DE10352802A1

DE10352802A1 - Fehlererfassungssystem und -verfahren

Info

Publication number: DE10352802A1
Application number: DE10352802A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Toyota Suzuki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2004-07-08
Also published as: JP2004163273A; US20040089060A1; JP3753122B2

Abstract

Ein Fehlererfassungssystem zur Erfassung eines Fehlers in einem Sensor (50) auf der Grundlage eines Widerstands eines Sensorelements (88, 90, 92) umfasst eine Erfassungseinrichtung, die den Widerstand des Sensorelements erfasst, und eine Erfassungseinrichtung (60), die das Sensorelement erwärmt. Das System berechnet einen akkumulierten Wert einer Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung oder einen akkumulierten Wert eines charakteristischen Werts bzw. Eigenschaftswerts, der der Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung entspricht, und erfasst einen Fehler in dem Sensor auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Fehlererfassungssystem und -verfahren sowie insbesondere ein Fehlererfassungssystem und -verfahren zur Erfassung eines Fehlers in einem Sensorelement, das erwärmt wird, um auf eine geeignete Temperatur eingestellt zu werden.
2. Beschreibung des betreffenden Standes der Technik
Es ist ein Verfahren zum Erfassen eines Fehlers oder einer Anomalie in einem Abgassensor oder dergleichen bekannt, indem der Widerstand eines Sensorelements des Sensors erfasst wird und ein Fehler auf der Grundlage des Widerstandes des Sensorelements erfasst wird. Der Abgassensor oder dergleichen wird durch eine Heizbeziehungsweise Erwärmungseinrichtung erwärmt, nachdem er gestartet ist. Bei dem Fehlererfassungsverfahren muss folglich der Widerstand des Sensorelements unter einem Zustand erfasst werden, bei dem der Sensor auf eine geeignete Betriebstemperatur ausreichend erwärmt worden ist.

Um das vorstehend genannte Erfordernis zu erfüllen, ist in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-271475 ( JP-A-8-271475 ) ein Verfahren zum Bestimmen eines Erwärmungszustands des Sensors offenbart, indem ein akkumulierter Wert oder Endwert einer der Erwärmungseinrichtung zugeführten elektrischen Leistung berechnet wird. Gemäß diesem Verfahren wird, wenn der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungsleistung größer oder gleich einem vorbestimmten Wert nach einem Start des Sensors wird, bestimmt, dass der Sensor um einen bestimmten Grad erwärmt ist.

Wenn der Widerstand des Sensorelements innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, wenn der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungsleistung den vorbestimmten Wert erreicht hat, wenn nämlich bestimmt wird, dass der Sensor um einen bestimmten Grad erwärmt worden ist, wird bestimmt, dass der Sensor normal ist, nämlich dass der Sensor normal arbeitet. Wenn der Widerstand des Sensorelements außerhalb des vorbestimmten Bereichs in diesem Zustand ist, wird bestimmt, dass sich das Sensorelement in einem derartigen Ausmaß verschlechtert hat, dass es eine Korrelation beziehungsweise Wechselbeziehung zwischen dem Widerstand des Sensorelements und der Elementtemperatur verändert oder beeinflusst oder dass die Erwärmungseinrichtung eine anormale Erwärmungsfunktion aufweist.

In dem Verfahren, wie es in der vorstehend genannten Veröffentlichung offenbart ist, ist jedoch eine Berechnung der Erwärmungseinrichtungsleistung zur Bestimmung des erwärmten Zustands des Sensors erforderlich. Um die Erwärmungsleistung zu berechnen, ist es erforderlich, eine an Erwärmungseinrichtungsanschlüsse angelegte Spannung und einen Strom, der durch die Erwärmungseinrichtung fließt, zu erfassen. Somit muss eine Schaltung zur Erfassung der Spannung und des Stroms separat bereitgestellt werden. Ebenso macht die Erfassung der Spannung und des Stroms einen Steuerungsalgorithmus unerwünscht kompliziert.

Des Weiteren sind, da die Erwärmungseinrichtungsleistung aus dem erfassten Spannungswert und Stromwert berechnet werden muss, eine Schaltung sowie eine arithmetische Berechnung zur Berechnung der Erwärmungseinrichtungsleistung separat erforderlich, was eine vergrößerte Komplexität bei einer Steuerungsschaltung des Systems und dem Steuerungsalgorithmus zur Folge hat.

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, ein Fehlererfassungssystem bereitzustellen, das mit einer minimierten Schaltungsanordnung und vereinfachten Steuerungsalgorithmen arbeitet. Weiterhin ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Fehlererfassungsverfahren bereitzustellen, das mit einer minimierten Schaltungsanordnung und vereinfachten Steuerungsalgorithmen implementiert ist.

Diese Aufgaben werden durch die in den beigefügten Patentansprüchen definierten Maßnahmen gelöst.

Um die vorstehend genannten und/oder weitere Aufgaben zu erfüllen, ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Fehlererfassungssystem zur Erfassung eines Fehlers in einem Sensor auf der Grundlage eines Widerstands eines Sensorelements bereitgestellt, das (a) Erfassungseinrichtungen zur Erfassung des Widerstands des Sensorelements, (b) Erwärmungseinrichtungen zur Erwärmung des Sensorelements und (c) Akkumuliereinrichtungen zur Berechnung eines akkumulierten Werts einer Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung oder eines akkumulierten Werts eines charakteristischen Wertes bzw. Eigenschaftswerts, der der Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung entspricht, sowie (d) eine Fehlererfassungseinrichtung zur Erfassung eines Fehlers in dem Sensor auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts umfasst.

In dem vorstehend beschriebenen Fehlererfassungssystem kann die Temperatur des Sensorelements aus dem akkumulierten Wert ohne Verwendung einer komplizierten Logik geschätzt werden und eine Fehlererfassung kann auf der Grundlage des Widerstandes des Sensorelements ausgeführt werden, die mit der Temperatur korreliert ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das System ferner eine Einrichtung zur Gewinnung eines Einschaltdauerwertes, der die Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung darstellt, als den charakteristischen Wert oder Eigenschaftswerts, wobei die Akkumuliereinrichtung den akkumulierten Wert des Einschaltdauerwertes berechnet. Mit dieser Anordnung kann die Temperatur des Sensorelements mit einer einfachen Logik geschätzt werden, indem der Einschaltdauerwert als ein Befehlssignal an die Erwärmungseinrichtung akkumuliert wird.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das System ferner eine Einrichtung zum Vergleichen des akkumulierten Wertes mit einem vorbestimmten Wert, wobei die Fehlererfassungseinrichtung auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements bestimmt, ob der Sensor fehlerhaft ist, wenn der akkumulierte Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert wird.

Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Widerstand des Sensorelements, der erhalten wird, wenn der akkumulierte Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert wird, zur Bestimmung verwendet, ob der Sensor normal oder fehlerhaft ist. Somit kann ein Fehler oder eine Anomalie in dem Sensor auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements in einem Zustand erfasst werden, bei dem das Sensorelement ausreichend erwärmt worden ist.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestimmt die Fehlererfassungseinrichtung auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts, ob das Sensorelement oder die Erwärmungseinrichtung fehlerhaft ist. Somit kann ein Fehler oder eine Anomalie in dem Sensorelement oder der Erwärmungseinrichtung auf der Grundlage des akkumulierten Werts und des Elementwiderstandswerts erfasst werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die vorstehend genannten und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen zur Darstellung gleicher Elemente verwendet werden, ersichtlich. Es zeigen:

1 eine Darstellung, die ein Fehlererfassungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine Struktur, die das Fehlererfassungssystem umgibt, zeigt,

2 eine schematische Querschnittsdarstellung, die den Aufbau eines NOx-Sensors zeigt, bei dem das Fehlererfassungssystem des Ausführungsbeispiels gemäß 1 angewendet wird,

3 ein Diagramm, das einige Beispiele einer Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer veranschaulicht, die durch eine ECU bestimmt wird, und

4 ein Flussdiagramm, das eine Steuerungsroutine veranschaulicht, die durch das Fehlererfassungssystem gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ausgeführt wird.

Ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Details dieses Ausführungsbeispiels begrenzt ist.
In 1 ist ein Fehlererfassungssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie eine Struktur, die das Fehlererfassungssystem umgibt, gezeigt. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Fehlererfassungssystem angepasst, einen Fehler oder eine Anomalie in beispielsweise einem NOx-Sensor zur Messung von NOx, das in Abgasen beinhaltet ist, zu erfassen. Wie es in 1 gezeigt ist, ist ein Verbrennungsmotor 10 mit einem Einlassdurchgang 12 und einem Auslassdurchgang oder Abgasdurchgang 14 verbunden. Ein Luftfilter 16 ist in einem stromaufwärtsseitigen Endabschnitt des Einlassdurchgangs 12 bereitgestellt. Bei dem Luftfilter 16 ist ein Einlassluft-Temperatursensor 18 zur Erfassung der Einlasslufttemperatur THA (das heißt der Temperatur der Außenluft) angebracht.
In dem Einlassdurchgang 12 ist eine Luftströmungsmesseinrichtung 20 zur Messung der Massenströmung oder Strömungsgeschwindigkeit Ga der durch den Einlassdurchgang 12 strömenden Luft bei der Stromabwärtsseite des Luftfilters 16 angeordnet, wobei ein Drosselventil 22 bei der Stromabwärtsseite der Luftströmungsmesseinrichtung 20 angeordnet ist. In der Nähe des Drosselventils 22 sind ein Drosselsensor 24 zur Erfassung der Drosselöffnung TA sowie ein Leerlaufschalter 26 angeordnet, der eingeschaltet ist, wenn das Drosselventil 22 vollständig geschlossen ist. Ein Ausgleichsbehälter oder Zwischenbehälter 28 ist bei der Stromabwärtsseite des Drosselventils 22 bereitgestellt, wobei eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 30 zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Einlassöffnung des Motors 1 bei der Stromabwärtsseite des Zwischenbehälters 28 angeordnet ist.
Ein NOx-Sensor 50 ist in dem Auslassdurchgang 14 angebracht. Der NOx-Sensor 50 ist angepasst, die Konzentration von Stickstoffoxiden bzw. Stickoxiden (NOx) in einem von dem Verbrennungsmotor 10 abgegebenen Abgas zu erfassen und ein Ausgangsignal zu senden, das die NOx-Konzentration einer ECU (elektronische Steuereinheit beziehungsweise Electronic Control Unit) 40 anzeigt. Die ECU 40 verändert Betriebsbedingungen oder Betriebszustände des Motors 10 auf der Grundlage des Ausgangswertes (der die NOx-Konzentration anzeigt), der von dem NOx-Sensor 50 empfangen wird, so dass der Motor 10 in einen gewünschten Betriebszustand gebracht wird. Die vorstehend genannten Sensoren, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 30, ein Wassertemperatursensor 42 zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur THW des Motors 10 sowie andere Sensoren und Betätigungselemente sind mit der ECU 40 verbunden.
Unter Bezugnahme auf 2 ist nachstehend der Aufbau des NOx-Sensors 50 beschrieben. In 2 ist eine schematische Querschnittsdarstellung gezeigt, die den Aufbau des NOx-Sensors 50 zeigt. Wie es in 2 gezeigt ist, umfasst ein Sensorabschnitt des NOx-Sensors 50 Sauerstoff-Ionen-leitende Festkörperelektrolytschichten, die beispielsweise aus Zirkonoxid (oder Zirkonerde) gebildet sind und aufeinander geschichtet sind, wobei die aufeinander geschichteten Festkörperelektrolytschichten eine erste Schicht L1 als die obere Schicht und eine zweite Schicht L2 als die untere Schicht umfassen.
Eine Zellenkammer 52 ist zwischen der ersten Schicht L1 und der zweiten Schicht L2 gebildet. Die erste Schicht L1 ist mit einer Öffnung 54 ausgebildet, durch die das Abgas in die Zellenkammer 52 eingeführt wird. Im Betrieb strömt das Abgas, das in die Zellenkammer 52 durch die Öffnung 54 gezogen wird, in die Richtung von Pfeilen in 2, so dass die Zellenkammer 52 mit dem Abgas gefüllt wird.
Eine Atmosphärenkammer 56, die mit der Außenluft in Verbindung steht, ist über der ersten Schicht L1 gebildet. Zusätzlich ist eine Atmosphärenkammer 58, die mit der Außenluft in Verbindung steht, unter der zweiten Schicht L2 gebildet.
Eine Katodenseite-Pumpenelektrode 62 ist bei einer inneren Umfangsoberfläche der zweiten Schicht L2 bereitgestellt, die der Zellenkammer 52 gegenüberliegt. Ebenso ist eine Anodenseite-Pumpenelektrode 64 bei einer äußeren Umfangsoberfläche der zweiten Schicht L2 bereitgestellt, die der Atmosphärenkammer 58 gegenüberliegt. Die Katodenseite-Pumpenelektrode 62 und Anodenseite-Pumpenelektrode 64 bilden eine Pumpenzelle 88.
Eine Pumpenspannungsquelle 66 ist angepasst, um eine Spannung zwischen den Pumpenelektroden 62, 64 anzulegen. Mit der an die Pumpenelektroden 62, 64 angelegten Spannung kommt Sauerstoff (O₂), der in dem Abgas innerhalb der Zellenkammer 52 beinhaltet ist, mit der Katodenseite-Pumpenelektrode 62 in Kontakt und wandelt sich in Sauerstoffionen um. Ebenso wandelt sich, wenn in dem Abgas beinhaltetes NOx mit der Katodenseite-Pumpenelektrode 62 in Kontakt kommt, ein Teil des Sauerstoffs in dem NOx in Sauerstoffionen um, wobei NOx in NO umgewandelt wird. Die so erzeugten Sauerstoffionen strömen in der zweiten Schicht L2 zu der Anodenseiten-Pumpenelektrode 64. Auf diese Weise bewegt sich Sauerstoff, der in dem Abgas innerhalb der Zellenkammer 52 beinhaltet ist, in der zweiten Schicht L2 und wird so zu der Außenseite herausgepumpt. Die Menge des so zu der Außenseite herausgepumpten Sauerstoffs vergrößert sich, wenn sich die Spannung der Pumpenspannungsquelle 66 vergrößert. Ein Amperemeter beziehungsweise Strommesser 68 erfasst einen Stromwert A1, der einen Strom darstellt, der zwischen den Pumpenelektroden 62, 64 fließt.
Bei einem Ort bei der Stromabwärtsseite der Pumpenzelle 88 ist eine Katodenseite-Überwachungselektrode 70 bei einer inneren Umfangsoberfläche der ersten Schicht L1 bereitgestellt, die der Zellenkammer 52 gegenüberliegt. Ebenso ist eine Anodenseite-Überwachungselektrode 72 bei einer äußeren Umfangsoberfläche der ersten Schicht L1 bereitgestellt, die der Atmosphärenkammer 56 gegenüberliegt. Die Katodenseite-Überwachungselektrode 70 und Anodenseite-Überwachungselektrode 72 bilden eine Überwachungszelle 90 zur Erfassung des verbleibenden Sauerstoffs in dem Abgas. Eine Überwachungsspannungsquelle 74 ist angepasst, eine Spannung zwischen den Überwachungselektroden 70, 72 anzulegen.
Während der größte Teil des Sauerstoffs in dem Abgas durch die Pumpenzelle 88 entladen beziehungsweise ausgestoßen wird, verbleibt eine kleine Menge von Sauerstoff (in der Größenordnung von ppm) weiterhin in dem Abgas, das in die Nähe der Überwachungszelle 90 strömt. Die Überwachungszelle 90 erfasst die Menge des verbleibenden Sauerstoffs. Wenn eine Spannung von der Überwachungsspannungsquelle 74 zwischen die Überwachungselektroden 70, 72 angelegt wird, kommt der verbleibende Sauerstoff mit der Katodenseite-Überwachungselektrode 70 in Kontakt und wandelt sich in Sauerstoffionen um. Die Sauerstoffionen strömen dann in der ersten Schicht L1 zu der Anodenseite-Überwachungselektrode 72. Somit kann die Menge des verbleibenden Sauerstoffs aus einem Stromwert A2 bestimmt werden, der durch ein Amperemeter 76 zur Erfassung eines Stroms, der zwischen den Überwachungselektroden 70, 72 fließt, erhalten wird.
Bei einer Position bei der Stromabwärtsseite der Überwachungszelle 90 ist eine Katodenseite-Sensorelektrode 78 bei der inneren Umfangsoberfläche der ersten Schicht L1 gebildet, die der Zellenkammer 52 gegenüberliegt. Ebenso ist eine Anodenseite-Sensorelektrode 80 bei der äußeren Umfangsoberfläche der ersten Schicht L1 gebildet, die der Atmosphärenkammer 50 gegenüberliegt. Die Katodenseite-Sensorelektrode 78 und die Anodeseite-Sensorelektrode 80 bilden eine Sensorzelle 92 zur Erfassung der NOx-Konzentration in dem Abgas. Die Katodenseite-Sensorelektrode 78 ist aus einem Material wie beispielsweise Rhodium (Rh) oder Platin (Pt) gebildet, das ein hohes Potenzial zur Verringerung von NO aufweist. Das NO, in das das NOx durch die Pumpenzelle 88 in der Zellenkammer 52 umgewandelt wird, wird in N₂ und O₂ bei der Katodenseite-Sensorelektrode 78 aufgespaltet. Wie es in 2 gezeigt ist, wird von einer Sensorspannungsquelle 86 eine bestimmte Spannung zwischen die Katodenseite-Sensorelektrode 78 und die Anodenseite-Sensorelektrode 80 angelegt. Mit der so angelegten Spannung wird das O₂, das durch das Aufspalten bei der Katodenseite-Sensorelektrode 78 erzeugt wird, in Sauerstoffionen umgewandelt, die sich dann in der ersten Schicht L1 zu der Anodenseite-Sensorelektrode 80 bewegen. Zu diesem Zeitpunkt werden Sauerstoffionen, die sich aus der Aufspaltung von NO ergeben, und Sauerstoffionen, die von dem verbleibenden Sauerstoff in dem Abgas stammen, bei der Katodenseite-Sensorelektrode 78 erzeugt, und ein Strom, der proportional zu der Gesamtmenge der Sauerstoffionen ist, fließt zwischen der Katodenseite-Sensorelektrode 78 und der Anodenseite-Sensorelektrode 80.
Folglich werden die Menge von Sauerstoff, der durch das Aufspalten von NOx erzeugt wird, und die Menge des verbleibenden Sauerstoffs aus einem Stromwert A₃ bestimmt, der durch ein Amperemeter 84 zur Erfassung eines zwischen den Sensorelektroden 78, 80 fließenden Stroms erzeugt wird. Durch Subtrahieren der Menge des verbleibenden Sauerstoffs, der durch die Überwachungszelle 90 erfasst wird, von dem Erfassungswert der Sensorzelle 92 kann die Sauerstoffmenge, die allein von NO stammt, bestimmt werden.
Das NOx in dem Abgas wird einfach in NO in der Nähe der Pumpenzelle 88 in der Zellenkammer 92 umgewandelt, wobei das ergebende NO nur schwer verringert wird, bevor es die Sensorzelle 90 erreicht. Folglich ist der Wert, der durch das Subtrahieren des Stromwerts A2 von dem Stromwert A3 erhalten wird, proportional zu der NOx-Konzentration in dem Abgas, wobei die NOx-Konzentration in dem Abgas aus dem so erhaltenen Wert genau bestimmt werden kann.
Wie es vorstehend beschrieben ist, umfasst der NOx-Sensor 50 drei Sensorelemente, nämlich die Pumpenzelle 88, die Überwachungszelle 90 und die Sensorzelle 92. Die Grundanordnungen von verschiedenen Sensortypen, wie beispielsweise eines A/F-Sensors und eines HC-Sensors, die in dem Abgasdurchgang bereitgestellt sind, sind zu dem des NOx-Sensors 50, wie er in 2 gezeigt ist, ähnlich, obwohl die Anzahl von Zellen von einem Sensortyp zu den anderen unterschiedlich sein kann.
Wie es in 2 gezeigt ist, ist eine elektrische Erwärmungseinrichtung 60 unter der Atmosphärenkammer 58 bereitgestellt. Der NOx-Sensor 50, der seine Funktion ausführt, wenn die Temperatur 700°C – 800°C erreicht, wird durch die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 erwärmt.
Nachdem der NOx-Sensor 50 eine geeignete Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Erwärmungsintensität durch die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 derart geregelt, dass der Widerstand des Sensorelements des NOx-Sensors 50 bei einem konstanten Wert gehalten wird. Da die Sensortemperatur und der Widerstand des Sensorelements in Wechselbeziehung zueinander stehen, kann der Sensorelementwiderstand auf einen Sollwert durch eine Regelung der Erwärmungsintensität durch die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 entsprechend dem Sensorelementwiderstand geregelt werden, wobei somit gewünschte Eigenschaften des NOx-Sensors 50 sichergestellt sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Sensorelementwiderstand des NOx-Sensors 50 jedes Mal erfasst, wenn eine bestimmte Zeit (beispielsweise 256 msek) vergangen ist, wobei die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 auf der Grundlage des erfassten Sensorelementwiderstandes geregelt wird.
Es ist wünschenswert, den Sensorelementwiderstand des NOx-Sensors 50 in der Pumpenzelle 88 oder der Überwachungszelle 90 zu erfassen. Während ein Strom, der von dem verbleibenden Sauerstoff und der NO-Menge abhängt, durch die Sensorzelle 92, wie es vorstehend beschrieben ist, fließt, ist der durch die Sensorzelle 92 erhaltene Stromwert ein extrem kleiner Wert in der Größenordnung von Nanoampere (nA). Demgegenüber muss ein Strom in der Größenordnung von Milliampere (mA) durch eine Zelle für eine Messung eines Widerstandswerts in der Zelle hindurchgehen. Wenn ein Strom in einer Größenordnung, die mehrere Male größer als die des Stromes ist, der während einer Erfassung von NOx fließt, der Sensorzelle 92 zugeführt wird, kann ein Problem aufgrund eines Rauscheinflusses oder dergleichen nachfolgend bei einer NOx-Erfassung auftreten. Es ist folglich wünschenswert, den Sensorelementwiderstand in einer Zelle, die zu der Sensorzelle 92 unterschiedlich ist, zu erfassen, um die Widerstandserfassung zu erreichen, ohne die NOx-Erfassung zu beeinflussen.
Bezüglich der Überwachungszelle 90, die eine kleine Menge von verbleibenden Sauerstoff erfasst, liegt der Stromwert A₂, der durch das Amperemeter 76 erhalten wird, ebenso in der Größenordnung von Nanoampere (nA). Nichtsdestotrotz kann, da Variationen in der Menge des Sauerstoffs, der nach einer Entladung oder einem Ausstoß von Sauerstoff durch die Pumpenzelle 88 verbleibt, relativ klein sind, die Frequenz einer Erfassung des verbleibenden Sauerstoffs bei der Überwachungszelle 90 relativ niedrig sein. Der verbleibende Sauerstoff kann nämlich durch die Überwachungszelle 90 mit einer relativ niedrigen Frequenz erfasst werden. Somit kann auch in dem Fall, bei dem ein Rauschen oder dergleichen auftritt, wenn ein Strom in der Größenordnung von Milliampere (mA) der Überwachungszelle 90 zugeführt wird, um einen Widerstandswert zu erfassen, die Zeitsteuerung einer Erfassung des verbleibenden Sauerstoffs verzögert werden, bis ein geeigneter Erfassungswert erhalten werden kann, wobei ein Einfluss des Rauschens oder dergleichen aufgrund einer Erfassung des Widerstandswerts vermieden werden kann. Somit ist die Überwachungszelle 90 zur Erfassung des Widerstandswerts für eine Verwendung bei der Regelung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 geeignet. Die Pumpenzelle 88, die zum Erhalten eines spezifischen Erfassungswertes nicht verwendet wird, ist ebenso zur Erfassung des Widerstandswerts geeignet.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen ist es wünschenswert, den Sensorelementwiderstand in der Pumpenzelle 88 oder der Überwachungszelle 90 zu erfassen, um einen Widerstandswert für eine Verwendung bei einer Regelung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 zu erhalten, ohne die beabsichtigte Funktion (das heißt die NOx-Erfassung) des NOx-Sensors 50 zu beeinflussen.
Als Nächstes ist ein Verfahren zur Regelung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 auf der Grundlage des so erfassten Sensorelementswiderstands beschrieben. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 auf der Grundlage des erfassten Sensorelementwiderstands mittels der Einschaltdauer gesteuert beziehungsweise geregelt (duty- controlled). Bei dieser Steuerung oder Regelung vergleicht die ECU 40 den erfassten Sensorelementwiderstand mit einem vorbestimmten Sollwert und bestimmt das Einschaltdauerverhältnis (Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer) der Energieversorgungszeit der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 (das heißt die Zeitdauer, für die ein Strom zu der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 zugeführt wird) durch eine PID-Regelung oder dergleichen.
In 3 ist eine schematische Darstellung gezeigt, die Beispiele von relativen Einschaltdauerzyklen veranschaulicht, die durch die ECU 40 für die Erwärmungseinrichtungseinschaltdauersteuerung bestimmt werden. Gemäß 3 ist die Zeitdauer jedes Zyklus (1) – (5) identisch, wobei die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer als ein Prozentwert ausgedrückt wird, der das Verhältnis der EIN-Zeit zu der gesamten Zeitdauer jedes Zyklus (1) – (5) darstellt. Bei der Regelung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 erzeugt die ECU 40 ein Einschaltdauerbefehlsignal, das einen ausgewählten Zyklus der Zyklen (1) – (5) darstellt, auf der Grundlage des Sensorelementwiderstands, wobei die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 auf der Grundlage des von der ECU 40 empfangenen Einschaltdauerbefehlsignals mit Energie versorgt wird. Die ECU 40 kann ebenso arbeiten, um die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 direkt mit Energie zu versorgen. Alternativ hierzu kann eine (nicht gezeigte) Sensorsteuerungsschaltung zwischen dem NOx-Sensor 50 und der ECU 40 bereitgestellt sein, wobei die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 durch die Sensorsteuerungsschaltung mit Energie versorgt werden kann.
In dem Zyklus (1) gemäß 3 sind die EIN-Zeit und die AUS-Zeit zueinander gleich, wobei die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer gleich 50% ist. In dem Zyklus (2) ist die EIN-Zeit drei Viertel der gesamten Zeitdauer, während die AUS-Zeit ein Viertel der Zeitdauer ist, wobei somit die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer gleich 75% ist. Auf ähnliche Weise ist die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer des Zyklus (3) gleich 25%, die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer des Zyklus (4) ist gleich 100 und die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer des Zyklus (5) ist gleich 0% . Die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer wird in Abhängigkeit von dem Sensorelementwiderstand verändert, so dass der Sensorelementwiderstand auf den Sollwert gesteuert beziehungsweise geregelt wird. In 3 sind einige unterschiedliche Beispiele der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer veranschaulicht, aus denen ein geeignetes Einschaltdauerverhältnis bei einer tatsächlichen Regelung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 ausgewählt wird. Wenn die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 gestartet wird, wird die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer beispielsweise auf 100 für eine bestimmte Zeitdauer gesetzt. Bei einem Zeitpunkt, wenn der NOx-Sensor 50 eine geeignete Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Erwärmungseinrichtungseinschaltdauer schrittweise von 100% auf 80% und dann von 80% auf 60% verringert werden.
Nachstehend ist eine Fehlererfassung des NOx-Sensors 50 durch das Fehlererfassungssystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer auf der Grundlage des Sensorelementwiderstands geregelt beziehungsweise gesteuert, wobei die Fehlererfassungssteuerung des NOx-Sensors 50 zusammen mit der Einschaltdauersteuerung ausgeführt wird. Die Fehlererfassung wird auf der Grundlage des Sensorelementwiderstands unter einer Bedingung, dass die Temperatur des NOx-Sensors 50 eine geeignete Betriebstemperatur erreicht hat, ausgeführt, da der Sensorelementwiderstand einen Sollwert erreicht, wenn der Sensor auf eine bestimmte Temperatur eingestellt ist, wie es vorstehend beschrieben ist.
Das Fehlererfassungssystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel schätzt die Elementtemperatur des NOx-Sensors 50 auf der Grundlage eines akkumulierten Werts oder Endwerts der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer. Wenn sich die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer vergrößert, vergrößert sich die Energieversorgungszeit der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60, was eine Vergrößerung der Temperatur des NOx-Sensors 50 zur Folge hat. Der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer in einer vorgegebenen Zeitdauer entspricht der Energieversorgungszeit der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 innerhalb dieser Zeitdauer. Somit kann auf der Grundlage des akkumulierten Werts der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer gefolgert werden, ob der NOx-Sensor 50 eine geeignete Temperatur erreicht hat.
In dem Beispiel gemäß 3 ist der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer von dem Zyklus (1) zu dem Zyklus (5) 250 (50 + 75 + 25 + 100 + 0 = 250 (%)). Der akkumulierte Wert wird mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen, und wenn der akkumulierte Wert den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wird bestimmt, dass der NOx-Sensor 50 in ausreichender Weise durch die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 erwärmt worden ist. Der Schwellenwert, auf den für einen Vergleich Bezug genommen wird, wird im Voraus aus Aufwärmeigenschaften des NOx-Sensors 50 bestimmt, die erhalten werden, wenn er durch die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 aufgewärmt wird.
Wie es vorstehend beschrieben ist, kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bestimmt werden, ob die Temperatur des NOx-Sensors 50 auf eine geeignete Betriebstemperatur angestiegen ist, indem lediglich die durch die ECU 40 bestimmte Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer akkumuliert oder summiert wird. Somit muss die ECU 40 keine Informationen, wie beispielsweise einen Stromwert und einen Spannungswert, von dem NOx-Sensor 50 gewinnen und benötigt keine verschiedenen Berechnungen, wie beispielsweise eine Berechnung einer elektrischen Leistung. Folglich können die Schaltungskonfiguration oder -anordnung sowie Steuerungsalgorithmen, die mit einer Fehlererfassung verbunden sind, deutlich vereinfacht werden.
Wenn der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer größer oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert wird, wird der Sensorelementwiderstand erfasst, wobei auf der Grundlage des erfassten Elementwiderstands bestimmt wird, ob der NOx-Sensor 50 einen Fehler aufweist oder anormal arbeitet. In dem Zustand, bei dem der akkumulierte Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, kann gefolgert werden, dass der NOx-Sensor 50 in ausreichender Weise auf eine Temperatur erwärmt worden ist, bei der der Sensor 50 normal arbeitet, um seine Funktion auszuführen. Folglich wird, wenn der Sensorwiderstandswert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bei diesem Zustand liegt, bestimmt, dass der NOx-Sensor 50 normal arbeitet.
Wenn der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer größer oder gleich dem vorbestimmten Wert ist und der Sensorwiderstand nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, kann demgegenüber gefolgert werden, dass der NOx-Sensor 50 selbst einen Fehler aufweist, dass nämlich eine Anomalie in dem NOx-Sensor 50 selbst auftritt, oder dass der NOx-Sensor 50 eine geeignete Temperatur nicht erreicht hat. In diesem Fall kann folglich bestimmt werden, dass eine Fehlfunktion oder Anomalie in dem Sensorelement, für das der Widerstand erfasst wird, oder in der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 auftritt.
Als Nächstes ist eine Steuerungsroutine, die durch das Fehlererfassungssystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm gemäß 4 beschrieben. Die nachstehend beschriebene Routine wird bei bestimmten Zeitintervallen (beispielsweise 256 msek) ausgeführt, nachdem der Zündschalter eingeschaltet ist. Anfänglich wird der Sensorelementwiderstand R_E des NOx-Sensors 50 in Schritt 51 berechnet. In einem nachfolgenden Schritt S2 wird die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer, die zur Ansteuerung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 verwendet wird, auf der Grundlage des Elementwiderstands R_E berechnet. In diesem Schritt wird der Elementwiderstand R_E, der in Schritt S1 erhalten wird, mit einem Sollwert verglichen, wobei eine geeignete Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer durch ein geeignetes Verfahren, wie beispielsweise eine PID-Regelung, bestimmt wird. In einem nächsten Schritt S3 wird ein akkumulierter Wert (Σ EINSCHALTDAUER) der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer, die bis zu diesem Zeitpunkt bestimmt worden ist, berechnet.
In Schritt S4 wird der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Hierbei wird der vorbestimmte Wert, der für den Vergleich verwendet wird, im Voraus beispielsweise auf der Grundlage von Aufwärmeigenschaften des Sensors bestimmt.
Wenn in Schritt S4 bestimmt wird, dass der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer größer oder gleich dem vorbestimmten Wert ist, schreitet der Steuerungsprozess zu Schritt S5 voran, um ein Erfassen eines Fehlers in dem NOx-Sensor 50 zu starten. Wenn in Schritt S4 bestimmt wird, dass der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer kleiner als der vorbestimmte Wert ist, wird bestimmt, dass das Sensorelement durch die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 nicht in ausreichender Weise erwärmt worden ist, und der Steuerungsprozess kehrt zu Schritt S1 zurück, ohne eine Fehlererfassung auszuführen.
Nach der Ausführung von Schritt S5 wird in Schritt S6 bestimmt, ob der Elementwiderstand R_E, der in Schritt S1 erfasst wird, innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Wenn der Elementwiderstand R_E innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, schreitet der Steuerungsprozess zu Schritt S7 voran, um zu bestimmen, dass das Sensorelement des NOx-Sensors 50 normal arbeitet.
Wenn der Elementwiderstand R_E nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, schreitet demgegenüber der Steuerungsprozess zu Schritt S8 voran, um zu bestimmen, dass ein Fehler oder eine Anomalie in dem Sensorelement des NOx-Sensors 50 selbst oder in der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 auftritt. In diesem Fall führt die ECU 40 eine Operation aus, um das Auftreten des Fehlers beispielsweise durch Setzen eines Fehlerflags beziehungsweise Fehlerkennzeichens auf EIN anzuzeigen, und ergreift eine Ausfallsicherungsmaßnahme, beispielsweise eine Verhinderung einer Energieversorgung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 oder eine Verhinderung der Verwendung des Sensorausgangsignals.
In dem Flussdiagramm gemäß 4 wird der Elementwiderstand R_E für eine Regelung der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 konstant erfasst. In dem Fall, bei dem die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer beispielsweise im Voraus auf einen festgelegten Wert während eines Startens eingestellt wird, kann der Elementwiderstand R_E nicht erfasst werden, bis der akkumulierte Wert der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer größer oder gleich einem vorbestimmten Wert wird, und eine Fehlerbestimmung kann durch Erfassen des Elementwiderstands R_E ausgeführt werden, wenn der akkumulierte Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert wird.
Obwohl der Erwärmungszustand der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 auf der Grundlage des akkumulierten Werts der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer in dem vorstehend beschriebenen Verfahren geschätzt wird, kann der akkumulierte Wert unter Verwendung von Werten berechnet werden, die durch Multiplizieren der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer mit einem bestimmten Koeffizienten erhalten werden. Dieses Verfahren ist in dem Fall effektiv und von Vorteil, bei dem eine Berechnung, die die Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer wie sie ist verwendet, eine Verarbeitung von großen numerischen Werten einschließt. Ebenso kann der Erwärmungszustand aus einem akkumulierten Wert der EIN-Zeit der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 an Stelle der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer geschätzt werden. Dieses Verfahren ist effektiv und von Vorteil, wenn die elektrische Erwärmungseinrichtung 60 im Hinblick auf die EIN-Zeit gesteuert beziehungsweise geregelt wird. Somit kann die Temperatur des Sensorelements durch Berechnen eines akkumulierten Werts eines charakteristischen Wertes bzw. Eigenschaftswertes, der zu der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer unterschiedlich ist, geschätzt werden, vorausgesetzt, dass der Eigenschaftswert zu der Energieversorgungszeit der elektrischen Erwärmungseinrichtung 60 äquivalent ist oder dieser entspricht.
Obwohl der NOx-Sensor 50 als ein Sensor eingesetzt wird, bei dem eine Fehlererfassung in dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, kann die Erfindung auf gleiche Weise bei einer Fehlererfassung von anderen Sensoren, wie beispielsweise eines A/F-Sensors und eines HC-Sensors, die in dem Abgasdurchgang angeordnet sind, angewendet werden. Ebenso kann die Erfindung auf gleiche Weise bei einer Fehlererfassung von Sensoren angewendet werden, die zu den Sensoren, die in dem Abgasdurchgang angeordnet sind, unterschiedlich sind.
In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der erwärmte Zustand des Sensorelements auf der Grundlage des akkumulierten Werts der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer bestimmt, der Erwärmungszustand kann nämlich allein aufgrund der durch die ECU 40 gesetzten Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer bestimmt werden. Folglich besteht kein Erfordernis, Informationen, wie beispielsweise eine an den Sensor angelegte Spannung und einen durch den Sensor hindurchgehenden Strom, die zu der Erwärmungseinrichtungssteuerungseinschaltdauer unterschiedlich sind, zu gewinnen, wobei somit ein Erfordernis für eine Verarbeitung, wie beispielsweise eine Berechnung einer elektrischen Leistung auf der Grundlage des Spannungswerts und des Stromwerts, beseitigt wird. Folglich kann die Steuerungsschaltung des NOx-Sensors 50 vereinfacht werden und die Steuerungslogik kann ebenso vereinfacht werden.
Wie es vorstehend beschrieben ist, umfasst ein Fehlererfassungssystem zur Erfassung eines Fehlers in einem Sensor (50) auf der Grundlage eines Widerstands eines Sensorelements (88, 90, 92) eine Erfassungseinrichtung, die den Widerstand des Sensorelements erfasst, und eine Erwärmungseinrichtung (60), die das Sensorelement erwärmt. Das System berechnet einen akkumulierten Wert einer Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung oder einen akkumulierten Wert eines charakteristischen Werts bzw. Eigenschaftswerts, der der Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung entspricht, und erfasst einen Fehler in dem Sensor auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts.

Claims

Fehlererfassungssystem zur Erfassung eines Fehlers in einem Sensor (50) auf der Grundlage eines Widerstands eines Sensorelements (88, 90, 92), mit: einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung des Widerstands des Sensorelements (88, 90, 92), einer Erwärmungseinrichtung (60) zur Erwärmung des Sensorelements, einer Akkumuliereinrichtung (40) zur Berechnung eines akkumulierten Werts einer Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung (60) oder eines akkumulierten Werts eines Eigenschaftswerts, der der Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung (60) entspricht, und einer Fehlererfassungseinrichtung (40) zur Erfassung eines Fehlers in dem Sensor (50) auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts.
Fehlererfassungssystem nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung (40) zur Gewinnung eines Einschaltdauerwerts, der die Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung (60) darstellt, als den Eigenschaftswert, wobei die Akkumuliereinrichtung (40) den akkumulierten Wert des Einschaltdauerwerts berechnet.
Fehlererfassungssystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, mit einer Vergleichseinrichtung (40) zum Vergleichen des akkumulierten Werts mit einem vorbestimmten Wert, wobei die Fehlererfassungseinrichtung (40) bestimmt, ob der Sensor fehlerhaft ist, auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements, wenn der akkumulierte Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert wird.
Fehlererfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 – 3, wobei die Fehlererfassungseinrichtung (40) bestimmt, ob das Sensorelement oder die Erwärmungseinrichtung fehlerhaft ist, auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts.
Verfahren zum Erfassen eines Fehlers in einem Sensor (50) auf der Grundlage eines Widerstands eines Sensorelements (88, 90, 92), mit Schritten: zum Erfassen des Widerstands des Sensorelements (88, 90, 92), zum Versorgen einer Erwärmungseinrichtung (60) mit Energie, um das Sensorelement zu erwärmen, und zum Berechnen eines akkumulierten Werts einer Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung oder eines akkumulierten Werts eines Eigenschaftswerts, der der Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung entspricht, und zum Erfassen eines Fehlers in dem Sensor (50) auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Einschaltdauerwert, der die Energieversorgungszeit der Erwärmungseinrichtung (60) darstellt, als der Eigenschaftswert gewonnen wird und der akkumulierte Wert des Einschaltdauerwerts berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der akkumulierte Wert mit einem vorbestimmten Wert verglichen wird, wobei bestimmt wird, ob der Sensor fehlerhaft ist, auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements, wenn der akkumulierte Wert größer oder gleich dem vorbestimmten Wert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 – 7, wobei bestimmt wird, ob das Sensorelement oder die Erwärmungseinrichtung fehlerhaft ist, auf der Grundlage des Widerstands des Sensorelements und des akkumulierten Werts.