DE10234199B4

DE10234199B4 - Energiezufuhrsteuerungssystem für eine in einem Gassensor verwendete Heizung

Info

Publication number: DE10234199B4
Application number: DE10234199.0A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hada; Eiichi Kurokawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: JP2003107041A; JP3985590B2; US6578563B2; US20030019486A1; DE10234199A1

Abstract

Heizungssteuerungsgerät mit einem Gaskonzentrationssensor (15), der ein Sensorelement (30), das einen Festelektrolyten verwendet, und eine Heizung (39) zur Erwärmung des Sensorelements (30) auf einen aktivierten Zustand aufweist, einer Sensorelementwiderstands-Bestimmungsschaltung (20, 25, 32, 33) eingerichtet zur Bestimmung des Elementwiderstandswerts des Sensorelements (30), einer Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) eingerichtet zur Berechnung eines Integralterms durch Addieren einer Integralkonstanten zu einer Abweichung eines erfassten Werts des Elementwiderstandswerts von einem Sollwert und ebenfalls zur Berechnung einer Heizungssteuerungsvariablen unter Verwendung des Integralterms, und einer Heizungssteuerungsschaltung (26), die zur Steuerung einer Heizungsspeisung durch die berechnete Heizungssteuerungsvariable arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) dazu eingerichtet ist, eine Begrenzung auf die Erhöhung des Werts des Integralterms aufzuerlegen, bis der Widerstandswert des Sensorelements (30) im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements (30) einen vorab ausgewählten Wert erreicht, um die Heizungssteuerungsvariable zu berechnen, und die Begrenzung auf den Integralterm aufzuheben, nachdem der Elementwiderstandswert den vorab ausgewählten Wert erreicht hat, um die Heizungssteuerungsvariable zu berechnen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Energiezufuhrsteuerungssystem für eine Heizung, die zur Erhitzung bzw. Erwärmung eines Gassensors wie eines Gaskonzentrationssensors auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur arbeitet, der in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem für Autos angewendet kann, um die Konzentration einer spezifischen Gaskomponente wie O₂, NO_x oder CO zu messen, die in Abgasen aus der Brennstoffmaschine enthalten sind.
2. Stand der Technik
Eine Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung für Auto-Brennkraftmaschinen wird typischerweise unter Verwendung eines Ausgangs eines Gaskonzentrationssensors bewerkstelligt. Ein derartiger Gaskonzentrationssensor weist ein Sensorelement auf, das ein Festelektrolytteil aufweist, das aus Zirkonerde (Zirkondioxid, Zirconia) hergestellt ist. Das Sensorelement arbeitet zur Messung der Konzentration einer gegebenen Gaskomponente (beispielsweise Sauerstoff) von Abgasen der Brennkraftmaschine. Ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem bestimmt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis als eine Funktion der gemessenen Konzentration der Gaskomponente. Die Gewährleistung der Genauigkeit einer derartigen Bestimmung erfordert, dass das Sensorelement auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur gehalten wird. Dies wird üblicherweise unter Verwendung einer Heizung erreicht, die in dem Sensorelement eingebettet ist. Die durch die Heizung erzeugte Wärmemenge wird beispielsweise durch Änderung des Tastverhältnisses eines Impulssignals gesteuert, das zum Ein- und Ausschalten einer Energiezufuhr zu der Heizung verwendet wird. Ein Rückkopplungs-Regelungssystem ist vorgeschlagen worden, das den Widerstandswert des Sensorelements misst und die Steuerung der Energiezufuhr durch Änderung des Tastverhältnisses des Impulssignals erreicht, um den gemessenen Widerstandswert in Übereinstimmung mit einem Sollwiderstandswert zu bringen.
Es ist ein Heizungs-Energieversorgungssteuerungssystem bekannt, das beim Starten der Brennkraftmaschine der Heizung die Energie vollständig (d. h. mit einem Tastverhältnis = 100%) zuführt, wonach eine Energiezufuhr zu der Heizung in einer Rückkopplungsregelung als Funktion einer Differenz zwischen dem tatsächlich gemessenen Widerstandswert des Sensorelements und einem Soll-Widerstandswert geändert wird. Die Rückkopplungsregelung wird beispielsweise durch eine sogenannte PI-Regelung unter Verwendung von Proportional- und Integralverstärkungen implementiert. Im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements, das heißt, während eines Anstiegs der Temperatur des Sensorelements ist der Unterschied zwischen dem Widerstandswert des Sensorelements und dem Sollwert groß, so dass die Integralverstärkung sich allmählich erhöht. Dies führt zu einem übermäßigen Anstieg bei der Integralverstärkung, wenn der Widerstandswert des Sensorelements den Sollwert erreicht, was zu einem Überschuss des Widerstandswerts des Sensorelements führt. Das Auftreten eines derartigen Überschusses führt zu einem übermäßigen Anstieg der Temperatur des Sensorelements, was eine Beschädigung an dem Sensorelement verursachen kann.
Eine schnelle Änderung der Umgebungstemperatur des Sensorelements nach vollständiger Aktivierung des Sensorelements führt zu einer Verzögerung in der Rückkopplungsregelung, was zu einer Überhitzung des Sensorelements führt.
Die Druckschriften DE 198 18 050 A1 und US 6,094,975 A beschreiben ebenfalls Heizungssteuerungen, bei denen eine Abweichung zwischen einer tatsächlichen Impedanz und dessen Sollwert berücksichtigt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher liegt der Erfindung die Hauptaufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung ein Heizungssteuerungssystem für Gaskonzentrationssensoren zu schaffen, das zur Vermeidung einer Überhitzung eines Sensorelements ausgelegt ist, wodurch das Sensorelement gegen einen thermischen Durchbruch geschützt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Heizungssteuerungsgerät gelöst, wie es in Patentanspruch 1 angegeben ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist nachstehend anhand der ausführlichen Beschreibung und anhand der Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben, die jedoch nicht die Erfindung auf die spezifischen Ausführungsbeispiele begrenzen sollen, sondern lediglich zur Veranschaulichung und Erklärung dienen. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild, das ein Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem darstellt, das mit einem Heizungssteuerungssystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgerüstet ist,
2 eine Längsschnittansicht, die einen Luft-Kraftstoff-Verhältnissensor zeigt, in dem eine Heizung durch das Heizungssteuerungssystem gemäß 1 gesteuert wird,
3 ein Flussdiagramm eines Hauptprogramms, das zur Steuerung einer Energiezufuhr zu einer Heizung durchgeführt wird,
4 ein Flussdiagramm eines Unterprogramms, das zur Bestimmung der Impedanz eines Sensorelements verwendet wird,
5 ein Flussdiagramm eines Unterprogramms, das zur Bestimmung eines Tastverhältnisses eines Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals verwendet wird,
6(a) ein Flussdiagramm eines Unterprogramms, das zur Begrenzung einer Integralverstärkung in einer PI-Regelungsgleichung verwendet wird,
6(b) ein Flussdiagramm eines Unterprogramms, das zur Begrenzung eines Tastverhältnisses eines Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals verwendet wird,
7 einen Graphen, der eine Beziehung zwischen einer Sensorelementimpedanz und einer Sensortemperatur darstellt,
8(a) eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Integralverstärkung und einer Sensorelementimpedanz veranschaulicht,
8(b) eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Proportionalverstärkung und einer Sensorelementimpedanz veranschaulicht,
9 Zeitverläufe, die Änderungen in dem Tastverhältnis eines Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals, einer Integralverstärkung und einer Sensorelementimpedanz darstellen,
10 ein Flussdiagramm eines Unterprogramms, das zur Bestimmung eines Tastverhältnisses eines Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird,
11 Zeitverläufe, die Änderungen des Tastverhältnisses eines Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals, einer Integralverstärkung und einer Sensorelementimpedanz gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulichen,
12 Zeitverläufe, die eine Variation der Sensorelementimpedanz beim Starten einer Brennkraftmaschine darstellen,
13 eine Querschnittsdarstellung, die eine erste Modifikation eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors zeigt, der in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem verwendet werden kann,
14(a) eine Querschnittsdarstellung, die eine zweite Modifikation eines Luft-Kraftstoff-Verhältnissensors darstellt, der in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem verwendet werden kann, und
14(b) eine Darstellung, die entlang der Linie B-B in 14(a) genommen ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Zeichnungen, in denen gleich Bezugszeichen gleiche Teile in unterschiedlichen Darstellungen bezeichnen, insbesondere in 1 ist ein Gassensorsteuerungssystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, das in einer Luft-Kraftstoff-Verhältnismessvorrichtung 15 eingebaut ist, das mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem für Autofahrzeuge verwendet wird. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerungssystem ist ausgelegt, die in eine Brennkraftmaschine eingespritzte Kraftstoffmenge als eine Funktion eines Ausgangs der Luft-Kraftstoff-Verhältnismessvorrichtung 15 unter einer Rückkopplungsregelung (F/B-Steuerung) zu steuern, um das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in Übereinstimmung mit einem Sollwert zu bringen. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnismessvorrichtung 15 misst die Konzentration von Sauerstoff (O₂), die in Abgasen der Brennkraftmaschine enthalten ist, unter Verwendung eines Ausgangs eines Begrenzungsstrom-Sauerstoffsensors 30 (der nachstehend als A/F-Sensor bezeichnet ist) und bestimmt ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die Luft-Kraftstoff-Verhältnismessvorrichtung 15 weist ebenfalls ein Heizungssteuerungssystem auf, das zur Bestimmung der Impedanz eines Sensorelements des A/F-Sensors 30 und zur Steuerung der Energiezufuhr zu einer in dem A/F-Sensor 30 eingebauten Heizung arbeitet, um eine gewünschte Aktivierung des A/F-Sensors 30 zu gewährleisten.
Gemäß 1 weist die Luft-Kraftstoff-Verhältnismessvorrichtung 15 einen Mikrocomputer 20 auf. Der Mikrocomputer 20 kommuniziert mit einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU) 16, die als eine Maschinensteuerungseinheit arbeitet und einen Kraftstoffeinspritzsteuerungsbetrieb sowie einen Zündsteuerungsbetrieb ausführt. Der A/F-Sensor 30 ist in einem Abgasrohr 13 eingebaut, der sich von einem Körper 11 der Brennkraftmaschine 10 erstreckt, und spricht auf das Anlegen einer Spannung aus dem Mikrocomputer 20 an, um ein Begrenzungsstromsignal auszugeben, dessen Pegel sich linear proportional zu der Konzentration des in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffs ändert.
Der Mikrocomputer 20 besteht im Wesentlichen aus einer CPU (Zentralverarbeitungseinheit), einem ROM (Festspeicher), einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) usw. und führt ein gegebenes Steuerungsprogramm zur Steuerung einer Vorspannungssteuerungsschaltung 24 und einer Heizungssteuerungsschaltung 26 aus, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Der Mikrocomputer 20 ist mit einem Anschluss +B einer Speicherbatterie verbunden, die in dem Fahrzeug eingebaut ist, und arbeitet mit einer Energieversorgung daraus.
Der A/F-Sensor 30 ist durch einen sogenannten geschichteten Sensor (laminierten Sensor) implementiert, der aus einer Schichtung eines Sensorelements und einer Heizung aufgebaut ist.
Ein interner Aufbau des A/F-Sensors 30 ist nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 zeigt eine Längsschnittdarstellung, wie sie entlang einer Linie genommen ist, die in Längsrichtung des A/F-Sensors 30 verläuft. Der A/F-Sensor 30 ist aus einer Schichtung einer Festelektrolytschicht 31, einer porösen Diffusionswiderstandsschicht 34, einer Gasabschirmungsschicht 35, einem Abstandshalter 36 und einem Heizungssubstrat 38 aufgebaut. Die Festelektrolytschicht 31 ist aus einer Sauerstoffionen leitenden Schicht gebildet, die aus teilweise stabilisierter Silikonerde hergestellt ist und an gegenüberliegenden Oberflächen eine Zielgaselektrode 32 und eine Referenzgaselektrode 33 aufweist. Die Zielgaselektrode 32 ist einem Zielgas bzw. den Abgasen der Brennkraftmaschine 10 ausgesetzt.
Die Referenzgaselektrode 33 ist der Luft innerhalb einer Referenzgaskammer 37 ausgesetzt. Die Luft wird als Referenzgas bei der Bestimmung der Konzentration des in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffs verwendet. Die poröse Diffusionswiderstandsschicht 34 ist aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die eine Porosität von etwa 10% aufweist. Die Gasabschirmungsschicht 35 ist aus einer dichten Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die für Gase undurchdringbar ist. Der Abstandshalter 36 ist aus einer dichten Aluminiumoxidkeramik hergestellt, die ein elektrisches Isolationsvermögen aufweist und für Gase undurchdringbar ist. In dem Abstandshalter 36 ist eine Nut 36a ausgebildet, die als Referenzgaskammer 37 dient. Das Heizungssubstrat 38 ist an dem Abstandshalter 36 angebracht, der eine Heizung 39 aufweist, die in einer Oberfläche davon angeordnet ist. Die Heizung 39 ist aus einem Widerstandselement hergestellt, das Wärme mit einer Energiezufuhr erzeugt.
Gemäß 1 weist die Luft-Kraftstoff-Verhältnismessvorrichtung 15 ebenfalls einen D/A-Wandler (Digital-Analog-Wandler) 21, eine Tiefpassfilter (LPF) 22 und einen A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler) 23 auf. Der Mikrocomputer 20 stellt ein Vorspannungsbefehlssignal Vr für den D/A-Wandler 21 bereit, um die Spannung an den A/F-Sensor 30 zu legen. Der D/A-Wandler 21 wandelt den Eingang in ein analoges Signal V1 um und gibt dieses zu dem Tiefpassfilter 22 aus. Der Tiefpassfilter 22 entfernt Hochfrequenzkomponenten aus dem analogen Signal V1, um ein Spannungssignal V2 zu erzeugen, das wiederum in die Vorspannungsteuerungsschaltung 24 eingegeben wird. Die Vorspannungssteuerungsschaltung 24 spricht auf das Spannungssignal V2 an, um an den A/F-Sensor 30 wahlweise eine Luft-Kraftstoff-Verhältnismessspannung und eine Sensorelementimpedanzmessspannung anzulegen, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Insbesondere wird, wenn die Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unter Verwendung des A/F-Sensors 30 erforderlich ist, die als Funktion des gemessenen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ausgewählte Spannung an den A/F-Sensor 30 angelegt. Alternativ dazu wird, wenn die Messung der Impedanz eines Sensorelements (d. h. der Festelektrolytschicht 31) des A/F-Sensors 30 erforderlich ist, die Sensorelementimpedanzmessspannung mit einer gegebenen Frequenz und einer gegebenen Zeitkonstanten an den A/F-Sensor 30 in Form eines einzelnen Impulses (single shot) angelegt. Die Impedanz des Sensorelements wird nachfolgend ebenfalls als Sensorelementimpedanz bezeichnet.
Die Vorspannungssteuerungsschaltung 24 weist eine Strommessschaltung 25 auf. Der A/F-Sensor 30 erzeugt, wenn eine Spannung an ihn angelegt ist, einen Begrenzungsstrom als eine Funktion eines Sauerstoffinhalts in den Abgasen. Die Strommessschaltung 25 misst den aus dem A/F-Sensor 30 ausgegebenen Begrenzungsstrom. Ein Ausgang der Strommessschaltung 25 wird dem Mikrocomputer 20 über den A/D-Wandler 23 zugeführt.
Die Heizungssteuerungsschaltung 26 arbeitet als Heizungstreiber, der auf ein Heizungssteuerungssignal anspricht, das in Form eines Impulssignals durch den Mikrocomputer 20 bereitgestellt wird, um eine Energiezufuhr zu der Heizung 39 zu steuern. Insbesondere steuert der Mikrocomputer 20 das Tastverhältnis des Heizungssteuerungssignals als Funktion der Sensorelementimpedanz des A/F-Sensors 30. Die Heizungssteuerungsschaltung 26 spricht auf das Heizungssteuerungssignal zur Änderung einer Einschaltzeit an, für die die Heizung 39 eingeschaltet wird bzw. gespeist wird, um die der Heizung 39 zugeführte Energiemenge zu steuern.
Der Betrieb der Luft-Kraftstoff-Verhältnismessschaltung 15 ist nachstehend beschrieben.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Hauptprogramms, das von dem Mikrocomputer 20 bei Einschalten des Mikrocomputers ausgeführt wird.
Nach Beginn des Programms schreitet die Routine zu Schritt 100 voran, in dem bestimmt wird, ob eine vorab ausgewählte Zeitdauer Ta seit der vorhergehenden Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verstrichen ist oder nicht. Die vorab ausgewählte Zeitdauer Ta entspricht einem Messzyklus des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und beträgt beispielsweise 4 ms (Millisekunden). Falls in Schritt 100 eine negative Antwort (NEIN) erhalten wird, wiederholt die Routine Schritt 100. Alternativ schreitet, falls eine positive Antwort (JA) erhalten wird, die Routine zu Schritt 110 zur Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses voran.
In Schritt 110 legt der Mikrocomputer 20 die Spannung über die Elektroden 32 und 33 des A/F-Sensors 30 an, um einen dadurch fließenden Sensorstrom (d. h. Begrenzungsstrom) unter Verwendung der Strommessschaltung 25 zu messen, bestimmt eine Eingangsspannung als Funktion des Sensorstroms und legt diese über die Elektroden 33 und 34 des A/F-Sensors 30 an. Der Mikrocomputer 20 wandelt den Sensorstrom in ein entsprechendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Nachschlagen unter Verwendung eines gegebenen Strom-A/F-Verhältnis-Kennfelds und gibt dieses zu der ECU 16 aus.
Die Routine schreitet zu Schritt 120 voran, in dem bestimmt wird, ob eine vorab ausgewählte Zeitdauer Tb seit der vorhergehenden Messung der Sensorelementimpedanz ZAC, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, verstrichen ist oder nicht. Die vorab ausgewählte Zeitdauer Tb entspricht einem Messzyklus der Sensorelementimpedanz ZAC und wird in Abhängigkeit von beispielsweise Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine 10 bestimmt. Wenn beispielsweise sich die Brennkraftmaschine 10 in einem normalen Betriebszustand befindet, in dem eine Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses relativ gering ist, ist Tb = 2 Sekunden. Wenn die Brennkraftmaschine 10 sich in einem Startzustand und Übergangszuständen befindet, in denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis sich stark ändert, kann Tb = 128 ms betragen.
Falls in Schritt 120 eine positive Antwort (JA) erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 130 voran, in der die Sensorelementimpedanz ZAC unter Verwendung eines sogenannten Wobbelverfahrens (Sweep-Verfahrens) bestimmt wird. Die Routine schreitet zu Schritt 140 voran, in dem die Energiezufuhr zu der Heizung 39 gesteuert wird. Falls alternativ dazu in Schritt 120 eine negative Antwort (NEIN) erhalten wird, kehrt die Routine zurück zu Schritt 100. Die Vorgänge in Schritt 130 und 140 sind nachstehend unter Bezugnahme auf 4 und 5 jeweils ausführlich beschrieben.
Nach Eintritt in Schritt 130 schreitet die Routine zu Schritt 131 gemäß 4 voran, in dem der Ausgang des Vorspannungsbefehlssignals Vr gesteuert wird, um eine Spannung Vp zu ändern, die jetzt dem A/F-Sensor 30 momentan zu der positiven Seite bereitgestellt wird, wodurch die Sensorelementimpedanzmessspannung an den A/F-Sensor 30 angelegt wird. Die Anlegungsdauer der Sensorelementimpedanzmessspannung beträgt einige zehn bis einige hundert μs (Mikrosekunden) im Hinblick auf die Frequenzeigenschaften des A/F-Sensors 30.
Die Routine schreitet dann zu Schritt 132 voran, in dem eine Änderung ΔV in der Spannung Vp und eine Änderung ΔI des durch die Strommessschaltung 25 gemessenen Sensorstroms bestimmt werden.
Die Routine schreitet zu Schritt 133 voran, in dem die Sensorelementimpedanz ZAC unter Verwendung der Spannungsänderung ΔV und der Stromänderung ΔI entsprechend der Beziehung ZAC = ΔV/ΔI berechnet wird. Die Routine kehrt zurück zu dem Programm gemäß 3.
Die Messung der Sensorelementimpedanz ZAC wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist, durch Anheben der Spannung Vp erzielt, die an den A/F-Sensor 30 momentan angelegt wird, um die Sensorelementimpedanzmessspannung mit einer gegebenen Zeitkonstanten zu erzeugen. Nach Verstreichen einer gegebenen Zeit nach dem Anlegen der Sensorelementimpedanzmessspannung an den A/F-Sensor 30 tritt die Spitze eines aus dem A/F-Sensor 30 ausgehenden Stroms auf. Dieser Anstieg in dem Stromausgang wird als Stromänderung ΔI gemessen und wird zur Bestimmung der Sensorelementimpedanz ZAC zusammen mit der Spannungsänderung ΔV verwendet. Das Anlegen der Sensorelementimpedanzmessspannung an den A/F-Sensor 30 wird durch den Tiefpassfilter 22 und die Vorspannungssteuerungsschaltung 24 erreicht, wodurch ein übermäßiger Anstieg des Stromausgangs aus dem A/F-Sensor 30 vermieden wird, was zu einer verbesserten Messgenauigkeit der Sensorelementimpedanz ZAC führt.
Die Bestimmung der Sensorelementimpedanz ZAC kann alternativ durch Erzeugung einer Änderung in dem durch den A/F-Sensor 30 fließenden Strom und Messung einer resultierenden Änderung in der über den A/F-Sensor 30 anliegenden Spannung erreicht werden.
Die Sensorelementimpedanz ZAC weist eine Beziehung zu der Temperatur des Sensorelements auf, wie es in einem Graphen gemäß 7 gezeigt ist. Der Graph zeigt, dass die Sensorelementimpedanz ZAC stark ansteigt, wenn die Temperatur des Sensorelements abfällt. Die Steuerung der Energiezufuhr für die Heizung 39, die in Schritt 140 gemäß 3 ausgeführt wird, ist nachstehend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Der Mikrocomputer 20 arbeitet zur Regulierung der Energiezufuhr zu der Heizung 39 über die Heizungssteuerungsschaltung 26 unter einer Rückkopplungsregelung als Funktion einer Differenz zwischen einem Wert der Sensorelementimpedanz ZAC und einem Sollwert. Insbesondere führt der Mikrocomputer 20 eine so genannte PI-Regelung (proportionale plus integrale Regelung) unter Verwendung eines Proportionalterms (P) und eines Integralterms (I) einer PI-Regelungsfunktion aus, wie sie zyklisch berechnet wird. Proportional- und Integralverstärkungen werden als Funktion des Werts der Sensorelementimpedanz ZAC geändert. Alternativ dazu kann der Mikrocomputer 20 die so genannte PID-Regelungsfunktion anwenden.
Die Bestimmung der Integral- und Proportionalverstärkungen durch den Mikrocomputer 20 ist nachstehend unter Bezugnahme auf 8(a) und 8(b) beschrieben.
Ein Steuerungsbereich der Sensorelementimpedanz ZAC wird über einen Sollimpedanzwert ZACtg definiert. Beispielsweise ist, falls der Impedanzsollwert ZACtg 28 Ω beträgt, der Impedanzregelungsbereich zwischen 26 Ω und 30 Ω definiert (d. h. ZACtg ±2 Ω). Wenn die Sensorelementimpedanz ZAC niedriger als der Impedanzsteuerungsbereich ist, d. h., auf einer Seite, auf der die Temperatur des Sensorelements höher als innerhalb des Impedanzsteuerungsbereichs ist, werden die Integralverstärkung und die Proportionalverstärkung auf größere Werte eingestellt, um einen übermäßigen Anstieg der Temperatur des Sensorelements zu vermeiden. TH1, wie es in der Zeichnung angegeben ist, ist eine untere Grenze des Impedanzsteuerungsbereichs (d. h. TH1 = 26 Ω), der als Schwellwert zum Schalten der Verstärkungen verwendet wird. Die PI-Regelung kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch Modifikation zumindest entweder der Proportionalverstärkung oder der Integralverstärkung als Funktion der Sensorelementimpedanz ZAC ausgeführt werden.
TH2, wie es in 8a angegeben ist, ist ein Schwellwert, durch den die Sensorelementimpedanz ZAC gelangt, wenn sie während der Aktivierung des Sensorelements des A/F-Sensors 30 abfällt. Wenn die Sensorelementimpedanz ZAC höher als der Schwellwert TH2 ist, wird die Integralverstärkung auf null oder auf einen minimal möglichen Wert begrenzt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Schwellwert TH2 48 Ω.
Der Mikrocomputer 20 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist zur Änderung der Proportionalverstärkung und der Integralverstärkung der PI-Regelungsparameter unter Verwendung der Verstärkungs-Impedanz-Kennfelder ausgelegt, wie es in 8(a) und 8(b) veranschaulicht ist, um die Energiezufuhr zu der Heizung 39 unter einer Rückkopplungsregelung zu steuern. Insbesondere steuert der Mikrocomputer 20 die Energiezufuhr zu der Heizung 39 über die Heizungssteuerungsschaltung 26 in drei Steuerungsbetriebsarten I, II und III, wie es nachstehend beschrieben ist, bei einer Variation in der Sensorelementimpedanz ZAC, beispielsweise nach Einschalten des A/F-Sensors 30. In mathematischen Gleichungen sind, wie es nachstehend beschrieben ist, Kp1 und Kp2 Proportionalkonstanten, d. h. Proportionalverstärkungen. Kp2 ist angenähert doppelt so groß wie Kp1. Ki ist eine Integrationskonstante, d. h. Integralverstärkung.
Erste Steuerungsbetriebsart I
Wenn die Sensorelementimpedanz ZAC höher als der Schwellwert TH2 (d. h. 48 Ω) ist, d. h., wenn die Temperatur des Sensorelements niedrig ist, bestimmt der Mikrocomputer 20 das Tastverhältnis (Duty) TV des Heizungssteuerungssignals (d. h. die Energiezufuhrmenge zu der Heizung 39) lediglich unter Verwendung des Proportionalterms gemäß der nachstehenden Gleichung. TV = Kp1 × (ZACtg – ZAC) (1)
Zweite Steuerungsbetriebsart II
Wenn die Sensorelementimpedanz ZAC innerhalb eines Bereichs von TH1 bis TH2 abfällt (d. h. 26 Ω bis 48 Ω), bestimmt der Mikrocomputer 20 das Tastverhältnis TV des Heizungssteuerungssignals unter Verwendung der Proportionalitätskonstanten Kp1 und der Integralkonstanten Ki entsprechend der nachstehenden Gleichung. TV = Kp1 × (ZACtg – ZAC) + Σ{Ki × (ZACtg – ZAC)} (2)
Dritte Steuerungsbetriebart III
Wenn die Sensorelementimpedanz ZAC gleich oder kleiner als der Schwellwert TH1 (d. h. 26 Ω) ist, bestimmt der Mikrocomputer 20 das Tastverhältnis TV des Heizungssteuerungssignals unter Verwendung der Proportionalitätskonstanten Kp2 und der Integralkonstanten Ki entsprechend der nachstehenden Gleichung. TV = Kp2 × (ZACtg – ZAC) + Σ{Ki × (ZACtg – ZAC)} (3)
Die Steuerung der Energiezufuhr zu der Heizung 39, die gemäß Schritt 140 gemäß 3 durchgeführt wird, ist nachstehend anhand einer Subroutine gemäß 5 beschrieben.
Zunächst wird in Schritt 141 bestimmt, ob eine Bedingung, bei der die Steuerung der Energiezufuhr zu der Heizung 39 initiiert werden sollte, zutrifft oder nicht. Beispielsweise wird bestimmt, ob die Sensorelementimpedanz ZAC größer oder gleich einem gegebenen Schwellwert TTH3 vom 65 Ω ist oder nicht. Alternativ wird bestimmt, ob eine vom Start der Brennkraftmaschine 10 verstrichene Zeitdauer innerhalb eines gegebenen Zeitbereichs liegt oder nicht. Üblicherweise ist unmittelbar nach Starten der Brennkraftmaschine 10 die Temperatur des A/F-Sensors 30 niedrig. In diesem Fall ist die Sensorelementimpedanz ZAC höher als der Schwellwert TH3. Somit wird eine positive Antwort (JA) in Schritt 141 erhalten, was bedeutet, dass die Steuerung der Energiezufuhr zu der Heizung 39 initiiert werden sollte, und die Routine schreitet zu Schritt 142 voran, in dem ein in Bezug auf das Tastverhältnis gesteuertes Signal (d. h. das Heizungssteuerungssignal), das nachstehend ebenfalls als Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignal bezeichnet ist, das zum Ein- und Ausschalten der Heizungssteuerungsschaltung 26 vorgesehen ist, auf ein Tastverhältnis von 100% gehalten wird, um der Heizung 39 Energie vollständig zuzuführen.
Alternativ wird, falls die Temperatur des Sensorelements bereits angestiegen ist, in Schritt 141 eine negative Antwort (NEIN) erhalten. Die Routine schreitet somit zu Schritt 143 voran, in dem bestimmt wird, ob die Sensorelementimpedanz ZAC kleiner als der Schwellwert TH2 (d. h. 48 Ω) ist oder nicht. Falls eine positive Antwort erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 144 voran, in dem bestimmt wird, ob die Sensorelementimpedanz ZAC kleiner als der Schwellwert TH1 (d. h. 26 Ω) ist oder nicht. Falls eine positive Antwort erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 147 voran.
Falls in Schritt 143 eine negative Antwort erhalten wird, was bedeutet, dass ZAC ≥ TH2 ist, schreitet die Routine zu Schritt 145 voran, in dem das Tastverhältnis TV des Energieversorgungssteuerungssignals (d. h. des Heizungssteuerungssignals) unter Verwendung der Gleichung (1) bestimmt wird, wie es vorstehend beschrieben worden ist. Die Routine schreitet zu Schritt 149 voran, in dem ein Überwachungsvorgang, wie er in 6b gezeigt ist, in Bezug auf das Tastverhältnis TV durchgeführt wird, wie es in Schritt 145 bestimmt worden ist, und kehrt zurück zu der Routine gemäß 3.
In Schritt 149a gemäß 6b wird bestimmt, ob das Tastverhältnis TV gleich oder größer als eine gegebene obere Grenze (d. h. einem Überwachungswert) ist oder nicht. Falls eine positive Antwort erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 149b voran, in dem das Tastverhältnis TV mit der oberen Grenze überwacht wird. Insbesondere wird ein maximaler Wert des Tastverhältnisses TV auf die obere Grenze beschränkt.
Falls in Schritt 144 eine negative Antwort (NEIN) erhalten wird, was bedeutet, das TH1 ≤ ZAC < TH2 ist, schreitet die Routine zu Schritt 146 voran, in dem das Tastverhältnis TV des Energiezufuhrsteuerungssignals unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Gleichung (3) bestimmt wird.
Nach Schritt 146 oder 147 schreitet die Routine zu Schritt 148 voran, in dem der Wert des Integralterms ΣKi(ZACtg – ZAC), wie er in Schritt 146 oder 147 bestimmt worden ist, in einer Subroutine überwacht wird, wie sie in 6a veranschaulicht ist. In Schritt 148a wird bestimmt, ob der Wert des Integralterms der PI-Regelungsgleichung höher oder gleich einer gegebenen oberen Grenze (d. h. eines Überwachungswerts) ist oder nicht. Falls eine positive Antwort (JA) erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 148b voran, in dem der Wert des Integralterms mit der oberen Grenze überwacht wird. Insbesondere wird ein maximaler Wert des Integralterms auf die obere Grenze beschränkt. Nach einer derartigen Beschränkung des Integralterms wird das Tastverhältnis TV des Energiezufuhrsteuerungssignals erneut berechnet. Der Vorgang gemäß Schritt 148 kann alternativ innerhalb jedes Schritts 146 und 147 zur Bestimmung des Tastverhältnisses TV des Energiezufuhrsteuerungssignals unter Verwendung des beschränkten Werts des Integralterms oder nach einem Programmzyklus ohne erneute Berechnung des Tastverhältnisses TV unter Verwendung des beschränkten Werts des Integralterms in diesem Programmzyklus durchgeführt werden.
Nach Schritt 148 schreitet die Routine zu Schritt 149 voran, in dem der vorstehend beschriebene Überwachungsvorgang an dem Tastverhältnis TV durchgeführt wird.
Die Überwachungswerte (d. h. die oberen Grenzen), die in Schritt 148 und 149 verwendet werden, können jeweils als eine Funktion der Temperatur des Sensorelements bestimmt werden. Beispielsweise kann, wenn die Sensorelementimpedanz ZAC aus dem Steuerbereich zu der Seite mit niedriger Impedanz verschoben wird, d. h., wenn die Temperatur des Sensorelements erhöht wird, und in Schritt 144 eine positive Antwort erhalten wird, der Überwachungswert verringert werden.
Falls die Sensorelementimpedanz ZAC über den Schwellwert TH2 (d. h. 48 Ω) aufgrund eines Abfalls in der Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine 10 nach einmaliger Aktivierung des A/F-Sensors 30 ansteigt, kann der A/F-Sensor 30 deaktiviert werden. In diesem Fall, wenn die Sensorelementimpedanz ZAC unter den Schwellwert TTH2 erneut abfällt, wird der Wert des Integralterms der PI-Regelungsgleichung, wie soweit kumuliert, vorzugsweise bei der Zufuhr der Energie zu der Heizung 39 auf null zurückgesetzt, um den A/F-Sensor 30 zu reaktivieren. In der Praxis wird, wenn eine Bedingung ZAC < TH2 auftritt, d. h., falls in Schritt 143 für das erste Mal eine positive Antwort erhalten wird, der Wert des Integralterms auf null oder einen in der Nähe von null vorab bestimmten Wert eingestellt.
9 zeigt eine Beziehung zwischen dem Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals, dem Wert des Integralterms der PI-Regelungsgleichung und der Sensorelementimpedanz ZAC, wenn sich die Brennkraftmaschine 10 in der Startbetriebsart befindet, d. h., wenn der A/F-Sensor 30 aktiviert wird.
Unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine wird das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals auf 100% eingestellt, um die Energie der Heizung 39 vollständig zuzuführen. Nach der Zeit t1, wenn eine Bedingung ZAC ≤ TH3 (d. h. 65 Ω) zutrifft, wird die Energiezufuhr zu der Heizung 39 in der Rückkopplungsbetriebsart gesteuert. Insbesondere wird nach der Zeit t1 das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals lediglich unter Verwendung des Proportionalterms bestimmt, während der Wert des Integralterms auf null gehalten wird. Zur Zeit t2, wenn eine Bedingung ZAC < TH2 zutrifft, wird begonnen, den Wert des Integralterms zu berechnen. Insbesondere wird nach der Zeit t2 die PI-Regelung unter Verwendung sowohl des Proportionalterms als auch des Integralterms in der PI-Regelungsgleichung initiiert. Zwischen den Zeiten t1 und t3 wird das Tastverhältnis TV in der vorstehend beschriebenen Weise überwacht. Zu der Zeit t3, wenn die Sensorelementimpedanz ZAC unter den Sollwert ZACtg abfällt, wird eine Differenz zwischen der Sensorelementimpedanz ZAC und dem Sollwert ZACtg in Orientierung oder Vorzeichen umgekehrt. Nach der Zeit t3 wird das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals von dem Überwachungswert weg verringert.
Im Verlauf der Aktivierung des A/F-Sensors 30 steigt der Wert des Integralterms unerwünscht, was somit zu einem Überschuss der Sensorelementimpedanz ZAC führt. Dieses Problem wird jedoch gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch Begrenzung des Werts des Integralterms für den Überwachungswert gelöst.
Falls die Brennkraftmaschine 10 eine Kraftstoffunterbrechung nach Abschluss der Aktivierung des A/F-Sensors 30 erfährt, wird dies verursachen, dass die Temperatur des Sensorelements unmittelbar aufgrund des Temperaturabfalls des Abgases abfällt. In diesem Fall wird das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Werte der bisher abgeleiteten Integral- und Proportionalterme bestimmt. Dies gewährleistet die Stabilität der Steuerung der Heizung 39, selbst falls eine unmittelbare Temperaturänderung auftritt.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, arbeitet das Gassensorsteuerungssystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel zur Beseitigung eines übermäßigen Anstiegs der Temperatur des Sensorelements bei Aktivierung des Sensorelements, wodurch das Sensorelement gegen einen thermischen Durchbruch geschützt wird.
Weiterhin erhöht, wenn die Sensorelementimpedanz ZAC aufgrund beispielsweise einem Anstieg der Temperatur des Abgases der Brennkraftmaschine 10 nach einmaliger Aktivierung des A/F-Sensors 30 aus dem Steuerungsbereich verschoben wird, der Mikrocomputer 20 die Proportionalverstärkung zur Beschleunigung der Konvergenz der Sensorelementimpedanz ZAC auf den Sollwert ZACtg. Dies vermeidet eine Überhitzung des Sensorelements des A/F-Sensors 30 nach dessen Aktivierung.
10 zeigt die Heizungsenergiezufuhrsteuerung, die in Schritt 140 gemäß 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird.
Zunächst wird in Schritt 161 in derselben Weise wie gemäß 5 bestimmt, ob eine Bedingung, in der die Steuerung der Energiezufuhr zu der Heizung 39 initiiert wird, zutrifft oder nicht. Falls eine positive Antwort erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 162 voran, in dem das Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignal, dessen Tastverhältnis etwa 100% beträgt, bereitgestellt wird, um Energie der Heizung 39 vollständig zuzuführen.
Falls in Schritt 161 eine negative Antwort (NEIN) erhalten wird, schreitet die Routine zu Schritt 163 voran, in dem bestimmt wird, ob die Sensorelementimpedanz ZAC kleiner als der Schwellwert TH1 (d. h. 26 Ω) ist oder nicht. Falls eine negative Antwort erhalten wird (ZAC ≥ TH1) schreitet die Routine zu Schritt 164 voran, in dem das Tastverhältnis TV des Energiezufuhrsteuerungssignals unter Verwendung der Gleichung 2 bestimmt wird, wie sie vorstehend beschrieben worden ist. Alternativ dazu schreitet, falls eine positive Antwort erhalten wird (ZAC ≥ TH1), die Routine zu Schritt 165 voran, in der das Tastverhältnis TV des Energieversorgungssteuerungssignals unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Gleichung 3 bestimmt wird.
Nach Schritt 164 oder 165 schreitet die Routine zu Schritt 166 voran, in dem der Wert des Integralterms ΣKi(ZACtg – ZA) in derselben Weise wie in Schritt 148 gemäß 5 überwacht wird.
Die Routine schreitet zu Schritt 167 voran, in dem der Wert des Tastverhältnis TV in derselben Weise wie gemäß Schritt 149 gemäß 5 überwacht wird.
11 zeigt eine Beziehung zwischen dem Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals, den Wert des Integralterms der PI-Regelungsgleichung und der Sensorelementimpedanz ZAC, wenn sich die Brennkraftmaschine 10 in der Startbetriebsart befindet, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Unmittelbar nach Starten der Brennkraftmaschine ist das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals auf 100% eingestellt, um die Energie der Heizung 39 vollständig zuzuführen. Nach der Zeit t11, wenn eine Bedingung ZAC ≤ TH3 (d. h. 65 Ω) zutrifft, wird die Energiezufuhr zu der Heizung 39 in der Rückkopplungsbetriebsart durchgeführt. Insbesondere wird nach der Zeit t1 begonnen, den Wert des Integralterms zu berechnen. Das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals wird unter Verwendung des Proportionalterms und des Integralterms in der PI-Regelungsgleichung bestimmt. Ein maximaler Wert des Integralterms wird auf den Überwachungswert begrenzt, um ein Überschießen der Sensorelementimpedanz ZAC zu vermeiden. Zu der Zeit t12 fällt die Sensorelementimpedanz ZAC unter den Sollwert ZACtg ab, so dass eine Differenz dazwischen in Orientierung oder Vorzeichen umgekehrt wird. Nach der Zeit t12 werden die Werte des Integralterms und des Tastverhältnisses TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals jeweils von den Überwachungswerten weg verringert.
Nachstehend ist ein Gassensorsteuerungssystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben, das zur Bestimmung des Sollwerts der Sensorelementimpedanz ZAC in zwei Schritten während des Übergangs des A/F-Sensors 30 von einem inaktivierten zu einem aktivierten Zustand ausgelegt ist. Insbesondere wird die Sensorelementimpedanz ZAC in Übereinstimmung mit zwei Sollwerten gebracht: dem anfänglichen Sollwert TG2 und dem endgültigen Sollwert TG1 in schrittweiser Art. Der endgültige Sollwert TG1 beträgt 28 Ω. Der anfängliche Sollwert TG2 ist höher als TG1 eingestellt. Beispielsweise beträgt der anfängliche Sollwert TG2 TG1 plus 5 Ω (= 33 Ω). Anderer Anordnungen und Vorgänge des Gassensorsteuerungssystems gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind identisch zu denjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, weshalb eine ausführliche Beschreibung hier entfällt.
12 zeigt eine Änderung in der Sensorelementimpedanz ZAC, wenn die Brennkraftmaschine 10 sich in der Startbetriebsart gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel befindet.
In einer anfänglichen Stufe des Heizens des Sensorelements des A/F-Sensors 30 erhöht die Heizungsteuerungsschaltung 26 die Temperatur des Sensorelements über die Heizung 39, so dass die Sensorelementimpedanz ZAC in Übereinstimmung mit dem anfänglichen Sollwert TG2 gebracht werden kann. Beim Lesen des anfänglichen Sollwerts TG2 zu einer Zeit ta schießt die Sensorelementimpedanz ZAC momentan über und kehrt zu der Zeit tb zurück. Zu der Zeit tb wird der Sollwert der Sensorelementimpedanz ZAC von TG2 auf TG1 umgeändert. Dies verursacht, dass die Sensorelementimpedanz ZAC auf den endgültigen Sollwert TG1 nach der Zeit tb konvergiert.
Das Umändern bzw. Umschalten des anfänglichen Sollwerts TG2 auf den endgültigen Sollwert TG1 kann alternativ nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer (beispielsweise einiger weniger Sekunden) von dem Zeitpunkt an durchgeführt werden, wenn die Sensorelementimpedanz ZAC den anfänglichen Sollwert TG2 erreicht.
Die Zweischrittsteuerung der Sensorelementimpedanz ZAC gemäß diesem Ausführungsbeispiel dient dazu, die Sensorelementimpedanz ZAC auf den endgültigen Sollwert TG1 ohne Überschießen zu konvergieren, wodurch ein übermäßiger Anstieg der Temperatur des Sensorelements vermieden wird, wenn der A/F-Sensor 30 aktiviert wird.
Der anfängliche Sollwert TG2 ist vorzugsweise innerhalb eines Bereichs des endgültigen Sollwerts TG1 plus 10 Ω definiert. Die Differenz zwischen dem anfänglichen Sollwert TG2 und dem endgültigen Sollwert TG1 kann im Hinblick auf ein Überschießen der Sensorelementimpedanz ZAC bestimmt werden.
Es können zwei oder mehr anfängliche Sollwerte bereitgestellt werden. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem der endgültige Sollwert TG1 28 Ω beträgt, der Sollwert der Sensorelementimpedanz ZAC von 34 Ω auf 31 Ω und dann auf 28 Ω umgeschaltet werden.
Die Erfindung kann in nachstehend beschriebene Modifikationen umgesetzt werden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals ohne Verwendung des Integralterms der PI-Regelungsgleichung bestimmt, bis die Sensorelementimpedanz ZAC den Schwellwert TH2 erreicht. Das heißt, dass die Integralverstärkung auf null (0) eingestellt ist, bis die Sensorelementimpedanz ZAC den Schwellwert TH2 erreicht. Die Integralverstärkung kann jedoch auf einen kleineren Wert eingestellt werden, der in der Nähe von null (0) vorab ausgewählt ist.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die P-Regelung lediglich unter Verwendung des Proportionalterms der PI-Regelungsgleichung durchgeführt, bis entschieden wird, dass die Sensorelementimpedanz ZAC den Schwellwert TH2 erreicht, woraufhin die PI-Regelung, bei der sowohl der Proportionalterm als auch der Integralterm angewendet werden, initiiert wird, jedoch kann die PI-Regelung nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer von dem Start der P-Regelung initiiert werden. Die Zeit, zu der die PI-Regelung initiiert werden sollte, kann auf der Grundlage von Tests bestimmt werden.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Proportionalverstärkung erhöht (in Schritten 146 und 147 gemäß 5), wenn die Sensorelementimpedanz ZAC geringer als dessen Steuerungsbereich ist, d. h., wenn die Temperatur des Sensorelements höher als ein Bereich entsprechend dem Steuerungsbereich ist, jedoch kann alternativ lediglich die Integralverstärkung oder sowohl die Proportional- als auch die Integralverstärkung erhöht werden.
Der A/F-Sensor 30 weist eine Temperaturcharakteristik auf, wie sie in 7 gezeigt ist, in der eine Änderung der Temperatur des Sensorelements zu einer Änderung der Sensorelementimpedanz ZAC führt. Daher kann innerhalb des rückkopplungsgeregelten Bereichs der Sensorelementimpedanz ZAC eine oder beide der Proportionalverstärkung und der Integralverstärkung der PI-Regelungsgleichung erhöht werden, wenn die Sensorelementimpedanz ZAC sich verringert.
Die mathematische Bestimmung des Tastverhältnisses TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals kann unter Verwendung eines Grundterms (Basisterms) durchgeführt werden, der in der PI-Regelungsgleichung definiert ist und einen Parameter der Sensorelementimpedanz ZAC aufweist. Beispielsweise wird der Wert des Grundterms unter Nachschlagen unter Verwendung eines Kennfelds oder einer mathematischen Berechnung bestimmt, so dass der Wert mit einer Verringerung der Sensorelementimpedanz ZAC sich erhöht. Die Werte des Proportionalterms und des Integralterms werden zu dem Wert des Grundterms addiert, um das Tastverhältnis TV des Heizungsenergiezufuhrsteuerungssignals zu bestimmen (d. h. TV = Grundterm + Proportionalterm + Integralterm). In diesem Fall kann das Tastverhältnis TV lediglich unter Verwendung des Werts des Grundterms bestimmt werden, bis die Sensorelementimpedanz ZAC einen vorab ausgewählten Wert der Impedanz des Sensorelements während der thermischen Aktivierung erreicht, woraufhin es durch Addition des Werts des Integralterms zu dem des Grundterms bestimmt werden kann.
Der A/F-Sensor 30 kann mit einem ersetzt werden, wie er entweder in 13 oder 14(a) oder 14(b) veranschaulicht ist, die eine Einzel- oder Multi-Sensorzellenstruktur aufweisen können, die zur Messung der Konzentration von Nitrogenoxid (NO_x), Kohlenstoff (HC) und/oder Kohlenstoffmonoxide (CO) ausgelegt ist.
Der A/F-Sensor 100, wie er in 13 dargestellt ist, weist eine Sauerstoffpumpenzelle 101, eine Sauerstoffsensorzelle 102 und eine Heizungsschicht 103 auf, die derart gelegt sind, dass sie sich über Abstandshalter 104 und 105 jeweils überlappen. Die Sauerstoffpumpenzelle 102 ist aus einer Festelektrolytschicht 121 und einem Paar Pumpelektroden 122 und 123 aufgebaut, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 121 angebracht sind. Die Sauerstoffsensorzelle 102 besteht aus einer Festelektrolytschicht 124 und einem Paar Sensorelektroden 125 und 126, die an gegenüberliegend Oberflächen der Festelektrolytschicht 124 angebracht sind.
Die Abstandshalter 104 und 105 sind jeweils aus einem Isoliermaterial wie Keramik ausgebildet und weisen darin ausgebildet eine Messungsgaskammer 127, in die Abgase der Brennkraftmaschine 10 eingelassen werden, und eine Luftkammer 128 auf, in die die Luft als Referenzgas eingelassen wird. Die Heizungsschicht 103 ist aus oberen und unteren Isolierschichten 131 und 132 sowie einem zwischen den Schichten 131 und 132 angeordnetem Heizelement 133 aufgebaut.
Die Abgase der Brennkraftmaschine 10 werden in die Messungsgaskammer 127 über einen Diffusionsweg 129 eingeführt. Die Sauerstoffpumpenzelle 101 arbeitet zur Erzeugung eines elektrischen Stroms als Funktion der Konzentration von Sauerstoffmolekülen (O₂), die in den Abgasen enthalten sind. Die Sauerstoffsensorzelle 102 erzeugt eine elektromotorische Kraft als Funktion der Konzentration von Sauerstoff, der in den in die Messungsgaskammer 127 eingeführten Abgasen enthalten ist. Die Spannung wird über die Pumpelektroden 122 und 123 angelegt, um die durch die Sauerstoffsensorzelle 102 erzeugte elektromotorische Kraft in Übereinstimmung mit einem konstanten Wert zu bringen.
Der A/F-Sensor 150 gemäß 14(a) und 14(b) weist eine Sauerstoffpumpenzelle 151, eine Sauerstoffsensorzelle 152 und eine Sauerstoffkonzentrationszelle 153 auf. Die Sauerstoffpumpenzelle 151 ist aus einer Festelektrolytschicht 154 hergestellt. Die Sauerstoffsensorzelle 152 und die Sauerstoffkonzentrationszelle 153 sind aus einer Festelektrolytschicht 155 hergestellt. Die Festelektrolytschichten 154 und 155 sind derart gelegt, dass sie sich durch eine Diffusionswiderstandsschicht 157 einander überlappen. Eine Festelektrolytschicht 156 ist ebenfalls an die Festelektrolytschicht 155 angebracht. Die Festelektrolytschichten 154 und 155 sowie die Diffusionswiderstandsschicht 157 definieren eine Messungsgaskammer 158, in die die Abgase aus der Brennkraftmaschine 10 über die Diffusionswiderstandsschicht 157 eingeführt werden.
Die Sauerstoffpumpenzelle 151 weist ein Paar Elektroden 161 und 162 auf, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 154 ausgebildet sind. Die Sauerstoffsensorzelle 152 weist ein Paar Elektroden 163 und 164 auf, die an gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 155 ausgebildet sind. Die Sauerstoffkonzentrationszelle 153 weist ein Paar Elektroden 165 und 166 auf, die an einer Oberfläche der Festelektrolytschicht 155 ausgebildet sind, die zu der Messungsgaskammer 158 hin freiliegt. Insbesondere sind die Elektroden 163, 165 und 166, wie aus 14(b) hervorgeht, auf derselben Oberfläche der Festelektrolytschicht 155 angeordnet. Eine der Elektroden 165 und 166 des Sauerstoffkonzentrationssensors 153 ist durch eine Elektrode implementiert, die derart ausgelegt ist, dass sie eine hohe katalytische Aktivität aufweist, und die andere ist durch eine katalytisch inaktive Elektrode implementiert. Eine Heizungseinheit 170 ist an einer äußeren Oberfläche der Sauerstoffpumpenzelle 151 angebracht, die eine Heizung 171 aufweist.
Die Sauerstoffpumpenzelle 151 arbeitet zur Messung der Konzentration von in den Abgasen enthaltenen Sauerstoff. Die Sauerstoffsensorzelle 152 erzeugt eine elektromotorische Kraft als Funktion der Konzentration von Sauerstoff innerhalb der Messungsgaskammer 158. Die Spannung wird über die Elektroden 161 und 162 der Sauerstoffpumpenzelle 151 derart angelegt, dass die durch die Sauerstoffsensorzelle 152 erzeugte elektromotorische Kraft konstant gehalten werden kann. Die von der katalytisch aktiven Elektrode 165 verbrauchte Sauerstoffmenge ist größer als die der katalytisch inaktiven Elektrode 166, so dass die Konzentration von Sauerstoff in der Nähe der katalytisch inaktiven Elektrode 166 höher sein wird als in der Nähe der katalytisch inaktiven Elektrode 165. Dies bewirkt eine elektromotorische Kraft, die auf der Seite der katalytisch inaktiven Elektrode 166 positiv ist, und die zwischen den Elektroden 165 und 166 der Sauerstoffkonzentrationszelle 153 als Funktion der Konzentration eines spezifischen entflammbaren Gases zu erzeugen ist, dass in den Abgasen enthalten ist.
Die A/F-Sensoren 30, 100 und 150 können ebenfalls zur Messung der Konzentration von Gas ausgelegt werden, bei dem es sich nicht um eine spezifizierte Komponente des Abgases der Brennkraftmaschine 10 handelt.
Der Betrieb der Gaskonzentrationssensoren der in 13 bis 14(b) veranschaulichten Typen sind im Stand der Technik bekannt, weshalb der ausführliche Beschreibung entfällt.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele zur Erleichterung des Verständnisses offenbart worden ist, sollte klar sein, dass die Erfindung in verschiedenen anderen Arten ohne Verlassen des Prinzips der Erfindung ausgeführt werden kann. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsbeispiele und Modifikationen der gezeigten Ausführungsbeispiele enthält, die ohne Verlassen des Prinzips der Erfindung umgesetzt werden können, wie es in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
Wie es vorstehend ausführlich beschrieben ist, wird ein Heizungsenergiezufuhrsteuerungssystem ist zur Steuerung der Temperatur einer Heizung vorgesehen, die zur Erwärmung eines aus einem Festelektrolyt hergestellten Sensorelements eines Gaskonzentrationssensors auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur verwendet. Das Heizungsenergiezufuhrsteuerungssystem misst einen Widerstandswert des Sensorelements und steuert eine elektrische Energiezufuhr zu der Heizung unter Verwendung einer PI-Regelungsfunktion. Das Heizungssteuerungszufuhrsteuerungssystem arbeitet zur Begrenzung des Werts eines Integralterms der PI-Regelungsfunktion im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements, wodurch ein Überschießen des Widerstandswerts des Sensorelements vermieden wird, was eine thermale Beschädigung des Sensorelements vermeidet.

Claims

Heizungssteuerungsgerät mit einem Gaskonzentrationssensor (15), der ein Sensorelement (30), das einen Festelektrolyten verwendet, und eine Heizung (39) zur Erwärmung des Sensorelements (30) auf einen aktivierten Zustand aufweist, einer Sensorelementwiderstands-Bestimmungsschaltung (20, 25, 32, 33) eingerichtet zur Bestimmung des Elementwiderstandswerts des Sensorelements (30), einer Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) eingerichtet zur Berechnung eines Integralterms durch Addieren einer Integralkonstanten zu einer Abweichung eines erfassten Werts des Elementwiderstandswerts von einem Sollwert und ebenfalls zur Berechnung einer Heizungssteuerungsvariablen unter Verwendung des Integralterms, und einer Heizungssteuerungsschaltung (26), die zur Steuerung einer Heizungsspeisung durch die berechnete Heizungssteuerungsvariable arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) dazu eingerichtet ist, eine Begrenzung auf die Erhöhung des Werts des Integralterms aufzuerlegen, bis der Widerstandswert des Sensorelements (30) im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements (30) einen vorab ausgewählten Wert erreicht, um die Heizungssteuerungsvariable zu berechnen, und die Begrenzung auf den Integralterm aufzuheben, nachdem der Elementwiderstandswert den vorab ausgewählten Wert erreicht hat, um die Heizungssteuerungsvariable zu berechnen.
Heizungssteuerungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) die Heizungssteuerungsvariable unter Verwendung eines Werts eines Proportionalterms als eine Funktion der Abweichung des Elementswiderstandswerts berechnet, bis der Elementwiderstandswert den vorab ausgewählten Wert im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements (30) erreicht, wobei, nachdem der Elementwiderstandswert den vorab ausgewählten Wert erreicht hat, die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung die Heizungssteuerungsvariable unter Verwendung sowohl des Proportionalterms als auch des Integralterms bestimmt.
Heizungssteuerungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) eine Verstärkung des Integralterms auf null einstellt, bis der Elementwiderstandswert im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements (30) den vorab ausgewählten Wert erreicht.
Heizungssteuerungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) den Wert des Integralterms zurücksetzt, wenn der Elementwiderstandswert den vorab ausgewählten Wert im Verlauf der Aktivierung des Sensorelements (30) erreicht.
Heizungssteuerungsgerät nach Anspruch 1, wobei die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) einen maximalen Wert des Integralterms mittels eines vorab ausgewählten Überwachungswerts begrenzt.
Heizungssteuerungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) aufweist: eine Temperatur anhebende Heizungssteuerungseinrichtung zum Speisen der Heizung (39) mit einer maximalen Energie oder etwa der maximalen Energie in einem anfänglichen Stadium des Starts des Gaskonzentrationssensors, wobei, nachdem die Heizung (39) durch die Temperatur anhebende Heizungssteuerungseinrichtung gespeist worden ist, eine Betriebsart mit der durch die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) berechneten Heizungssteuerungsvariablen durchgeführt wird.
Heizungssteuerungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Heizungssteuerungsvariablen-Bestimmungsschaltung (20) zumindest eine der Verstärkungen des Integralterms und eines Proportionalterms erhöht, wenn der gemessene Wert des Elementwiderstandswerts des Sensorelements (30) zu einer temperaturansteigenden Seite aus einem Steuerungsbereich heraus verschoben wird, der nahe dem Sollwert des Elementwiderstandswerts eingestellt ist.
Heizungssteuerungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verstärkung des Integralterms und/oder die Verstärkung des Proportionalterms auf der Grundlage einer Temperaturwiderstandskennlinie des Sensorelements (30) innerhalb eines rückkopplungsgeregelten Bereichs auf der Grundlage der Änderung des Elementwiderstandswerts erhöht wird, wenn sich der Elementwiderstand verringert.
Heizungssteuerungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Gaskonzentrationssensor ein Abgassensor zur Erfassung einer Abgaskomponente einer an einem Fahrzeug angebrachten Brennkraftmaschine ist.