DE112014004418T5

DE112014004418T5 - Gassensorsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112014004418T5
Application number: DE112014004418.0T
Authority: DE
Inventors: Mikiyasu Matsuoka; Tomoo Kawase; Yuuji Yamada; Takao Mishima; Shingo Nakata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-06-16
Also published as: JP2015068699A; US10247694B2; JP6268874B2; US20160209352A1; WO2015045382A1

Abstract

Ein O2-Sensor (17) beinhaltet ein Sensorelement (31) unter Verwendung einer massiven Elektrolytschicht (32) und einem Paar von Elektroden (33, 34), welche an einer Position derart platziert sind, dass die massive Elektrolytschicht dazwischenliegt, wobei dieser ein Abgas von einer internen Verbrennungsmaschine als ein Erfassungsobjekt erfasst, und dieser ein elektromotorisches Kraftsignal in Abhängigkeit zu dem Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases ausgibt. Das Sensorelement (31) ist mit einem Konstantstromschaltkreis (43) verbunden, welcher einen Konstantstrom zuführt, der vorbestimmt ist. Ein Mikrocomputer (41) berechnet einen Elementwiderstand, berechnet, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis zumindest fett, mager oder stöchiometrisch ist, und dies auf der Basis eines Vergleichs zwischen einem elektromotorischen Kraftausgang der elektrogenen Zelle mit einem vorbestimmten Schwellwert. Ferner steuert der Mikrocomputer (41) den Konstantstrom, der durch den Konstantstromschaltkreis zugeführt wird, auf der Basis des Elementwiderstands.

Description

QUERVERWEIS AUF ÄHNLICHE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2013-202133 , eingereicht am 27. September 2013, wobei deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Gassensorsteuervorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Beispielsweise verwendet eine Fahrzeugmaschine herkömmlich einen Gassensor mit einem Ausgang bezüglich der elektromotorischen Kraft, welcher das Abgas, das von der Maschine ausgestoßen wird, als ein Erfassungsobjekt verwendet, und welcher die Sauerstoffkonzentration erfasst. Der Gassensor weist eine elektrogene Zelle auf, welche ein elektromotorisches Kraftsignal ausgibt, welches sich dahingehend verändert, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett oder mager ist. Genauer gesagt, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis reich bzw. fett ist, dann gibt der Gassensor ein elektromotorisches Kraftsignal von etwa 0,9 V aus, und wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist, gibt der Gassensor ein elektromotorisches Kraftsignal von etwa 0 V aus.
Bei dieser Art von Gassensor muss die Tatsache beachtet werden, dass, wenn das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases sich auf fett oder mager verändert, der Sensorausgang sich mit einer Verzögerung gegenüber der tatsächlichen Änderung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ändert. Verschiedene Techniken wurden beschrieben, um diese Ausgangscharakteristik zu verbessern.
Beispielsweise ist bei der Gassensorsteuervorrichtung der Patentliteratur 1 ein Konstantstromschaltkreis mit zumindest einer eines Paars von Sensorelektroden verbunden. Wenn bestimmt ist, dass eine Änderungsanforderung, um die Ausgangscharakteristik des Gassensors zu ändern, erzeugt worden ist, wird die Richtung des Konstantstroms entsprechend der Änderungsanforderung bestimmt, und der Konstantstromschaltkreis wird derart gesteuert, dass der Konstantstrom in die vorbestimmte Richtung fließt. Auf diese Weise wird die Ausgangscharakteristik des Gassensors in geeigneter Art und Weise durch das Zuführen des konstanten Stroms gesteuert.
Bei einem Gassensor ändert sich der Widerstandswert des Sensorelements in Abhängigkeit zur Temperatur des Sensorelements. Genauer gesagt, wenn die Maschine in dem kalten Zustand gestartet wird, oder wenn sich die Abgastemperatur mit einer Kraftstoffunterbrechung bzw. -verringerung zu der Maschine verringert, erhöht sich der Widerstand des Elements mit der Verringerung der Temperatur des Sensorelements. In diesem Fall, so wie sich der Elementwiderstand erhöht, erhöht sich die Spannung, die an das Sensorelement angelegt ist, und dies sogar unter der Bedingung, dass ein Konstantstrom fließt. Wenn die angelegte Spannung exzessiv hoch wird, kann ein Nachteil (ein schlechter Einfluss), wie z. B. eine Verschlechterung des elektrolytischen Festkörpers des Sensorelements, auftreten. Daher, bei der Konfiguration, bei der ein konstanter Strom zu dem Sensorelement zugeführt wird, gibt es einen Raum für eine Verbesserung aus dem Standpunkt heraus, das Sensorelement zu schützen. Das Sensorelement entspricht einer elektrogenen Zelle. Der Widerstandswert des Sensorelements wird ebenso als Elementwiderstand bezeichnet.
Genauer gesagt sind in dem Mikrocomputer, welcher den elektromotorischen Kraftausgang von dem Gassensor empfängt, ein erster Schwellwert, welcher auf der fetteren Seite als der stöchiometrische Wert (0,45 V) liegt, und ein zweiter Schwellwert, welcher auf einer mageren Seite als der stöchiometrische Wert (0,45 V) liegt, vorbestimmt. Beispielsweise wird der erste Schwellwert auf 0,6 V eingestellt, und es wird der zweite Schwellwert auf 0,3 V eingestellt. Wenn der elektromotorische Kraftausgang größer als der erste Schwellwert ist, dann wird bestimmt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, und wenn der elektromotorische Kraftausgang kleiner als der zweite Schwellwert ist, dann wird bestimmt, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist. In diesem Fall, wenn sich die Spannung, die an den Sensor angelegt wird, aufgrund einer unbeabsichtigten Änderung in dem Elementwiderstand erhöht, dann würden die Luft/Kraftstoff-Verhältnisse, welche als fett (oder als mager) bestimmt werden würden, stark schwanken, was in einer Verringerung der Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung resultieren würde. Dieses Problem tritt auf, da das Luft/Kraftstoff-Verhältnis als fett oder mager nicht in dem Bereich der Gassensorausgangscharakteristik bestimmt wird, wo sich der Ausgang der elektromotorischen Kraft schnell verändert, sondern es wird in der stabilen Region bestimmt, welche auf der fetteren oder mageren Seite im Vergleich zu dem Bereich mit der schnellen Änderung liegt. Daher besteht ein Raum für Verbesserung beim Sicherstellen der Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung.
LITERATUR DES STANDS DER TECHNIK
Patentliteratur

Patentliteratur 1: JP 2012-63345 A

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung hat ihre Aufgabe darin, eine Gassensorsteuervorrichtung vorzusehen, welche eine Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung in geeigneter Weise unter der Bedingung durchführen kann, dass ein Konstantstrom zu dem Sensor zugeführt wird.
Entsprechend der vorliegenden Offenbarung wird eine Gassensorsteuervorrichtung auf einem Gassensor angewandt, welcher eine elektrogene Zelle aufweist, und welcher einen elektrolytischen Festkörper und ein Paar von Elektroden verwendet, die an einer Position positioniert sind, um den elektrolytischen Festkörper dazwischen gelagert aufzuweisen, und welcher ein Abgas von einer internen Verbrennungsmaschine als ein Erfassungsobjekt erfasst, und welcher ein elektromotorisches Kraftsignal in Abhängigkeit zu einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ausgibt. Die Gassensorsteuervorrichtung beinhaltet eine Konstantstromzuführsektion, welche einen Konstantstrom zuführt, der für die elektrogene Zelle vorbestimmt ist, eine Widerstandswertberechnungssektion, welche einen Widerstandswert der elektrogenen Zelle berechnet, eine Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmungssektion, welche bestimmt, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zumindest fett, mager oder stöchiometrisch ist, und dies auf der Basis eines Vergleichs zwischen einem elektromotorischen Kraftausgang der elektrogenen Zelle und einem vorbestimmten Schwellwert, und eine Stromsteuersektion, welche den Konstantstrom steuert, der durch die Konstantstromzuführsektion zugeführt wird, und dies auf der Basis des Widerstandswerts der elektrogenen Zelle, der durch die Widerstandswertsberechnungssektion berechnet wird.
Während ein Konstantstrom zu einer elektrogenen Zelle zugeführt wird, verschiebt sich die Ausgangscharakteristik der elektrogenen Zelle zu entweder der fetten Seite oder der mageren Seite. Bei diesem Zeitpunkt, in Verbindung mit der elektromotorischen Kraft des Sensorelements, tritt eine Spannungsänderung auf, die äquivalent zu einem ”Elementwiderstand (Widerstandswert der elektrogenen Zelle) × Konstantstrom” ist, und wenn sich die Ausgangscharakteristik auf die fette Seite verschiebt, tritt eine Spannungsänderung an der negativen Seite auf, die äquivalent zu ”Elementwiderstand × Konstantstrom” ist oder wenn sich die Ausgangscharakteristik auf die magere Seite verschiebt, tritt eine Spannungsänderung an der positiven Seite auf, die äquivalent zu ”Elementwiderstand × Konstantstrom” ist. In einem solchen Fall wird der Betrag der Spannungsänderung größer als erwartet, wenn sich der Elementwiderstand in nicht beabsichtigter Art und Weise ändert, wobei sich die Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung verringert.
Gemäß der vorstehenden Konfiguration, da der Konstantstrom, der der elektrogenen Zelle zugeführt wird, gemäß dem Widerstandswert der elektrogenen Zelle gesteuert wird, kann der Nachteil unterdrückt werden, dass sich die Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung in nicht beabsichtigter Art und Weise verschlechtert. In anderen Worten kann die Erhöhung des Änderungsbetrags der an den Sensor angelegten Spannung aufgrund der Erhöhung des Widerstandswerts der elektrogenen Zelle durch das Verringern des Konstantstroms unterdrückt werden. Auf diese Weise kann die Verringerung der Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung unterdrückt werden. Folglich kann die Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung geeignet durchgeführt werden, während der Konstantstrom zu dem Gassensor zugeführt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung deutlich werden, die mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung getätigt wird. Es zeigt/es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm, welches die allgemeine Konfiguration eines Maschinensteuersystems zeigt;
2 ein schematisches Diagramm, welches die Querschnittsstruktur eines Sensorelements und die allgemeine Struktur einer Sensorsteuersektion zeigt;
3 ein Graph bezüglich der Charakteristik einer elektromotorischen Kraft, wobei dieser die Beziehung zwischen einem exzessiven Luftverhältnis und der elektromotorischen Kraft des Sensorelements zeigt;
4 ein schematisches Diagramm, welches die Reaktion von Gaskomponenten in dem Sensorelement zeigt;
5 einen Graph der Charakteristik der elektromotorischen Kraft, wobei dieser die Beziehung zwischen einem exzessiven Luft-Verhältnis und der elektromotorischen Kraft des Sensorelements zeigt;
6 ein Diagramm, welches die Struktur der Sensorsteuersektion zeigt;
7 einen Graphen der Charakteristik der elektromotorischen Kraft, welcher die Beziehung zwischen dem Ausgang der elektromotorischen Kraft zeigt und der Zuführung des Konstantstroms zeigt;
8 ein Flussdiagramm, welches das Konstantstromsteuerverfahren einer ersten Ausführungsform zeigt;
9 ein Flussdiagramm, welches das Elementwiderstandberechnungsverfahren zeigt;
10 einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen einem Elementwiderstand und einem Stromkorrekturwert zeigt;
11 ein Flussdiagramm, welches das Konstantstromsteuerverfahren zeigt;
12 einen Graphen, welcher die Beziehung zwischen einer Abweichung des Elementwiderstands und dem Stromkorrekturwert zeigt;
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als Nächstes wird eine Ausführungsform einer Gassensorsteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Diese Ausführungsform betrifft ein Maschinensteuersystem, welches einen Gassensor verwendet, der auf bzw. an dem Abgasrohr einer fahrzeuggestützten Maschine (internen Verbrennungsmaschine) platziert ist, um verschiedene Steuerungen, etc., der Maschine gemäß dem Ausgang des Gassensors durchzuführen. Das Steuersystem, zentriert in bzw. an einer elektrischen Steuereinheit (ECU) führt eine Steuerung des Betrags der Kraftstoffeinspritzung, eine Steuerung des Zündtimings usw., durch. 1 ist ein Blockdiagramm, welches die allgemeine Konfiguration des Systems zeigt.
In 1 ist eine Maschine 10 beispielsweise ein Benzinverbrenner, welcher ein Drosselventil 11, das elektronisch gesteuert wird, ein Kraftstoffeinspritzventil 12 und eine Zündvorrichtung 13 beinhaltet. Ein Abgasrohr 14 der Maschine 10 ist mit den Katalysatoren 15a und 15b als Abgasreinigungsvorrichtungen vorgesehen. Das Abgasrohr 14 entspricht einer Abgassektion. Die Katalysatoren 15a und 15b sind beispielsweise beide jeweils Drei-Wege-Katalysatoren; Der Katalysator 15a ist ein erster Katalysator als ein stromaufwärts gelagerter Katalysator, und der Katalysator 15b ist ein zweiter Katalysator als ein stromabwärts gelagerter Katalysator. So wie dies allgemein bekannt ist, reinigt ein Drei-Wege-Katalysator die drei Hauptkomponenten, die für toxische Emissionen verantwortlich sind, namentlich Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) und Stickstoffoxid (NOx), wie zum Beispiel NO, wobei dieser derart strukturiert ist, dass ein Metall, wie zum Beispiel Platin, Palladium, oder Rhodium in einer wabenförmigen oder einer lattice-förmigen keramischen Lagerung gelagert sind. In diesem Fall reinigt der Drei-Wege-Katalysator CO und HC als die fetten Komponenten durch Oxidation und NOx als eine magere Komponente durch eine Reduktion.
Ein A/F-Sensor 16 ist stromaufwärts zu dem ersten Katalysator 15a platziert, und ein O₂-Sensor 17 ist zwischen den Katalysatoren 15a und 15b platziert (d. h., stromabwärts zu dem ersten Katalysator 15a und stromaufwärts zu dem zweiten Katalysator 15b). Der A/F-Sensor 16 gibt ein A/F-Signal aus, welches in etwa proportional zu dem Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases ist. Der O₂-Sensor 17 gibt ebenso ein elektromotorisches Kraftsignal aus, welches sich in Abhängigkeit dazu verändert, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases fett oder mager ist.
Das System beinhaltet ferner verschiedene Sensoren beinhaltend einen Drosselöffnungssensor 21, welcher die Öffnung des Drosselventils 11 erfasst, einen Drehwinkelsensor 22, welcher ein rechteckförmiges Drehwinkelsignal bei jedem vorbestimmten Drehwinkel der Maschine ausgibt, einen Luftmengensensor 23, welcher die Menge der Einlassluft in die Maschine 11 erfasst, und einen Kühlwassertemperatursensor 24, welcher die Temperatur des Maschinenkühlwassers erfasst. Zusätzlich zu dem vorstehend gesagten beinhaltet das System einen Verbrennungsdrucksensor, welcher den Verbrennungsdruck in dem Zylinder erfasst, einen Beschleunigungsöffnungssensor, welcher die Öffnung des Beschleunigers bzw. des Gaspedals erfasst (d. h., einen Betrag der Betätigung des Gaspedals), und einen Öltemperatursensor, welcher die Temperatur des Schmiermittels der Maschine erfasst, obwohl dies in der Figur nicht gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist der vorbestimmte Drehwinkel 30 Grad CA-Zyklus. Diese Sensoren entsprechen einer Betriebsbedingungserfassungssektion.
ECU 25 ist hauptsächlich aus einem bekannten Mikrocomputer 41 ausgebildet, welcher eine CPU, ROM und RAM beinhaltet, und welcher verschiedene Steuerprogramme ausführt, die in dem ROM gespeichert sind, um verschiedene Steuerungen der Maschine 10 in Abhängigkeit zu jeder Maschinenbetriebsbedingung durchzuführen. In anderen Worten empfängt die ECU 25 Signale von den vorstehend erläuterten verschiedenen Sensoren, etc., und berechnet den Betrag der Kraftstoffeinspritzung bzw. die Menge der Kraftstoffeinspritzung und das Zündtiming entsprechend den verschiedenen Signalen, um den Antrieb des Kraftstoffeinspritzventils 12 und der Zündvorrichtung 13 zu steuern.
In Verbindung mit der Mengensteuerung der Kraftstoffeinspritzung führt die ECU 25 eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Feedbacksteuerung gemäß einem Erfassungssignal von dem A/F-Sensor 16 an der stromaufwärts gelagerten Seite zu dem ersten Katalysator und gemäß einem Erfassungssignal von dem O₂-Sensor 17 an der stromabwärts gelagerten Seite zu dem ersten Katalysator durch. Genauer gesagt führt die ECU 25 eine Hauptfeedbacksteuerung durch, so dass das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis (das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der stromaufwärts gelegenen Seite des Katalysators), das durch den A/F-Sensor 16 erfasst wird, ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird, welches gemäß dem Betriebszustand der Maschine eingestellt wird, und ebenso führt diese eine Sub-Feedbacksteuerung solcher Art durch, dass das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis (das tatsächliche Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der stromabwärts gelegenen Seite des Katalysators), das durch den O₂-Sensor 17 erfasst wird, ein Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird. Bei der Sub-Feedbacksteuerung wird beispielsweise gemäß dem Unterschied zwischen dem tatsächlichen Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der stromabwärts gelegenen Seite des Katalysators und dem Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis in der Hauptfeedbacksteuerung modifiziert, oder der Betrag der Korrektur durch das Feedback bei der Hauptfeedbacksteuerung wird modifiziert. Für die Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung führt die ECU 25 beispielsweise ein stöchiometrisches Feedback durch, um das Soll-Luft/Kraftstoff-Verhältnis stöchiometrisch auszugestalten, oder dieses annähernd stöchiometrisch auszugestalten. In diesem Fall ist die Stöchiometrie äquivalent zu dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
Als nächstes wird die Struktur des O₂-Sensors 17 an der stromabwärts gelagerten Seite des ersten Katalysators näher beschrieben werden. Der O₂-Sensor 17 weist ein Sensorelement 31 mit einer becherförmigen Struktur auf. 2 zeigt die Querschnittsstruktur des Sensorelements 31. Genauer gesagt weist das Sensorelement 31 eine annähernd U-förmige Querschnittsektion auf. Tatsächlich ist das Sensorelement 31 vollständig eingehaust in einem Gehäuse oder einer Elementabdeckung untergebracht, und dieses ist in dem Abgasrohr der Maschine installiert. Das Sensorelement 31 entspricht einer elektrogenen Zelle.
Das Sensorelement 31 weist einen massiven Elektrolytlayer 32 bzw. eine Elektrolytschicht 32 mit einem annähernd U-förmig ausgestalteten Querschnitt und einer abgasseitigen Elektrode 33 an dessen äußerer Oberfläche und eine luftseitigen Elektrode 34, an dessen innerer Oberfläche auf. Diese Elektroden 33 und 34 liegen als Schichten an den Oberflächen der massiven Elektrolytschicht 32. Die massive Elektrolytschicht 32 weist ein Sauerstoffionen-leitendes gesintertes Oxid auf, welches durch das Lösen von CaO, MgO, Y₂O₃, Yb₂O₃ oder dergleichen als ein Stabilisator in ZrO₂, HfO₂, ThO₂, Bi₂O₃ oder dergleichen. Die Elektroden 33 und 34 sind beide aus einem katalytisch aktiven Edelmetall, wie z. B. Platin, hergestellt, und diese weisen ein poröses chemisches Coating bzw. eine poröse chemische Beschichtung oder dergleichen an deren Oberflächen auf. Die Elektroden 33 und 34 sind ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden und werden ebenso als Sensorelektroden bezeichnet. Der Innenraum, der durch die massive Elektrolytschicht 32 umgeben ist, ist eine Luftkammer 35, in welcher atmosphärische Luft als ein Referenzgas eingeführt ist, und es ist ein Heizer 36 in der Luftkammer 35 eingehaust. Die Luftkammer 35 wird ebenso als Referenzkammer bezeichnet. Der Heizer 36 weist eine ausreichende Wärmeerzeugungskapazität auf, um das Sensorelement 31 zu aktivieren, und dieser heizt das gesamte Sensorelement mit dessen erzeugter Wärmeenergie auf. Die Aktivierungstemperatur des O₂-Sensors 17 beträgt beispielsweise etwa 500 bis 650°C. Das Innere der Luftkammer 35 wird mit einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration durch das Einführen der Luft erhalten.
Bei dem vorstehend erläuterten Sensorelement 31 weist die Außenseite der massiven Elektrolytschicht 32, welche sich in der Nähe zu der Abgasseitigen Elektrode 33 befindet, eine Abgasatmosphäre auf, und die Innenseite der massiven Elektrolytschicht 32, welche in der Nähe zu der luftseitigen Elektrode 34 gelegen ist, weist eine Luftatmosphäre auf, und in Abhängigkeit zu dem Konzentrationsunterschied von Sauerstoff (partieller Sauerstoffdruckunterschied) zwischen diesen wird eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden 33 und 34 erzeugt. In Kürze wird eine elektromotorische Kraft erzeugt, welche sich in Abhängigkeit dessen verändert, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett oder mager ist. In diesem Fall ist die abgasseitige Elektrode 33 in seiner Sauerstoffkonzentration niedriger als die luftseitige Elektrode 34 als die Referenzelektrode angeordnet, und in dem Sensorelement 31 wird eine elektromotorische Kraft mittels der luftseitigen Elektrode 34 als die positive Seite und der abgasseitigen Elektrode 33 als die negative Seite erzeugt. Im Ergebnis gibt der O₂-Sensor 17 ein elektromotorisches Kraftsignal aus, welches von der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas abhängig ist (namentlich von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis abhängig ist).
3 ist ein charakteristischer Graph bezüglich der elektromotorischen Kraft, welche die Beziehung zwischen dem exzessiven Luftverhältnis λ des Abgases und der elektromotorischen Kraft des Sensorelements 31 zeigt. In 3 repräsentiert die horizontale Achse das exzessive Luftverhältnis λ, und wenn λ 1 ist, dann ist das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases stöchiometrisch. Das Sensorelement 31 erzeugt eine elektromotorische Kraft, welche sich in Abhängigkeit dessen verändert, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett oder mager ist, und dieses weist eine Charakteristik auf, dass sich die elektromotorische Kraft plötzlich verändert, wenn das Verhältnis annähernd stöchiometrisch ist.
Genauer gesagt, wenn das Verhältnis fett ist, beträgt die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 etwa 0,9 V, und wenn das Verhältnis mager ist, beträgt die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 etwa 0 V. So wie dies in 3 gezeigt ist, beinhaltet eine Charakteristik der elektromotorischen Kraft (eine Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17) einen Bereich mit einer sich schnell ändernden Spannung, wo sich die elektromotorische Kraft schnell ändert, und diese liegt in der Nähe des stöchiometrischen Punktes, und diese beinhaltet stabile Spannungsbereiche, welche auf beiden Seiten des Spannungsbereichs mit der sich schnell ändernden Spannung liegen. Bei den Spannungsbereichen, welche stabil sind, ist die elektromotorische Kraft annähernd konstant.
In 2 ist eine Sensorsteuersektion 40 mit dem Sensorelement 31 verbunden, und wenn eine elektromotorische Kraft in dem Sensorelement 31 in Abhängigkeit zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (der Sauerstoffkonzentration) des Abgases erzeugt wird, wird ein Sensorerfassungssignal (ein elektromotorisches Kraftsignal) äquivalent zu der elektromotorischen Kraft zu einem Mikrocomputer 41 in der Sensorsteuersektion 40 gesendet. Der Mikrocomputer 41 berechnet das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gemäß dem elektromotorischen Kraftsignal von dem Sensorelement 31. Die Sensorsteuersektion 40 ist in der ECU 25 platziert, die in 1 gezeigt ist. In der ECU 25 ist der Mikrocomputer 41 als eine Berechnungssektion vorgesehen, welche eine Maschinensteuerfunktion und eine Sensorsteuerfunktion aufweist. In diesem Fall berechnet der Mikrocomputer 41 die Maschinendrehgeschwindigkeit und den Einlassluftbetrag gemäß dem Ergebnis der Erfassung der vorstehend aufgeführten verschiedenen Sensoren. Alternativ können in der ECU 25 ein Mikrocomputer zur Maschinensteuerung und ein Mikrocomputer zur Sensorsteuerung getrennt zueinander vorgesehen sein.
Der Mikrocomputer 41 führt eine Bestimmung über den Aktivitätszustand des Sensorelements 31 durch, und steuert ebenso den Heizer 36 mittels eines Heizerantriebsschaltkreises 42 gemäß dem Ergebnis der Bestimmung.
Ferner wird bei dieser Ausführungsform ein vorbestimmter Konstantstrom zu dem Paar der Elektroden 33 und 34 in dem Sensorelement 31 zugeführt, um die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 zu ändern. In anderen Worten führt das Sensorelement 31 ein Pumpen von Sauerstoff durch. Das Sensorelement 31 erhöht den Abgasemissionsreduktionseffekt in der Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Feedbacksteuerung durch das Ändern der Ausgangscharakteristik. Das Prinzip, gemäß dem die Sensorausgangscharakteristik durch das Zuführen eines Konstantstroms geändert wird, wird nachstehend näher dargelegt.
So wie dies in 4 gezeigt ist, gibt es CO, HC, NO_x, und O₂ in der Nähe der abgasseitigen Elektrode 33 des O₂-Sensors 17 und unter dieser Bedingung wird ein Strom zu dem Sensorelement 31 zugeführt, so dass sich die Sauerstoffionen von der luftseitigen Elektrode 34 zu der abgasseitigen Elektrode 33 durch die massive Elektrolytschicht 32 bewegen. Genauer gesagt wird ein Pumpen des Sauerstoffs in dem Sensorelement 31 durchgeführt. In diesem Fall reagieren an der abgasseitigen Elektrode 33 die Sauerstoffe, welche sich zu der abgasseitigen Elektrode 32 durch die massive Elektrolytschicht 32 bewegt haben, mit dem CO und dem HC und erzeugen CO₂ und H₂O. Als eine Folge werden CO und HC in der Nähe der abgasseitigen Elektrode 33 entfernt, und der gleichgewichtspunkt der Gasreaktion in der Nähe der abgasseitigen Elektrode 33 des O2-Sensors 17 vierschiebt sich auf die fette Seite. In anderen Worten, so wie dies in 5 gezeigt ist, verschiebt sich die Sensorausgangscharakteristik, welche die Beziehung zwischen dem exzessiven Luftverhältnis λ und der elektromotorischen Kraft als ein ganzes beschreibt, auf die fette Seite und entsprechend wird der Punkt auf die fette Seite verschoben, bei welchem die die elektromotorische Kraft der stöchiometrische Wert wird (0,45 V).
Als nächstes wird die Struktur der Sensorsteuersektion 40 beschrieben werden, welche die Steuerung des O₂-Sensors 17 durchführt. Die Struktur der Sensorsteuersektion 40 ist in 2 dargestellt und die Sensorsteuersektion 40 weist den Mikrocomputer 41 als eine Steuersektion auf. Der Mikrocomputer 41 empfängt ein elektromotorisches Kraftsignal von dem Sensorelement 31 über einen A/D-Wandler etc., und berechnet das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases gemäß dem elektromotorischen Kraftsignal. Alternativ berechnet der Mikrocomputer 41 das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der stromabwärts gelegenen Seite des Katalysators gemäß dem elektromotorischen Kraftsignal. Ein Konstantstromschaltkreis 43 als eine Konstantstromzuführsektion ist in der Mitte eines Elektropfades verbunden, welcher die luftseitige Elektrode 34 des Sensorelements 31 und den Mikrocomputer 41 verbindet. Wenn das Sensorelement 31 eine elektromotorische Kraft erzeugt, empfängt der Konstantstromschaltkreis 43 die elektromotorische Kraft von dem Sensorelement 31 und führt einen Strom, welcher von der elektromotorischen Kraft abhängig ist, zu dem Sensorelement 31 zu. In diesem Fall, gemäß dem Konstantstromschaltkreis 43, fließt der Strom von der abgasseitigen Elektrode 33 zu der luftseitigen Elektrode 34 durch die massive Elektrolytschicht 32 und entsprechend bewegen sich Sauerstoffionen in der massiven Elektrolytschicht 32 von der luftseitigen Elektrode 34 zu der abgasseitigen Elektrode 33.
Die Struktur des Konstantstromschaltkreises 43 der Sensorsteuersektion 40 und der periphere Schaltkreis um den Schaltkreis 43 werden noch mehr im Detail mit Bezug auf 6 beschrieben werden.
In 6 beinhaltet der Konstantstromschaltkreis 43 eine Spannungserzeugungssektion 51, um eine vorbestimmte konstante Spannung zu erzeugen, einen Operationsverstärker 52, einen n-Kanal MOSFET 53, der durch den Ausgang des Operationsverstärkers 52 angetrieben werden soll, und ein Widerstand 54, der mit der Source des MOSFET 53 verbunden ist. In der Spannungserzeugungssektion 51 sind eine Konstantspannungsquelle 51a und Widerstände 51b und 51c in Serie miteinander verbunden, und der Mittelpunkt zwischen den Widerständen 51b und 51c ist der Spannungsausgangspunkt X1. Bei dieser Ausführungsform ist die Konstantspannungsquelle 51a eine Quelle mit 5 V. Bei dem Operationsverstärker 52 ist der + Eingangsanschluss mit dem Spannungsausgangspunkt X1 verbunden, und der Ausgangsanschluss ist mit dem Gate des MOSFET 53 verbunden. Außerdem ist der mathematisch – Eingangsanschluss mit dem Mittelpunkt X2 zwischen dem MOSFET 53 und dem Widerstand 54 verbunden. Aus dem Blickpunkt des MOSFET 53 ist das Gate mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 52 verbunden, und ist der Drain mit der luftseitigen Elektrode 34 des Sensorelements 31 verbunden, und ist die Source mit dem Widerstand 54 verbunden.
Der vorstehend erläuterte Konstantstromschaltkreis 43 ist derart tätig, dass die Spannung des + Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 52 gleich der Spannung von dessen – Eingangsanschluss ist, sodass die Spannung bei X2 gleich der Spannung bei X1 wird. Dann fließt der Konstantstrom Ics, dessen Betrag durch die Spannung bei X2 und den Widerstandswert des Widerstands 54 bestimmt wird, in den Serienschaltkreis beinhaltend das Sensorelement 31, den MOSFET 53 und den Widerstand 54. Bei diesem Zeitpunkt ist der MOSFET 53 gemäß der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers basierend auf dem Unterschied zwischen den + und – Eingangsspannungen und Funktionen als ein Stromsteuerelement tätig, welches den Konstantstrom Ics zuführt.
Hier sollten die Spannungen bei X1 und bei X2 und der Widerstandswert des Widerstands 54 gemäß dem Strombetrag bestimmt werden, welcher erforderlich ist, in das Sensorelement 31 hineinzufließen, wenn eine elektromotorische Kraft in dem Sensorelement 31 erzeugt wird. Genauer gesagt, wenn eine elektromotorische Kraft (0 bis 0,9 V) in dem Sensorelement 31 erzeugt wird, wenn ein Strom von 0,1 mA beispielsweise in das Sensorelement 31 hineinfließen soll, dann sollte die Spannung bei X1 und bei X2 10 mV sein, und sollte der Widerstandswert des Widerstands 54 100 Ω betragen. Wenn ein Strom von 0,2 mA fließen soll, sollte beispielsweise die Spannung bei X1 und bei X2 20 mV betragen, und sollte der Widerstandswert des Widerstands 54 100 Ω betragen. Wenn der Strombetragsbereich 0,1 bis 2,0 mA betragen soll, und wenn der Widerstandswert des Widerstands 54 100 Ω beträgt, dann sollte die Spannung bei X1 und bei X2 in dem Bereich von 10 mV bis 200 mV liegen.
Bei der Sensorsteuersektion 40, welches den vorstehend genannten Konstantstromkreis 43 verwendet, wenn eine elektromotorische Kraft in dem Sensor 31 erzeugt wird, dann fließt der vorbestimmte Konstantstrom Ics in den MOSFET 53 und den Widerstand 54 mit der elektromotorischen Kraft als Leistungsquelle (namentlich arbeitet das Sensorelement 31 als eine Batterie). Die Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 kann auf diese Weise geändert werden.
Bei dieser Ausführungsform kann der Konstantstrom Ics, der durch den Konstantstromschaltkreis 43 zugeführt wird, gemäß einem Befehl von dem Mikrocomputer 41 geändert werden, und so kann der Konstantstrom Ics entsprechend jeder Bedingung bzw. jedem Zustand erhöht oder verringert werden. Genauer gesagt können die Spannungswerte bei den Punkten X1 und X2 beispielsweise durch das Ändern des Widerstandsverhältnisses zwischen den Widerstanden 51b und 51c gemäß einem Befehl von dem Mikrocomputer 41 geändert werden, und entsprechend wird ein Konstantstrom Ics geändert.
Ein erstes Ende eines Shunt-Widerstandes 55 zur Stromerfassung ist mit der abgasseitigen Elektrode 33 des Sensorelements 31 verbunden, und das zweite Ende des Shunt-Widerstands 55 ist mit dem Spannungsschaltkreis 57 verbunden. Der Strom, welcher in den Shunt-Widerstand 55 fließt, wird durch eine Stromerfassungssektion 56 erfasst, und die Erfassungssignale werden sequentiell zu dem Mikrocomputer 41 gesendet. Die Stromerfassungssektion 56 kann ein differentieller Verstärkerschaltkreis sein, welcher beispielsweise einen Operationsverstärker oder dergleichen verwendet. In 2, bei der Sensorsteuersektion 40, sind Komponenten, wie zum Beispiel der Shunt-Widerstand 55 und der Spannungsschaltkreis 57 (andere Komponenten, als der Konstantstromschaltkreis 43 und der Heizerantriebsschaltkreis 42) weggelassen.
Der Spannungsschaltkreis 57, bei dem beabsichtigt ist, dass dieser eine positive Spannung an die abgasseitige Elektrode 33 anlegt, ist ein Offset-Spannungsschaltkreis, welcher das Potential der abgasseitigen Elektrode 33 um ein gegebenes Potential höher als das Potential an der Seite, von welchem der Strom in den Konstantstromschaltkreis 43 fließt, gestaltet (masseseitiges Potential des Widerstands 54). Der Spannungsschaltkreis 57 weist einen Spannungsteilerschaltkreis auf, welcher eine vorbestimmte Offset-Spannung erzeugt, und der Mittelpunkt des Spannungsteilerschaltkreises ist der Offset-Spannungspunkt X3. Die Spannung an dem Spannungsteiler X3 beträgt beispielsweise 2,0 V.
Ein Spannungsschalt-Schaltkreis 59 ist mit der luftseitigen Elektrode 34 des Sensorelements 31 verbunden. Dieser Spannungsschalt-Schaltkreis 59 kehrt temporär die Spannung um, die an das Sensorelement 31 angelegt wird, und dies gemäß einem Befehl von dem Mikrocomputer 41, und der Widerstandswert des Sensorelements 31 kann durch die Stromerfassungssektion 56 erfasst werden, die den Betrag der Stromänderung mit der Spannungsänderung erfasst. Der Widerstandswert des Sensorelements 31 ist ebenso als Elementwiderstand bezeichnet. Der Elementwiderstand wird in einem gegebenen Zyklus erfasst, und während der Erfassung wird die an den Sensor angelegte Spannung durch das Umkehren geändert. Wenn die angelegte Spannung durch das Umkehren geändert wird, kann die an den Sensor angelegte Spannung in Richtung der positiven Seite oder in Richtung sowohl der positiven als auch der negativen Seite geändert werden. Beim Berechnen des Elementwiderstands, anstelle des Änderns der Spannung durch das Umkehren, kann der Strom durch das Umkehren solcher Art geändert werden, dass der Elementwiderstand aus dem Betrag der resultierenden Spannungsänderung berechnet werden kann.
Außerdem weist bei der Sensorsteuersektion 40 der Heizerantriebsschaltkreis 42 ein Schaltelement 42 auf, welcher die Leistung zu dem Heizer 36 an- oder ausschaltet. In dem Sensorelement 31 wird die Erregung des Heizers durch das An- oder Ausschalten des Schaltelements 42a gesteuert, sodass das Sensorelement 31 in einem vorbestimmten aktiven Zustand erhalten wird. In diesem vorbestimmten aktiven Zustand beträgt die Aktivierungstemperatur etwa 500 bis 650°C. Die Steuerung der Heizerregung durch den Mikrocomputer 41 wird nachstehend kurz erläutert werden. Vor der Aktivierung des Sensorelements 31, um die Aktivierung zu beschleunigen, wird das Schaltelement 42a AN beibehalten, und der Heizer 36 wird mit der maximalen elektrischen Leistung aufgeheizt. In diesem Fall wird eine Erregungssteuerung vollständig durchgeführt. Nach der Aktivierung des Sensorelements 31 wird der Betrag der Heizerregung mit einer Feedback-Steuerung gesteuert, und dies gemäß dem Unterschied zwischen dem Sollwert und dem tatsächlichen Wert (dem berechneten Wert) des Elementwiderstands. Beispielsweise wird der Betrag der Zyklussteuerung bei jedem Zeitpunkt mittels einem PID-Steuerverfahren gesteuert, und die Erregung des Heizers wird durch das An- oder Ausschalten des Schaltelements 42 gemäß dem Betrag der Zyklussteuerung gesteuert.
Bei der Luft/Kraftstoff-Verhältnissteuerung dieser Ausführungsform wird die Bestimmung durchgeführt, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der stromabwärts gelegenen Seite des Katalysators) zumindest fett, mager oder stöchiometrisch ist, und dies wird auf der Basis eines Vergleichs zwischen dem elektromotorischen Kraftausgang des Sensorelements 31 und einem vorbestimmten Schwellwert durchgeführt. Genauer gesagt werden als Schwellwerte, um zu bestimmen, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett oder mager ist, ein erster Schwellwert V1, welcher an einer fetteren Seite als der stöchiometrische Wert für die elektromotorische Kraft des Sensorelements 31 gelegen ist, und ein zweiter Schwellwert V2, welcher an einer mageren Seite als der stöchiometrische Wert gelegen ist, bestimmt, und wenn der Ausgang der elektromotorischen Kraft größer ist, als der erste Schwellwert V1, bestimmt der Mikrocomputer 41, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist, oder wenn der Ausgang der elektromotorischen Kraft kleiner als der zweite Schwellwert V2 ist, dann bestimmt der Mikrocomputer 41, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mager ist. Der erste Schwellwert V1 beträgt beispielsweise 0,6 V, und der zweite Schwellwert V2 beträgt beispielsweise 0,3 V. Der Mikrocomputer 41 steuert das Luft/Kraftstoff-Verhältnis an der zum Katalysator stromabwärts gelegenen Seite solcherart, dass das Luft/Kraftstoff-Verhältnis innerhalb des nahen stöchiometrischen Bereichs liegt, der durch diese Schwellwerte V1 und V2 definiert ist.
Als nächstes wird die Beziehung zwischen dem elektromotorischen Kraftausgang und der Zuführung des Konstantstroms bei der vorstehend erläuterten Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung mit Bezug auf 7 beschrieben werden. In 7, bezugnehmend auf die Ausgangscharakteristik des O2-Sensors 17, gibt L1 eine Ausgangscharakteristik ohne die Zuführung des Konstantstroms Ics an, und L2 und L3 geben die Ausgangscharakteristiken mit einer Zuführung des Konstantstroms Ics an. Ferner, wenn die Temperatur des Sensorelements 31 während des Kaltstarts der Maschine 10 oder während einer Kraftstoffbegrenzung gering ist, dann erhöht sich der Widerstand des Elements und der Wert der elektromotorischen Kraft ändert sich auf einen negativen aufgrund der Änderung der angelegten Sensorspannung mit dem Anwachsen des Elementwiderstands. Zusätzlich, in Bezug auf die Ausgangscharakteristiken L2 und L3 mit der Zuführung des Konstantstroms Ics, gibt L2 eine Ausgangscharakteristik (eine herkömmliche Charakteristik) des O₂-Sensors 17 an, bei welcher der Widerstand nicht angewachsen ist, und L3 gibt eine Ausgangscharakteristik des O₂-Sensor 17 an, bei welcher der Widerstand angewachsen ist. Zum Zweck der Erläuterung sind die Linien bezüglich der Ausgangscharakteristik in 7 linear angegeben.
Bei der Ausgangscharakteristik L2 tritt eine Änderung der Charakteristik auf, die äquivalent zu dem Konstantstrom Ics und einem Elementwiderstand ist, und dies im Vergleich zu der Ausgangscharakteristik L1 (die Charakteristik ohne den Strom). Bei der Ausgangscharakteristik L3 tritt eine Änderung der Charakteristik auf, die äquivalent zu einem Anwachsen des Elementwiderstands ist, und diesen Vergleich zu der Ausgangscharakteristik L2 (der herkömmlichen Charakteristik). Die Breite des fast stöchiometrischen Bereichs, bei welchem die Schwellwerte V1 und V2 zur Bestimmung verwendet wird, ist W1 für die Ausgangscharakteristik L1, W2 für die Ausgangscharakteristik L2 und W3 für die Ausgangscharakteristik L3. In diesem Fall, wobei die Breite des fast stöchiometrischen Bereichs zur Bestimmung in seiner Ausgangscharakteristik L2 fast äquivalent bzw. gleich zu der Ausgangscharakteristik L1 als die Basischarakteristik ist, ist der fast stöchiometrische Bereich zur Bestimmung der Ausgangscharakteristik L3 breiter als der der Ausgangscharakteristik L2 (d. h., der Variationsbereich ist breiter). Es kann bei L3 angenommen werden, dass dieser angibt, dass der Betrag der Spannungsänderung aufgrund einer nicht beabsichtigten Änderung des Elementwiderstands größer als erwartet ist, und bei einer solchen Bedingung ist die Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung verringert. Da 7 einen Fall zeigt, bei dem sich die Ausgangscharakteristik auf die fette Seite verschiebt, weist die Ausgangscharakteristik eine Spannungsänderung in die negative Richtung auf; und auf der anderen Seite, wenn sich die Ausgangscharakteristik auf die magere Seite verschiebt, dann ändert sich die Spannung in die positive Richtung.
So wie dies vorstehend erwähnt ist, kann es bezüglich der Ausgangscharakteristik des O₂-Sensors 17 festgestellt werden, dass in der Nähe des stöchiometrischen Punktes eine sich schnell verändernde Spannungsregion bzw. ein sich schnell verändernden Spannungsbereich gibt, bei dem sich die elektromotorische Kraft schnell verändert, und dass es auf beiden Seiten dieses Bereichs stabile Spannungsbereiche gibt, bei denen die elektromotorische Kraft fast konstant ist (siehe auch 3). Wenn beide Fett-Mager-Bestimmungen in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich der Ausganscharakteristiken L1 und L2 getätigt werden, wird in der Ausgangscharakteristik L3 eine der Fett-Mager-Bestimmungen in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich getätigt, und die andere Bestimmung wird in dem stabilen Spannungsbereich getätigt.
Wenn, während der Konstantstrom Ics zu dem Sensorelement 31 zugeführt wird, so wie dies vorstehend erläutert ist, erhöht sich der Elementwiderstand unerwünscht, so wie die Temperatur des Sensorelements 31 niedrig wird, und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, welches als fett (oder mager) bestimmt ist, schwankt in einem weiten Bereich, und folglich verschlechtert sich die Genauigkeit der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.
Daher wird bei dieser Ausführungsform der Elementwiderstand Ra sukzessiv berechnet, und der Konstantstrom Ics, der dem Sensorelement 31 zugeführt werden soll, wird entsprechend diesem Elementwiderstand Ra gesteuert (korrigiert), wobei dadurch die Verschlechterung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses unterdrückt wird.
8 ist ein Flussdiagramm, welches das Konstantstromsteuerverfahren zeigt, und dieses Verfahren wird durch die Mikrocomputer 41 in einem gegebenen Zyklus wiederholt werden.
In 8 bestimmt bei S11 der Mikrocomputer 41, ob der Konstantstrom durch den Konstantstromschaltkreis 43 zugeführt wird, oder nicht. Bei S12 bestimmt der Mikrocomputer 41, ob ein Kaltstart der Maschine 10 oder eine Treibstoffbegrenzung ausgeführt wird, oder nicht. Bei dieser Ausführungsform entspricht der Schritt S12 einer Niedrigtemperaturbestimmungssektion. Wenn bei S11 oder S12 ein NEIN auftritt, beendet der Mikrocomputer 41 das Verfahren, oder wenn bei S11 oder S12 ein JA auftritt, dann fährt das Verfahren mit dem nächsten Schritt S13 fort.
Bei S13 erhält der Mikrocomputer 41 den Konstantstrom Ics und den Elementwiderstand Ra bei einem vorliegenden Zeitpunkt. Der Konstantstrom Ics kann auf irgendeinen aus einer Mehrzahl von Werten umgeschaltet werden (beispielsweise, 0,1 mA, 0,2 mA, usw.). Beispielsweise wird der Konstantstrom Ics als eine Variable eingestellt, die vom Betriebszustand der Maschine, etc. abhängig ist. In kürze, wenn sich der Betriebszustand der Maschine ändert, dann ändert sich der Betrag der fetten Komponenten in dem Abgas entsprechend. Genauer gesagt, wenn die Maschinendrehgeschwindigkeit höher ist, oder wenn die Last auf die Maschine größer ist, dann erhöht sich der Betrag der fetten Komponenten in dem Abgas. In diesem Fall, um die gewünschte Performance bezüglich der Abgasemissionen beizubehalten, ist es wünschenswert, den Strom zu steuern, der zu dem Sensorelement 31 zugeführt werden soll (dies ist der Konstantstrom Ics des Konstantstromschaltkreises 43), wobei dies als eine Variable in Abhängigkeit zu dem Betriebszustand der Maschine geschehen soll. Beispielsweise, wenn die Drehgeschwindigkeit der Maschine höher ist, oder wenn die Last auf die Maschine größer ist, dann wird der Konstantstrom Ics erhöht. Bei dieser Ausführungsform entspricht der Schritt S13 einer Konstantstromeinstellsektion.
Der Elementwiderstand Ra sollte durch den Mikrocomputer 41 in einem gegebenen Zyklus berechnet werden; beispielsweise wird der Elementwiderstand Ra durch das Elementwiderstandsberechnungsverfahren berechnet, das in 9 gezeigt ist. Bei 9 bestimmt der Mikrocomputer 41 bei S21, ob es Zeit ist den Elementwiderstand zu berechnen, oder nicht. Wenn der Mikrocomputer 41 bestimmt, dass es Zeit ist zu rechnen, dann führt der Mikrocomputer 41 mit Schritt S22 fort. Das Intervall zum Berechnen des Elementwiderstands beträgt beispielsweise 128 msek. Bei S22 schaltet der Mikrocomputer 41 temporär die an den Sensor angelegte Spannung über den Spannungsumschaltschaltkreis 59 um. Bei S23 berechnet der Mikrocomputer 41 den Betrag der Stromänderung, welche in Abhängigkeit zu der Spannungsänderung auftritt. Ferner berechnet bei S24 der Mikrocomputer 41 den Elementwiderstand Ra aus dem Betrag der Stromänderung, die bei Schritt S23 berechnet wurde. Bei dieser Ausführungsform entspricht Schritt S24 einer Widerstandswertberechnungssektion.
Bei S14 stellt der Mikrocomputer 41 einen Stromkorrekturwert Ki ein, um den Konstantstrom Ics zu korrigieren (zu verringern), und dies gemäß dem Elementwiderstand Ra. Bei diesem Zeitpunkt wird der Stromkorrekturwert Ki beispielsweise unter Verwendung der Beziehung der 10(a) eingestellt. Gemäß 10(a), wenn der Elementwiderstand Ra A1 oder mehr beträgt, wird der Stromkorrekturwert Ki auf einen größeren Wert für einen größeren Elementwiderstand Ra eingestellt. In anderen Worten, wenn der Elementwiderstand Ra geringer als A1 ist, dann wird der Konstantstrom Ics nicht korrigiert (verringert), sondern wenn der Elementwiderstand Ra A1 oder mehr ist, dann wird der Konstantstrom Ics korrigiert (verringert). A1 sollte ein Sollelementwiderstandswert bei der Heizererregungssteuerung oder ein Widerstandswert sein, welcher annähernd gleich dem Sollelementwiderstand ist. Bei der Anordnung, dass der Konstantstrom Ics als eine Variable eingestellt wird, so wie dies in 10(b) gezeigt ist, sollte der Stromkorrekturwert Ki entsprechend dem Elementwiderstand Ra und dem Konstantstrom Ics eingestellt werden. Gemäß dieser 10(b) wird der Elementwiderstand Ra als die Referenz, um zu bestimmen, ob der Konstantstrom Ics korrigiert (verringert) werden soll, auf einen Wert eingestellt, welcher sich in Abhängigkeit zu dem Konstantstrom Ics, namentlich B1, B2 oder B3, verändert, und wenn der Konstantstrom Ics größer ist, ist der Elementwiderstand Ra als die Referenz geringer. So wie dies in 10(b) gezeigt ist, ist B1 kleiner als B2, und B2 ist kleiner als B3. Wenn der Elementwiderstand Ra der gleiche ist, dann wird der Stromkorrekturwert Ki auf einen größeren Wert für einen größeren Konstantstrom Ics eingestellt.
Die Steuerung des Konstantstroms Ics sollte solcherart durchgeführt werden, dass bei der Sensorausgangscharakteristik mit einem sich schnell verändernden Spannungsbereich und einem stabilen Spannungsbereich die Schwellwerte V1 und V2 in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich beinhaltet sind. In anderen Worten wird die Fett-Bestimmung oder die Mager-Bestimmung immer in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich der Sensorausgangscharakteristik getätigt. In diesem Fall wird der eingestellte Wert des Konstantstroms Ics selbst innerhalb eines solchen Bereichs bestimmt werden, dass die Schwellwerte V1 und V2 in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich beinhaltet sind, und die Bedingung, bei welcher die Schwellwerte V1 und V2 in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich beinhaltet sind, kann durch das Durchführen einer Stromsteuerung solcherart beibehalten werden, dass eine Spannungsänderung entsprechend zu Ics auftritt.
Danach korrigiert bei S15 der Mikrocomputer 41 den vorliegenden Konstantstrom Ics, welcher der Konstantstrom Ics bei dem vorliegenden Zeitpunkt ist, durch den Stromkorrekturwert Ki, welcher bei S14 berechnet wird. Bei dieser Ausführungsform entsprechen die Schritte S14 und S15 einer Stromsteuersektion und ebenso entspricht der Schritt S14 einer Korrekturwertberechnungssektion, und der Schritt S15 entspricht einer Korrektursektion. Genauer gesagt, wie dies durch die nachstehende Formel (1) ausgedrückt wird, ist der korrigierte Konstantstrom Ics der vorliegende Konstantstrom Ics minus dem Stromkorrekturwert Ki. Nach der Korrektur wird der Konstantstrom Ics, der durch den Konstantstromschaltkreis 43 zugeführt wird, gemäß dem korrigierten Konstantstrom Ics gesteuert. Ics = Ics – Ki (1)
Gemäß zu der vorstehend detailliert erläuterten Ausführungsform können die nachstehenden vorteilhaften Effekte erzielt werden.
Da der Konstantstrom Ics, der zu dem Sensorelement 31 zugeführt wird, entsprechend dem Elementwiderstand Ra gesteuert wird, kann der Nachteil unterdrückt werden, dass die Genauigkeit der Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung sich in unabsichtlicher Weise verringert. In anderen Worten kann das Anwachsen des Betrags der Änderung bei der an den Sensor angelegten Spannung aufgrund des Anwachsens des Elementwiderstands Ra durch das Verringern des Konstantstroms Ics unterdrückt werden. Auf diese Weise kann die Verringerung in der Genauigkeit bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisse unterdrückt werden. Folglich kann die Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung in geeigneter Weise durchgeführt werden, während der Konstantstrom Ics zu dem O₂-Sensor 17 zugeführt wird.
Ein Verfahren zum Unterdrücken des Anwachsens des Betrags der Änderung der an den Sensor angelegten Spannung, welches ein anderes ist als das Verringern des Konstantstroms Ics, ist es, den Elementwiderstand zu verringern, indem der Betrag der Wärmeerzeugung durch den Heizer 36 erhöht wird. Allerdings ist mehr elektrische Leistung erforderlich, den Betrag der Wärmeerzeugung durch den Heizer 36 zu erhöhen, was im Sinne des Energieeinsparens negativ ist. Zusätzlich, wenn der Elementwiderstand durch das Heizen durch den Heizer 36 verringert wird, tritt eine Verzögerung von dann an auf, wenn das Heizen gestattet wird, bis die Temperatur des Sensorelements 31 sich tatsächlich erhöht, was aus dem Blickpunkt der Reaktionsgeschwindigkeit nicht wünschenswert sein kann (Restaurationsgeschwindigkeit des Elementwiderstands). Ferner kann ein Überschießen etc. auftreten, wenn sich der Elementwiderstand ändert, was aus dem Blickpunkt der Steuerbarkeit nicht gewünscht sein kann.
Der Stromkorrekturwert Ki wird gemäß dem Elementwiderstand Ra berechnet, und der Konstantstrom Ics wird durch den Stromkorrekturwert Ki korrigiert (siehe 10(a)). Daher, sogar wenn sich der Elementwiderstand Ra in unbeabsichtigter Weise ändert, kann der Konstantstrom Ics in geeigneter Weise gesteuert werden, und dies in Übereinstimmung mit der entsprechenden Änderung.
Der Stromkorrekturwert Ki wird gemäß dem Elementwiderstand Ra und dem Konstantstrom Ics berechnet (der Wert wird als eine Variable eingestellt), und der Konstantstrom Ics wird durch den Stromkorrekturwert Ki korrigiert (siehe 10(b)). Bei der Anordnung, dass der Konstantstrom Ics als eine Variable eingestellt ist, sogar wenn sich der Elementwiderstand Ra in unbeabsichtigter Art und Weise ändert, kann der Konstantstrom Ics in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit der Änderung gesteuert werden.
Der Konstantstrom wird solcherart gesteuert, dass bei der Charakteristik der elektromotorischen Kraft des O₂-Sensors 17 mit einem sich schnell verändernden Spannungsbereich und mit einem stabilen Spannungsbereich die Fett-Bestimmung und die Mager-Bestimmung in dem sich schnell verändernden Spannungsbereich durchgeführt werden. Folglich kann eine Varianz bei der Fett-Bestimmung und bei der Mager-Bestimmung mit Sicherheit unterdrückt werden.
Während des Kaltstarts der Maschine 10 oder während der Kraftstoffverringerung ist die Temperatur des Sensorelements 31 relativ niedrig. Bei einer solchen niedrigen Temperatur ist es wahrscheinlich, dass eine falsche Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung auftritt. In Hinblick dessen, wenn bestimmt ist, dass der Kaltstart oder die Kraftstoffeinsparung ausgeführt wird, wird die vorstehend erläuterte Konstantstromsteuerung durchgeführt, so dass eine Bedingung in geeigneter Weise adressiert wird, bei der es wahrscheinlich ist, dass diese einen Nachteil verursacht.
Andere Ausführungsformen
Die vorstehende Ausführungsform kann wie nachstehend verändert werden.

(a) Unter der Bedingung, dass ein Konstantstrom zu dem Sensorelement 31 zugeführt wird, wenn eine Feedbacksteuerung des Heizers 36 durchgeführt wird, so dass der Elementwiderstand Ra derart gesteuert wird, dass dieser ein Sollwert Rtg ist, kann der Konstantstrom Ics geändert werden, wenn sich der Elementwiderstand Ra von dem Sollwert Rtg um einen vorbestimmten Betrag oder mehr unterscheidet.

11 ist ein Flussdiagramm, welches das Konstantstromsteuerverfahren zeigt, und dieses Verfahren wird durch den Mikrocomputer 41 in einem gegebenen Zyklus wiederholt. Bei 11 bestimmt der Mikrocomputer 41 bei S31, ob die Zuführung des Konstantstroms durch den Konstantstromschaltkreis 43 ausgeführt wird oder nicht. Bei S32 bestimmt der Mikrocomputer 41, ob die Feedbacksteuerung des Heizers 36 ausgeführt wird oder nicht. Bei dieser Ausführungsform entspricht S32 einer Heizersteuersektion. Wenn bei S31 oder S32 ein Nein auftritt, beendet der Mikrocomputer 41 dieses Verfahren, oder wenn bei sowohl S31 als auch S32 ein Ja auftritt, fährt der Mikrocomputer 41 mit dem nächsten Schritt S33 fort.
Bei S33 erhält der Mikrocomputer 41 den Sollwert Rtg und den Elementwiderstand Ra. Bei S34 stellt der Mikrocomputer 41 einen Stromkorrekturwert Ki ein, um den Konstantstrom Ics zu korrigieren (zu verringern), und dies gemäß der Abweichung ΔR, welche der Unterschied zwischen dem Sollwert Rtg und dem Elementwiderstand Ra ist (= Ra – Rtg). Bei diesem Zeitpunkt wird der Stromkorrekturwert Ki unter Verwendung der Beziehung der 12 eingestellt. Die Abweichung ΔR ist der Elementwiderstand Ra minus dem Sollwert Rtg, so wie das durch die nachstehende Formel (2) ausgedrückt ist: ΔR = Ra – Rtg (2)
Gemäß 12, wenn die Abweichung des Elementwiderstand ΔR C1 oder größer ist, dann wird der Stromkorrekturwert Ki auf einen größeren Wert für eine größere Abweichung ΔR eingestellt. In anderen Worten, wenn die Abweichung ΔR kleiner ist, als C1, dann wird der Konstantstrom Ics nicht korrigiert (verringert), aber wenn die Abweichung ΔR C1 oder größer ist, dann wird der Konstantstrom Ics korrigiert (verringert).
Danach korrigiert bei S35 der Mikrocomputer 41 den vorliegenden Konstantstrom Ics durch den Stromkorrekturwert Ki, welcher bei S34 berechnet wird. Bei dieser Ausführungsform entsprechend die Schritte S34 und S35 einer Stromsteuersektion, und der Schritt S34 entspricht einer Stromwertberechnungssektion, und der Schritt S35 entspricht einer Korrektursektion. Genauer gesagt wird der vorliegende Konstantstrom Ics in Übereinstimmung mit der vorstehenden Formel (1) korrigiert. Nach der Korrektur wird der Konstantstrom Ics, der durch den Konstantstromschaltkreis 43 zugeführt wird, gemäß dem korrigierten Konstantstrom Ics gesteuert.
Entsprechend der vorstehenden Anordnung, sogar wenn eine Abweichung des Elementwiderstands Ra von dem Sollwert Rtg auftritt, und dies mit einer plötzlichen Änderung in der Abgastemperatur etc., dann kann eine Luft/Kraftstoff-Bestimmung in geeigneter Weise durchgeführt werden.

(b) Bei der vorstehenden Ausführungsform werden zwei Schwellwerte V1 und V2 für die fette Seite und für die magere Seite zu dem Zweck verwendet, dass eine Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung erzielt wird; anstelle dessen kann jedoch nur eines davon verwendet werden. Beispielsweise kann auch nur der erste Schwellwert V1 auf der fetten Seite verwendet werden, um zu bestimmen, ob das Luft/Kraftstoff-Verhältnis fett ist oder nicht.
(c) Bei der vorstehenden Ausführungsform ist ein Beispiel, auf das die vorliegende Offenbarung Anwendung findet, ein O₂-Sensor 17 mit einem Heizer; allerdings kann anstelle dessen die Offenbarung auch auf einen O2-Sensor ohne einen Heizer angewandt werden. Bei diesem Fall kann ein Zustand ebenso adressiert werden, bei dem sich die Elementtemperatur verringert (bei dem sich der Elementwiderstand ändert), so wie dies vorstehend näher erläutert ist.
(d) Bei der vorstehenden Ausführungsform wird eine Bestimmung getätigt, ob ein Kaltstart der Maschine 10 oder eine Kraftstoffbegrenzung durchgeführt werden, und wenn es bestimmt ist, dass der Kaltstart oder die Kraftstoffbegrenzung durchgeführt werden, dann wird die Konstantstromsteuerung durchgeführt; anstelle dessen kann eine Konstantstromsteuerung unabhängig davon durchgeführt werden, ob der Kaltstart oder die Kraftstoffbegrenzung ausgeführt wird oder nicht. Im Detail kann S12 der 8 weggelassen werden.
(e) Wenn die Abgastemperatur mit der hohen Last bei dem Betrieb der Maschine 10 ansteigt und wenn sich der Elementwiderstand Ra verringert, dann ändert sich die an den Sensor angelegte Spannung ebenso aufgrund der Änderung des Widerstands. In einem solchen Fall sollte der Konstantstrom Ics erhöht werden.
(f) Die Struktur der Konstantstromzuführsektion ist nicht auf den vorstehend beschriebenen Konstantstromschaltkreis 43 beschränkt, sondern es kann jede Struktur verwendet werden, die einen vorbestimmten Konstantstrom zuführen kann, und die den Wert des Stroms variieren kann. Beispielsweise kann ein Konstantstromschaltkreis verwendet werden, welcher den Betrag des Stroms über eine PWM-Steuerung einstellen kann (eine Zyklussteuerung). Wenn dies der Fall ist, kann der Konstantstrom als eine Variable gemäß einem Strombeschränkungsbefehl eingestellt werden.
(g) Bei der vorstehenden Ausführungsform ist der O₂-Sensor 17 stromabwärts zu dem ersten Katalysator 15a angeordnet; allerdings kann anstelle dessen der O₂-Sensor 17 in dem mittleren Abschnitt des ersten Katalysators 15a angeordnet sein. In diesem Fall kann der O₂-Sensor 17 auf der Halterung bzw. Lagerung des ersten Katalysators 15a angebracht sein. In jedem Fall muss der O₂-Sensor 17 nur das Abgas, welches durch den ersten Katalysator 15 gereinigt wird, als das Objekt der Erfassung hernehmen, und die Gaskomponenten erfassen.
(h) Der Gassensor ist nicht auf den vorstehend erläuterten O₂-Sensor 17 beschränkt, sondern es kann anstelle des Gassensors ein sogenannter Zwei-Zellen-Ganssensor verwendet werden, welcher eine elektrogene Zelle und eine Pumpenzelle beinhaltet. In diesem Fall kann die Ausgangscharakteristik der elektrogenen Zelle des Zwei-Zellen-Gassensors in geeigneter Weise verändert werden, und die Luft/Kraftstoff-Verhältnisbestimmung kann in geeigneter Weise getätigt werden.

Während die vorliegende Offenbarung in Bezug auf die zugehörigen Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte es verstanden werden, dass die Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung auch verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdeckt. Zusätzlich liegen verschiedene Kombinationen und Konfigurationen mit mehr, weniger oder nur einem einzelnen Element ebenso im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung, wobei der Schutzbereich durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

Gassensorsteuervorrichtung für einen Gassensor (17), welcher eine elektrogene Zelle (31) aufweist, unter Verwendung eines massiven Elektrolytkörpers (32) und eines Paars von Elektroden (33, 34), welche in einer Position platziert sind, so dass der massive Elektrolytkörper dazwischenliegt, wobei er ein Abgas von einer internen Verbrennungsmaschine (10) als ein Objekt einer Erfassung erfasst, und er ein elektromotorisches Kraftsignal in Abhängigkeit zu einem Luft-Kraftstoffverhältnisses des Abgases ausgibt, wobei die Gassensorsteuervorrichtung das Folgende aufweist: eine Konstantstromzuführsektion (43), welche einen Konstantstrom, der vorbestimmt ist, zu der elektrogenen Zelle zuführt; eine Widerstandswertberechnungssektion (41, S24), welche einen Widerstandswert der elektrogenen Zelle berechnet; eine Luft-Kraftstoffverhältnisbestimmungssektion (41), welche bestimmt, ob das Luft-Kraftstoffverhältnis zumindest fett, mager oder stöchiometrisch ist, und dies auf der Basis eines Vergleichs zwischen einem Ausgang der elektromotorischen Kraft der elektrogenen Zelle und einem vorbestimmten Schwellwert; und eine Stromsteuersektion (41, S14, S15 S34, S35), welche den Konstantstrom steuert, der durch die Konstantstromzuführsektion zugeführt wird, und dies auf der Basis des Widerstandswerts der elektrogenen Zelle, der durch die Widerstandswertberechnungssektion berechnet wird.
Gassensorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Stromsteuersektion das Folgende beinhaltet: eine Korrekturwertberechnungssektion (41, S14, S34), welche einen Stromkorrekturwert für den Konstantstrom, der bei einem vorliegenden Zeitpunkt zugeführt wird, berechnet, und dies auf der Basis des Widerstandwerts der elektrogenen Zelle, der durch die Widerstandswertberechnungssektion berechnet wird, und eine Korrektursektion (41, S15, S35), welche einen vorliegenden Konstantstrom korrigiert, welcher der Konstantstrom bei einem vorliegenden Zeitpunkt ist, und dies durch den Stromkorrekturwert.
Gassensorsteuervorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Konstantstromeinstellsektion (41, S13), welche den Konstantstrom, der durch die Konstantstromzuführsektion zugeführt wird, als eine Variable einstellt, wobei die Stromsteuersektion das Folgende beinhaltet: eine Korrekturwertberechnungssektion (41, S14, S34), welche einen Stromkorrekturwert für den vorliegenden Konstantstrom auf der Basis einer Beziehung zwischen dem Widerstandswert der elektrogenen Zelle, der durch die Widerstandswertberechnungssektion berechnet wird, und dem vorliegenden Konstantstrom, der durch die Konstantstromeinstellsektion eingestellt wird, berechnet, und eine Korrektursektion (41, S15, S35), welche den vorliegenden Konstantstrom um den Stromkorrekturwert korrigiert.
Gassensorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrogene Zelle eine Ausgangscharakteristik einen Bereich einer schnellen Veränderung, wo sich der Ausgang der elektromotorischen Kraft in der Nähe des stöchiometrischen Punkts schnell verändert, und einen stabilen Bereich an einer fetteren oder mageren Seite als der Bereich der schnellen Veränderung, wo der Ausgang der elektromotorischen Kraft annähernd konstant ist, aufweist, und wobei die Stromsteuersektion den Konstantstrom so steuert, dass der vorbestimmte Schwellwert in dem Bereich der schnellen Veränderung beinhaltet verbleibt.
Gassensorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend: eine Niedertemperaturbestimmungssektion (S12), die bestimmt, dass ein Kaltstart der internen Verbrennungsmaschine oder eine Kraftstoffbegrenzung ausgeführt wird, wobei wenn die Niedertemperaturbestimmungssektion bestimmt, dass der Kaltstart oder die Kraftstoffbegrenzung durchgeführt wird, die Stromsteuersektion eine Steuerung des Konstantstroms durchführt.
Gassensorsteuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gassensorsteuervorrichtung für den Gassensor mit einem Heizer (36) vorgesehen ist, der die elektrogene Zelle heizt, und wobei die Gassensorsteuervorrichtung ferner das Folgende aufweist: eine Heizsteuersektion (41, S32), welche eine Ansteuerung des Heizers solchermaßen steuert, dass der Widerstandswert der elektrogenen Zelle, der durch die Widerstandswertberechnungssektion berechnet wird, so gesteuert ist, dass dieser einen Sollwiderstandswert, dass der Konstantstrom durch die Konstantstromzuführsektion zugeführt wird, wobei die Stromsteuersektion den Konstantstrom ändert, wenn der Widerstandswert der elektrogenen Zelle von dem Sollwiderstandswert um einen vorbestimmten Betrag oder mehr während einer Heizsteuerung, die durch die Heizsteuersektion durchgeführt wird, abweicht.