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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Erkennung bzw. Ermittlung eines Störzustands
oder Ausfalls eines Gassensors.
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Gassensoren finden auf verschiedenen
Gebieten Verwendung. Bekanntermaßen kann z.B. ein Gassensor
im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine zur Messung einer Gaskonzentration,
wie der Konzentration von Sauerstoff, in dem von der Brennkraftmaschine
ausgestoßenen
Abgas angeordnet und das erhaltene Messsignal zur Steuerung von
Elementen oder Stellgliedern der Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Im allgemeinen wird in jüngerer Zeit
ein solcher Gassensor für
Brennkraftmaschinen aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytmaterial
wie Zirkondioxid hergestellt. In einem bekannten Gassensor dieser
Art ist z.B. eine Kammer ausgebildet, um einen Austausch von Sauerstoff
zwischen dem ein zu messendes Gas enthaltenden Außenbereich des
Gassensors und dem Innenbereich des Gassensors herbeiführen zu
können,
wobei der Sauerstoff unter Verwendung einer Zelle aus einem Festelektrolytmaterial
(Festelektrolytelement) mit zwei daran angeordneten Elektroden in
die Kammer eingeführt
und aus der Kammer abgeführt
wird. Bei diesem Gassensor wird eine Spannung an die beiden Elektroden über mit
diesen verbundene Signalleitungen angelegt, um als Ladungsträger im Inneren
des Festelektrolytmaterials dienende Sauerstoffionen zum Einleiten
und Ableiten von Sauerstoff zu bewegen (pumpen). Darüber hinaus
wird ein der Sauerstoffkonzentration im Inneren der Kammer entsprechender Grenzstrom
herbeigeführt,
um einen über
die Signalleitungen fließenden
Strom zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration zu messen. In diesem Zusammenhang
ist auch ein Gassensor bekannt, in dem mehrere Zellen mit einem
solchen Aufbau zur zusätzlichen Erfassung
von NOx, CO und HC vorgesehen sind.
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Ferner ist es seit einigen Jahren
bekannt, bei Brennkraftmaschinen und anderen Geräten das Vorliegen oder Nichtvorliegen
von Störzuständen verschiedener
Art in Form einer Selbstdiagnose unter Betriebsbedingungen oder
dergleichen zu erfassen. Aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift
Nr. HEI 11-6812 ist in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung bekannt,
die eine Feststellung bezüglich
des Vorliegens eines Störzustands
bei einem Gassensor trifft. Diese Vorrichtung ist zur Ermittlung
eines Ausfalls der Stromzufuhr eines in den Gassensor eingebauten
Heizelements ausgestaltet, wobei eine Entscheidung bezüglich des
Vorliegens oder Nichtvorliegens einer Fehlfunktion oder eines Störzustands
wie einer Unterbrechung oder eines Bruchs im eingeschalteten Zustand
des Heizelements in Form einer binären Beurteilung einer Spannung
oder eines Stroms auf der Basis des jeweiligen Betrages der Spannung
oder des Stroms getroffen wird.
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Durch die in der vorstehend genannten
Literaturstelle offenbarten Maßnahmen
soll somit eine Unterbrechung zwischen den Zellenelektroden und den
Signalleitungen oder in der Mitte der Signalleitungen erfasst werden,
um schnell eine Beurteilung bezüglich
eines bestehenden Störzustandes
treffen und damit eine normale Messung der Gaskonzentration gewährleisten
zu können.
So wird z.B. das Anlegen einer Spannung an die Elektroden der Zelle
in Betracht gezogen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, das
Auftreten oder Nichtauftreten eines Stroms zu erfassen.
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Die allgemeine Entwicklung bei Gassensoren
geht jedoch in Richtung einer Verringerung der Abmessungen und eines vielzelligen
Aufbaus, sodass sich das Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Unterbrechung
auf der Basis einer Stromdetektion nicht immer mit der erforderlichen
Genauigkeit feststellen lässt.
Dies beruht im wesentlichen auf den durch die integrierte Anordnung
eines Heizelements oder der Zellen gegebenen gegenseitigen Einwirkungen.
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Unter Berücksichtigung der vorstehend
beschriebenen Gegebenheiten liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zu Grunde, eine Gassensor-Störungsermittlungsvorrichtung
anzugeben, mit deren Hilfe sich das Vorliegen oder Nichtvorliegen
einer Unterbrechung in einem Gassensor genau feststellen lässt.
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Diese Aufgabe wird mit den in den
Patentansprüchen
angegebenen Mitteln gelöst.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung ist eine Gassensor-Störungsermittlungsvorrichtung
zur Erfassung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Störzustands
eines Gassensors mit einer Zelle, bei der zwei Elektroden auf einem
Festelektrolytmaterial zur Erzeugung eines der Zusammensetzung eines
an den Elektroden befindlichen Messgases entsprechenden Signals
und Abgabe des Signals über
eine mit den Elektroden verbundene Signalleitung ausgebildet sind,
gekennzeichnet durch eine Signaleingabeeinrichtung zur zeitweiligen
Zuführung
eines eine Wechselstromkomponente enthaltenden Testsignals über die
Signalleitung zu der einer Störzustandsermittlung
unterzogenen Zelle, eine Ansprechsignal-Detektoreinrichtung zur
Messung eines an der Signalleitung in Abhängigkeit von der Eingabe des
Testsignals auftretenden Ansprechsignals, und eine Beurteilungseinrichtung
zum Vergleichen des Messwertes des Ansprechsignals mit einem vorgegebenen
Wert, wobei die Beurteilung getroffen wird, dass ein Unterbrechungs-Störzustand bei
der der Störzustandsermittlung
unterzogenen Zelle vorliegt, wenn der Messwert in einem Bereich von
durch den vorgegebenen Wert festgelegten Bereichen liegt.
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Da die Zellenelektroden eine zweidimensionale
Anordnung aufweisen, um die Bewegung einer Sauerstoffmenge in einem
Festelektrolytmaterial zu gewährleisten,
besitzt die Ersatzschaltung der Zelle eine relativ große parasitäre Kapazität. Die Impedanz für eine Wechselstromkomponente
ist daher im Vergleich zu der Impedanz in einem Unterbrechungsabschnitt
beim Auftreten eines Unterbrechungs-Störzustandes in der Zelle erheblich
niedriger. Das Ansprechsignal zeigt daher in Abhängigkeit vom Vorliegen oder
Nichtvorliegen einer Unterbrechung starke Änderungen. Dies ermöglicht eine
deutliche Unterscheidung von einem Stromsignal eines in der Signalleitung
auf Grund der Einwirkung anderer Zellen oder dergleichen in einem
stationären
Zustand fließenden
Stroms, wodurch sich die Bestimmungs- bzw. Beurteilungsgenauigkeit
verbessert.
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Wenn ferner die Temperatur des Festelektrolytmaterials
in einem gewissen Ausmaß ansteigt
und dessen Impedanz in einem gewissen Ausmaß abfällt, kann auf Grund der Tatsache,
dass das Ansprechsignal starke Änderungen
in Abhängigkeit
vom Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Unterbrechung zeigt, eine
sofortige Unterbrechungsermittlung erfolgen.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung wird bei dieser Konfiguration für die Messung des Ansprechsignals
eine vorgegebene Verzögerungszeit
in Bezug auf das Testsignal eingestellt.
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Wenn bei einem mehrzelligen Gassensor
mit verringerten Abmessungen z.B. die Elektroden einer Anzahl von
Zellen auf dem gleichen Festelektrolytmaterial ausgebildet sind,
liegen die einer Detektion unterzogene Zelle und die anderen Zellen
dicht beieinander, sodass zwischen den Zellen eine parasitäre Kapazität vorhanden
ist. Somit fließt
auch bei Vorliegen einer Unterbrechung in oder an einer Elektrode
bei einem Testsignal ein Strom über
eine parasitäre
Kapazität
zwischen einer Elektrode, bei der keine Unterbrechung vorliegt,
und einer Elektrode einer anderen Zelle. Aus diesem Grund wird für die Detektion des
Ansprechsignals eine vorgegebene Zeitverzögerung in Bezug auf ein Testsignal
eingestellt, um die Ermittlung einer Unterbrechung in einem Zustand durchführen zu
können,
bei dem sich der Einfluss der parasitären Kapazität zwischen den Zellen auf ein
Signal an der Signalleitung verringert hat, wodurch sich die Genauigkeit
der Unterbrechungsermittlung verbessert.
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Gemäß einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung ist eine Gassensor-Störungsermittlungsvorrichtung
zur Erfassung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Störzustands
eines Gassensors mit einer Vielzahl von Zellen, die jeweils ein
auf einem Festelektrolytmaterial ausgebildetes Elektrodenpaar zur Erzeugung
eines der Zusammensetzung eines an den Oberflächen der Elektroden befindlichen
Messgases entsprechenden Gasmesssignals und Abgabe des Gasmesssignals über eine
mit den Elektroden verbundene Signalleitung aufweisen und derart
ausgestaltet sind, dass die einen Elektroden der Elektrodenpaare
der Vielzahl von Zellen in einer gemeinsamen Kammer angeordnet sind,
gekennzeichnet durch eine Testsignal-Eingabeeinrichtung zur zeitweiligen
Zuführung
eines eine Wechselstromkomponente enthaltenden Testsignals über die
Signalleitungen zu einer spezifizierten Zelle der Vielzahl von Zellen,
eine Ansprechsignal-Detektoreinrichtung zur Messung eines an der
Signalleitung für
eine andere, einer Störzustandsermittlung
unterzogenen Zelle als der spezifizierten Zelle in Abhängigkeit
von der Eingabe des Testsignals auftretenden Ansprechsignals, und
eine Beurteilungseinrichtung zum Vergleichen des Messwertes des
Ansprechsignals mit einem vorgegebenen Wert, wobei die Beurteilung
getroffen wird, dass in der der Störzustandsermittlung unterzogenen
Zelle ein Unterbrechungs-Störzustand
vorliegt, wenn der Messwert in einem vorgegebenen Bereich der durch
den vorgegebenen Wert festgelegten Bereiche liegt.
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Wenn z.B. bei einem mehrzelligen
Gassensor mit verkleinerten Abmessungen die Elektroden einer Anzahl
von Zellen auf dem gleichen Festelektrolytmaterial ausgebildet sind,
befinden sich eine einer Detektion unterzogene Zelle und andere
Zellen dicht beieinander, sodass zwischen den Zellen eine parasitäre Kapazität vorhanden
ist. Die Impedanz für eine
Wechselstromkomponente ist daher im Vergleich zu der Impedanz in
einem unterbrochenen Abschnitt bei Vorliegen eines Unterbrechungs-Störzustands
in einer Zelle erheblich niedriger, sodass das Ansprechsignal entsprechend
dem Vorliegen oder Nichtvorliegen einer Unterbrechung eine starke Änderung
zeigt. Dies ermöglicht
eine deutliche Unterscheidung von dem Stromsignal eines in den Signalleitungen
in einem stationären
Zustand auf Grund der Einwirkungen der anderen Zellen oder dergleichen fließenden Stroms,
wodurch sich die Beurteilungsgenauigkeit erhöht.
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Wenn ferner eine verlängerte Zeit
für die Testsignalabgabe
vorgesehen wird, um eine ausreichende Zeitdauer für die Unterbrechungsdetektion vorzugeben,
verändert
sich bei der Beaufschlagung einer bestimmten Zelle mit dem Testsignal
die Sauerstoffkonzentration in der Kammer, in der die Elektrode
der spezifischen Zelle angeordnet ist, in Abhängigkeit von dem Vorgang des
Hereinpumpens und Abpumpens von Sauerstoff. Wenn somit keine Unterbrechung
der mit der in der gleichen Kammer angeordneten Elektrode der detektierten
Zelle verbundenen Signalleitungen vorliegt, ändert sich das Gasmesssignal
in Abhängigkeit
von der Änderung
der Sauerstoffkonzentration, was zur Bildung eines Ansprechsignals
führt.
Dies ermöglicht
die Ermittlung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands.
Da das Ansprechsignal auf der tatsächlichen Veränderung
der Sauerstoffkonzentration in der Kammer basiert, ist eine deutliche
Unterscheidung von einem Stromsignal eines in der Signalleitung
im stationären
Zustand auf Grund der Einwirkung der anderen Zellen oder dergleichen
fließenden Stroms
möglich,
wodurch sich die Beurteilungsgenauigkeit erhöht.
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Da außerdem keine Testsignal-Eingabeeinrichtung
in Bezug auf die der Detektion unterzogenen Zelle vorgesehen ist,
ergibt sich eine höhere
Gestaltungsfreiheit.
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Gemäß einer vierten Ausgestaltung
der Erfindung umfasst die vorstehend beschriebene Vorrichtung gemäß der dritten
Ausgestaltung außerdem eine
zweite Ansprechsignal-Detektoreinrichtung
zur Messung eines an der Signalleitung für die spezifizierte Zelle in
Abhängigkeit
von dem in Bezug auf die spezifizierte Zelle zugeführten Testsignal
auftretenden Ansprechsignals, und eine zweite Beurteilungseinrichtung
zum Vergleichen des Messwertes des Ansprechsignals mit einem vorgegebenen
Wert, wobei die Beurteilung getroffen wird, dass in der spezifizierten
Zelle ein Unterbrechungs-Störzustand
vorliegt, wenn der Messwert in einem vorgegebenen Bereich von durch
den vorgegebenen Wert festgelegten Bereichen liegt.
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In diesem Fall kann das Testsignal
für die Unterbrechungs-Störzustandsbeurteilung
bezüglich der
spezifischen Zelle auch für
die Unterbrechungsdetektion der detektierten Zelle verwendet werden, wodurch
sich die Konfiguration vereinfacht.
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Gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung
umfasst die vorstehend beschriebene Vorrichtung gemäß der vierten
Ausgestaltung außerdem eine
Ansprechsignal-Detektoreinrichtung
zur Messung eines an der Signalleitung für die spezifizierte Zelle in
Abhängigkeit
von der Zuführung
des Testsignals zu der spezifizierten Zelle auftretenden Ansprechsignals,
eine Impedanz-Berechnungseinrichtung
zur Ermittlung der Impedanz zwischen den Elektroden der spezifizierten
Zelle auf der Basis des Testsignals und des Ansprechsignals, und
eine Heizelement-Steuereinrichtung
zur Steuerung eines in den Gassensor zusammen mit der Zelle integrierten
Heizelements auf der Basis der ermittelten Impedanz.
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In diesem Falle kann das Testsignal
für die Impedanzermittlung
der Heizelementsteuerung auch für
die Unterbrechungsermittlung der detektierten Zelle verwendet werden,
wodurch sich die Konfiguration vereinfacht.
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Gemäß einer sechsten Ausgestaltung
der Erfindung umfasst die Vorrichtung außerdem eine Temperaturzustands-Detektoreinrichtung
zur Ermittlung des Temperaturzustands des Festelektrolytmaterials,
und eine Sperreinrichtung zur Verhinderung der Störzustands-Beurteilungsverarbeitung
durch die Beurteilungseinrichtung, bis der Temperaturzustand des
Festelektrolytmaterials einen vorgegebenen Temperaturbereich erreicht
hat.
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Wenn sich das Festelektrolytmaterial
in einem abgekühlten
Zustand befindet, liegt eine hohe Impedanz zwischen den Elektroden
vor, während
die parasitäre
Kapazität
niedrig ist. Wenn in diesem Zustand eine Unterbrechungsermittlung
erfolgt, ist es schwierig, ein Ansprechsignal mit einem ausreichenden
Betrag zu erhalten. Aus diesem Grund wird die Störzustandsbeurteilung erst durchgeführt, nachdem der
Temperaturzustand des Festelektrolytmaterials einen vorgegebenen
Temperaturbereich erreicht hat, wodurch sich eine genauere Unterbrechungsbeurteilung
erzielen lässt.
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Gemäß einer siebten Ausgestaltung
der Erfindung ermittelt bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung
gemäß der sechsten
Ausgestaltung die Temperaturzustands-Detektoreinrichtung die Impedanz zwischen
den Elektroden auf der Basis des Testsignals und des Ansprechsignals,
wobei die ermittelte Impedanz als Parameter für den Temperaturzustand verwendet
wird.
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Da die Impedanz zwischen den Elektroden abfällt, während sich
der Temperaturzustand des Festelektrolytmaterials erhöht und in
Richtung des Aktivierungstemperaturbereichs ansteigt, kann der Temperaturzustand
des Festelektrolytmaterials auf der Basis der Zwischenelektroden-Impedanz
relativ genau erfasst werden. Auf diese Weise ist die Verwendung
zusätzlicher
Sensoren nicht erforderlich, wodurch sich die Konfiguration vereinfacht.
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Gemäß einer achten Ausgestaltung
der Erfindung führt
bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung die Testsignal-Eingabeeinrichtung
der Signalleitung eine kurzzeitige Spannungsänderung als Testsignal zu,
während
die Ansprechsignal-Detektoreinrichtung die Änderung eines über die
Signalleitung fließenden
Stroms als das Ansprechsignal misst und die Beurteilungseinrichtung
als den einen Bereich einen kleineren Bereich als den vorgegebenen Wert
einstellt und die Beurteilung trifft, dass bei der der Störzustandsermittlung
unterzogenen Zelle ein Unterbrechungs-Störzustand vorliegt, wenn der Messwert
unter dem vorgegebenen Wert liegt.
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Wenn als Testsignal eine Wechselspannung angelegt
wird, um die Unterbrechungsermittlung auf der Basis einer auf der
vorstehend beschriebenen parasitären
Kapazität
beruhenden Stromänderung durchzuführen, fließt zwischen
den Elektroden ein Wechselstrom, wenn in den mit den Elektroden
verbundenen Signalleitungen keine Unterbrechung vorliegt, wobei
das von diesem Wechselstrom erhaltene Strom-Ansprechsignal einen relativ hohen Betrag
annimmt. Im Falle einer Unterbrechung wird dagegen dieser Wechselstrom
im wesentlichen zu 0. Wenn somit der eine Bereich auf einen kleineren
Bereich als der vorgeschriebene Wert eingestellt wird, lässt sich eine
Unterbrechungsbeurteilung durchführen.
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Gemäß einer neunten Ausgestaltung
der Erfindung führt
bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung die Testsignal-Eingabeeinrichtung
der Signalleitung eine kurzzeitige Stromänderung als Testsignal zu,
während
die Ansprechsignal-Detektoreinrichtung die Änderung einer an der Signalleitung
anstehenden Spannung als das Ansprechsignal misst und die Beurteilungseinrichtung
als den einen Bereich einen größeren Bereich
als den vorgegebenen Wert einstellt und die Beurteilung trifft,
dass bei der der Störzustandsermittlung
unterzogenen Zelle ein Unterbrechungs-Störzustand vorliegt, wenn der Messwert über dem
vorgegebenen Wert liegt.
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Wenn als Testsignal ein Wechselstrom
angelegt wird, um die Unterbrechungsbeurteilung auf der Basis einer
auf der vorstehend beschriebenen parasitären Kapazität beruhenden Spannungsänderung durchzuführen, fließt zwischen
den Elektroden ein Wechselstrom, wenn in den mit den Elektroden
verbundenen Signalleitungen keine Unterbrechung vorliegt. Da die
Impedanz für
eine Wechselstromkomponente – wie
vorstehend beschrieben – in
einer Zelle niedrig ist, nimmt das durch diesen Wechselstrom erhaltene
Spannungs-Ansprechsignal
einen relativ niedrigen Betrag an. Da die Zelle eine niedrige Impedanz
aufweist, nimmt das Spannungs-Ansprechsignal
bei Auftreten einer Unterbrechung auf Grund der Impedanz am unterbrochenen
Abschnitt einen hohen Wert an. Wenn somit der eine Bereich auf einen
größeren Bereich
als der vorgegebene Wert eingestellt wird, ist eine Unterbrechungsermittlung
durchführbar.
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Gemäß einer zehnten Ausgestaltung
der Erfindung ist eine Gassensor-Störungsermittlungsvorrichtung
zur Erfassung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Störzustands
eines Gassensors mit einer Zelle, bei der zwei Elektroden auf einem
Festelektrolytmaterial zur Erzeugung eines der Zusammensetzung eines
an den Elektroden befindlichen Messgases entsprechenden Signals
und Abgabe des Signals über
eine mit den Elektroden verbundene Signalleitung ausgebildet sind,
gekennzeichnet durch eine Testsignal-Eingabeeinrichtung zur zeitweiligen
Zuführung
eines eine Wechselstromkomponente enthaltenden Testsignals über die
Signalleitung in Bezug zu einer einer Störzustandsermittlung unterzogenen
Zelle, eine Ansprechsignal-Detektoreinrichtung zur Messung eines
an der Signalleitung in Abhängigkeit
von der Eingabe des Testsignals auftretenden Ansprechsignals, eine
Impedanz-Berechnungseinrichtung
zur Ermittlung der Impedanz zwischen den Elektroden auf der Basis
des Testsignals und des Ansprechsignals, und eine Beurteilungseinrichtung
zum Vergleichen des ermittelten Impedanzwertes mit einem vorgegebenen
Wert, wobei die Beurteilung getroffen wird, dass bei der der Störzustandsermittlung
unterzogenen Zelle ein Unterbrechungs-Störzustand vorliegt, wenn die
ermittelte Impedanz den vorgegebenen Wert überschreitet.
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Da die Elektroden einer Zelle in
Form einer zweidimensionalen Anordnung vorgesehen sind, um zu gewährleisten,
dass sich eine gewisse Menge an Sauerstoff in dem Festelektrolytmaterial
bewegt, weist das Ersatzschaltbild der Zelle eine relativ große parasitäre Kapazität auf. Wenn
somit ein Unterbrechungs-Störzustand
in der Zelle auftritt, ist die Impedanz für die Wechselstromkomponente
im Vergleich zu der Impedanz des unterbrochenen Abschnitts äußerst gering.
Das Impedanz- oder
Ansprechsignal zeigt somit in Abhängigkeit vom Vorliegen oder
Nichtvorliegen eines Unterbrechungszustands starke Änderungen.
Die Impedanz kann auf der Basis einer als Testsignal dienenden Spannungsänderung
oder Stromänderung
und einer als Ansprechsignal dienenden Stromänderung oder Spannungsänderung erhalten
werden. Da das Ansprechsignal in der vorstehend beschriebenen Weise
eine große
Differenz aufweist, besteht bei der Beurteilung einer Unterbrechung
auf der Basis der hierbei ermittelten Impedanz nur eine äußerst geringfügige Beeinflussung
durch das Stromsignal eines über
die Signalleitung auf Grund der Einwirkung anderer Zellen oder dergleichen
fließenden
Stroms, sodass eine hohe Beurteilungsgenauigkeit erzielbar ist.
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Gemäß einer elften Ausgestaltung
der Erfindung umfasst die vorstehend beschriebene Vorrichtung gemäß der zehnten
Ausgestaltung außerdem eine
Temperaturzustands-Detektoreinrichtung
zur Ermittlung des Temperaturzustands des Festelektrolytmaterials
und eine Sperreinrichtung zur Verhinderung der Störzustands-Beurteilungsverarbeitung durch
die Beurteilungseinrichtung, bis der Temperaturzustand des Festelektrolytmaterials
einen vorgegebenen Temperaturbereich erreicht hat.
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Wenn sich das Festelektrolytmaterial
in einem abgekühlten
Zustand befindet, liegt zwischen den Elektroden eine hohe Impedanz
vor, während
die parasitäre
Kapazität
niedrig ist. Wenn die Unterbrechungsbeurteilung in diesem Zustand
erfolgt, ist es schwierig, ein Ansprechsignal mit einem ausreichenden
Betrag zu erhalten. Aus diesem Grund erfolgt die Störzustandsbeurteilung
erst nachdem der Temperaturzustand des Festelektrolytmaterials einen
vorgegebenen Temperaturbereich erreicht hat, wodurch eine höhere Beurteilungsgenauigkeit
bei der Ermittlung eines Unterbrechungszustands erhalten wird.
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Gemäß einer zwölften Ausgestaltung der Erfindung
ermittelt bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß der elften
Ausgestaltung die Temperaturzustands-Detektoreinrichtung eine Erregungszeit
in Bezug auf das in den Gassensor zusammen mit der Zelle integrierte
Heizelement, wobei die ermittelte Erregungszeit als Parameter für den Temperaturzustand
verwendet wird.
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Wenn sich das Festelektrolytmaterial
in einem abgekühlten
Zustand befindet, liegt zwischen den Elektroden eine hohe Impedanz
vor. Auch wenn kein Unterbrechungszustand auftritt, besteht hierdurch
jedoch die Möglichkeit,
dass eine fehlerhafte Unterbrechungsbeurteilung getroffen wird.
Aus diesem Grund erfolgt die Störzustandsbeurteilung
erst nach Ablauf einer ausreichenden Heizelement-Einschaltzeit zur
Erwärmung
des Festelektrolytmaterials, sodass der Temperaturzustand des Festelektrolytmaterials
einen vorgegebenen Temperaturbereich des Festelektrolytmaterials
erreicht hat, wodurch die Beurteilungsgenauigkeit bei der Ermittlung
eines Unterbrechungszustands weiter verbessert wird.
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Gemäß einer dreizehnten Ausgestaltung
der Erfindung ermittelt bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung
gemäß der elften
Ausgestaltung die Temperaturzustands-Detektoreinrichtung die einem in den
Gassensor zusammen mit der Zelle integrierten Heizelement zugeführte elektrische
Gesamtenergie, wobei die ermittelte zugeführte elektrische Gesamtenergie
als Parameter für
den Temperaturzustand verwendet wird.
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Wenn sich das Festelektrolytmaterial
in einem abgekühlten
Zustand befindet, liegt zwischen den Elektroden eine hohe Impedanz
vor. Auch wenn kein Unterbrechungszustand auftritt, besteht somit die
Möglichkeit,
dass eine fehlerhafte Unterbrechungsbeurteilung getroffen wird.
Aus diesem Grund erfolgt die Störzustandsbeurteilung
erst nachdem dem Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytmaterials
ein ausreichender Gesamtbetrag an elektrischer Energie zugeführt worden
ist, sodass der Temperaturzustand des Festelektrolytmaterials einen vorgegebenen
Temperaturbereich des Festelektrolytmaterials erreicht hat, wodurch
sich die Beurteilungsgenauigkeit bei der Ermittlung eines Unterbrechungszustands
weiter verbessern lässt.
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Gemäß einer vierzehnten Ausgestaltung
der Erfindung bildet bei der vorstehend genannten Vorrichtung die
Testsignal-Eingabeeinrichtung
eine Stromversorgungseinrichtung der Zelle und beaufschlagt zeitweilig
die Signalleitung entweder mit einer Spannungsänderung oder einer Stromänderung,
wobei die Ansprechsignal-Detektoreinrichtung entweder die Änderung
eines über
die Signalleitung fließenden Stroms
oder die Änderung
einer Spannung zwischen den Elektroden als das Ansprechsignal misst.
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Hierbei wird das Testsignal durch Änderung der
Spannung oder des Stroms erzeugt, die/der von der Zellen-Energieversorgung
erzeugt bzw. abgegeben wird, wodurch sich die Verwendung einer zusätzlichen
Signalgeneratorquelle erübrigt,
was zu einer Vereinfachung der Konfiguration führt.
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Gemäß einer fünfzehnten Ausgestaltung der Erfindung
gibt bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß der vierzehnten
Ausgestaltung die Testsignal-Eingabeeinrichtung entweder eine Spannung
oder einen Strom ein, die/der sich sowohl in positiver als auch
in negativer Richtung in Bezug auf eine unmittelbar vorhergehende
Spannung oder einen unmittelbar vorhergehenden Strom verändert.
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Auch wenn sich der Aufladungszustand
der parasitären
Zellenkapazität
auf Grund einer Spannungsänderung
oder Spannungsschwankung verändert,
wird in diesem Falle der Aufladungszustand auf Grund der Änderung
der Spannung in Gegenrichtung schnell auf den ursprünglichen
Zustand zurück
geführt.
Auf diese Weise wird eine rasche Durchführung der normalen Gaskonzentrationsermittlung
ermöglicht,
ohne dass eine von der Zeitkonstanten der die Zelle umfassenden
Schaltungsanordnung abhängige natürliche Entladung
abgewartet werden muss.
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Gemäß einer sechzehnten Ausgestaltung der
Erfindung gibt bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß der vierzehnten
Ausgestaltung die Testsignal-Eingabeeinrichtung entweder eine Spannung
oder einen Strom ein, die/der sich entweder in positiver oder in
negativer Richtung in Bezug auf eine unmittelbar vorhergehende Spannung
oder einen unmittelbar vorhergehenden Strom verändert.
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Da in diesem Fall die Spannung oder
der Strom in Bezug auf eine unmittelbar vorher vorliegende Spannung
oder einen unmittelbar vorher vorliegenden Strom nicht in Gegenrichtung
verändert
wird, vereinfacht sich die Konfiguration.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines Gaskonzentrations-Messgeräts, bei dem
eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Störzustands bei einem Gassensor
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung Verwendung findet,
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2 eine
Querschnittsansicht wesentlicher Elemente des Gassensors,
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3 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie III-III gemäß 2,
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4 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2,
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5 ein
erstes Ablaufdiagramm, das eine von einem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung einer Gaskonzentrationsermittlung veranschaulicht,
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6 ein
zweites Ablaufdiagramm, das eine von einem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gaskonzentrationsermittlung veranschaulicht,
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7 eine
grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Abhängigkeit
der Gaskonzentrations-Ermittlungssteuerung,
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8 ein
erstes Ablaufdiagramm, das eine von dem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gassensor-Störzustandsermittlung
veranschaulicht,
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9 ein
zweites Ablaufdiagramm, das eine von dem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gassensor-Störzustandsermittlung
veranschaulicht,
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10 eine
erste Zelle zur Veranschaulichung des Steuerablaufs bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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11 ein
Ersatzschaltbild einer den Gassensor bildenden Zelle,
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12 erste
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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13 zweite
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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14 eine
erste grafische Darstellung der Steuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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15 dritte
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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16 vierte
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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17 fünfte Signalverläufe zur
Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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18 erste
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung der Gassensor-Störzustandsermittlung
gemäß einem
modifizierten Ausführungsbeispiel,
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19 zweite
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung der Gassensor-Störzustandsermittlung
gemäß einem
modifizierten Ausführungsbeispiel,
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20 ein
drittes Ablaufdiagramm, das eine von dem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gassensor-Störzustandsermittlung
veranschaulicht,
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21 ein
viertes Ablaufdiagramm, das eine von dem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gassensor-Störzustandsermittlung
veranschaulicht,
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22 eine
zweite Zelle zur Veranschaulichung der Steuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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23 sechste
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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24 siebte
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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25 eine
zweite grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Steuerung
bei der Gassensor-Störzustandsermittlung,
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26 erste
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung
gemäß einem
modifizierten Ausführungsbeispiel,
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27 zweite
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei der Gassensor-Störzustandsermittlung
gemäß einem
weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel,
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28 ein
fünftes
Ablaufdiagramm, das eine von dem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gassensor-Störzustandsermittlung
veranschaulicht,
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29 ein
sechstes Ablaufdiagramm, das eine von dem das Gaskonzentrations-Messgerät bildenden
Mikrocomputer auszuführende
Ablaufsteuerung für
eine Gassensor-Störzustandsermittlung
veranschaulicht,
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30 achte
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei einer Gassensor-Störzustandsermittlung,
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31 neunte
Signalverläufe
zur Veranschaulichung der Ablaufsteuerung bei einer Gassensor-Störzustandsermittlung,
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32 eine
schematische Darstellung des wesentlichen Teils eines modifizierten
Ausführungsbeispiels
des Gaskonzentrations-Messgeräts,
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33 eine
Querschnittsansicht des Gassensors gemäß 1 zur Verdeutlichung und Erläuterung
eines Steuerverfahrens für
diesen Gassensor,
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34 eine
Querschnittsansicht des Gassensors gemäß l zur Verdeutlichung und Erläuterung
eines modifizierten Steuerverfahrens für diesen Gassensor,
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35 eine
Querschnittsansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensors,
die gleichzeitig zur Verdeutlichung und Erläuterung eines Steuerverfahrens
für diesen
Gassensor dient, und
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36 eine
Querschnittsansicht eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels
des Gassensors, die gleichzeitig zur Verdeutlichung und Erläuterung
eines Steuerverfahrens für
diesen Gassensor dient.
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1 zeigt
in Form einer schematischen Darstellung ein Gaskonzentrations-Messgerät, bei dem
eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Störzustands bei einem Gassensor
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung Verwendung findet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Gaskonzentrations-Messgerät z.B. in
Verbindung mit der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Hierbei ist ein allgemein mit der
Bezugszahl 1 bezeichneter Gassensor in einem vom Abgas
der Brennkraftmaschine durchströmten
Abgasrohr angeordnet und über
eine Verbindungsleitung mit einer Steuerschaltung verbunden, die
in der Figur allgemein mit der Bezugszahl 2 bezeichnet
ist. Ein die Steuerschaltung 2 im wesentlichen bildender
Mikrocomputer 28 führt
hierbei Berechnungen bezüglich der
Sauerstoffkonzentration und NOx-Konzentration (die nachstehend beide
als "Gaskonzentration" bezeichnet sind)
auf der Basis der vom Gassensor 1 abgegebenen Signale durch
und gibt die Rechenergebnisse aus.
-
Wie in den 2, 3 und 4 im einzelnen veranschaulicht
ist, weist der Gassensor 1 in seiner Gesamtheit eine in
Längsrichtung
verlaufende längliche Konfiguration
auf und besteht in seiner Dickenrichtung aus einem Laminat, das
von Festelektrolytschichten 111 und 112, die jeweils
aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytmaterial wie Zirkondioxid
bestehen, Isolierschichten 113 und 114 aus einem
Isoliermaterial wie Aluminiumoxid, einer Schicht 115, die
aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid oder einem Festelektrolytmaterial
wie Zirkondioxid besteht, sowie weiteren Schichten gebildet wird.
Die zwischen den Festelektrolytschichten 111 und 112 angeordnete
Isolierschicht 114 weist in ihrer Dickenrichtung Ausnehmungen
zur Bildung von zwei Kammern 101 und 102 auf,
die zwischen den Festelektrolytschichten 111 und 112 angeordnet
sind und über
einen Bereich 103 mit verringertem Querschnitt (Querschnittsverringerungsbereich)
miteinander verbunden sind. Die Kammern 101 und 102 sind
hierbei in Längsrichtung
angeordnet, wobei die zweite Kammer 102 im unteren Bereich
des Gassensors 1 annähernd
die doppelte Größe wie die
im Spitzenbereich des Gassensors 1 angeordnete erste Kammer 101 aufweist.
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Bei zwischenliegenden Festelektrolytschichten 111 und 112 sind
auf der gegenüberliegenden Seite
der Kammern 101 und 102 unter teilweiser Verwendung
der Festelektrolytschichten 111 und 112 als Kanalwände Luftkanäle 104 und 105 ausgebildet. Die
Luftkanäle 104 und 105 sind
auf der unteren Seite des Gassensors 1 zur Atmosphäre (Umgebungsluft)
hin geöffnet.
Der erste Luftkanal 104 verläuft über der ersten Kammer 101,
wobei zwischenliegend die Festelektrolytschicht 112 angeordnet
ist, während der
zweite Luftkanal 105 über
der zweiten Kammer 102 verläuft, wobei zwischenliegend
die Festelektrolytschicht 111 angeordnet ist. Wenn der
Gassensor 1 bei einer Brennkraftmaschine Verwendung findet, wird
der Gassensor 1 zusammen mit einer Halterung zur Anbringung
des Gassensors 1 und dergleichen in einer Öffnung der
Rohrwand eines Abgasrohrs angeordnet, wobei die Luftkanäle 104 und 105 mit
dem Außenbereich
des Abgasrohrs in Verbindung stehen und somit eine Verbindung zu
einem Bereich mit einer Referenz-Sauerstoffkonzentration
herstellen.
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Wie 2 zu
entnehmen ist, weist die oberseitige Festelektrolytschicht 111 in
der Position der ersten Kammer 101 in ihrer Dickenrichtung
ein Nadelloch 106 auf, sodass das um den Gassensor 1 herum
strömende
Abgas über
das Nadelloch 106 in das Innere der ersten Kammer 101 gelangt.
Das Öffnungsende
des Nadellochs 106 ist mit einer porösen Diffusionsschicht 116 wie
porösem
Aluminiumoxid bedeckt, um das Eindringen von feinen Abgaspartikeln
in das Innere der Kammer 101 zu verhindern.
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In der Position der ersten Kammer 101 sind zwei
Elektroden 121 und 122 auf der Oberseite und der
Unterseite der Festelektrolytschicht 112 einander gegenüberliegend
ausgebildet, wobei die Festelektrolytschicht 112 zwischen
ihnen angeordnet ist, sodass die Festelektrolytschicht 112 und
die Elektroden 121 und 122 eine Pumpzelle 1a bilden.
Von den Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a besteht
die der Kammer 101 gegenüberliegende Elektrode 121 aus einem
Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf eine Aufspaltung (Reduktion)
von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung
wird die der Kammer 101 gegenüberliegende Elektrode 121 auch
als kammerseitige Pumpelektrode 121 bezeichnet, während die
dem Luftkanal 104 gegenüberliegende
Elektrode 122 nachstehend auch als umgebungsluftseitige
Pumpelektrode 122 bezeichnet ist.
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In der Position der zweiten Kammer 102 sind zwei
Elektrodenpaare aus Elektroden 123, 125 und 124, 125 auf
der Oberseite und der Unterseite der Festelektrolytschicht 111 ausgebildet,
wobei die Festelektrolytschicht 111 zwischen diesen Elektroden angeordnet
ist und die dem Luftkanal 105 gegenüberliegenden Elektroden 125, 125 als
gemeinsame Elektrode ausgebildet sind. Hierbei bilden die Festelektrolytschicht 111 und
die Elektroden 123 und 125 eine Überwachungszelle 1b,
während
die Festelektrolytschicht 111 und die Elektroden 124 und 125 eine Sensorzelle 1c bilden.
Von den der Kammer 102 gegenüberliegenden Elektroden 123 und 124 besteht die
Elektrode 123 der Überwachungszelle 1b aus
einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion)
von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist, während die Elektrode 124 der
Sensorzelle 1c aus einem Edelmetall wie Pt besteht, das
in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion) von NOx reaktionsfähig ist.
In der nachstehenden Beschreibung wird die der Kammer 102 gegenüberliegende
Elektrode 123 der Überwachungszelle 1b auch
als kammerseitige Überwachungselektrode 123 bezeichnet, während die
der Kammer 102 gegenüberliegende Elektrode 124 der
Sensorzelle 1c nachstehend auch als kammerseitige Sensorelektrode 124 bezeichnet ist.
Ferner wird die dem Luftkanal 106 gegenüberliegende gemeinsame Elektrode 125 für die Überwachungszelle 1b und
die Sensorzelle 1c nachstehend auch als umgebungsluftseitige
Sensor/Überwachungselektrode
125 bezeichnet.
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Weiterhin ist ein z.B. aus Pt bestehendes Leitermuster
in die zusammen mit der Festelektrolytschicht 112 eine
Kanalwand bildende Schicht 115 zur Bildung eines Heizelements 13 zur
Erwärmung
des gesamten Gassensors 1 eingebettet. Das Heizelement 13 wird
elektrisch betrieben und erzeugt bei Erregung Joule'sche Wärme.
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Das um den Gassensor 1 herum
strömende Abgas
tritt durch die poröse
Diffusionsschicht 116 und das Nadelloch 106 hindurch
und gelangt in die erste Kammer 101. Wenn hierbei eine
Spannung an die Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a derart angelegt
wird, dass die luftseitige Pumpelektrode 122 die positive
Elektrode bildet, wird Sauerstoff des Abgases an der kammerseitigen
Pumpelektrode 122 aufgespalten und ionisiert und sodann über die
Festelektrolytschicht 111 in den Luftkanal 104 abgeführt. Hierbei
hängt das
Eintreten von Sauerstoff in das Innere der ersten Kammer 101 von
den Durchlasswiderständen
des Nadellochs 106 und der porösen Diffusionsschicht 116 ab.
Wenn die Klemmenspannung zwischen den Elektroden 121 und 122 der
Pumpzelle 1a innerhalb eines Grenzstrombereichs liegt,
lässt sich
die Sauerstoffkonzentration im Abgas auf der Basis des Wertes eines
zu dieser Zeit fließenden Stroms
ermitteln. Da die kammerseitige Pumpelektrode 121 in Bezug
auf eine Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist,
verbleibt NOx im Inneren der ersten Kammer 101.
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Da das Abgas von der ersten Kammer 101 über den
Querschnittsverringerungsbereich 103 in die zweite Kammer 102 diffundiert,
befindet sich in der zweiten Kammer 102 Abgas mit einer
geringeren Sauerstoffkonzentration. Wenn eine Spannung an die Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b und
an die Elektroden 124 und 125 der Sensorzelle 1c angelegt
wird und hierbei die umgebungsluftseitige Sensor/Überwachungselektrode
125 die positive Elektrode bildet, fließt in den Zellen 1b und 1c ein Grenzstrom,
da der überschüssige Sauerstoff
im Inneren der Kammer 102 in den Luftkanal 105 abgeführt wird.
Hierbei ist von den der zweiten Kammer 102 gegenüberliegenden
Elektroden 123 und 124 nur die kammerseitige Sensorelektrode 124 in
Bezug auf eine Aufspaltung von NOx reaktionsfähig, sodass der in der Sensorzelle 1c fließende Strom
den in der Überwachungszelle 1b fließenden Strom
um einen Betrag übersteigt,
der der Menge an Sauerstoffionen entspricht, die durch die Aufspaltung
von NOx an der kammerseitigen Sensorelektrode 124 gebildet
werden. Die NOx-Konzentration im Abgas lässt sich somit auf der Basis
der Differenz zwischen dem in der Überwachungszelle 1b fließenden Strom
und dem in der Sensorzelle 1c fließenden Strom ermitteln.
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Nachstehend wird auf den elektrischen
bzw. schaltungstechnischen Aufbau des Gaskonzentrations-Messgeräts näher eingegangen.
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Die Steuerschaltung 2 umfasst
allgemein einen Mikrocomputer 28 mit einer Zentraleinheit
CPU, Analog/Digital-Umsetzern A/D 0 bis A/D 5, Digital/Analog-Umsetzern
D/A 0 bis D/A 4, Ein-Ausgabeschnittstellen I/O 0, I/O 1 und dergleichen.
Hierbei dient der Mikrocomputer 28 als Spannungsversorgungsquelle
für die
Pumpzelle 1a und die Überwachungszelle 1b und
führt der
Pumpzelle 1a und der Überwachungszelle 1b über die
Digital/Analog-Umsetzer D/A 1 und D/A 0 Steuerspannungen als Klemmenspannungen
zu. Außerdem
erhält
der Mikrocomputer 28 Gasmesssignale über die Analog/Digital-Umsetzer
A/D 0 bis A/D 5 zur Messung der in den jeweiligen Zellen 1a bis 1c fließenden Ströme und berechnet
die Sauerstoffkonzentration oder NOx-Konzentration im Abgas auf der Basis
der gemessenen Ströme
der Zellen 1a bis 1c zur Ausgabe der Berechnungsergebnisse über die
Digital/Analog-Umsetzer D/A 4 und D/A 3. Außerdem gibt der Mikrocomputer 28 Steuersignale über die
Ein-Ausgabeschnittstellen
I/O 0 und I/O 1 ab.
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Im einzelnen wird hierbei der umgebungsluftseitigen
Pumpelektrode 122 der Pumpzelle 1a von einem mit
der Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsquelle 211 beaufschlagten
Spannungsfolger-Operationsverstärker 212 eine
Bezugsspannung Va zugeführt,
während
der kammerseitigen Pumpelektrode 121 über einen Stromdetektorwiderstand 233 eine
Spannung Vb von einem Operationsverstärker 232 zugeführt wird,
der über
ein Tiefpassfilter 231 vom Digital/Analog-Umsetzer D/A
1 des Mikrocomputers 28 mit einer Steuerspannung beaufschlagt wird.
Die Spannung Vb sowie die Ausgangsspannung Vd des Operationsverstärkers 232 werden
dem Digital/Analog-Umsetzer
A/D 3 bzw. A/D 2 des Mikrocomputers 28 zugeführt. Somit
wird an die Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a die
Spannung Va – Vb
(die nachstehend auch als Pumpzellenspannung Vp bezeichnet ist)
angelegt, wobei zwischen den Elektroden 121 und 122 ein
Strom Ip fließt
(der nachstehend auch als Pumpzellenstrom bezeichnet ist). Dies
wird am Widerstand 233 in Form eines Spannungsabfalls (Vb – Vd) gemessen.
Das Tiefpassfilter 231 wird z.B. von einem elementaren
Filter aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet. Der
Signalverlauf der vom Mikrocomputer 28 abgegebenen Steuerspannung,
die einen diskreten Wert annimmt, wird vom Tiefpassfilter 231 gedämpft oder
in geeigneter Weise geglättet
und sodann dem Operationsverstärker 232 zugeführt.
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In ähnlicher Weise sind Messschaltungen auch
für die Überwachungszelle 1b und
die Sensorzelle 1c vorgesehen. Somit wird der gemeinsam
für die Überwachungszelle 1b und
die Sensorzelle 1c vorgesehenen Elektrode 122 eine
Bezugsspannung Vf von einem Spannungsfolger-Operationsverstärker 222 zugeführt, der
mit der Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsquelle 221 beaufschlagt
wird. Der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 der Überwachungszelle 1b wird über einen
Stromdetektorwiderstand 243 eine Spannung Vc von einem Operationsverstärker 242 zugeführt, der über ein Tiefpassfilter 241 vom
Digital/Analog-Umsetzer D/A 0 des Mikrocomputers 28 mit
einer Steuerspannung beaufschlagt wird. Die Spannung Vc sowie die
Ausgangsspannung Ve des Operationsverstärkers 242 werden dem
Analog/Digital-Umsetzer
A/D 0 bzw. A/D 1 des Mikrocomputers 28 zugeführt. Somit
wird an die Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1a die
Spannung Vf – Vc
angelegt (die nachstehend auch als Überwachungszellenspannung Vm
bezeichnet ist), während
zwischen den Elektroden 123 und 125 ein Strom
Im fließt
(der nachstehend auch als Überwachungszellenstrom
bezeichnet ist). Dies wird in Form eines Spannungsabfalls (Vc – Ve) am
Widerstand 243 gemessen.
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Weiterhin wird der der Kammer 102 ausgesetzten
Elektrode 124 der Sensorzelle 1c über einen Stromdetektorwiderstand 253 eine
Spannung Vg von einem Operationsverstärker 252 zugeführt, der über ein
Tiefpassfilter 251 vom Digital/Analog-Umsetzer D/A 2 des
Mikrocomputers 28 mit einer Steuerspannung beaufschlagt
wird. Die Spannung Vg sowie die Ausgangsspannung Vh des Operationsverstärkers 252 werden über den
Analog/Digital-Umsetzer A/D 4 bzw. A/D 5 des Mikrocomputers 28 seiner
Zentraleinheit CPU zugeführt.
Somit wird an die Elektroden 124 und 125 der Sensorzelle 1c die
Spannung Vf – Vg
angelegt (die nachstehend auch als Sensorzellenspannung Vs bezeichnet
ist),.wobei zwischen den Elektroden 124 und 125 ein
Strom Is fließt
(der nachstehend auch als Sensorzellenstrom bezeichnet ist). Dies wird
in Form eines Spannungsabfalls (Vg – Vh) am Widerstand 253 gemessen.
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Darüber hinaus ist die Steuerschaltung 2 zur Ermittlung
der Impedanzen der Zellen 1a bis 1c ausgestaltet.
Diese Impedanzmessung erfolgt, indem die Überwachungszelle 1b als
repräsentative
Zelle herangezogen wird, wobei die zu messende Impedanz die zwischen
den beiden Elektroden 123 und 125 vorliegende
Impedanz ist (die nachstehend auch als Überwachungsimpedanz bezeichnet
ist). Bei dieser Impedanzmessung wird die vom Digital/Analog-Umsetzer
D/A 0 zugeführte
Steuerspannung kurzzeitig zur positiven Seite oder negativen Seite
hin abgelenkt. Diese Spannungsänderung
wird vom Tiefpassfilter 241 gedämpft bzw. geglättet, sodass
die der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 der Überwachungszelle 1b zugeführte Spannung
Vc, d.h., die Überwachungszellenspannung
Vm, eine sinusartige Wechselstromkomponente enthält. Diese Wechselstromkomponente
liegt vorzugsweise über
1 kHz, wobei die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 241 auf
annähernd
15 μs eingestellt
ist. Im Mikrocomputer 28 wird sodann die Impedanz auf der
Basis der hierbei erfolgenden Spannungsänderung der Überwachungszellenspannung
Vm und Stromänderung des Überwachungszellenstroms
Im erhalten.
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In diesem Zusammenhang ist ein weiterer Widerstand 244 für die Messung
des Überwachungszellenstroms
Im dem Widerstand
243 für
die Messung des Überwachungszellenstroms
Im parallel geschaltet. Die Parallelschaltung des Widerstands 244 kann
unter Verwendung eines Schalters 245 beliebig hergestellt
und unterbrochen werden. Hierbei nimmt der Schalter 245 in
Abhängigkeit
von einem über
die Eingabe-Ausgabeschnittstelle
I/0 1 des Mikrocomputers 28 zugeführten Steuersignal den geöffneten
Zustand (Abschaltzustand) oder den geschlossenen Zustand (Einschaltzustand)
ein, wobei sich im Einschaltzustand der Widerstandswert des Widerstands für die Messung
des Überwachungszellenstroms
Im verringert. Der Grund für
diese Verringerung des Widerstandswertes des Widerstands für die Messung des Überwachungszellenstroms
Im durch Einschalten des Schalters 245 besteht darin, dass
der Überwachungszellenstrom
Im bei der Impedanzmessung größer wird
als bei der Gaskonzentrationsmessung, sodass es erforderlich ist,
diesen unabgeglichenen Zustand zwischen der Strommessspannung (Vc – Ve) bei
der Impedanzmessung und der Strommessspannung (Vc – Ve) bei
der Gaskonzentrationsmessung zu verhindern.
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Nachstehend wird das Ansteuersystem
des Heizelements 13 näher
beschrieben. Das Heizelement 13 wird von einer Batterie 26 mit
Strom versorgt, wobei diese Stromversorgung durch Umschalten zwischen
einem Einschaltzustand und einem Abschaltzustand unter Verwendung
eines MOS-Feldeffekttransistors 272 erfolgt.
Von der Eingabe-Ausgabeschnittstelle
I/O 0 des Mikrocomputers 28 wird hierbei über eine
MOSFET-Ansteuerschaltung 271 der Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors 272 ein
Ansteuersignal zur Durchführung
dieses EIN/AUS-Betriebs zugeführt.
Die Stromversorgungssteuerung des Heizelements 13 beruht
auf einer pulsbreiten- bzw. pulsdauermodulierten Steuerung, durch
die eine impulsartige Spannung angelegt wird, wobei die Einstellung
des Treiberstroms (Treiberenergie) durch Vergrößerung oder Verringerung der
Impuls-Einschaltdauer (Ansteuer-Tastverhältnis) innerhalb einer vorgegebenen
Zeitdauer erfolgt.
-
Nachstehend werden ein vom Mikrocomputer 28 auszuführendes
Steuerprogramm sowie Betrieb und Wirkungsweise des Gaskonzentrations-Messgeräts näher beschrieben.
Zunächst
wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 die grundlegende Steuerung
zur Ermittlung einer Gaskonzentration näher beschrieben.
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5 zeigt
den Ablauf eines Hauptprogramms, das in Abhängigkeit vom Einschalten der Steuerschaltung 2 einsetzt.
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Zunächst wird in einem Schritt
S101 ermittelt, ob eine vorgegebene Zeitdauer Ta seit dem Zeitpunkt
der letzten Gaskonzentrationsmessung verstrichen ist oder nicht.
Diese vorgegebene Zeitdauer Ta entspricht dem Zyklus bzw. der Periode
der Gaskonzentrationsmessung und ist z.B. auf 4 ms eingestellt.
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Wenn im Schritt S101 das Ergebnis
JA erhalten wird, geht der Steuerablauf auf einen Schritt S102 über, in
dem die Verarbeitung der Gaskonzentrationsmessung erfolgt. Bei dieser
Verarbeitung der Gaskonzentrationsmessung wird jeweils kurzzeitig eine
Steuerspannung in Bezug auf den Pumpzellenstrom Ip eingestellt und
sodann der in Abhängigkeit von
dieser Steuerspannung erhaltene Pumpzellenstrom Ip gemessen. Die
Einstellung der Steuerspannung erfolgt entsprechend einem Klemmenspannungs-Kennfeld bzw. Kennlinienfeld,
das in einem (nicht dargestellten) Festspeicher des Mikrocomputers 28 abgespeichert
ist. Der Pumpzellenstrom Ip wird hierbei in einen Sauerstoff-Konzentrationswert umgesetzt.
Außerdem werden
der Überwachungszellenstrom
Im und der Sensorzellenstrom Is jeweils kurzzeitig detektiert und
in einen NOx-Konzentrationswert umgesetzt.
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In einem nächsten Schritt S103 wird bestimmt,
ob eine vorgegebene Zeitdauer Tb seit der letzten Impedanzmessung
verstrichen ist oder nicht. Diese vorgegebene Zeitdauer Tb entspricht
dem Zyklus bzw. der Periode der Impedanzmessung und wird z.B. in
Abhängigkeit
vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf 128 ms, 2 s, usw.
eingestellt.
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Wenn im Schritt S103 das Ergebnis "JA" erhalten wird, geht
der Steuerablauf auf einen Schritt S104 zur Verarbeitung der Impedanzmessung über, woraufhin
in einem folgenden Schritt S105 die Stromversorgungssteuerung des
Heizelements 13 auf der Basis der im Schritt S104 ermittelten
Impedanz durchgeführt
wird.
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Die im Schritt S104 erfolgende Verarbeitung der
Impedanzmessung dient als Maßnahme
zur Ermittlung des Temperaturzustands, wobei in der in 6 veranschaulichten Weise
in einem Schritt S201 eine vom Digital/Analog-Umsetzer D/A 0 abgegebene
Steuerspannung zur Veränderung
der Überwachungszellenspannung
Vm für
eine äußerst kurze Zeitdauer
(von einigen 10 bis einigen 100 μs)
z.B. zur positiven Seite hin verschoben bzw. abgelenkt wird, woraufhin
in einem Schritt S202 die hierbei erhaltene Änderung ΔVm der Überwachungszellenspannung Vm
und die Änderung ΔIm des Überwachungszellenstroms
Im gemessen werden. Vor der Ausführung des
Schritts S201 wird hierbei der Widerstand 244 durch ein
von der Ein-Ausgabeschnittstelle
I/0 1 abgegebenes Signal in einen Impedanzmessbetrieb geschaltet
(d.h., verbunden). In einem Schritt S203 erfolgt eine zur Impedanzberechnung
dienende Verarbeitung, wobei die Impedanz auf der Basis der erhaltenen
Messergebnisse berechnet wird, d.h., es erfolgt eine Berechnung
des Verhältnisses ΔVm/ΔIm der Überwachungszellenspannungsänderung ΔVm zur Überwachungszellenstromänderung ΔIm, wodurch
sich die Impedanz ergibt. Die Änderung
der Überwachungszellenspannung
Vm wird vom Tiefpassfilter 241 zur Dämpfung bzw. Glättung der
Anstiegsflanken und abfallenden Flanken des Signalverlaufs verarbeitet,
um auf diese Weise das Auftreten übermäßiger Stromspitzen im Überwachungszellenstrom
Im auf Grund der Reaktanzkomponente der Überwachungszelle 1b zu
verhindern und damit die Genauigkeit der Impedanzmessung zu verbessern. Wie
in 7 veranschaulicht
ist, gibt die hierbei erhaltene Impedanz den Temperaturzustand der
Festelektrolytschichten 111 und 112 wieder und
nimmt mit steigenden Temperaturen ab. Bei Erreichen des Festelektrolyt-Aktivierungstemperaturbereichs
wird ein zufriedenstellender Fluss der Sauerstoffionen erhalten.
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Die Stromversorgungssteuerung des
Heizelements (Schritt 5105) dient als Maßnahme zur Heizelementsteuerung,
wobei z.B. eine Feststeuerung der relativen Einschaltdauer, d.h.,
ein Einschalt-Tastverhältnis
von 100%, vorgesehen ist, bis die gemessene Impedanz 75% eines gewünschten
Impedanzwertes erreicht. Wenn die gemessene Impedanz jedoch 75%
des gewünschten
Impedanzwertes überschreitet,
erfolgt eine PI-Regelung
zur Einregelung des gewünschten
Impedanzwertes.
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Nachstehend wird die Steuerung zur
Ermittlung einer Unterbrechung der Signalleitungen des Gassensors 1 näher beschrieben.
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Unterbrechungszustand
bei der Pumpzelle:
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In den 8 und 9 ist ein Verarbeitungsablauf
zur Unterbrechungsermittlung veranschaulicht, der in Bezug auf die
Pumpzelle 1a durchzuführen
ist.
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In einem Schritt S301 wird die bei
der vorstehend beschriebenen Verarbeitung der Impedanzmessung (Schritt
S104) ermittelte Impedanz ZAC mit einem vorgegebenen Wert verglichen
und hierbei bestimmt, ob sie unter dem vorgegebenen Wert liegt oder
nicht. Der Schritt S301 dient als Sperrmaßnahme. Wenn nämlich die
Bestimmung im Schritt S301 negativ ausfällt, d.h., wenn die Impedanz
ZAC den vorgegebenen Wert überschreitet,
erfolgt eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung. Wenn dagegen die Bestimmung positiv ausfällt, geht
der Ablauf auf einen Schritt S302 über, in dem die Ermittlung
eines Unterbrechungszustands der Pumpzelle ausgeführt wird.
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Bei der Verarbeitung dieser Pumpzellen-Unterbrechungsermittlung
(Schritt S302) wird zunächst ein
Schritt S401 durchgeführt,
in dem bestimmt wird, ob der Zeitpunkt für eine Unterbrechungsermittlung gegeben
ist. Bei einem positiven Ergebnis im Schritt S401 geht der Ablauf
auf einen Schritt S402 über. Wenn
dagegen ein negatives Ergebnis erhalten wird, erfolgt eine Rückkehr des
Steuerablaufs. Im Schritt S401 wird eine positive Entscheidung vom
Mikrocomputer 28 nach einer jeweiligen vorgegebenen Zeitdauer
zur Durchführung
des Schritts 5402 und des anschließenden Verarbeitungsablaufs
getroffen.
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Der Schritt S402 dient als Testsignal-Eingabemaßnahme,
durch die eine Veränderung
der Pumpzellenspannung Vp erzwungen wird. Eine dem Tiefpassfilter 231 vom
Digital/Analog-Umsetzer D/A 1 zugeführte Steuerspannung wird für eine äußerst kurze
Zeitdauer in Bezug zu einem unmittelbar vorhergehenden Spannungswert
zur positiven Seite hin geringfügig
verschoben, woraufhin sodann aus diesem Zustand in Bezug auf den
unmittelbar vorhergehenden Spannungswert eine Verschiebung zur negativen
Seite hin erfolgt. Hierdurch wird eine Pumpzellenspannung Vp mit
einer Spannungsänderung
erhalten, die in Bezug auf den unmittelbar vorhergehenden Spannungswert
jeweils zur positiven und zur negativen Seite hin verschoben ist.
Die Änderung
der Steuerspannung, d.h., die Änderung
der ein Testsignal bildenden Pumpzellenspannung Vp, wird vom Tiefpassfilter 231 zur
Dämpfung
bzw. Glättung
der Anstiegsflanken und abfallenden Flanken des Signalverlaufs verarbeitet.
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Ein Schritt S403 dient wie im Falle
der Verarbeitung der Impedanzmessung (Schritt S104) als Ansprechsignal-Detektionsmaßnahme zur
Erfassung (Detektion) der Änderung ΔIp des ein
Ansprechsignal bildenden Pumpzellenstroms Ip, der entsprechend der
erzwungenen Veränderung
der Pumpzellenspannung Vp fließt.
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Schritte S404 bis 5408 dienen als
Bestimmungsmaßnahmen,
wobei im Schritt S404 die ermittelte Pumpzellenstromänderung ΔIp mit einem
voreingestellten bzw. vorgegebenen Wert verglichen und hierbei bestimmt
wird, ob sie unter dem vorgegebenen Wert liegt. Bei einem positiven
Ergebnis im Schritt S404 geht der Ablauf auf einen Schritt S405 über, bei
dem ein Pumpzellen-Unterbrechungszähler um "1" erhöht wird.
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Im Schritt S404 wird ein positives
Ergebnis erhalten, wenn in der Pumpzelle eine Unterbrechung aufgetreten
ist. Wie in 10 veranschaulicht
ist, existiert zwischen den Elektroden der Pumpzelle 1a eine
parasitäre
Kapazität,
wobei das zugehörige
Ersatzschaltbild der Pumpzelle 1a in 11 dargestellt ist. Die Elektroden weisen
jeweils bestimmte Abmessungen auf, damit gewährleistet ist, dass sich eine entsprechende
Menge an Sauerstoff im Festelektrolytmaterial bewegt, sodass die
parasitäre
Kapazität einen
relativ hohen Wert aufweist. Die auf dieser parasitären Kapazität basierende
Impedanzkomponente ist daher äußerst gering.
Wenn somit kein Unterbrechungszustand in der Pumpzelle 1a vorliegt,
tritt bei der erzwungenen Änderung
der Pumpzellenspannung Vp eine relativ große Stromänderung ΔIp auf, die in der in 12 veranschaulichten Weise von
der Impedanz der vorstehend genannten Ersatzschaltung abhängt.
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Wenn dagegen bei den Elektroden 121 und 122 der
Pumpzelle 1a ein Unterbrechungszustand vorliegt, verringert
sich die Pumpzellenstromänderung ΔIp um einen
Betrag, der der Impedanz im unterbrochenen Abschnitt bezogen auf
den Fall des Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands entspricht.
Da jedoch die auf der parasitären
Kapazität basierende
Impedanzkomponente; wie vorstehend beschrieben, äußerst gering ist, ergibt sich
ein großer Verringerungsbereich,
sodass keine wesentliche Pumpzellenstromänderung ΔIp auftritt, wie dies in 13 veranschaulicht ist.
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Wenn somit der vorgegebene Wert für die Pumpzellenstromänderung ΔIp auf einen
Wert eingestellt wird, bei dem davon ausgegangen werden kann, dass
die Pumpzellenstromänderung ΔIp im wesentlichen
den Wert 0 aufweist, kann eine Beurteilung in Bezug auf das Vorhandensein
oder Nichtvorhandensein eines Unterbrechungszustands in der Pumpzelle 1a getroffen
werden.
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Da erfindungsgemäß die Pumpzellenspannung Vp
vorübergehend
für (oder
innerhalb einer) eine äußerst kurze
Zeitdauer verändert
wird, zeigt die sich ergebende Wechselstromkomponente auf Grund
der parasitären
Kapazität
der Pumpzelle 1a eine große Pumpzellenstromänderung ΔIp. Auch wenn
auf Grund der Einwirkung der mit der Pumpzelle 1a integrierten
anderen Zellen 1b und 1c oder des Heizelements 13 eine
Schwankung des Massepotentials oder dergleichen auftritt, führt die
hierdurch verursachte Stromänderung
nur zu einer leichten oder mäßigen Veränderung
des Pegels des Pumpzellenstroms Ip, der im Vergleich zu der bei
der erzwungenen Änderung
der Pumpzellenspannung Vp auftretenden Stromänderung ΔIp winzig ist. Im Vergleich zu
der Maßnahme
einer einfachen Überprüfung des Vorhandenseins
oder Nichtvorhandenseins eines Stroms kann somit diese Beurteilung
des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands in
der Pumpzelle 1a mit höherer
Genauigkeit erfolgen. Wenn hierbei die parasitäre Kapazität in der Pumpzelle 1a einen
Betrag erreicht, bei dem eine ausreichende Pumpzellenstromänderung ΔIp auftritt, kann
die Unterbrechungsermittlung auch durchgeführt werden, ohne dass das Erreichen
der Aktivierungstemperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 abgewartet
werden muss. Es ist somit nicht immer erforderlich, dass der im
vorstehend beschriebenen Schritt S301 vorgegebene Impedanzwert auf
einen einem Aktivierungstemperaturbereich entsprechenden Impedanzwert
eingestellt werden muss, sondern er kann auf einen relativ höheren Wert
als der dem Aktivierungstemperaturbereich entsprechende Impedanzwert
eingestellt werden. Darüber hinaus
sind auf Grund der Verwendung der durch die Änderung der Pumpzellenspannung
Vp auftretenden Wechselstromkomponente die Tiefpassfilter 231 und 241 für die nachstehend
noch näher
beschriebene Unterbrechungsermittlung bei der Überwachungszelle 1b zur
Formung des Signalverlaufs zwecks Unterdrückung von Störsignalspitzen
vorgesehen, wobei deren Grenzfrequenz unter Berücksichtigung der Impedanz bei
der zu messenden Frequenz eingestellt wird.
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Wenn die Pumpzellenstromänderung ΔIp unter
den vorgegebenen Wert abfällt
und der Pumpzellen-Unterbrechungszähler inkrementiert wird (Schritte
S404 und S405), wird in einem Schritt S406 der Zählwert des Pumpzellen-Unterbrechungszählers mit
einem vorgegebenen Wert verglichen und bestimmt, ob der Zählwert den
vorgegebenen Wert erreicht hat oder nicht. Bei einem negativen Ergebnis erfolgt
eine Rückkehr
des Steuerablaufs. Bei einem positiven Ergebnis erfolgt jedoch in
einem folgenden Schritt S407 die Bestimmung des Vorliegens eines Unterbrechungszustands
der Pumpzelle 1a. Hierbei wird z.B. ein das Vorliegen einer
Pumpzellen-Unterbrechung anzeigendes Kennzeichen bzw. Kennbit gesetzt,
woraufhin eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung erfolgt. Auf diese Weise lässt sich im Rahmen einer anderen
Steuerung, wie einer Kraftstoff-Einspritzsteuerung ein Störzustand
oder Ausfall des Gassensors 1 ermitteln. So wird z.B. der
vorgeschriebene Wert für
den Pumpzellen-Unterbrechungszähler mehrfach
eingestellt, wodurch sich die Genauigkeit der Pumpzellen-Unterbrechungsbestimmung verbessern
lässt.
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Wenn dagegen im Schritt S404 ein
negatives Ergebnis erhalten wird, d.h., wenn die Pumpzellenstromänderung ΔIp den vorgegebenen
Wert überschreitet,
geht der Ablauf auf einen Schritt S408 zum Löschen oder Rückstellen
des Pumpzellen-Unterbrechungszählers über, woraufhin
eine Rückkehr
erfolgt. Der Zählwert
des Pumpzellen-Unterbrechungszählers wird
somit nur dann inkrementiert, wenn das Ergebnis einer unter dem
vorgegebenen Wert liegenden Pumpzellenstromänderung ΔIp (Schritt S404) kontinuierlich
erhalten wird, sodass bei einem unerwarteten Abfallen der Pumpzellenstromänderung ΔIp unter
den vorgegebenen Wert vermieden werden kann, dass dies als fehlerhafte
Ermittlung eines Pumpzellen-Unterbrechungszustands
bewertet wird.
-
Darüber hinaus wird die Verarbeitung
der Pumpzellen-Unterbrechungsermittlung
(Schritt S302) nur dann durchgeführt,
wenn die Impedanz unter dem vorgegebenen Wert liegt. Wie in 14 veranschaulicht ist,
ist es nämlich
bei einer niedrigen Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 auf
Grund der dann hohen Impedanz und der ebenfalls geringen parasitären Kapazität schwierig,
bei der erzwungenen Änderung
der Pumpzellenspannung Vp eine ausreichend große Pumpzellenstromänderung ΔIp zu erhalten,
wodurch sich der Unterschied zu einer Stromänderung beim Vorliegen eines Unterbrechungszustands
verwischt. Außerdem
wird in diesem Fall ein unzureichender Störabstand erhalten. Die Verarbeitung
der Pumpzellen-Unterbrechungsermittlung
(Schritt S302) wird daher nur dann durchgeführt, wenn die Impedanz unter
den vorgegebenen Wert abfällt,
wodurch sich die Genauigkeit der Ermittlung eines Pumpzellen-Unterbrechungszustands
erhöht.
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Außerdem wird bei der erzwungenen Änderung
der Pumpzellenspannung Vp (Schritt S402) die Zeitdauer der Spannungsänderung
vorzugsweise auf eine äußerst kurze
Zeitdauer eingestellt. 15 zeigt
die Pumpzellenspannung Vp, den Pumpzellenstrom Ip, den Überwachungszellenstrom
Im und den Sensorzellenstrom Is für den Fall, dass diese Zeit
auf eine äußerst kurze
Zeitdauer eingestellt ist, während 16 den Fall der Einstellung
einer längeren
Zeitdauer veranschaulicht. Wenn diese Zeit wie bei der Verarbeitung
der Gaskonzentrationsermittlung (Schritt S102) bei der Einstellung
der Pumpzellenspannung Vp entsprechend dem Pumpzellenstrom Ip auf
eine längere
Zeitdauer eingestellt wird, besteht die Gefahr, dass die Pumpzellenspannung
Vp statistische Änderungen
zeigt. Dies wiederum führt
zu Änderungen
der Sauerstoffkonzentrationen im Inneren der Kammern 101 und 102 sowie
des Überwachungszellenstroms
Im und des Sensorzellenstroms Is, wodurch sich die Genauigkeit der
NOx-Konzentrationsmessung verschlechtert. Wenn dagegen die erzwungene Änderung
der Pumpzellenspannung Vp nur während
einer äußerst kurzen
Zeitdauer erfolgt, tritt keine wesentliche Änderung der Sauerstoffkonzentration
im Inneren der Kammern 101 und 102 auf, sodass
sich auch keine Beeinträchtigung
der Messgenauigkeit bei der Ermittlung der NOx-Konzentration ergibt.
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Hierbei hängt die Ansprechzeit, bei der
sich die Sauerstoffkonzentration in Bezug auf die erzwungene Änderung
der Pumpzellenspannung Vp zu verändern
beginnt, von den Durchlasswiderständen des Nadellochs 106 und
der porösen
Diffusionsschicht 116 ab, sodass die Zeitdauer der erzwungenen Änderung
der Pumpzellenspannung Vp vorzugsweise unter Berücksichtigung dieser Faktoren
festgelegt wird.
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Außerdem wird bei diesem Ausführungsbeispiel
die Pumpzellenspannung Vp aufeinanderfolgend zur positiven und negativen
Seite hin verändert, wodurch
sich der nachstehend näher
beschriebene Vorteil im Vergleich zu dem Fall ergibt, bei dem die Veränderung
nur entweder in positiver Richtung oder negativer Richtung erfolgt.
Wenn nämlich
die Pumpzellenspannung Vp nur entweder in positiver Richtung oder
negativer Richtung verändert
wird, hängt die
Entladung der durch die parasitäre
Kapazität
der Pumpzelle 1a in Abhängigkeit
von der Spannungsänderung
erfolgten elektrischen Aufladung von der Zeitkonstanten einer die
Pumpzelle 1a umfassenden Schaltungsanordnung ab, wobei
während
der Entladung ein Fehler in dem das Sauerstoffkonzentrations-Messsignal
bildenden Pumpzellenstrom Ip auftritt.
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Da jedoch bei der Spannungsänderung
der Pumpzellenspannung Vp gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
die Spannung in einer Richtung und sodann in der entgegengesetzten
Richtung zu dieser ersten Verschiebungsrichtung in Bezug auf den
unmittelbar vor dieser Spannungsänderung
vorliegenden Spannungswert verschoben wird, wird die von der ersten
Spannungsverschiebung herbeigeführte Aufladung
der parasitären
Kapazität
schnell durch die in Gegenrichtung erfolgende Spannungsverschiebung
aufgehoben, sodass eine schnelle Rückkehr zum Normalzustand der
Gaskonzentrationsmessung erfolgt.
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Natürlich ist auch in einigen Fällen je
nach den Erfordernissen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendbar, bei dem die erzwungene Änderung
der Pumpzellenspannung Vp nur in einer Richtung stattfindet.
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Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel eine
erzwungene Änderung
der Pumpzellenspannung Vp stattfindet und die Beurteilung des Vorliegens
oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustandes auf der Basis
der hierbei auftretenden Pumpzellenstromänderung ΔIp vorgenommen wird, kann gleichermaßen auch
eine zwangsweise Änderung des
Pumpzellenstroms Ip erfolgen und die Beurteilung des Vorliegens
oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands auf der Basis
der hierbei auftretenden Änderung ΔVp der Pumpzellenspannung Vp
getroffen werden. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 9 näher auf diesen Vorgang eingegangen.
Im Schritt 5402 wird eine erzwungene Veränderung des Pumpzellenstroms
Ip herbeigeführt, was
als Maßnahme
zur Eingabe eines Testsignals dient. Sodann wird ein Schritt S403
zur Eingabe der ein Ansprechsignal bildenden Pumpzellenspannungsänderung ΔVp ausgeführt, die
bei der erzwungenen Veränderung
des Pumpzellenstroms Ip erhalten wird. In einem nächsten Schritt
S404 wird anders als bei der erzwungenen Veränderung der Pumpzellenspannung
Vp die Beurteilung getroffen, ob die Pumpzellen-Spannungsänderung ΔVp einen
vorgegebenen Wert überschreitet
oder nicht. Natürlich
unterscheidet sich dieser vorgegebene Wert von demjenigen im Falle
der Veränderung
der Pumpzellenspannung. Im Schritt S404 wird ein positives Ergebnis
erhalten, wenn ein Unterbrechungszustand der Pumpzelle 1a vorliegt.
Wenn somit kein Unterbrechungszustand vorliegt, entspricht die zu
detektierende Pumpzellen-Spannungsänderung ΔVp einem Spannungsabfall in
der Pumpzelle 1a, wobei auf Grund der vorstehend beschriebenen
Tatsache, dass die Impedanz für
die Wechselstromkomponente in der Pumpzelle 1a gering ist,
die Pumpzellen-Spannungsänderung ΔVp nur einen
geringen Wert aufweist.
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Wenn dagegen ein Unterbrechungszustand vorliegt,
erhöht
sich der Spannungsabfall um einen der Impedanz in dem unterbrochenen
Abschnitt entsprechenden Betrag, sodass eine große Pumpzellen-Spannungsänderung ΔVp auftritt,
wie sie in 19 dargestellt
ist. Da die Pumpzelle 1a – wie vorstehend beschrieben – eine geringe
Impedanz aufweist, nimmt der Anstiegsgrad der Pumpzellen-Spannungsänderung ΔVp bei Vorliegen
eines Unterbrechungszustands im Vergleich zu demjenigen bei Nichtvorliegen
eines Unterbrechungszustands einen extrem hohen Wert an.
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Hierdurch ist somit die Möglichkeit
gegeben, eine von Interferenzströmen
der anderen Zellen 1b und 1c und dergleichen weitgehend
unbeeinflusste und damit sehr genaue Ermittlung des Vorliegens eines
Unterbrechungszustands bei der Pumpzelle 1a vornehmen zu
können.
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Überwachungszellen-Unterbrechungsermittlung:
-
Die 20 und 21 veranschaulichen die Verarbeitung
der Ermittlung eines Unterbrechungszustands bei der Überwachungszelle 1b.
In einem Schritt S501 wird eine Erregungszeit (Stromversorgungszeit)
für das
Heizelement 13 (die nachstehend auch als Heizelement-Erregungszeit
bezeichnet ist) mit einem vorgegebenen Wert verglichen und hierbei beurteilt,
ob sie gleich dem vorgegebenen Wert ist oder diesen übersteigt.
Die Heizelement-Erregungszeit wird von einem als Temperaturzustands-Detektoreinrichtung
dienenden Zeitgeber gemessen, der die seit Beginn der Erregung des
Heizelements 13 verstrichene Zeit zählt. Wenn sich hierbei ergibt,
dass die Heizelement-Erregungszeit unter dem vorgegebenen Wert liegt,
erfolgt eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung. Falls jedoch ein positives Ergebnis erhalten
wird, geht der Ablauf auf einen Schritt S502 über, um die Ermittlung eines
Unterbrechungszustands der Überwachungszelle
durchzuführen.
Der Schritt SW501 stellt somit eine Sperrmaßnahme dar.
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Die Verarbeitung zur Ermittlung eines
Unterbrechungszustands der Überwachungszelle
(Schritt S502) wird wie die Verarbeitung zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands
der Pumpzelle (Schritt S302) durchgeführt. Zunächst wird in einem Schritt S601
der Zeitpunkt der Unterbrechungsermittlung bestimmt. Bei einem positiven
Ergebnis geht der Ablauf auf einen Schritt S602 über. Im Falle eines negativen
Ergebnisses erfolgt jedoch eine Rückkehr der Ablaufsteuerung.
Im Schritt S601 wird wie bei der Verarbeitung zur Ermittlung eines
Unterbrechungszustands der Pumpzelle ein positives Ergebnis bei
einem jeweiligen vorgegebenen Steuerzyklus erhalten, woraufhin der
Schritt S602 und die nachfolgende Verarbeitung ausgeführt werden.
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Der Schritt S602 dient als Testsignal-Eingabemaßnahme,
durch die eine erzwungene Änderung der Überwachungszellenspannung
Vm herbeigeführt wird.
Hierbei wird der Schalter 245 in Abhängigkeit von einem von der
Ein-Ausgabeschnittstelle I/O 1 abgegebenen Steuersignal eingeschaltet,
um die Parallelschaltung des Widerstands 244 herzustellen.
Hierbei wird eine von dem Digital/Analog-Umsetzer D/A 0 abgegebene Steuerspannung
in Bezug auf einen unmittelbar vorher vorliegenden Spannungswert
geringfügig
zur positiven Seite hin und sodann aus diesem Zustand in Bezug auf
den unmittelbar vorhergehenden Spannungswert zur negativen Seite
hin verschoben. Hierdurch ergibt sich eine Spannungsänderung,
d.h., die Überwachungszellenspannung
Vm wird in Bezug auf den jeweils unmittelbar vorhergehenden Spannungswert
zur positiven und zur negativen Seite hin verschoben bzw. abgelenkt.
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Ein Schritt S603 stellt eine als
Ansprechsignal-Detektionsmaßnahme dienende
Signalverarbeitung dar, bei der die in Abhängigkeit von der erzwungenen
Veränderung
der Überwachungszellenspannung
Vm auftretende Änderung ΔIm des Überwachungszellenstroms
Im ermittelt wird. Hierbei wird nach dem Beginn der Spannungsänderung
die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm erst nach
Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer ermittelt, auf die nachstehend
noch näher
eingegangen wird.
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Schritte S604 bis S608 dienen als
Bestimmungsmaßnahmen.
Zunächst
wird im Schritt S604 die ermittelte Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm mit einem
vorgegebenen Wert verglichen und hierbei bestimmt, ob sie unter
dem vorgegebenen Wert liegt oder nicht. Bei einem positiven Ergebnis geht
der Ablauf zur Inkrementierung eines Überwachungszellen-Unterbrechungszählers um "1" auf den Schritt S605 über.
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Im Schritt S604 wird ein positives
Ergebnis erhalten, wenn ein Unterbrechungszustand der Überwachungszelle 1b vorliegt.
Wie im Falle der Pumpzelle 1a existiert auch zwischen den
Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b eine
parasitäre Kapazität, jedoch
sind die Umstände
nicht so einfach wie bei der Pumpzelle 1a. Bei der Überwachungszelle 1b bildet
nämlich
die dem Luftkanal 105 gegenüberliegende Elektrode 125 eine
gemeinsame Elektrode auch für
die Sensorzelle 1c, wobei die andere Elektrode 123 und
die Elektrode 124 der Sensorzelle 1c in der gleichen
Kammer 102 dicht beieinander angeordnet sind. Wie in 22 veranschaulicht ist, existiert
bei der Überwachungszelle 1b und
der Sensorzelle 1c zusätzlich
zu einer parasitären
Kapazität CM
zwischen den Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b auch
noch eine parasitäre
Kapazität
CS zwischen den Elektroden 124 und 125 der Sensorzelle 1c sowie
eine parasitäre
Kapazität
CSM zwischen der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 und
der kammerseitigen Sensorelektrode 124 (die nachstehend
als parasitäre
Sensor-Überwachungszellenkapazität bezeichnet
ist). Bei der erzwungenen Veränderung
der Überwachungszellenspannung
Vm entsteht somit in Abhängigkeit
von den parasitären
Kapazitäten
CM und CS sowie der parasitären
Sensor-Überwachungszellenkapazität CSM in
der in 23 veranschaulichten
Weise eine Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm, wenn
bei der Überwachungszelle 1b kein
Unterbrechungszustand vorliegt. In diesem Fall wird die parasitäre Überwachungszellenkapazität CM durch
die parasitäre
Sensorzellenkapazität
CS und die parasitäre
Sensor-Überwachungszellenkapazität CSM vergrößert, sodass
sich eine entsprechend größere Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm ergibt.
-
Wenn dagegen angenommen wird, dass
bei der Überwachungszelle 1b ein
Unterbrechungszustand vorliegt, bei dem eine Signalleitung auf der
Seite der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 unterbrochen
ist und/oder bei dem eine Signalleitung auf der Seite der umgebungsluftseitigen
Sensor/Überwachungselektrode
125 unterbrochen ist, ergibt sich der in 24 veranschaulichte Signalverlauf. Bezüglich der Überwachungszellenspannung Vm
wird nämlich
die vom Digital/Analog-Umsetzer D/A 0 abgegebene Steuerspannung
verändert
und über
das Tiefpassfilter 241, den Operationsverstärker 242,
den Widerstand 243 und den Widerstand 244 der
kammerseitigen Überwachungselektrode 123 zugeführt, sodass
bei Vorliegen eines Unterbrechungszustands einer Signalleitung auf
der Seite der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 unabhängig von
der Veränderung
der Steuerspannung des Digital/Analog-Umsetzers D/A 0 keine Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm auftritt.
In diesem Fall kann der vorstehend beschriebene vorgegebene Wert
auf einen oberen Grenzwert eingestellt werden, bei dem davon ausgegangen
werden kann, dass die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm hierbei den
Wert 0 aufweist.
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Wenn dagegen ein Unterbrechungszustand bei
einer Signalleitung auf der Seite der luftseitigen Sensor/Überwachungselektrode
125 vorliegt, ist eine Kapazitätskopplung
der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 und
der kammerseitigen Sensorelektrode 124 gegeben, durch die
die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm erzeugt
wird. Da hierbei die parasitäre
Sensor-Überwachungszellenkapazität CSM im
Vergleich zu der parasitären Überwachungszellenkapazität CM oder
dergleichen kleiner ist, ist die erzeugte Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm kleiner
als die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm in einem
Zustand, bei dem keine Unterbrechung vorliegt, wobei sich die Stromänderungszeit
verkürzt.
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Der vorgegebene Wert für die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm verändert sich
somit in Abhängigkeit
von einer Einstellung der vorstehend beschriebenen vorgegebenen
Zeit, d.h., wenn die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm an einem
Punkt A oder C gemäß 24 erhalten wird, wird die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm durch
die parasitäre
Sensor-Überwachungszellenkapazität CSM beeinträchtigt,
sodass es erforderlich ist, den vorgegebenen Wert auf einen größeren Wert
als den vorstehend beschriebenen oberen Grenzwert einzustellen.
Außerdem
wird die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm an einem
Punkt B erhalten, bei dem die parasitäre Sensor-Überwachungszellenkapazität CSM wie
bei dem Unterbrechungszustand bei der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 keinen
Einfluss auf die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm ausübt, wobei
in diesem Fall der vorgegebene Wert zu einem oberen Grenzwert wird,
bei dem davon ausgegangen werden kann, dass er den Wert 0 aufweist.
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Da erfindungsgemäß wie im Falle der Unterbrechungsermittlung
bei der Pumpzelle 1a hierbei die Unterbrechungsermittlung
auf der Basis einer bei der erzwungenen Veränderung der Überwachungszellenspannung
Vm auftretenden Stromänderung ΔIm erfolgt,
kann im Vergleich zu der einfachen Maßnahme der Überprüfung des Vorhandenseins oder
Nichtvorhandenseins eines Stroms eine wesentlich genauere Beurteilung
des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands
der Überwachungszelle 1b getroffen
werden.
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Wenn die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm unter
dem vorgegebenen Wert liegt und der Überwachungszellen-Unterbrechungszähler inkrementiert
wird (Schritte S604 und S605), folgt gemäß 21 ein Schritt S606 zur Durchführung eines
Vergleichs des Zählwertes
des Überwachungszellen-Unterbrechungszählers mit
einem vorgegebenen Wert, um hierbei zu bestimmen, ob der Zählwert den vorgegebenen
Wert erreicht hat oder nicht. Im Falle einer negativen Beurteilung
erfolgt eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung. Wenn dagegen ein positives Ergebnis erhalten
wird, geht der Ablauf auf einen Schritt S607 über, in dem die Bestimmung
erfolgt, dass ein Unterbrechungszustand der Überwachungszelle 1b vorliegt.
Diese Folge von Schritten entspricht im wesentlichen den Schritten
S405 bis S407 bei der Verarbeitung zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands
der Pumpzelle 1a, wobei auch hier die Beurteilung eines
Unterbrechungszustands der Überwachungszelle 1b mit
hoher Genauigkeit erfolgen kann.
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Wenn dagegen die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm unter
dem vorgegebenen Wert liegt bzw. unter diesen abfällt und
im Schritt S604 ein negatives Ergebnis erhalten wird, erfolgt eine
Rückkehr
der Ablaufsteuerung, nachdem der Überwachungszellen-Unterbrechungszähler im Schritt
S608 zurückgestellt
worden ist. Auch wenn somit die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm plötzlich unter
den vorgegebenen Wert abfällt,
kann wie im Falle des Schrittes S408 der bei der Pumpzelle 1a erfolgenden
Unterbrechungsermittlungsverarbeitung eine fehlerhafte Beurteilung
des Vorliegens eines Unterbrechungszustands bei der Überwachungszelle 1b vermieden
werden.
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Außerdem wird die Verarbeitung
zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands der Überwachungszelle (Schritt S502)
nur dann durchgeführt, wenn
die Heizelement-Erregungszeit einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Wie in 25 veranschaulicht
ist, steigt die Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 während der
Heizelement-Erregungszeit an, sodass die Impedanz abnimmt und die
parasitären
Kapazitäten
CM, CS und CSM größer werden,
während
bei einer kurzen Heizelement-Erregungszeit nur geringe parasitäre Kapazitäten CM,
CS und CSM vorliegen, sodass es schwierig ist, bei der erzwungenen
Veränderung
der Überwachungszellenspannung
Vm eine ausreichend große
Stromänderung ΔIm zu erhalten
und somit eine deutliche Unterscheidung vom Vorliegen eines Unterbrechungszustands
mit Schwierigkeiten verbunden ist. Außerdem kann der Störabstand (S/N-Verhältnis) unzureichend
sein. Die Verarbeitung zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands
der Überwachungszelle
(Schritt S502) wird daher nur dann durchgeführt, wenn die Heizelement-Erregungszeit den
vorgegebenen Wert überschreitet,
wodurch sich eine genaue Beurteilung bezüglich des Vorliegens eines
Unterbrechungszustands bei der Überwachungszelle 1b gewährleisten
lässt.
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Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel
die Entscheidung, ob die Verarbeitung der Ermittlung eines Unterbrechungszustands
der Überwachungszelle
(Schritt S502) durchzuführen
ist oder nicht, auf der Basis der Heizelement-Erregungszeit getroffen
wird, lässt
sich eine höhere
Genauigkeit bei dieser Beurteilung erzielen, wenn die Entscheidung
auf der Basis der dem Heizelement 13 zugeführten elektrischen Gesamtenergie
getroffen wird. In diesem Falle wird z.B. die zugeführte elektrische
Energie bei jedem Unterbrechungsermittlungszeitpunkt (S601) erfasst und
die erfasste elektrische Energie akkumuliert, wobei der Akkumulationswert
die zugeführte
elektrische Energie angibt. Alternativ kann auch in Betracht gezogen
werden, die Spannung der als Energiequelle für das Heizelement 13 dienenden
Batterie 26 beim Einschalten zu messen, sodass eine Entscheidung, ob
die Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 in
ausreichendem Maße
angestiegen ist, d.h., eine Entscheidung bezüglich des Zeitpunktes der Durchführung der
Verarbeitung zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands der Überwachungszelle
(Schritt S502), auf der Basis eines Wertes erfolgen kann, der durch
Multiplikation der gemessenen Spannung mit der vorstehend beschriebenen
Heizelement-Erregungszeit erhalten wird. Als Durchführungsbedingung
für die
Verarbeitung zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands der Überwachungszelle
(Schritt S502) können
auch andere Parameter unter der Bedingung herangezogen werden, dass
sie einen monotonen bzw. gleichförmigen
Anstieg in Abhängigkeit
von der zugeführten
elektrischen Energie aufweisen.
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Außerdem wird in Bezug auf die
Unterbrechungsermittlung bei den anderen Zellen außer der Überwachungszelle 1b gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Betracht gezogen, in den Schritten S201 bis S203
eine Impedanzermittlungsverarbeitung zur Ermittlung des Temperaturzustands der
Festelektrolytschichten 111 und 112 durchzuführen. Wenn
jedoch z.B. bezüglich
der Sensorzelle 1c eine Impedanzermittlung erfolgen soll,
ist eine Schaltungsanordnung zur Änderung der Sensorzellenspannung
wie bei der Überwachungszelle 1b oder dergleichen
erforderlich, was den Schaltungsaufbau verkompliziert und den Steuerumfang
vergrößert. Aus
diesem Grund ist das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
praktischer.
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Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel eine
Beurteilung nur in Bezug auf das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines
Unterbrechungszustands der Überwachungszelle 1b erfolgt,
besteht auch die Möglichkeit,
eine Beurteilung dahingehend zu treffen, bei welcher der Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b ein
Signalleitungs-Unterbrechungszustand
vorliegt. Wenn nämlich
die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm am Punkt
A oder C gemäß 24 abgetastet wird, unterscheidet
sich der Betrag der Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm im Unterbrechungszustand
von demjenigen, der bei einem bei der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 und
der luftseitigen Sensor/Überwachungselektrode
125 vorliegenden Unterbrechungszustand erhalten wird. Wenn somit
zwei Arten von vorgegebenen Werten mit unterschiedlichem Betrag eingestellt
werden und hierbei die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm unter
den kleineren vorgegebenen Wert abfällt, kann eine Bestimmung getroffen
werden, dass ein Unterbrechungszustand bei der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 vorliegt.
Wenn dagegen die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm den kleineren
vorgegebenen Wert übersteigt,
jedoch unter dem größeren vorgegebenen
Wert, liegt, kann die Beurteilung erfolgen, dass bei der luftseitigen
Sensor/Überwachungselektrode 125
ein Unterbrechungszustand vorliegt.
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In diesem Zusammenhang ist darauf
hinzuweisen, dass die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm gemäß 24 an den Punkten A und
C unterschiedliche Werte aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
der Änderungsbereich
der Spannungsänderung ΔVm der Überwachungszellenspannung
Vm am Punkt C größer ist.
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Außerdem kann es auch zweckmäßig sein, ohne
eine Beurteilung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands
auf der Basis der Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm eine solche
Beurteilung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands
auf der Basis eines Impedanzwertes vorzunehmen, indem die Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm durch
die Überwachungszellen-Stromänderung ΔIm dividiert
wird. Wenn hierbei die Impedanz einen vorgegebenen Wert überschreitet,
wird dies als Vorliegen eines Unterbrechungszustands bewertet. In
diesem Fall wird die Verarbeitung zur Impedanzermittlung (Schritt
S104) in Bezug auf die Impedanz durchgeführt, wobei diese Beurteilung
natürlich
auch auf der Basis der Admittanz erfolgen kann.
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Wie im Rahmen der "Pumpzellen-Unterbrechungsermittlung" vorstehend bereits
beschrieben, kann es außerdem
zweckmäßig sein,
durch zwangsweise Veränderung
eines einer Zelle zuzuführenden Stroms
eine Spannungsänderung
zu erfassen, d.h., in einem solchen Falle wird der Überwachungszellenstrom
Im zwangsweise verändert
und die Beurteilung bezüglich
des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands
auf der Basis der hierbei erhaltenen Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm herbeigeführt. Wenn
zur Veranschaulichung dieses Vorgangs 21 herangezogen
wird, wird somit im Schritt S602 der Überwachungszellenstrom Im zwangsweise
verändert,
wobei diese Verarbeitung eine Testsignal-Eingabemaßnahme darstellt. Sodann
wird im Schritt S603 die in Abhängigkeit
von der erzwungenen Veränderung
des Überwachungszellenstroms
Im auftretende und ein Ansprechsignal bildende Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm eingegeben
(ermittelt), woraufhin im Schritt S604 anders als im Falle der erzwungenen
Veränderung
der Überwachungszellenspannung
Vm beurteilt wird, ob die Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm einen vorgegebenen
Wert überschreitet oder
nicht. Im Schritt S604 wird ein positives Ergebnis erhalten, wenn
ein Unterbrechungszustand der Überwachungszelle 1b vorliegt.
Wenn somit kein Unterbrechungszustand vorliegt, entspricht die erhaltene Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm nur dem
Spannungsabfall in der Überwachungszelle 1b,
da in der vorstehend beschriebenen Weise eine niedrige Impedanz
für die
Wechselstromkomponente in der Überwachungszelle 1b vorliegt,
sodass die Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm den in 26 dargestellten niedrigen
Wert aufweist.
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Wenn dagegen ein Unterbrechungszustand vorliegt,
steigt der Spannungsabfall um einen der Impedanz am Unterbrechungsabschnitt
entsprechenden Betrag an, sodass die Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm in der
in 27 veranschaulichten
Weise ansteigt. Da die Impedanz in der Überwachungszelle 1b,
wie vorstehend beschrieben, äußerst gering
ist, nimmt der Anstiegsbetrag der Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm bei Auftreten
einer Unterbrechung in Bezug auf den sich bei Nichtvorliegen einer
Unterbrechung ergebenden Änderungsbetrag
einen äußerst hohen
Wert an. Die Überwachungszellen-Spannungsänderung ΔVm fällt hierbei
auf Gründ
des Einflusses der parasitären
Kapazität
CSM beim Auftreten eines Unterbrechungszustands bei der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 und
beim Auftreten eines Unterbrechungszustands bei der luftseitigen
Sensor/Überwachungselektrode
125 unterschiedlich aus.
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Auf diese Weise kann die Ermittlung
eines Unterbrechungszustands der Überwachungszelle 1b mit
hoher Genauigkeit erfolgen, ohne Einflüssen durch Interferenzströme der anderen
Zellen 1a und 1c oder dergleichen ausgesetzt zu
sein.
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Sensorzellen-Unterbrechungsermittlung:
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In den 28 und 29 ist eine Signalverarbeitung
zur Ermittlung eines Unterbrechungszustands der Sensorzelle 1c veranschaulicht.
In einem Schritt S701 wird wie im Falle der Pumpzellen-Unterbrechungsermittlung
(Schritt S301) eine bei der Impedanzmessungsverarbeitung (Schritt
S104) ermittelte Impedanz ZAC mit einem vorgegebenen Wert verglichen.
Wenn hierbei der vorgegebene Wert überschritten wird, erfolgt
eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung. Wenn dagegen die Impedanz unter dem vorgegebenen
Wert liegt, geht der Ablauf auf einen Schritt S702 über, bei
dem bestimmt wird, ob der Sensorzellenstrom Is unter einem vorgegebenen
Wert liegt. Im Falle eines negativen Ergebnisses erfolgt eine Rückkehr der
Ablaufsteuerung. Wenn dagegen ein positives Ergebnis erhalten wird,
wird auf einen Schritt S703 übergegangen,
in dem die Verarbeitung der Ermittlung eines Unterbrechungszustands
der Sensorzelle erfolgt. Wenn hierbei der Sensorzellenstrom Is sehr
groß ist, überschreitet
die Stromänderung
(siehe 30) bei der Durchführung der
nachstehend noch näher
beschriebenen Unterbrechungsermittlung den eingangsseitigen Dynamikbereich
der Analog/Digital-Umsetzung. Aus diesem Grund ist der Schritt S702
vorgesehen, der zur Verhinderung der Unterbrechungsermittlung in
einer solchen Situation dient.
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Bei der Verarbeitung der Ermittlung
eines Unterbrechungszustands der Sensorzelle (Schritt S703) wird
zunächst
in einem Schritt S801 eine Bestimmung bezüglich des Zeitpunktes der Unterbrechungsermittlung
getroffen. Wenn hierbei ein positives Ergebnis erhalten wird, geht
der Ablauf auf einen Schritt S802 über. Bei einem negativen Ergebnis
erfolgt hingegen eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung. Wie im Falle der Pumpzellen- Unterbrechungsermittlungsverarbeitung
wird im Schritt S801 ein positives Ergebnis bei einem jeweiligen
vorgegebenen Steuerzyklus des Mikrocomputers 28 zur Durchführung des Schritts
5802 und der anschließenden
Verarbeitung erhalten.
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Der Schritt S802 dient hierbei als
Testsignal-Eingabemaßnahme,
bei der die Überwachungszellenspannung
Vm zwangsweise verändert
wird. Wie im Falle der Überwachungszellen-Unterbrechungsermittlungsverarbeitung
(Schritt S602) erfolgt dies durch Veränderung einer vom Digital/Analog-Umsetzer
D/A 0 abgegebenen Steuerspannung.
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Ein Schritt S803 dient als Ansprechsignal-Ermittlungsmaßnahme,
durch die nach Ablauf einer nachstehend noch näher beschriebenen vorgegebenen
Zeitdauer nach dem Beginn der erzwungenen Änderung der Überwachungszellenspannung
Vm die sich hierbei ergebende Sensorzellen-Stromänderung ΔIs ermittelt wird.
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Schritte S804 bis S808 stellen Beurteilungsmaßnahmen
dar. Zunächst
wird im Schritt S804 die Sensorzellen-Stromänderung ΔIs mit einem vorgegebenen Wert
verglichen und hierbei bestimmt, ob sie unter dem vorgegebenen Wert
liegt oder nicht. Im Falle eines positives Ergebnisses geht der
Ablauf auf den Schritt S805 über,
bei dem ein Sensorzellen-Unterbrechungszähler um "1" inkrementiert
wird.
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Im Schritt S804 wird ein positives
Ergebnis erhalten, wenn ein Unterbrechungszustand einer Signalleitung
der kammerseitigen Sensorelektrode 124 der Sensorzelle 1c vorliegt.
Da bei der Sensorzelle 1c und der Überwachungszelle 1b die
Elektroden 123 und 124 in der gleichen Kammer 102 angeordnet sind, ändert sich
die Sauerstoffpumpleistung beim Hineinpumpen/Herauspumpen von Sauerstoff
in die/aus der Kammer 102 auf Grund der erzwungenen Änderung
der Überwachungszellenspannung
Vm, wodurch die Sensorzelle 1c beeinflusst wird. Auch wenn
kein Unterbrechungszustand der Sensorzelle 1c vorliegt,
tritt somit bei einer Änderung
der Sauerstoffkonzentration in der Kammer 102 in der in 30 veranschaulichten Weise
eine Stromänderung ΔIs in Bezug
auf den unmittelbar vorhergehenden Sensorzellenstrom Is auf.
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Wenn dagegen ein Unterbrechungszustand der
Sensorzelle 1c vorliegt, tritt keine Sensorzellen-Stromänderung ΔIs auf, wie
dies in 31 veranschaulicht
ist. Da hierbei die dem Luftkanal 105 gegenüberliegende
Elektrode 125 der Sensorzelle 1c gleichzeitig
auch für
die Überwachungszelle 1b vorgesehen
ist, beinhaltet die Beurteilung des Nichtvorliegens eines Unterbrechungszustands
in Bezug auf die Elektrode 125, dass der Unterbrechungszustand bei
der kammerseitigen Sensorelektrode 124 vorliegt.
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Wenn die Sensorzellen-Stromänderung ΔIs unter
dem vorgegebenen Wert liegt und der Sensorzellen-Unterbrechungszähler inkrementiert ist (Schritte
S804 und S805), wird der Zählwert
des Sensorzellen-Unterbrechungszählers im
Schritt S806 mit einem vorgegebenen Wert verglichen und hierbei
bestimmt, ob der Zählwert
den vorgegebenen Wert erreicht hat oder nicht. Im Falle eines negativen
Ergebnisses erfolgt eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung. Bei einem positiven Ergebnis geht der Ablauf
auf einen Schritt S807 über,
in dem bestimmt wird, dass ein Unterbrechungszustand der Sensorzelle 1c vorliegt.
Diese Folge von Schritten entspricht im wesentlichen den Schritten
S405 bis S407 bei der Unterbrechungsermittlungsverarbeitung für die Pumpzelle 1a, wobei
die Bestimmung eines Unterbrechungszustands der Sensorzelle 1c auch
hier mit hoher Genauigkeit erfolgen kann.
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Wenn hierbei im Schritt S804 ein
negatives Ergebnis erhalten wird, d.h., wenn die Sensorzellen-Stromänderung ΔIs den vorgegebenen
Wert überschreitet,
erfolgt eine Rückkehr
der Ablaufsteuerung, nachdem der Sensorzellen-Unterbrechungszähler im Schritt S808 zurückgestellt
worden ist. Auch wenn die Sensorzellen-Stromänderung ΔIs plötzlich unter den vorgegebenen
Wert abfällt,
kann somit wie im Falle des Schritts S408 bei der Unterbrechungsermittlungsverarbeitung
für die Pumpzelle 1a eine
fehlerhafte Beurteilung eines Unterbrechungszustands bei der Überwachungszelle 1b vermieden
werden.
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Da außerdem die Sensorzellen-Unterbrechungsermittlungsverarbeitung
(Schritt S703) unter der Bedingung erfolgt, dass die Impedanz unter
dem vorgegebenen Wert liegt, wird wie im Falle der Pumpzellen-Unterbrechungsermittlungsverarbeitung (Schritt
S301) die Sensorzellen-Unterbrechungsermittlungsverarbeitung nur
dann durchgeführt,
wenn die Impedanz gering ist und eine ausreichend große Sensorzellen-Stromänderung ΔIs erhalten
wird, sodass eine hohe Genauigkeit der Beurteilung eines Unterbrechungszustands
bei der Sensorzelle 1c gewährleistet ist.
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Bei der auf diese Weise erfolgenden
Ermittlung eines Unterbrechungszustands der Sensorzelle 1c besteht
keine Notwendigkeit für
eine zwangsweise Veränderung
der Sensorzellenspannung Vs. Da nämlich im Schritt S802 die Überwachungszellenspannung
Vm wie bei der Unterbrechungsermittlung für die Überwachungszelle 1b (Schritt
S502) zwangsweise verändert
oder die Impedanzermittlungsverarbeitung (Schritt S104) (Schritte S602,
S201) durchgeführt
wird, ist diese Testsignal-Eingabemaßnahme auch
bei der vorliegenden Verarbeitung einsetzbar, wodurch sich die Konfiguration
vereinfacht.
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Wenn hierbei die Zeitdauer der erzwungenen Veränderung
der Überwachungszellenspannung
zu groß ist,
treten erhebliche Veränderungen
der Sauerstoffkonzentration in der Kammer 102 auf, was
zu einer entsprechend höheren
Sensorzellen-Stromänderung ΔIs führt. Die
für die
Rückkehr
der Sauerstoffkonzentration auf ihren ursprünglichen Wert erforderliche
Zeitdauer ΔT
wird hierbei jedoch ebenfalls zu groß, sodass sich die Zeit, bei
der eine normale Ermittlung der NOx-Konzentration mit Schwierigkeiten verbunden
ist, entsprechend verlängert.
Vorzugsweise wird daher die Zeitdauer der erzwungenen Veränderung
der Überwachungszellenspannung
so kurz wie möglich
innerhalb eines Bereichs eingestellt, in dem eine Sensorzellen-Stromänderung ΔIs erhalten werden
kann, sodass eine genaue Beurteilung des Vorliegens oder Nichtvorliegens
eines Unterbrechungszustands erfolgen kann.
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Auch bei einer kurzen Zeitdauer der
Spannungsänderung ΔVm der Überwachungszellenspannung
Vm wird auf Grund der parasitären
Kapazität CSM
zwischen der Überwachungszelle 1b und
der Sensorzelle 1c in der in 30 veranschaulichten Weise
eine Stromänderung ΔIs des Sensorzellenstroms
Is erhalten, was ebenfalls eine Unterbrechungsermittlung ermöglicht.
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Die bei der Überwachungszellen-Unterbrechungsermittlung
gegebene Möglichkeit,
den der Zelle zugeführten
Strom zur Ermittlung einer Spannungsänderung zwangsweise zu verändern, besteht auch
bei der Sensorzellen-Unterbrechungsermittlung,
indem eine erzwungene Änderung
des Überwachungszellenstroms
Im herbeigeführt
wird. Hierbei erfolgt in dem als Testsignal-Eingabemaßnahme dienenden
Schritt S802 gemäß 29 eine zwangsweise Veränderung
des Überwachungszellenstroms
Im. Der Schritt S803 sowie die nachfolgende Verarbeitung bleiben
gleich. Auf Grund dieser erzwungenen Veränderung des Überwachungszellenstroms
Im verändert
sich die Sauerstoffkonzentration im Inneren der Kammer 102 und
damit auch der Sensorzellenstrom Is, sodass eine binäre Beurteilung
seines Betrages getroffen werden kann.
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Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel eine
Stromdetektion und eine Spannungsveränderung bei der Pumpzelle 1a und
der Überwachungszelle 1b auf
der Seite der gleichen Elektrode 121, 123 erfolgen,
kann weiterhin auch in Betracht gezogen werden, in der in 32 veranschaulichten Weise eine
Bezugsspannungsquelle mit einem auf der Stromdetektionsseite befindlichen
Operationsverstärker
zu verbinden, während
eine Spannungsänderungseinrichtung
mit einem weiteren Operationsverstärker verbunden ist.
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Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel
ein in 33 veranschaulichtes
Steuerverfahren Anwendung findet, bei dem eine Pumpzellenspannung Vp
entsprechend einem Klemmenspannungs-Kennfeld bzw. -Kennlinienfeld
auf der Basis eines Pumpzellenstroms Ip eingestellt wird, kann erfindungsgemäß außerdem auch
ein in 34 veranschaulichtes
Steuerverfahren verwendet werden, bei dem eine Pumpzellenspannung
Vp auf der Basis eines Überwachungszellenstroms
Im durch Rückkopplung
dahingehend geregelt wird, dass der Überwachungszellenstrom Im einen
vorgegebenen Wert annimmt.
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Der Gassensor ist jedoch nicht auf
den dargestellten Aufbau beschränkt. 35 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Gassensors, bei dem die Erfindung Anwendung findet.
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Dieser, allgemein mit dem Bezugszeichen 1A bezeichnete
und insgesamt eine längliche
Konfiguration aufweisende Gassensor besitzt einen laminierten Aufbau
in Form einer Schichtanordnung, bei der in Dickenrichtung Festelektrolytschichten 151, 152, 153 aus
einem Festelektrolytmaterial wie Zirkondioxid, eine Diffusionsraten-Bestimmungsschicht 154 aus
einem Isoliermaterial wie porösem
Aluminiumoxid, eine Schicht 155 aus einem Isoliermaterial wie
Aluminiumoxid oder aus Zirkondioxid oder dergleichen sowie andere
Schichten angeordnet sind.
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Die Festelektrolytschicht 152 und
die Diffusionsraten-Bestimmungsschicht 154 sind
in Form einer einzigen Schicht zwischen der Festelektrolytschicht 151 und
der Festelektrolytschicht 153 angeordnet. Die Diffusionsraten-Bestimmungsschicht 154 ist
im Bereich der Spitze des Gassensors 1A angeordnet, während die
Festelektrolytschicht 152 in seinem unteren Bereich angeordnet
ist. Die Festelektrolytschicht 152 und die Diffusionsraten-Bestimmungsschicht 154 sind
in ihrer Dickenrichtung teilweise mit Ausnehmungen versehen, wobei
zwischen den Festelektrolytschichten 151 und 152 in
Längsrichtung des
Gassensors 1A zwei Kammern 141 und 142 ausgebildet
sind. Die Diffusionsraten-Bestimmungsschicht 154 ist im
Bereich der Spitze des Gassensors 1A angeordnet, um ein
im Außenbereich
des Gassensors 1A enthaltenes Messgas in die erste Kammer 141 einzuleiten
und um eine Verbindung zwischen der ersten Kammer 141 und
der zweiten Kammer 142 in einem Grenzbereich zwischen den
beiden Kammern 141 und 142 herzustellen.
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Auf der gegenüberliegenden Seite der Kammern 141 und 142 ist
ein Luftkanal 143 ausgebildet, wobei die Festelektrolytschicht 153 zwischenliegend angeordnet
ist und einen Teil der Kanalwand bildet. Der vordere Bereich des
Luftkanals 143 erstreckt sich bis zu einer der ersten Kammer 141 gegenüberliegenden
Position, wobei die Festelektrolytschicht 153 zwischenliegend
angeordnet ist und der Luftkanal 143 sich im unteren Bereich
des Gassensors 1A zur Atmosphäre (Umgebungsluft) hin öffnet. Wenn der
Gassensor 1A bei einer Brennkraftmaschine ' Verwendung findet,
wird der Gassensor 1A zusammen mit einer Halterung zur
Anbringung des Gassensors 1A und dergleichen in einer Öffnung der
Rohrwand eines Abgasrohrs angeordnet, wobei der Luftkanal 143 mit
dem Außenbereich
des Abgasrohrs in Verbindung steht.
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Im Bereich der ersten Kammer 141 sind
zwei Elektroden 161 und 162 an der Oberseite und
Unterseite der Festelektrolytschicht 151 einander gegenüberliegend
angeordnet, wobei sich die Festelektrolytschicht 151 zwischen
ihnen befindet und zusammen mit den Elektroden 161 und 162 eine
Pumpzelle 1d bildet. Von den die Pumpzelle 1d bildenden
Elektroden 161 und 162 besteht die in der Kammer 141 angeordnete
Elektrode 161 aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug
auf die Aufspaltung (Reduktion) von NOx inaktiv bzw, nicht reaktionsfähig ist.
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Im Bereich der ersten Kammer 141 und
des Luftkanals 143 sind an der Oberseite und der Unterseite
der Festelektrolytschicht 153 außerdem zwei Elektroden 163 und 165 einander
gegenüberliegend angeordnet,
wobei sich die Festelektrolytschicht 153 zwischen ihnen
befindet und zusammen mit den Elektroden 163 und 165 eine Überwachungszelle 1e bildet.
Von den die Überwachungszelle 1e bildenden Elektroden 163 und 165 besteht
die in der Kammer 141 angeordnete Elektrode 163 aus
einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion)
von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Die im Luftkanal
143 angeordnete
Elektrode 165 erstreckt sich bis zu dem Bereich der zweiten
Kammer 142 und ist länger
als die Elektrode 163. Auf diese Weise wirkt die Elektrode 165 als
gemeinsame Elektrode, für
eine Sensorzelle if und eine weitere Pumpzelle 1g, worauf nachstehend
noch näher
eingegangen wird.
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Im Bereich der zweiten Kammer 142 sind
an der Oberseite und der Unterseite der Festelektrolytschicht 153 zwei
Elektroden 164 und 165 einander gegenüberliegend
angeordnet, wobei sich die Festelektrolytschicht 153 zwischen
ihnen befindet und zusammen mit den Elektroden 164 und 165 die
Sensorzelle 1f bildet.
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Außerdem ist in der zweiten Kammer 142 an der
Festelektrolytschicht 151 eine Elektrode 166 ausgebildet,
wobei die Festelektrolytschichten 151 bis 153 sowie
die Elektroden 166 und 165 die weitere Pumpzelle
1g bilden. Wie bei der Sensorzelle if liegt auch bei dieser weiteren
Pumpzelle 1g eine Elektrode 166 in der zweiten Kammer 142,
während
die andere Elektrode 165 in dem Luftkanal 143 angeordnet ist.
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Von den in der zweiten Kammer 142 angeordneten
Elektroden 164 und 166 besteht die Elektrode 164 der
Sensorzelle 1f aus einem in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion)
von NOx reaktionsfähigen Edelmetall
wie Pt, während
die Elektrode 166 der weiteren Pumpzelle 1g aus einem Edelmetall
wie Au-Pt besteht,
das in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion) von NOx inaktiv bzw.
nicht reaktionsfähig
ist.
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Außerdem ist ein z.B. aus Pt
bestehendes Leitermuster in eine Schicht 155 eingebettet,
die zusammen mit der Festelektrolytschicht 153 eine Kanalwand
für den
Luftkanal 143 bildet, wodurch ein Heizelement 17 zur
Erwärmung
des gesamten Gassensors 1A erhalten wird. Dieses Heizelement 17 wird
elektrisch betrieben und erzeugt bei Erregung Joule'sche Wärme.
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Bei diesem Gassensor 1A wird
eine Klemmenspannung der Pumpzelle 1d durch Rückkopplung
auf der Basis einer in der Überwachungszelle 1e erzeugten
Quellenspannung (EMK) derart geregelt, dass die Quellenspannung
(EMK) zu einer Bezugsspannung wird, d.h., dass die Sauerstoffkonzentration
im Inneren der ersten Kammer 141 konstant wird und einen
niedrigen Wert annimmt, wobei der Sauerstoff im Inneren der ersten
Kammer 141 abgeleitet wird. Der im Inneren der mit der
ersten Kammer 141 in Verbindung stehenden zweiten Kammer 142 befindliche
Sauerstoff wird ebenfalls um einen im wesentlichen gleichen Betrag
abgeführt
bzw. verringert.
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Zusätzlich wird der im Inneren
der zweiten Kammer 142 verbleibende Sauerstoff durch die
weitere Pumpzelle 1g abgeführt.
In der Sensorzelle if fließt
ein Strom auf Grund der Aufspaltung von NOx an der in der zweiten
Kammer 142 liegenden Elektrode 164. Dieser Strom
entspricht der Konzentration von NOx in der zweiten Kammer 142.
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Auch bei dem auf diese Weise aufgebauten Gassensor 1A lässt sich
ein Zellen-Unterbrechungszustand ohne Beeinflussung durch die anderen
Zellen oder dergleichen feststellen, indem an den Zellenelektroden
eine Spannungsänderung
zur Bildung einer von der parasitären Kapazität zwischen den Elektroden abhängigen Stromänderung
herbeigeführt
wird.
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Alternativ kann die Erfindung auch
bei einem Gassensor Anwendung finden, wie er in 36 dargestellt und dort allgemein mit
dem Bezugszeichen 1B bezeichnet ist. Der Gassensor 1B weist
mit Ausnahme der Elektrodenanordnung den gleichen Aufbau wie der
Gassensor gemäß 35 auf. Bei dieser Elektrodenanordnung
ist die Elektrode 163 gemäß 35 entfallen. Die Festelektrolytschicht 151 sowie die
Elektroden 161 und 162, zwischen denen die Festelektrolytschicht 151 angeordnet
ist, bilden eine erste Pumpzelle 1d, während die Festelektrolytschichten 151 bis 153 und
die Elektroden 161 und 165 eine erste Überwachungszelle
1h bilden. Die Klemmenspannung zwischen den Elektroden 161 und 162 der
ersten Pumpzelle 1d wird durch Rückkopplung auf der Basis einer
in der ersten Überwachungszelle
1h erzeugten Quellenspannung (EMK) derart geregelt, dass die Quellenspannung
(EMK) zu einer Bezugsspannung wird, d.h., dass die Sauerstoffkonzentration
im Inneren der ersten Kammer 141 konstant wird und einen
niedrigen Wert annimmt, wobei der Sauerstoff aus dem Inneren der
ersten Kammer 141 abgeführt
wird.
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Außerdem bilden die Festelektrolytschicht 151 und
die Elektroden 166 und 162, zwischen denen die
Festelektrolytschicht 151 angeordnet ist, eine zweite Pumpzelle 1i,
während
die Festelektrolytschichten 151 bis 153 und die
Elektroden 166 und 165 eine zweite Überwachungszelle 1j bilden.
Hierbei wird die Klemmenspannung zwischen den Elektroden 166 und 162 der
zweiten Pumpzelle 1i durch Rückkopplung auf der Basis einer
in der zweiten Überwachungszelle 1j erzeugten
Quellenspannung (EMK) derart geregelt, dass die Quellenspannung (EMK)
zu einer Bezugsspannung wird, d.h., dass die Sauerstoffkonzentration
im Inneren der ersten Kammer 142 konstant wird und einen
niedrigen Wert annimmt, wobei der im Inneren der zweiten Kammer 142 befindliche
Sauerstoff abgeführt
wird.
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Die Festelektrolytschicht 153 und
die Elektroden 164 und 165, zwischen denen die
Festelektrolytschicht 153 angeordnet ist, bilden eine Sensorzelle 1f,
bei der ein Strom auf Grund der Aufspaltung von NOx an der in der
zweiten Kammer 142 liegenden Elektrode 164 fließt. Dieser
Strom entspricht der Konzentration von NOx in der zweiten Kammer 142.
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Auch bei dem auf diese Weise aufgebauten Gassensor 1B kann
ein Zellen-Unterbrechungszustand ohne Beeinflussung durch die anderen
Zellen oder dergleichen festgestellt werden, indem zwischen den
Zellenelektroden eine Spannungsänderung
zur Bildung einer von der parasitären Kapazität zwischen den Elektroden abhängigen Stromänderung
herbeigeführt
wird.
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Anstelle der in diesem Fall erfolgenden
Veränderung
einer an die Zellenelektroden anzulegenden Spannung besteht gleichermaßen auch
die Möglichkeit,
einen einer Signalleitung zugeführten
Strom zu verändern.
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Außerdem kann es zweckmäßig sein,
die Unterbrechungsermittlung nicht immer periodisch durchzuführen, sondern
eine Unterbrechungsermittlung nur dann vorzunehmen, wenn eine Zelle
sich in einem Zustand befindet, in dem keine Steuerung mehr möglich ist,
oder wenn bei einer Kraftstoff-Einspritzsteuerung oder dergleichen
unter Verwendung einer gemessenen Gaskonzentration ein ungewöhnlicher
Zustand bzw. Störzustand
auftritt.
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Bei der vorstehend beschriebenen
Vorrichtung zur Ermittlung eines Störzustands bei einem Gassensor
mit einer detektierten Zelle, bei der zwei Elektroden an einem Festelektrolytmaterial
angeordnet sind, führt
somit ein Mikrocomputer zeitweilig ein eine Wechselstromkomponente
enthaltendes Testsignal einer mit der Elektrode verbundenen Signalleitung
zu und wertet das in Abhängigkeit
von diesem Testsignal auftretende Ansprechsignal aus. Wenn kein Unterbrechungszustand
bei der Zelle vorliegt, wird das Ansprechsignal von einem Strom
gebildet, der zwischen den Elektroden auf Grund der parasitären Kapazität der Zelle
entsprechend der Wechselstromkomponente fließt. Liegt dagegen ein Unterbrechungszustand
vor, fällt
das Ansprechsignal auf den Wert 0 ab. Wenn der Messwert des Ansprechsignals unter
einen Referenzwert abfällt,
wird somit die Beurteilung getroffen, dass in der Zelle ein Unterbrechungs-Störzustand
vorliegt. Auf diese Weise lässt sich
das Vorliegen eines Unterbrechungszustands bei dem Gassensor mit
hoher Genauigkeit feststellen.