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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Gerät zur Messung
der Konzentration eines Gases.
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Gaskonzentrationsmessgeräte sind
in einer Vielzahl von Ausführungsformen
bekannt, die im wesentlichen vom Verwendungszweck abhängen. Eine dieser
Ausführungsformen,
die in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift (KOKAI) Nr. 2002-20
285 offenbart ist, bezieht sich auf ein Gerät, bei dem ein einen Grenz-
oder Sättigungsstrom
erzeugender Gaskonzentrationssensor zur Erfassung bzw. Messung der
im Abgas der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs enthaltenen
Stickoxide (NOx) Verwendung findet. Bei diesem Gerät weist
der Gaskonzentrationssensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel
einen drei Zellen umfassenden Aufbau auf, die aus einer Pumpzelle,
einer Sensorzelle und einer Überwachungszelle
bestehen. Die Pumpzelle dient zur Abführung und Einleitung von Sauerstoff
des in eine Kammer geführten
Abgases, wobei die Pumpzelle hierbei die Sauerstoffkonzentration
im Abgas ermittelt. Die Sensorzelle ermittelt die NOx-Konzentration
(d.h., die Konzentration eines bestimmten Gasbestandteils) in dem
Gas, das die Pumpzelle passiert hat, während die Überwachungszelle die in der
Kammer verbliebene Konzentration von Restsauerstoff ermittelt, nachdem
das Gas die Pumpzelle passiert hat.
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Im einzelnen kann die Ermittlung
der NOx-Konzentration hierbei dadurch erfolgen, dass ein Sensorzellenstrom
in Abhängigkeit
vom Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle gemessen und ein den
gemessenen Strom angebendes Signal über einen Analog/Digital-Umsetzer
einem Mikrocomputer zugeführt
werden. Der Mikrocomputer setzt das digitalisierte Stromsignal in
einen entsprechenden Konzentrationswert um, wodurch der Betrag der NOx-Konzentration erfasst
wird.
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Bei der Verwendung des Gaskonzentrationssensors
als Abgassensor wird das den Betrag der NOx-Konzentration angebende
Signal z.B. einer die Brennkraftmaschine steuernden elektronischen
Motorsteuereinheit zugeführt.
Die Motorsteuereinheit verwendet dieses Signal einerseits im Rahmen
einer Steuerung der Brennkraftmaschine zur Desoxidierung und Abführung von
absorbiertem NOx unter Verwendung eines NOx-Katalysators des Okklusions-Desoxidationstyps
und andererseits als Information, die im Rahmen eines sog. OBD-Systems (On-Board-Diagnosesystems)
eine Störungsdiagnose
bei Sensoren oder anderen Bauteilen bezeichnet. Wenn hierbei Vorschriften
wie diejenigen bezüglich der
On-Board-Diagnose zu beachten sind, muss die NOx-Konzentration in
einem Konzentrationsmessbereich ermittelt werden, der größer als
der bei einer normalen Steuerung bzw. Regelung verwendete Bereich
ist. Der Messbereich der NOx-Konzentration und anderer Konzentrationen
werden somit in Abhängigkeit
von den zu beachtenden Vorschriften vorgegeben.
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Wenn jedoch in der vorstehend beschriebenen
Weise die NOx-Konzentration
für mehrere
bzw. verschiedene Verwendungszwecke ermittelt wird und die Beachtung
von bestehenden Vorschriften eine Vergrößerung des Konzentrationsmessbereichs
erzwingt, führt
dies zu einer Verringerung des Auflösungsvermögens bei der Messung der NOx-Konzentration,
da ein Mikrocomputer oder andere Signal- oder Datenverarbeitungseinrichtungen üblicherweise eine
begrenzte Verarbeitungsleistung besitzen. Bei Verwendungszwecken,
die auf die Einhaltung von Vorschriften, wie der OBD-Vorschriften,
gerichtet sind, treten auch bei einem relativ geringen Auflösungsvermögen bei
der Messung der NOx-Konzentration keine Probleme auf. Bei Anwendungszwecken wie
der Motorsteuerung kann jedoch eine solche begrenzte Verarbeitungsleistung
das Problem zur Folge haben, dass eine gewünschte Konzentrationsmessgenauigkeit
nicht erzielbar ist. Da in jüngster
Zeit eine Tendenz zu einer immer stärkeren Verschärfung der Abgas-Emissionsvorschriften
besteht, ist somit eine Lösung
dieses Problems anzustreben.
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Angesichts der vorstehend beschriebenen Situation
liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gaskonzentrationsmessgerät anzugeben,
mit dessen Hilfe eine Gaskonzentration mit einer gewünschten
Messgenauigkeit für
einen beliebigen Verwendungszweck ermittelt werden kann, falls es erforderlich
ist, die die gemessene Gaskonzentration angebende Information für eine Vielzahl
von Anwendungszwecken zur Verfügung
zu stellen.
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Diese Aufgabe wird mit den in den
Patentansprüchen
angegebenen Mitteln gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät einen
Gaskonzentrationssensor, der eine erste Zelle zur Abführung von
in einem in eine Kammer geführten
Messgas enthaltenem Sauerstoff aus der Kammer und Einleitung von
Sauerstoff in die Kammer, eine zweite Zelle zur Messung der Konzentration
eines spezifischen Gasbestandteils des Gases, das die erste Zelle
passiert hat, eine dritte Zelle zur Messung der Konzentration von
Restsauerstoff in dem Gas, der nach der durch die erste Zelle erfolgten
Sauerstoffabführung
verblieben ist, und einen Gaskonzentrationsrechner aufweist, der zum
Einlesen eines von der zweiten Zelle erzeugten und mit Hilfe einer
an zumindest die zweite Zelle angelegten Spannung gemessenen Stromsignals
und Berechnung der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils
auf der Basis des von der zweiten Zelle zugeführten Stromsignals ausgestaltet
ist und eine Vielzahl von Konzentrations-Recheneinrichtungen umfasst,
deren Konzentrationsmessbereiche in Bezug zueinander unterschiedlich
ausgestaltet sind, wobei die Konzentration des spezifischen Gasbestandteils
von jeder Konzentrations-Recheneinrichtung berechnet wird.
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Der Gaskonzentrationsrechner umfasst mehrere
Konzentrations-Recheneinheiten, sodass der Maßstab ihrer Konzentrationsmessbereiche
unterschiedlich eingestellt werden kann. Das Auflösungsvermögen für die zu
messende Konzentration kann daher bei jeder dieser Konzentrations-Recheneinrichtungen
individuell eingestellt werden. Da bei einer Konzentrations-Recheneinrichtung
mit einem größeren Konzentrationsmessbereich
zwangsläufig ein
geringeres Konzentrations-Auflösungsvermögen vorliegt,
ist auf diese Weise eine höhere
Messgenauigkeit bei der Ermittlung des spezifischen Gasbestandteils
erzielbar. Bei jeder in Betracht gezogenen Verwendung kann daher
eine gewünschte
Gasmessgenauigkeit erhalten werden.
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Vorzugsweise ist der Gaskonzentrationsrechner
mit einer Vielzahl von Steuereinrichtungen versehen, denen jeweils
die von den Konzentrations-Recheneinrichtungen berechneten Konzentrationswerte
des spezifischen Gasbestandteils zugeführt werden. Auf diese Weise
kann eine Information in Relation zu den Konzentrationswerten des
spezifischen Gasbestandteils in Abhängigkeit vom jeweiligen Verwendungszweck
beliebig eingesetzt werden, was einen praxisnahen Sensoraufbau ermöglicht.
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Weiterhin ist der Gaskonzentrationssensor vorzugsweise
im Abgaskanal der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet,
wobei das durch den Abgaskanal strömende Abgas als Messgas behandelt
und die Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils des Abgases
gemessen werden, und wobei von der Vielzahl von Konzentrations-Recheneinrichtungen
eine einen kleineren Konzentrationsmessbereich aufweisende Konzentrations-Recheneinrichtung
die Berechnung der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils
zur Steuerung der Brennkraftmaschine ausführt, während eine einen größeren Konzentrationsmessbereich
aufweisende Konzentrations-Recheneinrichtung
die Berechnung der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils
zur Diagnostizierung eines Störzustands der
Brennkraftmaschine ausführt.
Die Motorsteuerung kann daher unter Verwendung einer mit höherer Genauigkeit
ermittelten Konzentration des spezifischen Gasbestandteils erfolgen,
während
die Störungsdiagnose
mit einem weniger genauen Konzentrationswert des spezifischen Gasbestandteils
erfolgen kann. Hierbei kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensors
eine NOx-Konzentration und/oder eine HC-Konzentration im Abgas ermittelt
werden.
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Die Konzentration des spezifischen
Gasbestandteils wird bei dem in der zweiten Zelle befindlichen Gas
ermittelt, das die erste Zelle passiert hat. Dieses Gas enthält noch
Restsauerstoff, was dazu führt,
dass durch den Restsauerstoff in dem von der zweiten Zelle abgegebenen
Strom ein Offset-Fehleranteil auftritt. Dieser Offset-Fehleranteil kann
jedoch durch Messung des von der dritten Zelle abgegebenen Stroms
ermittelt werden. Durch Subtraktion des Stroms der dritten Zelle
von dem Strom der zweiten Zelle lässt sich somit der Offset-Fehleranteil
des Stroms der zweiten Zelle unterdrücken, was zu einer Verbesserung
der Messgenauigkeit bei der Konzentrationsermittlung des spezifischen
Gasbestandteils führt.
Die Durchführung
einer solchen Subtraktion zur Ermittlung der Konzentration des spezifischen
Gasbestandteils ist daher zweckmäßig.
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Angesichts der Bedeutung dieser Subtraktion
weist der Gaskonzentrationssensor außerdem eine Schaltungsanordnung,
die zur Messung eines von der dritten Zelle erzeugten und mit Hilfe
einer an die dritte Zelle angelegten Spannung gemessenen Stromsignals
ausgestaltet ist, und außerdem
eine Differenzverstärkerschaltung,
der die von der zweiten und der dritten Zelle abgegebenen Stromsignale
zur Differenzverstärkung
der beiden Stromsignale zugeführt
werden, sowie einen Analog/Digital-Umsetzer zur Umsetzung des von
der Differenzverstärkerschaltung
abgegebenen Ergebnissignals in einen Digitalwert auf, wobei das
digitalisierte Signal zur Berechnung der Konzentration des spezifischen
Gasbestandteils dient.
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Bei dieser Konfiguration unterdrückt die
Differenzverstärkerschaltung
(d.h., ein Bestandteil der Schaltungsanordnung) durch den von ihr
vorgenommenen Subtraktionsvorgang vor der Analog/Digital-Umsetzung
bei dem Stromsignal der zweiten Zelle einen Offset-Fehleranteil
(der dem Stromsignal der dritten Zelle entspricht). Der Verstärkungsfaktor
der Differenzverstärkerschaltung
kann somit angehoben werden, wodurch sich der Dynamikbereich des
dem Analog/Digital-Umsetzer zuzuführenden Signals vergrößert. Dies
führt wiederum
zu einer Vergrößerung des
Auflösungsvermögens bei
der Analog/Digital-Umsetzung im Vergleich zu einer Konfiguration, bei
der das einen Offset-Fehleranteil
enthaltende Stromsignal der zweiten Zelle direkt in die Analog/Digital-Umsetzung
eingeht (üblicherweise
muss auf Grund des Offset-Fehleranteils bei dem Analog/Digital-Umsetzer
ein größerer Eingangssignalbereich vorgesehen
werden, wodurch sich das Auflösungsvermögen verringert).
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Außerdem weist der Gaskonzentrationssensor
angesichts der Bedeutung der vorstehend beschriebenen Subtraktion
vorzugsweise eine Schaltungsanordnung, die zur Messung eines von
der dritten Zelle erzeugten und mit Hilfe einer an die dritte Zelle
angelegten Spannung gemessenen Stromsignals ausgestaltet ist, und
außerdem
eine Differenzverstärkerschaltung,
der die von der zweiten und der dritten Zelle abgegebenen Stromsignale
zur Differenzverstärkung
der beiden Stromsignale zugeführt werden,
sowie einen Analog/Digital-Umsetzer zur Umsetzung des von der Differenzverstärkerschaltung
abgegebenen Ergebnissignals in einen Digitalwert auf, wobei sowohl
die Differenzverstärkerschaltung
als auch der Analog/Digital-Umsetzer
der den kleinen Konzentrationsmessbereich aufweisenden Konzentrations-Recheneinrichtung
aus der Vielzahl der Konzentrations-Recheneinrichtungen zugeordnet
ist und das digitalisierte Signal zur Berechnung der Konzentration
des spezifischen Gasbestandteils dient.
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Bei dieser Konfiguration kann zumindest
bei der Konzentrations-Recheneinrichtung mit dem kleineren Konzentrationsmessbereich
der vorstehend beschriebene Subtraktionsvorgang vor der Analog/Digital-Umsetzung
ausgeführt
werden. Hierdurch ergibt sich in ähnlicher Weise der Vorteil,
dass ein größerer Dynamikbereich
des dem Analog/Digital-Umsetzer zuzuführenden Signals erhalten wird. Durch
diesen Vorteil lässt
sich die vorstehend beschriebene Erhöhung der Genauigkeit bei der
Konzentrationsermittlung weiter verbessern, wenn eine solche Substraktionskonfiguration
in Verbindung mit der Konzentrations-Recheneinrichtung mit dem kleineren
Konzentrationsmessbereich verwendet wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät einen
Gaskonzentrationssensor, der eine erste Zelle zur Abführung von
in einem in eine Kammer geführten
Messgas enthaltenem Sauerstoff aus der Kammer und Einleitung von
Sauerstoff in die Kammer, eine zweite Zelle zur Messung der Konzentration
eines spezifischen Gasbestandteils des Gases, das die erste Zelle
passiert hat, eine dritte Zelle zur Messung der Konzentration von
Restsauerstoff in dem Gas, der nach der durch die erste Zelle erfolgten Sauerstoffabführung verblieben
ist, und einen Gaskonzentrationsrechner umfasst, der eine Schaltungsanordnung
zum Einlesen eines von der zweiten Zelle erzeugten und mit Hilfe
einer an die zweite Zelle angelegten Spannung gemessenen Stromsignals
und Einlesen eines von der dritten Zelle erzeugten und mit Hilfe
einer an die dritte Zelle angelegten Spannung gemessenen Stromsignals,
eine Differenzverstärkerschaltung,
der die von der zweiten und der dritten Zelle abgegebenen Stromsignale
zur Differenzverstärkung
der beiden Stromsignale zugeführt werden,
und einen Analog/Digital-Umsetzer
zur Umsetzung des von der Differenzverstärkerschaltung abgegebenen Ergebnissignals
in einen Digitalwert aufweist, wobei das digitalisierte Signal zur
Berechnung der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils dient.
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Auch bei dieser Konfiguration kann
die vorstehend beschriebene Subtraktion vor der Analog/Digital-Umsetzung
ausgeführt
werden. Der Vorteil einer Vergrößerung des
Dynamikbereichs des dem Analog/Digital-Umsetzers zuzuführenden
Signals lässt sich
daher auch in diesem Fall erzielen.
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Andererseits fließt der Strom durch die zweite
Zelle entsprechend der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils
in Abhängigkeit
vom Anlegen einer Spannung, wobei die Messung des Stroms erfolgt.
Bei dieser Messung zeigt das Stromsignal Schwankungen in Abhängigkeit
von der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils. Auch wenn
die Konzentration des spezifischen Gasbestandteils den gleichen
Wert beibehält,
hängt der
Strom der zweiten Zelle darüber
hinaus jedoch von der Sauerstoffkonzentration im Messgas ab. Dies
beruht darauf, dass die Aktivierungskapazität der Sensorzellenelektroden
bei einem Anstieg der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils
abnimmt und/oder der Sauerstoff-Ableitungsvorgang der Pumpzelle
bei einem Anstieg der Konzentration von Sauerstoff im Messgas zunimmt,
was zu einem übermäßigen Einströmen von
Gas in die Kammer führt.
Vorzugsweise werden daher verschiedene, nachstehend wiedergegebene Korrekturmaßnahmen
in Betracht gezogen.
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Vorzugsweise weist der Gaskonzentrationsrechner
eine Einrichtung zur Korrektur der Empfindlichkeit bei der Berechnung
der Konzentration des spezifischen Gasbestandteils in Abhängigkeit
vom jeweiligen Konzentrationswert des spezifischen Gasbestandteils
auf. Außerdem
weist vorzugsweise der Gaskonzentrationsrechner eine Einrichtung
zur Korrektur der Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit bei der Berechnung
des spezifischen Gasbestandteils in Abhängigkeit von der jeweiligen
Konzentration von in dem Messgas enthaltenem Sauerstoff auf.
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Ferner weist der Gaskonzentrationsrechner vorzugsweise
einen Speicher, in dem Kennfelddaten gespeichert sind, die festgelegt
werden, indem als Parameter sowohl die Konzentration des in dem Messgas
enthaltenen spezifischen Gasbestandteils als auch die Konzentration
von in dem Messgas enthaltenem Sauerstoff verwendet werden, eine
Einrichtung zur Einstellung eines Empfindlichkeitskorrekturkoeffizienten
unter Verwendung der Kennfelddaten in Abhängigkeit von den jeweiligen
Konzentrationen des spezifischen Gasbestandteils und des Sauerstoffs,
sowie eine Einrichtung zur Korrektur der Konzentration des spezifischen
Gasbestandteils unter Verwendung des Empfindlichkeitskorrekturkoeffizienten
auf.
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Die vorstehend beschriebenen Korrekturmaßnahmen
ermöglichen
es, dass die tatsächlichen Kennwerte
des Sensors die Grundlage für
die Berechnung der Konzentrationswerte auf der Basis der verschiedenen
gemessenen Stromsignale bilden, sodass die Gaskonzentrationsermittlung
mit höherer Genauigkeit
erfolgen kann. Weiterhin kann die vorstehend beschriebene Empfindlichkeitskorrektur
und Sauerstoff-Konzentrationsabhängigkeitskorrektur
bei jedem Sensor erfolgen, sodass bestehende Unterschiede bei den
Empfindlichkeitskennwerten der Sensoren verringert oder unterdrückt werden
können.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
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1A eine
Schnittansicht eines Gaskonzentrationssensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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1B eine
weitere Schnittansicht dieses Ausführungsbeispiels des Gaskonzentrationssensors
entlang der Linie A-A gemäß 1A,
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2A und 2B Schnittansichten entlang
der Linie 2A-2A
bzw. der Linie 2B-2B gemäß 1A, die die Anordnung von
Elektroden einer in dieses Ausführungsbeispiel
des Gaskonzentrationssensors eingebetteten Überwachungszelle und Sensorzelle
veranschaulichen,
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3 eine
Blockdarstellung der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, bei der
dieses Ausführungsbeispiel
des Gaskonzentrationssensors Verwendung findet,
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4 ein
Schaltbild, das den Aufbau einer Sensor-Steuerschaltung des Gaskonzentrationssensors
veranschaulicht,
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5 eine Übersicht
der Funktionen, die von einem in der Sensor-Steuerschaltung enthaltenen Mikrocomputer
ausgeführt
werden,
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6 eine
grafische Darstellung der bei einer Änderung der NOx-Konzentration
erhaltenen Kennlinie eines NOx-Messstroms, wobei die Nullpunktverschiebung
veranschaulicht ist,
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7 eine
weitere grafische Darstellung der bei einer Änderung der NOx-Konzentration
erhaltenen Kennlinie eines NOx-Messstroms, wobei die Sauerstoffkonzentration
als Parameter herangezogen worden ist,
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8A bis 8C Maßnahmen zur Einstellung von
Korrekturdaten,
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9 ein
Ablaufdiagramm, das die Vorgänge
zur Bildung des NOx-Konzentrationswertes veranschaulicht,
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10 ein
Ablaufdiagramm, das die Vorgänge
zur Umsetzung des NOx-Konzentrationswerts veranschaulicht,
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11 eine
Schnittansicht eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Gaskonzentrationssensors,
und
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12 eine
Schnittansicht eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels des Gaskonzentrationssensors.
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Unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
wird nun auf ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher
eingegangen, das sich auf ein Gaskonzentrationsmessgerät bezieht,
welches z.B. bei der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Verwendung
findet. Bei diesem Gaskonzentrationsmessgerät dient ein einen Grenz- oder
Sättigungsstrom
erzeugender Gaskonzentrationssensor zur Ermittlung nicht nur der
Sauerstoffkonzentration des als Messgas dienenden Abgases, sondern
auch der NOx-Konzentration
als Konzentration eines im Abgas enthaltenen spezifischen Gasbestandteils.
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Nachstehend wird unter Bezugnahme
auf die 1A und 1B zunächst der Aufbau eines Gaskonzentrationssensors 100 näher beschrieben.
Der Gaskonzentrationssensor 100 gemäß den 1A und 1B umfasst
drei Zellen, die aus einer als "erste Zelle" dienenden "Pumpzelle", einer als "zweite Zelle" dienenden "Sensorzelle" sowie einer als "dritte Zelle" dienenden "Überwachungszelle" bestehen, und stellt
somit einen Verbund-Gassensor dar, der in der Lage ist, gleichzeitig
sowohl die Sauerstoffkonzentration als auch die NOx-Konzentration
im Abgas zu ermitteln. In einigen Fällen wird die Überwachungszelle
auch als zweite Pumpzelle bezeichnet, da die Funktion der Überwachungszelle
insofern derjenigen der Pumpzelle ähnelt als die Überwachungszelle ebenfalls
die Funktion einer Ableitung des Sauerstoffs aus dem Gas in der
Kammer hat. 1A zeigt
eine Schnittansicht des Schichtenaufbaus an der Spitze des Gaskonzentrationssensors 100,
während 1B eine Schnittansicht entlang
der Linie A-A gemäß 1A zeigt.
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Der Gaskonzentrationssensor 100 besitzt plättchenförmig ausgebildete
Festelektrolyten bzw. Festelektrolytschichten 141 und 142,
die beide aus einem Sauerstoffionen leitenden Material bestehen, sowie
ein Distanzstück 143,
das aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid besteht. Das Distanzstück 143 dient
zur getrennten Anordnung der Festelektrolytschichten 141 und 142 in
einem bestimmten Abstand zueinander, wie dies in 1A dargestellt ist. Von den beiden Festelektrolytschichten 141 und 142 besitzt
die an der Oberseite angeordnete Festelektrolytschicht 141 ein
durch sie hindurchgehendes Nadelloch 141a. Dieses Nadelloch 141a ermöglicht ein
Hindurchtreten des im Bereich des Gassensors 100 befindlichen
Abgases, sodass das Gas in eine zwischen den Festelektrolytschichten 141 und 142 ausgebildete
erste Kammer 144 fließt.
Diese erste Kammer 144 steht mit einer zweiten Kammer 146 über eine
Membran 145 in Verbindung. Mit der Bezugszahl 147 ist
in 1A eine poröse Diffusionsschicht
bezeichnet.
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Entlang der anderen, in 1A unten angeordneten Festelektrolytschicht 142 ist
eine Pumpzelle 110 ausgebildet, die der ersten Kammer 144 gegenüberliegt.
Die Pumpzelle 110 dient zur Abführung und Zuführung von
Sauerstoff aus dem bzw. zu dem in die erste Kammer 144 geleiteten
Abgas, wobei die Pumpzelle während
dieser Abführung
oder Zuführung
des Sauerstoffs die Konzentration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs
ermittelt. Die Pumpzelle 110 ist mit einem Elektrodenpaar
aus einer oberen Elektrode 111 und einer unteren Elektrode 112 versehen, die auf
beiden Seiten der Festelektrolytschicht 142 angeordnet
sind. Von diesen beiden Elektroden 111 und 112 ist
insbesondere die in der ersten Kammer 144 angeordnete Elektrode 111 als
NOx-inerte Elektrode ausgestaltet (d.h., als Elektrode, die in Bezug auf
das NOx-Gas widerstandsfähig
ist). Die Pumpzelle 110 dient zur Aufspaltung des in der
ersten Kammer 144 befindlichen Sauerstoffs und Abführung des
aufgespaltenen Sauerstoffs über
die Elektrode 112 in einen mit der Atmosphäre bzw.
Umgebungsluft in Verbindung stehenden Luftverbindungskanal 150.
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Außerdem sind entlang der Festelektrolytschicht 141 eine Überwachungszelle 120 und
eine Sensorzelle 130 gegenüber der zwischen den Festelektrolytschichten 141 und 142 ausgebildeten
zweiten Kammer 146 angeordnet. Die Überwachungszelle 120 dient
zur Erzeugung einer Quellenspannung (EMK) in Abhängigkeit von der Konzentration
von Restsauerstoff in der zweiten Kammer 146 oder zur Erzeugung
eines Stromausgangssignals in Abhängigkeit von einer an sie angelegten
Spannung, während
die Sensorzelle 130 zur Ermittlung der Konzentration von
NOx in dem Abgas dient, das die Pumpzelle 110 passiert
hat.
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Insbesondere sind bei diesem Ausführungsbeispiel
die Überwachungszelle 120 und
die Sensorzelle 130 in der in 1B veranschaulichten Weise in der Strömungsrichtung
des Abgases parallel zueinander angeordnet, sodass beide Zellen
der Gasströmung
in gleicher Weise ausgesetzt sind. Eine gemeinsame Elektrode 122,
die bei beiden Zellen 120 und 130 Verwendung findet,
ist an der Festelektrolytschicht 141 derart angeordnet,
dass sie in einem mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung stehenden
Luftverbindungskanal 148 liegt. Die Überwachungszelle 120 besteht
somit aus der Festelektrolytschicht 141 und den an beiden
Seiten der Festelektrolytschicht 141 angebrachten beiden
Elektroden 121 und 122, die bei zwischenliegender
Festelektrolytschicht 141 einander gegenüberliegend
angeordnet sind. In ähnlicher
Weise wie die Überwachungszelle 120 besteht
die Sensorzelle 130 aus der Festelektrolytschicht 141 und
den an beiden Seiten der Festelektrolytschicht 141 angebrachten
beiden Elektroden 131 und 122, die bei zwischenliegender
Festelektrolytschicht 141 einander gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Zwischen den beiden Zellen 120 und 130 besteht
jedoch ein Unterschied. Die in der zweiten Kammer 146 angeordnete
Elektrode 121 der Überwachungszelle 120 besteht
nämlich
aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf ein NOx-Gas inert
ist, während
die in der zweiten Kammer 146 angeordnete Elektrode 131 der
Sensorzelle 130 aus einem Edelmetall wie Platin Pt oder
Rhodium Rh besteht, das in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist.
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2A zeigt
eine Schnittansicht (entlang der Linie 2A-2A gemäß 1A), die bei Betrachtung der Elektroden
sowohl der Überwachungszelle 120 als auch
der Sensorzelle 130 von der zweiten Kammer 146 her
erhalten wird, während 2B eine Schnittansicht (entlang
der Linie 2B-2B gemäß 1A) zeigt, die bei Betrachtung
der Elektroden der Zellen 120 und 130 vom Luftverbindungskanal 148 her
erhalten wird. Wie aus diesen Schnittansichten ersichtlich ist,
sind die Überwachungszelle 120 und
die Sensorzelle 130 derart angeordnet und aufgebaut, dass sie
den gleichen Abgas-Einleitungsabstand
aufweisen. Dies hat zur Folge, dass die Messempfindlichkeit in Bezug
auf den entlang der Pumpzelle 110 auftretenden Restsauerstoff
bei der Überwachungszelle 120 und
der Sensorzelle 130 gleich ist, was zu einer höheren Messgenauigkeit
bei der Gaskonzentrationsermittlung führt.
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Die Anordnung der Elektroden der
beiden Zellen 120 und 130 ist jedoch nicht auf
die in 2A dargestellte
Parallelanordnung in der Abgas-Strömungsrichtung beschränkt. Alternativ
können
die Zellen 120 und 130 an zwei unterschiedlichen
Positionen in der Abgas-Strömungsrichtung
angeordnet werden (d.h., an vorgegebenen rechten und linken Positionen
in 2A). So kann z.B.
die Überwachungszelle 120 an
einer stromauf gelegenen Position (der linken Position in 2A) angeordnet sein, während die
Sensorzelle 130 an einer stromab gelegenen Position (der
rechten Position in 2B)
angeordnet ist. Als weitere Modifikation kann die einzige gemeinsame
Elektrode 122 durch zwei Elektroden ersetzt werden, die
jeweils für
die Zelle 120 bzw. die Zelle 130 Verwendung finden.
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Wie in den 1A und 1B veranschaulicht ist,
ist eine aus Aluminiumoxid oder einem anderen Material bestehende
Isolierschicht 149 an der anderen Seite der Festelektrolytschicht 142 angebracht, sodass
der vorstehend beschriebene Luftverbindungskanal 150 zwischen
den Schichten 149 und 142 ausgebildet ist. In
der Isolierschicht 149 ist ein Heizelement 151 zur
Erwärmung
des gesamten Sensors 100 eingebettet. Das Heizelement 151 erzeugt Wärmeenergie
bei externer Zuführung
von Energie aus dem Außenbereich
des Sensors 100, wodurch der gesamte Sensor 100 mit
der Pumpzelle 110, der Überwachungszelle 120 und
der Sensorzelle 130 aktiviert wird.
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Der in der vorstehend beschriebenen
Weise aufgebaute Gaskonzentrationssensor 100 arbeitet folgendermaßen: Das
Abgas wird über
die poröse Diffusionsschicht 147 und
das Nadelloch 141a in die erste Kammer 144 geführt. Da
eine Spannung Vp an die beiden Elektroden 111 und 112 der
Pumpzelle 110 angelegt wird, kommt es im Abgas zu einer
Aufspaltungsreaktion, wenn das Gas die Pumpzelle 110 passiert.
In Abhängigkeit
von der Konzentration des Sauerstoffs in der ersten Kammer 144 wird
somit von der Pumpzelle 110 Sauerstoff eingeleitet und
abgeführt.
Da die auf der Seite der ersten Kammer angeordnete Elektrode 111 in
Bezug auf die NOx-Gasbestandteile inert ist, erfolgt durch die Pumpzelle 110 keine
Aufspaltung des im Abgas enthaltenen NOx. Somit wird nur der Sauerstoff
aufgespalten, bevor er in den Luftverbindungskanal 150 abgeführt wird. Hierbei
wird ein durch die Pumpzelle 110 fließender Strom (der nachstehend
als "Pumpzellenstrom
Ip" bezeichnet ist)
zur Ermittlung der Konzentration des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs
gemessen.
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Nach Passieren der Pumpzelle 110 wird
das Abgas sodann in die zweite Kammer 146 geführt, sodass
die Überwachungszelle 120 ein
Ausgangssignal in Abhängigkeit
von der Konzentration des Restsauerstoffs in dem in der zweiten
Kammer 146 befindlichen Abgas erzeugt. Durch Anlegen einer
Spannung Vm mit einer vorgegebenen Amplitude an die beiden Elektroden 121 und 122 der Überwachungszelle 120 wird
hierbei ermöglicht,
dass das Ausgangssignal der Überwachungszelle 120 als Überwachungszellenstrom
Im erfasst werden kann. Außerdem
wird durch Anlegen einer Spannung Vs mit einer vorgegebenen Amplitude
an die Elektroden 131 und 122 der Sensorzelle 130 eine
Reduktionsaufspaltung der NOx-Bestandteile des Abgases bewirkt, wodurch
Sauerstoff erzeugt wird. Dieser Sauerstoff wird über den Luftverbindungskanal 148 abgeführt. Hierbei
wird der durch die Sensorzelle 130 fließende Strom (der nachstehend
als "Sensorzellenstrom
Is" bezeichnet ist)
zur Ermittlung der Konzentration des im Abgas enthaltenen NOx gemessen.
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Im übrigen wird die Pumpzelle 110 hierbei dahingehend
gesteuert, dass die an die Pumpzelle 110 angelegte Klemmenspannung
bei jeder Änderung
der Sauerstoffkonzentration des Abgases (d.h., des Pumpzellenstroms
Ip) verändert
wird. So wird z.B. ein Klemmenspannungs-Kennfeld auf der Basis der
Grenzstrom-Charakteristik
bzw. -Kennlinie der Pumpzelle 110 erstellt und zur Steuerung
der angelegten Klemmenspannung Vp in Abhängigkeit vom jeweiligen Pumpzellenstrom
Ip verwendet. Die angelegte Klemmenspannung wird somit derart gesteuert, dass
sie umso höher
ist, je höher
die Sauerstoffkonzentration des Abgases ist.
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Das Anlegen der Klemmenspannung Vp
an die Pumpzelle 110 ist jedoch nicht zwangsläufig auf die
vorstehend beschriebene Vorgehensweise beschränkt. So kann z.B. die Klemmenspannung
Vp auch durch Rückkopplung
derart geregelt werden, dass die Konzentration des Restsauerstoffs
in der zweiten Kammer 146 einen konstanten Wert annimmt
(d.h., der Überwachungszellenstrom
Im einen konstanten Wert annimmt).
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Die vorstehend beschriebene Steuerung
der Klemmenspannung Vp ermöglicht
eine schnelle Abführung
des in dem in die erste Kammer 141 eingeführten Abgas
enthaltenen Sauerstoffs, während
die Konzentration des Restsauerstoffs nach der Abführung des
Sauerstoffs auf einem gewünschten
niedrigen Konzentrationswert gehalten werden kann.
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Wie vorstehend beschrieben, wird
somit nach der über
die Pumpzelle 110 erfolgten Abführung des im Abgas enthaltenen überschüssigen Sauerstoffs
das eine gewünschte
niedrige Konzentration an Restsauerstoff aufweisende Gas sowohl
der Überwachungszelle 120 als
auch der Sensorzelle 130 zugeführt. Bei der Überwachungszelle 120 kann somit
die Messung des Überwachungszellenstroms Im
erfolgen, der die Konzentration des Restsauerstoffs wiedergibt,
während
bei der Sensorzelle 130 die Messung des Sensorzellenstroms
Is erfolgen kann, der die Konzentration von NOx im Abgas wiedergibt.
Bei dieser Messung wird angestrebt, dass die Sensorzelle 130 einen
Stromwert misst, der sich ausschließlich aus der Reduktionsaufspaltung
des NOx im Abgas ergibt. Tatsächlich
enthält
der Messwert jedoch einen Stromanteil, der auf den restlichen Sauerstoff
im Gas (einen geringen Anteil von Sauerstoff im Gas) zurückzuführen ist.
Anders ausgedrückt enthält der gemessene
Sensorzellenstrom Is einen von der NOx-Reaktion herrührenden
Stromanteil sowie einen weiteren Stromanteil, der sich aus der Reaktion
des Restsauerstoffs ergibt. Von diesen beiden Stromanteilen führt der
auf der Reaktion des Restsauerstoffs beruhende Stromanteil zu einer
höheren Offset-Fehlerkomponente.
-
Zur Unterdrückung dieser Offset-Fehlerkomponente
im Sensorzellenstrom Is wird bei diesem Ausführungsbeispiel folgende Maßnahme in
Betracht gezogen: Der gemessene Überwachungszellenstrom
Im wird vom gemessenen Sensorzellenstrom Is subtrahiert, um ein
die NOx-Konzentration
angebendes Ausgangssignal auf der Basis der Differenz "Is – Im" zu bilden. In der
nachstehenden Beschreibung wird aus Vereinfachungsgründen der
Wert "Is – Im" als "NOx-Messstrom" bezeichnet.
-
Im Rahmen der Beschreibung des nachstehenden
Ausführungsbeispiels
stellt der Sensorzellenstrom Is ein "zweites Zellenstromsignal" dar, während der Überwachungszellenstrom
Im ein "drittes Zellenstromsignal" darstellt.
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3 zeigt
den Aufbau eines Abgassystems einer Diesel-Brennkraftmaschine 10. Wie 3 zu entnehmen ist, ist
die Brennkraftmaschine 10 über einen Abgaskrümmer 11 mit
einem Abgaskanal 12 verbunden. In dem Abgaskanal 12 sind
ein NOx-Katalysator 13 des
Okklusions-Reduktionstyps, ein Diesel-Partikelfilter 14 sowie ein
Oxidationskatalysator 15 in dieser Reihenfolge angeordnet.
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Der NOx-Katalysator 13 des
Okklusions-Reduktionstyps weist einen z.B. aus Aluminiumoxid bestehenden
Katalysatorträger
bekannter Art auf. Auf diesem Katalysatorträger sind zwei Stoffe aus zumindest
einem aus einem Kalium K, Natrium Na, Lithium Li und Cäsium Cs
umfassenden Alkalimetall, einem Barium Ba und Calcium Ca umfassenden
erdalkalischen Element und einem Lanthan La und Yttrium Y umfassenden
Seltenerdmetall ausgewählten
Stoff sowie ein Edelmetall wie Platin Pt aufgebracht. Bei einem
mageren Luft/Kraftstoffverhältnis
des Abgases findet durch den NOx-Katalysator 13 des
Okklusions-Reduktionstyps eine Absorption von NOx statt. Wenn dagegen
ein fettes Luft/Kraftstoffverhältnis
des Abgases vorliegt, führt
der Katalysator 13 das absorbierte NOx ab und desoxidiert
das NOx unter Verwendung des im Abgas enthaltenen HC und CO zu einem
Stickstoffgas. Das Partikelfilter 14 nimmt beim Hindurchtreten
des Abgases die im Abgas enthaltenen Partikel auf. Der Oxidationskatalysator 15 führt eine
oxidierende Reaktion bei den HC- und CO-Anteilen des Abgases herbei,
sodass beim Ausstoß des Abgases
H2O und CO2 erzeugt
werden.
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Der vorstehend beschriebene Gaskonzentrationssensor 100 ist
im Abgaskanal 12 in einer vorgegebenen Position zwischen
dem Partikelfilter 14 und dem Oxidationskatalysator 15 angeordnet.
Der Gaskonzentrationssensor 100 dient somit zur Ermittlung
der Sauerstoffkonzentration und der NOx-Konzentration in dem sowohl durch den
NOx-Katalysator 13 des Okklusions-Reduktionstyps als auch
durch das Partikelfilter 14 hindurchgetretenen Abgas.
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Mit dem Gaskonzentrationssensor 100 ist eine
Sensor-Steuerschaltung 200 elektrisch
verbunden, die als "Gaskonzentrationsrechner" dient. Mit der Sensor-Steuerschaltung 200 ist
wiederum eine elektronische Motor-Steuereinheit (Motor-ECU) 300 elektrisch
verbunden, die als "Steuereinrichtung" dient.
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Das vorliegende Ausführungsbeispiel
ist bezüglich
der Kraftstoffeinspritzung in die Brennkraftmaschine 10 derart
ausgestaltet, dass die Verbrennungsregelung eines Magergemischs
ausgeführt wird.
Zur Realisierung dieser Regelung überprüft die elektronische Motor-Steuereinheit 300 den
von der Sensor-Steuerschaltung 200 zugeführten NOx-Konzentrationswert
zur Durchführung
einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelung
im geschlossenen Regelkreis in einem mageren Bereich einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Kennlinie
in Verbindung mit anderen Steuer- bzw. Regelvorgängen, wie der Abführung von
absorbiertem und gespeichertem NOx und einer Entschwefelungsregeneration
bei dem NOx-Katalysator 13 des Okklusions-Reduktionstyps.
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Nachstehend wird unter Bezugnahme
auf 4 der Schaltungsaufbau
der Sensor-Steuerschaltung 200 näher beschrieben.
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Die Sensor-Steuerschaltung 200 umfasst normalerweise
jeweilige Spannungszuführungsschaltungen
und Strommessschaltungen für
die Pumpzelle 110, die Überwachungszelle 120 und
die Sensorzelle 130. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 4 sind jedoch aus Vereinfachungsgründen die
zugehörigen
Schaltungen für
die Pumpzelle 110 nicht dargestellt, sodass nur die elementare
Schaltungskonfiguration für
sowohl die Überwachungszelle 120 als
auch die Sensorzelle 130 wiedergegeben sind.
-
Wie in 4 veranschaulicht
ist, umfasst die Sensor-Steuerschaltung 200 einen
bekannten Mikrocomputer 201 mit einer Zentraleinheit CPU,
Analog/Digital-Umsetzern (die in der Figur mit der repräsentativen
Bezugszahl 2011 bezeichnet sind), Digital/Analog-Umsetzern
sowie E/A-Kanälen bzw. -Schnittstellen.
Die anderen Bauelemente außer
den Analog/Digital-Umsetzern 2011, d.h., die Zentraleinheit
CPU, die Digital/Analog-Umsetzer und die E/A-Kanäle bzw. -Schnittstellen sind
in der Figur nicht dargestellt. Die Sensor-Steuerschaltung 200 besitzt einen
gemeinsamen Elektrodenanschluss 251, der elektrisch mit
der gemeinsamen Elektrode 122 der Überwachungszelle 120 und
der Sensorzelle 130 verbunden ist, einen Sensorzellen-Elektrodenanschluss 252,
der elektrisch mit der Elektrode 131 der Sensorzelle 130 verbunden
ist, sowie einen Überwachungszellen-Elektrodenanschluss 253,
der elektrisch mit der Elektrode 121 der Überwachungszelle 120 verbunden
ist.
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Von den vorstehend genannten Anschlüssen 251 bis 253 ist
der gemeinsame Elektrodenanschluss 251 elektrisch mit einer
Ansteuerschaltung 254 für
die gemeinsame Elektrode 122 verbunden. Der Sensorzellen-Elektrodenanschluss 252 ist
elektrisch mit einer Ansteuerschaltung 255 für die Sensorzellenelektrode
verbunden. Die Ansteuerschaltung 255 dient zur Ermittlung
des Sensorzellenstroms Is unter Verwendung eines Stromdetektorwiderstands 255a,
d.h., die Potentiale an den beiden Endanschlüssen des Stromdetektorwiderstands 255a werden
erfasst und einer Differenzverstärkerschaltung 256 zugeführt. Diese Differenzverstärkerschaltung 256 besitzt
einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor
für die
Verstärkung
der Differenz zwischen den Potentialen an den beiden Endanschlüssen des
Stromdetektorwiderstands 255a (wobei diese Potentialdifferenz
einem bestimmten Betrag des Sensorzellenstroms Is entspricht). Der
verstärkte Sensorzellenstrom
Is wird sodann den nachgeschalteten Schaltungsanordnungen zugeführt.
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Mit dem Überwachungszellen-Elektrodenanschluss 253 ist
eine Ansteuerschaltung 257 für die Überwachungszellenelektrode
elektrisch verbunden. Diese Ansteuerschaltung 257 dient
zur Erfassung des Überwachungszellenstroms
Im unter Verwendung eines weiteren Stromdetektorwiderstands 257a,
d.h., die Potentiale an den beiden Endanschlüssen des Stromdetektorwiderstands 257a werden
erfasst und einer Differenzverstärkerschaltung 258 zugeführt. Diese
Differenzverstärkerschaltung 258 besitzt
einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor zur
Verstärkung
der Differenz zwischen den Potentialen an den beiden Endanschlüssen des
Stromdetektorwiderstands 257a (wobei diese Potentialdifferenz
einem bestimmten Betrag des Überwachungszellenstroms
Im entspricht). Der verstärkte Überwachungszellenstrom
Im wird sodann den nachgeschalteten Schaltungsanordnungen zugeführt.
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Die Ausgangssignale der beiden Differenzverstärkerschaltungen 256 und 258 werden
nicht nur den Analog/Digital-Umsetzern 2011 des Mikrocomputers 201,
sondern auch einer weiteren Differenzverstärkerschaltung 259 zugeführt. Diese
Differenzverstärkerschaltung 259 verstärkt unter
Verwendung eines vorgegebenen Verstärkungsfaktors die Differenz
zwischen den Ausgangssignalen der beiden Differenzverstärkerschaltungen 256 und 258,
wobei die verstärkte
Differenz als Ausgangssignal einem der Analog/Digital-Umsetzer 2011
des Mikrocomputers 201 zugeführt wird. Der jeweilige Verstärkungsfaktor der
Differenzverstärkerschaltungen 256 und 258 ist z.B.
ungefähr
auf den Wert 1,3 eingestellt, während der
Verstärkungsfaktor
der Endstufen-Differenzverstärkerschaltung 259 ungefähr auf den
Wert 4 eingestellt ist.
-
5 zeigt
die Funktionskonfiguration des in der Sensor-Steuerschaltung 200 angeordneten
Mikrocomputers 201. In Begriffen seiner Funktionen ist der
Mikrocomputer 201 mit einem ersten Rechner 211 für die Ausgabe
des NOx-Konzentrationswertes an
die Motorsteuerung und einem zweiten Rechner 212 für die Ausgabe
eines weiteren NOx-Konzentrationswertes
an das OBD-System (On-Board-Diagnosesystem)
versehen. Diese Rechner 211 und 212 dienen als
jeweilige Konzentrations-Recheneinrichtung.
-
Der erste und der zweite Rechner
sind zur jeweiligen Berechnung der NOx-Konzentrationswerte in unterschiedlichen
Messbereichen ausgestaltet. Bei dem ersten Rechner 211 findet
ein erster Messbereich von 0 bis 100 ppm Verwendung, während bei dem
zweiten Rechner 212 ein zweiter Messbereich von 0 bis 300
ppm Verwendung findet.
-
Der NOx-Konzentrationswert für die Motorsteuerung
kann für
die nachstehend beschriebenen Verwendungszwecke eingesetzt werden.
Bei einer Abgasanlage, bei der in der vorstehend beschriebenen Weise
im Abgaskanal 12 der NOx-Katalysator 13 des Okklusions-Reduktionstyps
angeordnet ist, erfordert die Verbrennungsregelung eines Magergemischs,
dass der Katalysator 13 eine erhebliche Menge an NOx absorbiert.
Hierdurch nimmt das NOx-Absorptionsvermögen des Katalysators 13 allmählich ab.
Diese Abnahme des Absorptionsvermögens des NOx-Katalysators 13 wird
durch Überwachung
des die NOx-Konzentration angebenden Ausgangssignals festgestellt
und, falls erforderlich, kurzzeitig ein angefettetes Gemisch zur
Erzielung einer NOx-Desoxidation eingeregelt, um das absorbierte NOx
aus dem Katalysator zu entfernen. Ein weiterer Verwendungszweck
bezieht sich auf den im Kraftstoff enthaltenen Schwefel. Das NOx-Absorptionsvermögen des
NOx-Katalysators 13 leidet nämlich auch unter einer allmählichen
Schwefelverschmutzung. Es ist daher möglich, das Ausmaß einer
solchen Schwefelverschmutzung durch Überwachung des die NOx-Konzentration
angebenden Ausgangssignals zu bestimmen und, falls erforderlich,
ein geringfügig angefettetes
Gemisch zur Regenerierung einzuregeln. Ein weiterer Verwendungszweck
liegt in der Bestimmung des Verschlechterungsgrades der Eigenschaften
des Gaskonzentrationssensors 100 durch Überwachung des die NOx-Konzentration angebenden
Ausgangssignals.
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Gemäß den OBD-Vorschriften ist
die NOx-Konzentration in einem weiten Messbereich zu ermitteln,
der größer als
der für
die normale Steuerung verwendete Messbereich ist, d.h., das Ausgangssignal
der NOx-Konzentration für
die Motorsteuerung wird im Bereich von 0 bis 100 ppm ermittelt,
während
das Ausgangssignal der NOx-Konzentration für das OBD-System im Bereich
von 0 bis 300 ppm ermittelt wird.
-
Der erste Rechner 211 ist
zum Einlesen des digitalisierten Wertes des NOx-Messstroms "Is – Im" ausgestaltet, der
das von der Differenzverstärkerschaltung 259 berechnete
Ergebnis darstellt. Unter Verwendung des eingelesenen digitalisierten
Wertes führt
der erste Rechner 211 aufeinanderfolgend eine NOx-Konzentrationsumsetzungsverarbeitung,
eine Störungsunterdrückungsverarbeitung
sowie eine CAN-Ausgangssignalverarbeitung
durch. Der zweite Rechner 212 ist zum Einlesen der digitalisierten
Werte sowohl des Sensorzellenstroms Is als auch des Überwachungszellenstroms
Im, d.h., der Ausgangssignale der Differenzverstärkerschaltungen 256 und 258,
ausgestaltet und führt
sodann aufeinanderfolgend eine "Is – Im"-Subtraktionsverarbeitung, eine NOx-Konzentrationsumsetzungsverarbeitung,
eine Störungsunterdrückungsverarbeitung
sowie eine CAN-Ausgangssignalverarbeitung
unter Verwendung der eingelesenen digitalisierten Werte durch.
-
Dem zweiten Rechner 212 werden
der Sensorzellenstrom Is und der Überwachungszellenstrom Im jeweils über verschiedene
Analog/Digital-Umsetzer 2011 zugeführt, woraufhin die eingelesenen
Ströme
Is und Im dem Subtraktionsvorgang "Is – Im" unterzogen werden.
Wie vorstehend beschrieben, enthält
der Sensorzellenstrom Is einen Offset-Fehleranteil, der derart groß wird (z.B.
bis zu etwa 100 nA), dass er nicht länger vernachlässigbar
ist. Der physikalische Maximalwert bzw. Messbereichs-Endwert des
den Sensorzellenstrom Is erfassenden Analog/Digital-Umsetzers (einer
der Analog/Digital-Umsetzer 2011) sollte sich daher über den
für das
System erforderlichen gesamten NOx-Konzentrationsmessbereich und den Offset-Fehleranteil
erstrecken.
-
Wenn somit der zweite Rechner 211 einen NOx-Konzentrationsmessbereich
von 0 bis 300 ppm und einen maximalen Sensorzellenstrom von 1200 nA
aufweist, erfordert dies unter Hinzufügung einer Toleranz zu einer
Offset-Komponente
von 1000 nA, dass der Analog/Digital-Umsetzer einen vollen Messbereich
von 2600 nA umfasst. Da ein universeller Analog/Digital-Umsetzer
mit 10 Bits ein Auflösungsvermögen von
2,5 nA/LSB (= 2600 nA/1024) besitzt, entspricht dies in Werten der
NOx-Konzentration einem Auflösungsvermögen von
ungefähr
1 ppm/LSB.
-
Dem ersten Rechner 211 wird
dagegen über einen
der Analog/Digital-Umsetzer 2011 das Ausgangssignal der Differenzverstärkerschaltung 259 zugeführt (d.h.,
der NOx-Messstrom "Is – Im"). In diesem Fall
ist in dem NOx-Messstrom "Is – Im" kein Offset-Fehleranteil
enthalten, da die Offset-Fehlerkomponente bereits unterdrückt worden
ist. Es ist somit ausreichend, wenn der physikalische Maximalwert bzw.
Messbereichs-Endwert des Dynamikbereichs des Analog/Digital-Umsetzers,
d.h., der Maximalwert des NOx-Messstroms, innerhalb des für das System erforderlichen
NOx-Konzentrationsmessbereichs liegt.
-
Wenn somit der erste Rechner 211 für einen NOx-Konzentrationsmessbereich
von 0 bis 100 ppm ausgestaltet ist und der NOx-Messstrom einen Maximalwert
von 400 nA annimmt, wird ein Messbereichs-Endwert des Analog/Digital-Umsetzers von 600
nA unter Berücksichtigung
der Hinzufügung
einer Toleranz erhalten. Dies führt
zu einem Auflösungsvermögen von
0,59 nA/LSB (= 600 nA/1024). Das Auflösungsvermögen des ersten Rechners 211 beträgt somit
ungefähr
das Vierfache des Auflösungsvermögens des
zweiten Rechners 212 und entspricht bei Umsetzung in NOx-Konzentrationswerte annähernd 0,2
ppm/LSB.
-
In den letzten Jahren sind bei der
Verbesserung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine
sowie der Verringerung der ausgestoßenen NOx-Menge erhebliche
Fortschritte erzielt worden. Unter diesen Gegebenheiten erfordert
die Motorsteuerung die Messung der Konzentration von NOx mit einer
Genauigkeit von ca. einigen ppm. Der erste Rechner 211 ist
somit in der Lage, diese strikten Anforderungen in ausreichendem
Maße zu
erfüllen.
-
Die von den Rechnern 211 und 212 jeweils ausgeführte NOx-Konzentrationsumsetzung
beinhaltet eine Verarbeitung zur Erzielung einer NOx-Konzentrationskorrektur.
Diese Korrektur erfolgt unter Verwendung von Korrekturdaten, die
in einem Speicher (z.B. einem Flash-ROM) des Mikrocomputers 201 vorgespeichert
sind. Durch diese Korrektur werden Schwankungen der Empfindlichkeit
des Gaskonzentrationssensors 100 und Unterschiede zwischen den
einzelnen Sensoren ausgeglichen. Die korrigierten NOx-Konzentrationswerte
werden sodann einer Störungsunterdrückungsverarbeitung
wie einer gleitenden Mittelwertbildung oder Rundung unterzogen, um
Störungen
bzw. Störsignalanteile
aus dem die Konzentration angebenden Signal zu entfernen. Das von
Störsignalanteilen
befreite Signal wird sodann mit Hilfe der CAN-Ausgangssignalverarbeitung und der Digital/Analog-Umsetzer
der elektronischen Motorsteuereinheit ECU 300 zugeführt.
-
Hierbei umfasst die NOx-Konzentrationskorrektur
Korrekturvorgänge
wie eine "Korrektur
von Nullpunktverschiebungen",
eine "Korrektur
der Sensorzellenempfindlichkeit" und
eine "Korrektur
der Sauerstoffkonzentrationsabhängigkeit", auf die nachstehend
näher eingegangen
wird. Da jeder dieser Korrekturvorgänge von Sensor zu Sensor in
Bezug auf den gewünschten
Korrekturwert unterschiedlich ausfällt, ist daher auch ein Ausgleich
von Abweichungen der Eigenschaften der einzelnen Sensoren erforderlich.
Hierbei bezieht sich jeder der vorstehend genannten Korrekturvorgänge auf
den NOx-Messstrom "Is – Im".
-
Korrektur
von Nullpunktverschiebungen
-
Wenn davon ausgegangen wird, dass
in einer Umgebungsatmosphäre
mit einer Sauerstoffkonzentration von 0% die NOx-Konzentration 0
ppm beträgt,
sollte der NOx-Messstrom
grundsätzlich
den Wert 0 aufweisen, was jedoch in der Praxis nicht der Fall ist.
Wie dies in 6 veranschaulicht
ist, kommt es z.B. zu Nullpunktverschiebungen (bei dem in 6 veranschaulichten Fall
zu einer Nullpunktverschiebung von 60 nA). Der Betrag von 60 nA
entspricht bei Umsetzung in eine NOx-Konzentration einem Konzentrationswert
von 20 ppm oder dergleichen, was eine nicht mehr vernachlässigbare
Nullpunktverschiebung darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird somit ein
Korrekturwert zur Korrektur der Nullpunktverschiebung bestimmt,
wodurch sich das Problem der Nullpunktverschiebung lösen lässt.
-
Korrektur
der Sensorzellenempfindlichkeit
-
Die Messempfindlichkeit der Sensorzelle 130 verringert
sich bei einem Anstieg der NOx-Konzentration in einem gewissen Ausmaß. Ein Vergleich zwischen
einem Bereich geringerer Konzentration von NOx (0 bis 100 ppm) und
einem Bereich höherer Konzentration
von NOx (100 bis 300 ppm) bei dem in 6 dargestellten Fall zeigt, dass der
erstere Bereich eine höhere
Steigung als der letztere Bereich aufweist, sodass der erstere Bereich
in Bezug auf die Messung des NOx-Stroms eine höhere Empfindlichkeit aufweist.
Dies liegt daran, dass bei steigender NOx-Konzentration das Reaktionsvermögen der Sensorzellenelektrode
(NOxreaktionsfähige
Elektrode) abnimmt, sodass sich der Sensorzellenstrom verringert.
So ändert
sich z.B. die Empfindlichkeit geringfügig bei einer NOx-Konzentration
von 100 ppm (was zu der in 6 dargestellten Änderung
der Steigung führt).
Wie dem in 6 dargestellten
praktischen Beispiel zu entnehmen ist, beträgt die Änderung des NOx-Messstroms
bei einer Konzentrationsänderung
von 100 ppm (0 bis 100 ppm) im unteren Konzentrationsbereich 315,5
nA, während
die Änderung
des NOx-Messstroms bei einer Konzentrationsänderung von 100 ppm (100 bis
200 ppm) im höheren
Konzentrationsbereich 310,4 nA beträgt. Wie aus diesen, in der
Praxis erhaltenen Zahlenwerten ersichtlich ist, besteht zwischen
dem Bereich geringer Konzentration und dem Bereich höherer Konzentration
eine Empfindlichkeitsdifferenz von 1 bis 2 ppm oder dergleichen.
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Der gesamte Messbereich der NOx-Konzentration
wird daher in mehrere Einzelbereiche unterteilt und den Bereichen
jeweils ein entsprechender Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient
zugeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird dem Bereich geringer Konzentration von 0 bis 100 ppm sowie
dem Bereich höherer
Konzentration von 100 bis 300 ppm jeweils ein Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient
zugeordnet. Diese Korrektur dient zum Ausgleich der in dem Bereich
höherer
Konzentration auftretenden Empfindlichkeitsverschiebung.
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Korrektur
der Sauerstoff-Konzentrationsabhängigkeit
-
Wie in 7 veranschaulicht
ist, zeigt der NOx-Messstrom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration
des Abgases Schwankungen, auch wenn die Konzentration von NOx gleich
bleibt. Hierbei besteht insbesondere die Tendenz, dass diese Schwankungen
umso größer ausfallen,
je höher
die Sauerstoffkonzentration ist, was auf die nachstehend beschriebene
Ursache zurückzuführen ist.
Durch die Pumpzelle 110 wird der die Messung von NOx behindernde
Sauerstoff aus der ersten Kammer 144 zwar abgeführt, jedoch
wird gleichzeitig eine gewisse Menge an Abgas, die der Menge des
abgeführten Sauerstoffs
entspricht, erneut in die erste Kammer 144 eingeführt. Diese
zusätzliche
Einleitung von Abgas vergrößert die
Menge an NOx, was zur Folge hat, dass der NOx-Messstrom (d.h., der
Sensorzellenstrom) umso größer ist,
je höher
die Sauerstoffkonzentration im Abgas ist. 7 veranschaulicht, dass sich die Unterschiede
in der Sauerstoffkonzentration sowohl in Form von Differenzen der
numerischen Werte von Nullpunktverschiebungen als auch in Differenzen
der Steigungswerte des NOx-Messstroms widerspiegeln.
-
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden Korrekturdaten,
wie Korrekturwerte für
die Nullpunktverschiebung angebende Daten und Korrekturkoeffizienten
für die
Empfindlichkeit, in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Werten der Sauerstoffkonzentration erstellt.
Auf diese Weise werden auf die jeweilige Sauerstoffkonzentration
bezogene Korrekturdaten zur Korrektur der Konzentration des Sauerstoffs
verwendet. Diese Korrekturdaten sind z.B. als Kennwerte in einem
Speicher gespeichert.
-
Nachstehend werden die Vorgänge zur
Einstellung dieser Korrekturdaten näher beschrieben.
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Zunächst wird ein Gasmodellaufbau
zur Messung der Kennwerte eines einzustellenden Sensors verwendet.
Als Messbedingungen wird z.B. die Konzentration von Sauerstoff auf
jeweils 0, 10 und 20% eingestellt, während die Konzentration eines NOx-Gases
jeweils auf 0, 100 und 300 ppm eingestellt wird. Unter diesen Bedingungen
werden der Pumpzellenstrom und der NOx-Messstrom (d.h., die Werte
des Sensorzellenstroms und des Überwachungszellenstroms)
gemessen. 8A zeigt die Messergebnisse
des Pumpzellenstroms bei einer Sauerstoffkonzentration von 0, 10
und 20%, während 8B die Messergebnisse des
NOx-Messstroms bei
einer NOx-Konzentration von jeweils 0, 100 und 300 ppm und jeweiligen
Sauerstoffkonzentrationen von 0, 10 und 20% zeigt.
-
Diese Messergebnisse werden zur Berechnung
von Korrekturdaten verwendet. 8C zeigt praktische
Werte, die bei einer Sauerstoffkonzentration von 0, 10 und 20% erhalten
werden. Nachstehend werden diese Korrekturdaten näher erläutert, wobei
eine Sauerstoffkonzentration von 0% als Beispiel in Betracht gezogen
ist.
-
Bei einer Sauerstoffkonzentration
von 0% nimmt der NOx-Messstrom
einen Wert von 60 nA an, wenn die NOx-Konzentration auf 0 ppm eingestellt ist,
sodass dieser Wert (60 nA) des NOx-Messstroms als Korrekturwert
für Nullpunktverschiebungen
verwendet wird. Wenn ferner der Messbereich der NOx-Konzentration
in zwei Bereiche unterteilt wird, die in der vorstehend beschriebenen
Weise aus einem unteren und einem oberen Bereich bestehen, wird
der Punkt, an dem die Bereiche ineinander übergehen, von dem Wert des
NOx-Messstroms gebildet, der bei einer NOx-Konzentration von 100 ppm erhalten wird.
Auf diese Weise wird ein NOx-Messstrom von 375,46 nA als Bereichsbestimmungswert
verwendet. Für
den unteren und den oberen Bereich wird auf diese Weise ein Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient
in Form einer Einheit von ppm/nA erstellt.
-
Im einzelnen wird für den unteren
Konzentrationsbereich von 0 bis 100 ppm ein Änderungsbetrag der Konzentration über diesen
Bereich (d.h., 100 ppm) durch einen Änderungsbetrag von NOx-Messströmen (d.h.,
einen Strom mit dem Betrag "375,46 nA – 60 nA") dividiert, wodurch
ein Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient von 0,317 [ppm/nA] erhalten wird.
Gleichermaßen
wird für
den oberen Konzentrationsbereich von 100 bis 300 ppm ein Änderungsbetrag
der Konzentration über
diesen höheren
Bereich (d.h., über
200 ppm) durch einen Änderungsbetrag von
NOx-Messströmen
(d.h., einen Strom des Betrags "996,58
nA – 375,46
nA") geteilt, wodurch
ein weiterer Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient von 0,322 [ppm/nA]
erhalten wird. In ähnlicher
Weise lassen sich die für
eine Sauerstoffkonzentration von 10% und 20% erforderlichen Korrekturdaten
berechnen.
-
Wie vorstehend beschrieben, werden
die Korrekturdaten in Speicher, wie Flash-ROM-Speicher, im Werk
des Speicherherstellers eingeschrieben, bevor die Speicher versandt
werden. Der Versand der Speicher kann mit Identifizierungscodes
wie Strichcodes oder QR-Codes (d.h., zweidimensionalen Codes) erfolgen.
In einem solchen Fall (d.h., bei Verwendung von Identifizierungscodes)
ist es nicht immer erforderlich, die Gaskonzentrationssensoren und
ihre zugehörigen
Steuerschaltungen gleichzeitig bzw. miteinander zu versenden. Auf
der Basis der Identifizierungscodes kann nämlich ein Fahrzeughersteller
die Korrekturdaten auch selbst einlesen bzw. einschreiben, wodurch
sich der erforderliche Aufwand in den Logistik- und Verwaltungsabteilungen verringert.
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Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf
einen Fall bezieht, bei dem der Messbereich der NOx-Konzentration
in zwei Bereiche unterteilt ist, die aus einem unteren und einem
oberen Bereich mit einem jeweiligen eigenen Empfindlichkeitskorrekturkoeffizienten
bestehen, stellt dies natürlich
keine Einschränkung
dar. Der Messbereich der NOx-Konzentration kann auch in drei oder
mehr Bereiche unterteilt werden. So kann z.B. der Messbereich in
drei Bereiche von 0 bis 100 ppm, 100 bis 200 ppm und 200 bis 300
ppm entsprechend den vorliegenden Konzentrationswerten unterteilt
werden. In diesem Fall wird jedem der drei Teilbereiche ein eigener
Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient zugeordnet, wobei die bei den
NOx-Konzentrationswerten 100 ppm und 200 ppm jeweils erhaltenen
Zahlenwerte des NOx-Messstroms als Bereichsbestimmungswerte verwendet werden
können.
Durch Vergrößerung der
Anzahl der Teilbereiche lässt
sich eine höhere
Genauigkeit bei der Konzentrationskorrektur erzielen und damit die Messgenauigkeit
bei der Ermittlung der NOx-Konzentration
verbessern.
-
Nachstehend wird der von dem Mikrocomputer 201 durchgeführte Vorgang
zur Ausgabe des NOx-Konzentrationswerts
unter Bezugnahme auf 9 näher beschrieben.
-
Gemäß dem Ablaufdiagramm nach 9 wird in einem Schritt
S110 ermittelt, ob eine vorgegebene Zeitdauer (bei diesem Ausführungsbeispiel
z.B. 4 ms) seit der letzten Ermittlung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses
(der Sauerstoffkonzentration) und der NOx-Konzentration verstrichen
ist oder nicht. Diese vorgegebene Zeitdauer entspricht einer Messperiode der
NOx-Konzentration. Wenn im Schritt 5110 das Ergebnis JA erhalten
wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 5120 über, bei dem die von dem Gaskonzentrationssensor 100 abgegebenen
Stromsignale über die
Analog/Digital-Umsetzer 2011 in den Mikrocomputer 201 eingelesen
werden. Die eingelesenen digitalen Stromsignale umfassen den Sensorzellenstrom Is,
den Überwachungszellenstrom
Im sowie den NOx-Messstrom "Is – Im". Der digitalisierte
Sensorzellenstrom Is und der Überwachungszellenstrom
Im werden nach ihrem Einlesen der Berechnung von "Is – Im" unterzogen.
-
In einem Schritt 5130 wird sodann
der NOx-Messstrom in eine entsprechende NOx-Konzentration umgesetzt
(d.h., die NOx- Konzentrationsumsetzungsverarbeitung
wird ausgeführt).
Diese Umsetzung umfasst einen NOx-Konzentrationsumsetzungsvorgang, bei
dem die vorstehend beschriebenen Korrekturdaten Verwendung finden.
Der Ablauf geht dann auf einen Schritt 5140 über, bei dem die umgesetzte
NOx-Konzentration einer Störungsunterdrückungsverarbeitung
auf der Basis einer gleitenden Mittelwertbildung oder einer Rundung
unterzogen wird. In einem Schritt 5150 erfolgt die CAN-Ausgangssignalverarbeitung,
wobei die Analog/Digital-Umsetzer 2011 zur
Ausgabe der NOx-Konzentration Verwendung finden.
-
Nachstehend wird unter Bezugnahme
auf 10 auf die im Schritt
5130 erfolgende NOx-Konzentrationsumsetzungsverarbeitung
näher eingegangen.
-
In einem Schritt S131 wird unter
Verwendung einer Tabelle bzw. eines Kennfeldes auf der Basis des
jeweiligen Pumpzellenstroms Ip ein Korrekturwert für die Nullpunktverschiebung
des NOx-Messstroms (Is – Im)
berechnet. In den Daten dieser Tabelle bzw. dieses Kennfeldes sind
die Korrekturdaten gemäß 8C enthalten. Diese Tabellen-
bzw. Kennfelddaten dienen zur Berechnung des Korrekturwerts für die Nullpunktverschiebung.
Bei einem Pumpzellenstrom Ip von 1,25 mA wird z.B. ein Nullpunktverschiebungs-Korrekturwert
von 63 nA berechnet. In einem Schritt 5132 wird sodann der Bereichsbestimmungswert
auf der Basis des Pumpzellenstroms Ip unter Verwendung einer Tabelle
bzw. eines Kennfeldes berechnet. Wenn wie im vorstehenden Fall der
Pumpzellenstrom Ip = 1,25 mA beträgt, wird ein Bereichsbestimmungswert
von 406,6 nA berechnet.
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Sodann wird in einem Schritt 5133
ermittelt, ob der jeweilige NOx-Messstrom kleiner als der berechnete
Bereichsbestimmungswert ist oder nicht. Wenn dieser Bestimmungsvorgang
ergibt, dass der NOx-Messstrom kleiner als der berechnete Bereichsbestimmungswert
ist, geht der Ablauf auf einen Schritt 5134 über, bei dem der Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient
für den
unteren bzw. niedrigeren Konzentrationsbereich (dem Bereich von
0 bis 100 ppm) unter Verwendung einer Tabelle bzw. eines Kennfeldes
berechnet wird. Wenn dagegen ermittelt wird, dass der NOx-Messstrom
gleich oder größer als der
berechnete Bereichsbestimmungswert ist, geht der Ablauf auf einen
Schritt 5135 über,
bei dem der Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient für den oberen bzw.
höheren
Konzentrationsbereich (dem Bereich von 100 bis 300 ppm) unter Verwendung
einer Tabelle bzw. eines Kennfeldes berechnet wird. Wenn wie im
vorstehenden Fall angenommen wird, dass der Pumpzellenstrom Ip =
1,25 mA beträgt,
wird z.B. für den
unteren Konzentrationsbereich ein Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient
von 0,291 [ppm/nA] erhalten.
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Schließlich werden in einem Schritt
5136 die in der vorstehend beschriebenen Weise berechneten Korrekturdaten
zur Berechnung der NOx-Konzentration aus dem jeweiligen NOx-Messstrom
verwendet. Wenn hierbei z.B. der NOx-Messstrom 372,3 nA beträgt, gehen
der vorstehend beschriebene Nullpunktverschiebungs-Korrekturwert
(63 nA) und der Empfindlichkeitskorrekturkoeffizient (0,291 ppm/nA]) folgendermaßen in die
Berechnung ein: NOx-Konzentration [ppm] = (372,3 – 63) 0,291
= 90,0
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Bei diesem Rechenvorgang wird somit
eine NOx-Konzentration von 90,0 erhalten.
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Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
besitzt die folgenden, nachstehend näher beschriebenen Vorteile.
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Der Mikrocomputer 201 besitzt
funktionsmäßig die
beiden Rechner in Form des ersten Rechners 211 und des
zweiten Rechners 212, wobei verschiedene (untere und obere)
Konzentrationsmessbereiche bei diesen Rechnern 211 und 212 jeweils
eingestellt sind. Auf diese Weise wird den Rechnern 211 und 212 jeweils
ein vorgegebenes Auflösungsvermögen in Bezug
auf die NOx-Konzentrationswerte verliehen, sodass bei jeder Anwendung
eine gewünschte
Genauigkeit bei der Ermittlung einer Gaskonzentration erhalten werden
kann. So ist insbesondere bei diesem Ausführungsbeispiel der erste Rechner 211 in
der Lage, seine Rechenkapazität
für eine
sehr genaue NOx-Konzentrationsermittlung zu deren Verwendung bei
der Motorsteuerung zur Verfügung
zu stellen, während
der zweite Rechner 212 für die Ermittlung einer NOx-Konzentration
in einem größeren Bereich
zu deren Verwendung bei der Störungsdiagnose
zur Verfügung
steht.
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Ferner ist die Sensor-Steuerschaltung 200 derart
aufgebaut, dass ein in dem Sensorzellenstrom enthaltener Offset-Fehleranteil (d.h.,
ein durch den Überwachungszellenstrom
gegebener Anteil) durch den Differenzverstärker 259 unterdrückt wird.
Der Verstärkungsfaktor
des Differenzverstärkers 259 kann
daher vergrößert werden,
wodurch der Dynamikbereich des Analog/Digital-Umsetzers (d.h., eines der
Analog/Digital-Umsetzer 2011) auf einen höheren Wert eingestellt werden
kann. Hierdurch kann das Auflösungsvermögen des
Analog/Digital-Umsetzers in Abhängigkeit
von der Vergrößerung des
Verstärkungsfaktors
verbessert werden. Diese Konfiguration zur Erzielung eines höheren Auflösungsvermögens ist
insbesondere bei der dem ersten Rechner 211 vorgeschalteten
Schaltungsanordnung vorgesehen, wodurch eine Steigerung der Genauigkeit
bei der Ermittlung der NOx-Konzentration gewährleistet ist.
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Darüber hinaus umfasst die NOx-Konzentrationsumsetzung
auch die Durchführung
der Korrektur von Nullpunktverschiebungen, der Korrektur der Sensorzellenempfindlichkeit
sowie der Korrektur der Sauerstoff-Konzentrationsabhängigkeit.
Auf diese Weise werden die tatsächlichen
Kennwerte eines jeden Gaskonzentrationssensors zuverlässig bei
der NOx-Konzentrationsumsetzung
berücksichtigt.
Hierdurch ist eine weitere Verbesserung der Genauigkeit bei der
NOx-Konzentrationsermittlung
erzielbar. Die vorstehend beschriebenen verschiedenen Korrekturen
können
individuell bei jedem Sensor vorgenommen werden, sodass sich individuelle
Unterschiede zwischen den Gaskonzentrationssensoren ausgleichen
lassen.
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Erfindungsgemäß kann darüber hinaus eine Vielzahl von
Modifikationen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels in Betracht
gezogen werden.
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Eine erste Modifikation betrifft
die Anordnung des Differenzverstärkers.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 5 ist der Differenzverstärker 259 vor
dem Analog/Digital-Umsetzer in der mit dem ersten Rechner 211 verbundenen
Leitungsführung
angeordnet, sodass der NOx-Messstrom "Is – Im" von dem Differenzverstärker 259 ermittelt
werden kann. Alternativ kann der Differenzverstärker jedoch auch vor dem Analog/Digital-Umsetzer in der mit
dem zweiten Rechner 212 verbundenen Leitungsführung zur
Ermittlung des NOx-Messstroms "Is – Im" angeordnet sein.
Eine weitere Alternative besteht darin, dass der erste Rechner derart
ausgestaltet wird, dass er als einer Analog/Digital-Umsetzung zu
unterziehende Eingangssignale sowohl den Sensorzellenstrom Is als
auch den Überwachungszellenstrom
Im ohne Durchführung
des Subtraktionsvorgangs direkt erhält (d.h., ohne die von dem
Differenzverstärker ausgeführte Berechnung
eines NOx-Messstroms).
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Eine zweite Modifikation betrifft
die Anzahl der Rechner. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
finden zwei Rechner (d.h., der erste und der zweite Rechner) Verwendung,
deren Funktionen von dem Mikrocomputer 201 realisiert werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern es können auch
drei oder mehr Rechner Verwendung finden.
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Eine dritte Modifikation bezieht
sich auf die Art der Berechnung der NOx-Konzentration. Bei dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird die NOx-Konzentration
unter Verwendung des NOx-Messstroms "Is – Im" berechnet, der durch
Subtraktion des (einem Offset-Fehleranteil
entsprechenden) Überwachungszellenstroms
Im von dem Sensorzellenstrom Is erhalten wird. Statt dessen kann
die NOx-Konzentration jedoch auch nur aus dem Sensorzellenstrom
(d.h., ohne Verwendung des Überwachungszellenstroms)
berechnet werden, was folgenden Grund hat: Der Überwachungszellenstrom ist von
der Konzentration von Restsauerstoff in der Kammer abhängig. Wenn
davon ausgegangen werden kann, dass die Pumpzelle die Konzentration
des Restsauerstoffs konstant hält,
kann der in dem Sensorzellenstrom enthaltene Offset-Fehlerstrom
als konstant angesehen werden. Wenn somit der Offset-Fehlerstrom als konstant
angesehen bzw. behandelt wird, erübrigt sich die ansonsten erforderliche Messung
des Überwachungszellenstroms.
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Eine vierte Modifikation betrifft
einen anderen Aufbau des Gaskonzentrationssensors. Bei dem vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel weist
der Gaskonzentrationssensor den in den 1A und 1B veranschaulichten
Aufbau auf, jedoch kann der Gaskonzentrationssensor statt dessen
auch in der in 11 veranschaulichten
Weise aufgebaut sein.
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Der Gaskonzentrationssensor 400 gemäß 11 weist plättchenartige
Elemente 401 bis 404 auf, die jeweils aus einem
Festelektrolyten (z.B. aus Zirkondioxid) bestehen und in Schichtbauweise übereinander
angeordnet sind. Zwischen den plättchenartigen
Elementen 401 und 403 sind eine erste Kammer 406 und
eine zweite Kammer 407 ausgebildet, indem der Zwischenraum
durch den Gasdurchtritt bestimmende Schichten 405a und 405b unterteilt wird.
Ein mit der Atmosphäre
bzw. Umgebungsluft in Verbindung stehender Luftverbindungskanal 404 ist in
dem plättchenförmigen Element
404 gemeinsam mit dem gegenüberliegend
angeordneten plättchenartigen
Element 403 ausgebildet. Ein Heizelement 409 ist
in das plättchenartige
Element 404 eingebettet.
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Der Gaskonzentrationssensor 400 umfasst eine
erste Pumpzelle 410, eine zweite Pumpzelle 420,
eine Sensorzelle 430 und eine Überwachungszelle 440,
die in Form einer Schichtanordnung vorgesehen sind, wobei die Festelektrolytschichten
zwischen ihnen liegen, was ein wesentliches Merkmal des Gaskonzentrationssensors 400 darstellt.
Bei dieser Schichtanordnung weist die erste Pumpzelle 410 zwei
Elektroden 411 und 412 auf, an die eine Spannung
Vp1 angelegt wird, wobei ein in Abhängigkeit vom Anlegen dieser
Spannung fließender
erster Pumpzellenstrom Ip1 gemessen wird. Die zweite Pumpzelle 420 besitzt
zwei Elektroden 413 und 414, an die eine Spannung
Vp2 angelegt wird, wobei ein in Abhängigkeit vom Anlegen dieser
Spannung fließender
zweiter Pumpzellenstrom Ip2 gemessen wird. In ähnlicher Weise weist die Sensorzelle 430 zwei Elektroden 414 und 415 auf,
an die eine Spannung Vs angelegt wird, wobei ein in Abhängigkeit
vom Anlegen dieser Spannung fließender Sensorzellenstrom Is
gemessen wird. Bei der Überwachungszelle 440 wird
ein zwischen zwei Elektroden 414 und 416 erzeugtes Quellenspannungssignal
Vm gemessen.
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Über
die die Durchtrittsrate bestimmende Schicht 405a wird das
Abgas in die erste Kammer 406 geführt. Der größte Teil des im Abgas enthaltenen
Sauerstoffs wird durch die Messung der Quellenspannung Vm an der Überwachungszelle 440 erfasst und über die
Elektrode 411 abgeführt,
indem die an die erste Pumpzelle 410 angelegte Spannung
Vp1 in Abhängigkeit
von der Quellenspannung Vm gesteuert wird. Das verbleibende Gas
wird über
die Durchtrittsraten-Bestimmungsschicht 405b in die zweite Kammer 407 geführt, wobei
der in dem verbleibenden Gas enthaltene Restsauerstoff an der zweiten Pumpzelle 420 in
Abhängigkeit
von der angelegten Spannung Vp2 aufgespalten und auf diese Weise
in den Luftverbindungskanal 408 abgeleitet wird. Der NOx-Anteil
des Gases wird an der Sensorzelle 430 in Abhängigkeit
von der angelegten Spannung Vs aufgespalten und auf diese Weise
in den Luftverbindungskanal 408 abgeleitet. Der NOx-Konzentrationswert
wird auf der Basis des in Abhängigkeit
von der angelegten Spannung fließenden Sensorzellenstroms Is
berechnet. Bei dem Gaskonzentrationssensor 400 gemäß 11 entsprechen die erste
Pumpzelle 410, die Sensorzelle 430 und die zweite
Pumpzelle 420 jeweils der ersten Zelle, der zweiten Zelle bzw.
der dritten Zelle.
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Eine fünfte Modifikation betrifft
einen weiteren Aufbau des Gaskonzentrationssensors, der durch den
Gaskonzentrationssensor 400 gemäß 12 veranschaulicht ist, welcher eine
weitere Modifikation der Anordnung gemäß 11 darstellt. Dieser Sensor ist derart
aufgebaut, dass bei der ersten Pumpzelle 410 eine Spannung
Vp1 an die beiden Elektroden 411 und 412 angelegt
und der in Abhängigkeit
vom Anlegen dieser Spannung fließende erste Pumpzellenstrom
Ip1 gemessen wird. Bei der Pumpzelle 420 wird eine Spannung
Vp2 an die beiden Elektroden 411 und 413 angelegt
und ein in Abhängigkeit
vom Anlegen dieser Spannung fließender zweiter Pumpzellenstrom
Ip2 gemessen. Bei der Sensorzelle 430 wird an die Elektroden 414 und 415 eine
Spannung Vs angelegt, um einen in Abhängigkeit vom Anlegen dieser
Spannung fließenden
Sensorzellenstrom Is zu messen. Weiterhin wird bei einer ersten Überwachungszelle 450 zwischen
den Elektroden 412 und 414 ein Quellenspannungssignal Vm1
gemessen, während
bei einer zweiten Überwachungszelle 460 zwischen
den Elektroden 413 und 414 ein Quellenspannungssignal
Vm2 gemessen wird.
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Der Gaskonzentrationssensor 400 gemäß 12 wird in der nachstehend
beschriebenen Weise betrieben. Über
die Durchtrittsraten-Bestimmungsschicht 405a wird Abgas
in die erste Kammer 406 geführt, woraufhin der größte Teil
des im Abgas enthaltenen Sauerstoffs durch Messung der Quellenspannung
Vm1 an der ersten Überwachungszelle 450 ermittelt
und über
die Elektrode 411 durch Steuerung der an die erste Pumpzelle 410 angelegten Spannung
Vp1 in Abhängigkeit
von der Quellenspannung Vm1 abgeführt wird. Das verbleibende
Gas wird über
die Durchtrittsraten-Bestimmungsschicht 405b in
die zweite Kammer 407 geführt. In der zweiten Kammer 407 wird
der im Gas enthaltene Restsauerstoff durch Messung des Quellenspannungssignals Vm2
an der zweiten Überwachungszelle 460 ermittelt und über die
Elektrode 411 durch Steuerung der an die zweite Pumpzelle 420 angelegten
Spannung Vp2 in Abhängigkeit
von dem Quellenspannungssignal Vm2 nach außen abgeführt. Das im Abgas enthaltene
NOx wird durch Anlegen der Spannung Vs aufgespalten, bevor es in
den Luftverbindungskanal 408 abgeführt wird. Der in Abhängigkeit
von der angelegten Spannung fließende Sensorzellenstrom Is
wird sodann zur Berechnung der Konzentration von NOx verwendet.
Bei dem Gaskonzentrationssensor 400 gemäß 12 entsprechen die erste Pumpzelle 410, die
Sensorzelle 430 und die zweite Pumpzelle 420 jeweils
der ersten Zelle, der zweiten Zelle bzw. der dritten Zelle.
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Der erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor
ist nicht auf Anwendungen zur Ermittlung der NOx-Konzentration beschränkt, sondern
kann auch zur Ermittlung bzw. Messung der Konzentrationen von HO
und CO Verwendung finden, die hier als Beispiele für spezifische
Gasbestandteile angeführt
werden. In solchen Fällen
dient die Pumpzelle zur Abführung
des in einem zu messenden Gas enthaltenen Restsauerstoffs, während eine
Sensorzelle zur Aufspaltung von HC- oder CO-Bestandteilen eines
Gases dient, aus dem der Restsauerstoff bereits abgeführt worden
ist, wobei die Konzentration der HC- oder CO-Anteile gemessen wird.
Darüber
hinaus kann der erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor
natürlich
auch für
andere Zwecke als für
eine Verwendung bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, d.h., es
können
auch Gase unterschiedlicher anderer Art als das Abgas eines Kraftfahrzeugs
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Sensors
detektiert werden.
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Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung wird
auf die gesamte Offenbarung der am 10. Oktober 2002 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-297 773 einschließlich der
Beschreibung, der Patentansprüche,
der Zeichnungen und der Zusammenfassung in ihrer Gesamtheit Bezug genommen.
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Wie vorstehend beschrieben, umfasst
das erfindungsgemäße Gaskonzentrationsmessgerät somit
einen Gaskonzentrationssensor sowie einen Gaskonzentrationsrechner.
Der Sensor umfasst eine erste, zweite und dritte Zelle. Ein zu messendes
Gas wird in eine Kammer geführt,
wobei die erste Zelle dazu dient, Sauerstoff aus der Kammer abzuführen und
in die Kammer einzuleiten. Die zweite Zelle ermittelt die Konzentration
eines spezifischen Gasbestandteils des Gases, das die erste Zelle
passiert hat. Die dritte Zelle ermittelt die Konzentration von Restsauerstoff
in dem Gas, das nach der durch die erste Zelle erfolgten Abführung des
Sauerstoffs verblieben ist. Der Rechner liest einen von der zweiten
Zelle erzeugten und mit Hilfe einer an die zweite Zelle angelegten
Spannung gemessenen Strom ein und berechnet die Konzentration des
spezifischen Gasbestandteils auf der Basis dieses Stroms. Der Rechner umfasst
mehrere Konzentrations-Recheneinrichtungen, deren Konzentrationsmessbereiche
unterschiedlich ausgestaltet sind bzw. einen unterschiedlichen Maßstab aufweisen.
Hierbei wird die Konzentration des spezifischen Gasbestandteils
von jeder Konzentrations-Recheneinrichtung berechnet.