrachtet, diese berechnete Ammoniakkonzentration als das Mischpotential V (NH₃) heranzuziehen, das durch den Ammoniaksensor 30 detektiert und von diesem übertragen wird.
In anderen Worten kann die Sensorelementsteuerung 40 den korrekten Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30 mit hoher Genauigkeit ausführen, wenn die berechnete Ammoniakkonzentration und der NOx-Sensor verwendet werden, der nicht das Ziel der Verschlechterungszustandsdetektion ist. Der Betriebsablauf wird bei Schritt S14 fortgesetzt.
In Schritt S14 berechnet die Sensorelementsteuerung 40 ein Mischpotential V (O₂) des Sauerstoffsensors, der in den zweiten Verbundsensor 25 montiert ist. Das Mischpotential V (O₂) entspricht der Sauerstoffkonzentration. Der Betriebsablauf wird bei Schritt S15 fortgesetzt.
In Schritt S15 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob die Sauerstoffkonzentration, die in Schritt S14 erhalten wurde, ein Überschusszustand in Bezug auf die Ammoniakkonzentration ist, die in Schritt S13 erhalten wurde. Insbesondere detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob ein Verhältnis V (NH₃)/V (O₂) einen vorbestimmten Verhältnisschwellwert nicht übersteigt, wobei V(NH₃) in Schritt S13 erhalten wird, und V(O₂) in Schritt S14 erhalten wird.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S15 negativ ist („NEIN“ in Schritt S15), d. h. anzeigt, dass das Verhältnis V(NH₃)/O(O₂) größer ist als der vorbestimmte Verhältnisschwellwert, beendet die Sensorelementsteuerung 40 den Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30, der in 7 gezeigt ist.
Wenn hingegen das Detektionsergebnis in Schritt S15 positiv ist („JA“ in Schritt S15), d. h. anzeigt, dass das Verhältnis V(NH₃)/V(O₂) nicht größer ist als der vorbestimmte Verhältnisschwellwert, wird der Betriebsablauf bei Schritt S16 fortgesetzt.
In Schritt S16 setzt die Sensorelementsteuerung 40 das Diagnose-Flag auf 1. Der Vorgang in Schritt S15, der durch die Sensorelementsteuerung 40 ausgeführt wird, die aus der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) besteht, entspricht dem Sauerstoffkonzentrations-Detektionsteil.
Weil die Ammoniakkonzentration durch ppm angegeben ist, und die Sauerstoffkonzentration durch Prozent (%) angegeben ist, erreicht die Sauerstoffkonzentration einen Überschusszustand in Bezug auf die Ammoniakkonzentration, wenn die Sauerstoffkonzentration eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration nicht unterschreitet. Dementsprechend wird es für die Sensorelementsteuerung 40 als geeignet erachtet, in Schritt S15 zu detektieren, ob die Sauerstoffkonzentration die vorbestimmte Sauerstoffkonzentration nicht unterschreitet, anstatt das Verhältnis V(NH₃)/V(O₂) heranzuziehen. In letzterem Fall beendet die Sensorelementsteuerung 40 den Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30, der in 7 gezeigt ist, wenn die erhaltene V(O₂) kleiner ist als ein Sauerstoffkonzentrations-Schwellwert.
Es ist jedoch für die Sensorelementsteuerung 40 vorzuziehen, den Vorgang von Schritt S11 bis Schritt S16 so auszuführen, das der korrekte Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30 mit hoher Genauigkeit erhalten wird. Der Betriebsablauf wird dann bei Schritt S17 fortgesetzt.
In Schritt S17 instruiert die Sensorelementsteuerung 40 die Heizeinrichtung 33, thermische Energie zu erzeugen. Dadurch wird eine Temperatur des Sensorelements 31 erhöht. Genauer gesagt instruiert die Sensorelementsteuerung 40 die Heizeinrichtung 31, die Temperatur T des Sensorelements 31 außerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A zu messen. Weil durch das Erhöhen der Temperatur des Sensorelements 31 ein Gas, mit Ausnahme von Ammoniak, das auf der Oberfläche des Sensorelements 31 stark adsorbiert wird, von der Oberfläche des Sensorelements 31 desorbiert wird, kann dadurch verhindert werden, dass Gase, die auf der Oberfläche des Sensorelements 31 adsorbiert werden, die korrekte Verschlechterungsdiagnose des Ammoniaksensors 30 beeinflussen.
Die Heizungssteuerung der Heizeinrichtung 33 ermöglicht ein problemloses Anpassen der Temperatur T des Sensorelements 31 in dem Ammoniaksensor 30. Der Vorgang in Schritt S17, der durch die Sensorelementsteuerung 40 ausgeführt wird, die aus der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) besteht, entspricht dem Temperaturveränderungsteil. Der Betriebsablauf wird dann bei Schritt S18 fortgesetzt.
In Schritt S18 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob das Mischpotential V (NH₃) des Ammoniaksensors 30 null geworden ist, genauer gesagt, einen vorbestimmten Ausgangsschwellwert nicht übersteigt, d. h. wegfällt. Insbesondere empfängt die Sensorelementsteuerung 40 ein Detektionssignal in Bezug auf das Mischpotential V (NH₃), und detektiert, ob das Mischpotential V (NH₃) nicht höher ist als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert.
Der vorbestimmte Ausgangsschwellwert ist im Wesentlichen null, wo das Mischpotential V(NH₃) wegfällt, d. h. auf null oder einen kleinen Wert nahe null verschoben wird. Die Sensorelementsteuerung 40 kann z. B. den Wert von 5 mV als den vorbestimmten Schwellwert heranziehen. Der Vorgang in Schritt S18, der durch die Sensorelementsteuerung 40 ausgeführt wird, die aus der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) besteht, entspricht dem Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S18 positiv ist („JA“ in Schritt S18), d. h. anzeigt, dass das Mischpotential V(NH₃) nicht höher als ein vorbestimmter Ausgangsschwellwert ist, wird der Betriebsablauf bei Schritt S19 fortgesetzt.
In Schritt S19 empfängt die Sensorelementsteuerung 40 ein Detektionssignal in Bezug auf die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, bei der das Mischpotential V (NH₃) auf null verschoben wird oder im Wesentlich auf null verschoben wird. Insbesondere empfängt die Sensorelementsteuerung 40 das Detektionssignal in Bezug auf die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, die von dem Thermistor 38 übertragen wird, wenn das Mischpotential V(NH₃) auf null oder eine Spannung nahe null verschoben wird, d. h. nicht größer ist als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert. Wie zuvor beschrieben ist der vorbestimmte Ausgangsschwellwert z. B. 5 mV. Der Vorgang in Schritt S 19, der durch die Sensorelementsteuerung 40 ausgeführt wird, die aus der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) besteht, entspricht dem Temperaturerfassungsteil. Der Betriebsablauf wird dann bei Schritt S20 fortgesetzt.
In Schritt S20 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, die in Schritt S19 erhalten wird, niedriger ist als ein vorbestimmter Temperaturschwellwert. Es wird für die Sensorelementsteuerung 40 als geeignet erachtet, einen Wert als den vorbestimmten Temperaturschwellwert zu verwenden, der durch Addieren eines anfänglichen Temperaturschwellwerts Tthd, bei dem das anfängliche Mischpotential V (NH₃) auf null verschoben wird, mit einem zulässigen Wert erhalten wird. Zum Beispiel ist die Verwendung eines Werts von Tthd0 + 20 °C oder eines vorbestimmten konstanten Temperaturwerts geeignet.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S20 positiv ist („JA“ in Schritt S20), d. h. anzeigt, dass die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, die in Schritt S19 erhalten wird, niedriger ist als ein vorbestimmter Temperaturschwellwert, wird der Betriebsablauf bei Schritt S21 fortgesetzt.
In Schritt S21 bestimmt die Sensorelementsteuerung 40, dass der Ammoniaksensor 30 normal arbeitet (normaler Sensor). Die Sensorelementsteuerung 40 beendet den in 7 gezeigten Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30.
Wenn hingegen das Detektionsergebnis in Schritt S20 negativ ist („NEIN“ in Schritt S20), d. h. anzeigt, dass die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, die in Schritt S19 erhalten wird, nicht niedriger ist als ein vorbestimmter Temperaturschwellwert, wird der Betriebsablauf bei Schritt S24 fortgesetzt.
In Schritt S24 bestimmt die Sensorelementsteuerung 40, dass der Ammoniaksensor 30 nicht korrekt arbeitet, d. h. sich verschlechtert hat (ausgefallener Sensor). Die Sensorelementsteuerung 40 beendet den in 7 gezeigten Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S20 negativ ist („NEIN“ in Schritt S20), d. h. anzeigt, dass die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, die in Schritt S19 erhalten wurde, nicht niedriger ist als ein vorbestimmter Temperaturschwellwert, korrigiert die Sensorelementsteuerung 40 die Ausgabe des Ammoniaksensors 30 auf der Basis eines vorbestimmten Korrekturkennfelds entsprechend der Größenordnung des verschlechterten Zustands des Ammoniaksensors 30. Es wird zudem für die Sensorelementsteuerung 40 als geeignet erachtet, eine Warnung bezüglich des Verschlechterungszustands des Ammoniaksensors 30 herauszugeben.
Der Vorgang in Schritt S20, der durch die Sensorelementsteuerung 40 ausgeführt wird, die aus der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) besteht, entspricht dem Verschlechterungszustands-Detektionsteil.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S18 negativ ist („NEIN“ in Schritt S18), d. h. anzeigt, dass das Mischpotential V(NH₃) einen vorbestimmten Ausgangsschwellwert übersteigt, und das Mischpotential V(NH₃) nicht auf null verschoben wird, wird der Betriebsablauf bei Schritt S22 fortgesetzt.
In Schritt S22 empfängt die Sensorelementsteuerung 40 ein Detektionssignal, das eine Elementtemperatur T darstellt, die von dem Thermistor 38 übertragen wird. Der Betriebsablauf wird dann bei Schritt S23 fortgesetzt.
In Schritt S23 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob die empfangene Elementtemperatur T eine vorbestimmte Temperatur nicht unterschreitet. Die Sensorelementsteuerung 40 bestimmt die vorbestimmte Temperatur, die höher ist als die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd des Mischpotentials V (NH₃) des Sensorelements 31 in einem Ammoniaksensor 30, der in seinem Initialzustand normal arbeitet, so dass eine thermische Verschlechterung des Sensorelements 31 verhindert wird. Es wird für die Sensorelementsteuerung 40 z. B. als geeignet erachtet, die vorbestimmte Temperatur von 800 °C zu bestimmen.
Wenn das Detektionsergebnis in Schritt S23 negativ ist („NEIN“ in Schritt S23), d. h. anzeigt, dass die empfangene Elementtemperatur T niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur (d. h. diese nicht erreicht), beendet die Sensorelementsteuerung 40 den in 7 gezeigten Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30.
Wenn hingegen das Detektionsergebnis in Schritt S23 positiv ist („JA“ in Schritt S23), d. h. anzeigt, dass die empfangene Elementtemperatur T nicht niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur, wird der Betriebsablauf bei Schritt S24 fortgesetzt.
In Schritt S24 bestimmt die Sensorelementsteuerung 40, dass der Ammoniaksensor 30 nicht normal arbeitet, d. h. ein verschlechterter Sensor oder ein ausgefallener Sensor ist. Die Sensorelementsteuerung 40 beendet den Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30, der in 7 gezeigt ist.
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Effekte der Sensorelementsteuerung 40 als die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
In der Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform wird eine Temperatur des Sensorelements 31 in dem Ammoniaksensor 30 nach außerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A verschoben, so dass das Mischpotential V(NH₃) des Sensorelements 31 in dem Ammoniaksensor 30 auf null oder auf einen Wert von im Wesentlichen null verschoben wird.
Die Sensorelementsteuerung 40 detektiert und erhält die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, wenn das Mischpotential V(NH₃) des Sensorelements 31 auf null verschoben wird. Die Sensorelementsteuerung 40 detektiert auf der Basis der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd, ob das Sensorelement 31 sich verschlechtert hat.
Dementsprechend kann aufgrund eines einfachen Aufbaus der Sensorelementsteuerung 40 zum Verändern einer Temperatur des Sensorelements 31 der Verschlechterungszustand des Sensorelements 31 des Ammoniaksensors 30 ohne Weiteres detektiert werden, wobei eine Temperatur des Sensorelements 31 detektiert und das Mischpotential V(NH₃) des Sensorelements 31 erhalten wird.
Die Sensorelementsteuerung 40 detektiert, aufgrund einer Erwärmung durch die Heizeinrichtung 33 in dem Sensorelement 31, den Zeitpunkt, wenn das Mischpotential V(NH₃) auf null oder auf eine Spannung nahe null verschoben wird, d. h. wegfällt.
Die Verwendung der durch die Heizeinrichtung 33 erzeugten thermischen Energie ermöglicht der Sensorelementsteuerung 40, die Temperatursteuerung des Sensorelements 31 ohne Weiteres auszuführen. Diese Steuerung der Sensorelementsteuerung 40 ermöglicht zudem eine Desorption von Gasmolekülen von der Oberfläche des Sensorelements 31, mit Ausnahme von Detektionsziel-Gasmolekülen, die auf der Oberfläche des Sensorelements 31 adsorbiert worden sind. Das heißt, dass für die Sensorelementsteuerung 40 als die Gassensor-Diagnosevorrichtung gemäß der beispielhaften Ausführungsform die Möglichkeit besteht, die Diagnose, wie z.B. die Verschlechterungsdiagnose des Ammoniaksensors 30, mit hoher Genauigkeit auszuführen.
Ein übermäßiges Erwärmen des Sensorelements 31 begünstigt eine Verschlechterung des Sensorelements 31. Durch Einstellen eines oberen Heizgrenzwerts wird das Auftreten einer thermischen Verschlechterung des Sensorelements 31 verhindert. Dementsprechend kann eine notwendige Temperatur zum Ausführen des Verschlechterungsdiagnosevorgangs des Sensorelements 31 in dem Ammoniaksensor 30 durch Erwärmen des Sensorelements 31 auf eine Temperatur beibehalten werden, die höher ist als die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd des Mischpotentials V(NH₃) des normalen Sensorelements 31, das normal arbeitet.
Wenn zudem das Mischpotential V(NH₃) bei der oberen Grenztemperatur nicht auf null verschoben kann, kann die Sensorelementsteuerung 40 bestimmen, dass der Ammoniaksensor 30 sich als ein ausgefallener Sensor verschlechtert hat. In diesem Verschlechterungszustand des Ammoniaksensors 30 schreitet die Verschlechterung des Sensors umso mehr voran, je mehr die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd eines Sensors die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd eines normalen Sensors, der normal arbeitet, überschreitet.
Das Nullspannungsverschiebungs-Phänomen, in dem das Mischpotential V(NH₃) auf null verschoben wird, tritt bemerkenswerterweise in einem Fall auf, in dem eine Sauerstoffkonzentration in einem Abgas als das Detektionszielgas angemessen hoch ist, und nicht niedriger ist als die vorbestimmte höhere Sauerstoffkonzentration, die außerdem höher ist als eine Ammoniakkonzentration in einem Abgas als das Detektionszielgas. Dementsprechend kann die Sensorelementsteuerung 40 einen Verschlechterungszustand des Ammoniaksensors 30 in dem Zustand der vorbestimmten Sauerstoffkonzentration normal detektieren.
Wenn ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator verwendet wird, um das im Abgas enthaltene NOx zu reduzieren, ist der Ammoniaksensor 30 in der Abgasleitung 12 angeordnet, die mit der in 1 gezeigten Brennkraftmaschine 10 verbunden ist. Während einer Zeitspanne, in der die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 keinen Brennstoff in die Brennkraftmaschine 10 einspritzt, z. B. während eines Brennstoffabschaltungszustands, emittiert die Brennkraftmaschine 10 ausschließlich atmosphärische Luft, die in die Brennkraftmaschine 10 eingeführt worden ist, in die Abgasleitung 12. Unter diesen Umständen erreicht die Sauerstoffkonzentration im Abgas einen hohen Wert. Weil die Sauerstoffkonzentration unter diesem Umständen einen hohen Wert erreicht, kann die Sensorelementsteuerung 40 den Verschlechterungszustand des Ammoniaksensors 30 mit hoher Genauigkeit detektieren.
Der der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Gedanke ist durch die zuvor beschriebene beispielhafte Ausführungsform nicht eingeschränkt. So sind beispielsweise die nachstehenden verschiedenen Modifikationen denkbar.
In dem Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30, der in 7 gezeigt ist, wird das Mischpotential V(NH₃) durch Erwärmen des Sensorelements 31 des Ammoniaksensors 30 auf null verschoben. Der der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Gedanke wird jedoch durch diese beispielhafte Ausführungsform nicht eingeschränkt. Es wird für die Sensorelementsteuerung 40 als geeignet erachtet, wenn sie das Sensorelement 31 auf eine Temperatur außerhalb des Aktivierungstemperaturbereichs A abkühlt, so dass das Mischpotential V(NH₃) auf null verschoben wird. Insbesondere in Schritt S17 unterbricht die Sensorelementsteuerung 40 die Leistungszufuhr zu der Heizeinrichtung 33, so dass die Erzeugung von thermischer Energie durch die Heizeinrichtung 33 unterbrochen wird und das Sensorelement 21 durch Verwendung von Abgas gekühlt wird. In diesem Fall ist es für die Brennstoffeinspritzvorrichtung 13 vorzuziehen, die Brennstoffzufuhr in die Brennkraftmaschine 10 zu unterbrechen, da darin ein eine niedrige Temperatur aufweisendes Abgas strömt.
Wenn in Schritt S18 nach Schritt S17 detektiert wird, dass das Mischpotential V(NH₃) den vorbestimmten Ausgangsschwellwert überschreitet, d. h. durch den Kühlvorgang nicht auf null oder auf einen Wert nahe null verschoben wird, beendet die Sensorelementsteuerung 40 den in 7 gezeigten Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30.
Wenn hingegen das Detektionsergebnis in Schritt S18 anzeigt, dass das Mischpotential V(NH₃) auf null oder auf eine Spannung nahe null verschoben worden ist, wird der Betriebsablauf bei Schritt S19 fortgesetzt. Die Spannung nahe null ist z. B. 5 mV, wie zuvor beschrieben.
In Schritt S19 erfasst die Sensorelementsteuerung 40 die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd. In Schritt 20 detektiert die Sensorelementsteuerung 40, ob die erfasste Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd niedriger als oder nicht niedriger als der vorbestimmte Temperaturschwellwert ist.
Wie zuvor erläutert, weist ein verschlechtertes Sensorelement, d. h. ein ausgefallenes Sensorelement, eine höhere Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd auf, ist also höher als ein normales Sensorelement, das normal arbeitet, wenn das Mischpotential V(NH₃) auf null oder auf eine Spannung (z. B. 5 mV) nahe null bei einer niedrigen Temperatur verschoben wird, die niedriger ist als der Aktivierungstemperaturbereich A. Wenn in diesem Fall die Sensorelementsteuerung 40 detektiert, dass die Nullspannungsverschiebungs-Temperatur Tthd den vorbestimmten Temperaturschwellwert in Schritt S19 unterschreitet, wird der Betriebsablauf bei Schritt S24 fortgesetzt. In Schritt S24 bestimmt die Sensorelementsteuerung 40, dass der Ammoniaksensor 30 nicht normal arbeitet, d. h. ein verschlechterter Sensor oder ausgefallener Sensor ist. Danach beendet die Sensorelementsteuerung 40 den in 7 gezeigten Verschlechterungsdiagnosevorgang des Ammoniaksensors 30.
Wie zuvor erläutert, ist die Sensorelementsteuerung 40 in der Lage, das Sensorelement 31 so abzukühlen, dass das Mischpotential V(NH₃) so verschoben wird, dass es den vorbestimmten Ausgangsschwellwert nahe null nicht überschreitet, und das Auftreten einer Verschlechterung des Sensorelements 31 des Ammoniaksensors 30 zu detektieren.
Der der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Gedanke kann auf verschiedene Sensoren, wie z. B einen Mischpotential-Gassensor, wie z. B. einen NOx-Sensor etc., zum Detektieren eines anderen Gases, sowie auch auf den Ammoniaksensor 30 angewendet werden.
In der zuvor beschriebenen beispielhaften Ausführungsform führt die Sensorelementsteuerung 40 die Steuerung des Sensorelements 31 und die Verschlechterungsdetektion des Sensorelements 31 aus. Der der vorliegenden Offenbarung zugrundeliegende Gedanke wird durch diese beispielhafte Ausführungsform nicht eingeschränkt. Es wird für die ECU 50 als geeignet erachtet, die Steuerung des Sensorelements 31 und die Verschlechterungsdetektion des Sensorelements 31 auszuführen, wenn der Ammoniaksensor 30 die Sensorelementsteuerung 40 nicht aufweist.
Obgleich spezifische Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung hierin nicht ausführlich beschrieben worden sind, ist es für Fachleute verständlich, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen für derartige Einzelheiten im Hinblick auf die Lehren der Offenbarung entwickelt werden können. Dementsprechend sind die speziellen hierin offenbarten Anordnungen nur als veranschaulichend und nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung aufzufassen, der in den nachstehenden Ansprüchen und allen Entsprechungen derselben in vollem Umfang wiedergegeben wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017110967 [0003]

Claims

Gassensor-Diagnosevorrichtung (40) für einen Gassensor eines Mischpotentialtyps, wobei der Gassensor (30) ein Sensorelement (31) aufweist, das so angeordnet ist, dass es einem Detektionszielgas ausgesetzt ist, wobei das Sensorelement ein Mischpotential erzeugt und an die Gassensor-Diagnosevorrichtung überträgt, wenn das Sensorelement bei einer Aktivierungstemperatur innerhalb eines vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs (A) erwärmt wird, wobei die Gassensor-Diagnosevorrichtung eine zentrale Verarbeitungseinheit aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie bereitstellt: ein Temperaturveränderungsteil, das eine Temperatur des Sensorelements auf eine erste Temperatur variiert, die außerhalb des vorbestimmten Aktivierungstemperaturbereichs ist; ein Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil, das detektiert, ob das Mischpotential des Sensorelements einen vorbestimmten Ausgangsschwellwert des Sensorelements nicht überschreitet, nachdem das Temperaturveränderungsteil die Temperatur des Sensorelements variiert hat; ein Temperaturerfassungsteil, das eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur des Sensorelements detektiert, bei der das Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil detektiert, dass das Mischpotential des Sensorelements auf einen Wert verschoben worden ist, der nicht höher als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert ist; und ein Verschlechterungszustands-Detektionsteil, das auf Basis der Nullspannungsverschiebungs-Temperatur des Sensorelements, die durch das Temperaturerfassungsteil detektiert worden ist, detektiert, ob das Sensorelement verschlechtert worden ist:
Gassensor-Diagnosevorrichtung (40) für einen Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gassensor ferner eine Heizeinrichtung (33) aufweist, die eine thermische Energie zum Erwärmen des Sensorelements erzeugt, und das Temperaturveränderungsteil die Heizeinrichtung so steuert, dass die Temperatur des Sensorelements auf die erste Temperatur erhöht wird, bei der das Nullspannungsverschiebungs-Detektionsteil ein Nullspannungsverschiebungs-Phänomen detektiert, bei dem das Mischpotential des Sensorelements den vorbestimmten Ausgangsschwellwert nicht übersteigt.
Gassensor-Diagnosevorrichtung (40) für einen Gassensor nach Anspruch 2, wobei das Temperaturveränderungsteil die Heizeinrichtung instruiert, thermische Energie zum Erwärmen des Sensorelements bei der ersten Temperatur zu erzeugen, wobei die erste Temperatur höher ist als eine Nullspannungsverschiebungs-Temperatur eines normalen Sensorelements während eines normalen Betriebs, die detektiert wird, wenn ein Mischpotential des normalen Sensorelements den vorbestimmten Ausgangsschwellwert nicht übersteigt, und das Verschlechterungszustands-Detektionsteil detektiert, dass das Sensorelement verschlechtert worden ist, wenn das Mischpotential des Sensorelements bei einem Wert beibehalten wird, der höher ist als der vorbestimmte Ausgangsschwellwert während des Erwärmens des Sensorelements bei der ersten Temperatur.
Gassensor-Diagnosevorrichtung (40) für einen Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gassensor-Diagnosevorrichtung einen Verschlechterungszustand eines Ammoniaksensors als den Gassensor detektiert, die Gassensor-Diagnosevorrichtung ferner ein Sauerstoffkonzentrations-Detektionsteil aufweist, das detektiert, ob eine Sauerstoffkonzentration in dem Detektionszielgas eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration nicht unterschreitet, das Verschlechterungszustands-Detektionsteil detektiert, ob das Sensorelement verschlechtert worden ist, wenn das Sauerstoffkonzentrations-Detektionsteil detektiert, dass eine Sauerstoffkonzentration in dem Detektionszielgas die vorbestimmte Sauerstoffkonzentration nicht unterschreitet.
Gassensor-Diagnosevorrichtung (40) für einen Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verschlechterungszustands-Detektionsteil einen Verschlechterungszustand des Sensorelements während einer Zeitspanne detektiert, in der in die Brennkraftmaschine kein Brennstoff eingeführt wird, wenn der Gassensor ein Ammoniaksensor ist, der in der Abgasleitung (12) angeordnet ist, die mit einer Brennkraftmaschine (10) verbunden ist, und ein selektiver katalytischer Reduktionskatalysator (22) in der Abgasleitung angeordnet ist und Ammoniak verwendet, um das in dem Abgas enthaltende Stickoxid zu reduzieren.