DE19921986A1

DE19921986A1 - Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19921986A1
Application number: DE19921986A
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Aoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: US6382015B1; DE19921986B4

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung eines Widerstands eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors umfaßt ein Luft/Kraftstoffverhältnissensorelement (101), eine Heizeinrichtung (104) zur Aktivierung des Sensorelements, eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungseinrichtung (100) zur Erfassung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses in einem durch das Sensorelement erfaßten Erfassungsobjektgas, eine Gaszustandserfassungseinrichtung (100) zur Erfassung eines Gaszustands des Erfassungsobjektgases, eine Einrichtung (100) zur Erfassung einer Impedanz des Sensorelements und eine Einrichtung zur Korrektur der Impedanz des Sensorelements gemäß dem Gaszustand. Während einer vorbestimmten Zeitspanne wird eine kumulative elektrische Energiemenge berechnet, die der Heizeinrichtung (104) zugeführt wird. Beruhend auf der berechneten kumulativen elektrischen Energiemenge, wird die Impedanz des Sensorelements (101) korrigiert. Gemäß der der Heizeinrichtung (104) zugeführten kumulativen elektrischen Energiemenge wird bestimmt, ob das Sensorelement (101) einen Schaden aufweist, und wird ein Elementtemperatursteuerungs-Sollwert bestimmt. Durch eine Korrektur des Lernwerts gemäß dem Gaszustand wird eine Sollimpedanz berechnet. Beruhend auf dem berechneten Sollwert wird die Heizeinrichtung (104) gesteuert, um eine Überhitzung des Sensorelements (101) und der Heizeinrichtung (104) zu verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Widerstands eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors und insbesondere eine Luft/Kraftstoffverhältnissensor- Widerstandserfassungsvorrichtung zur Erfassung der Impedanz eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors wie beispielsweise eines Sauerstoffkonzentrationserfassungs elements, das zur Erfassung des Luft/Kraftstoff verhältnisses eines Abgases verwendet wird.

Damit ein im Abgassystem eines Motors angeordneter Katalysator eine größtmögliche Menge an Schadstoffen (wie beispielsweise Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO) Stickstoffoxiden (NO_x) und dergleichen) wie sie bei Abgasemissionen auftreten, entfernen kann, verwenden derzeitige Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerungstechno logien einen in dem Abgassystem angeordneten Luft/Kraft stoffverhältnissensor und führen eine derartige Regelung durch, daß das durch den Luft/Kraftstoffverhältnissensor erfaßte Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu einem Luft/Kraftstoff-Sollverhältnis wie zum Beispiel dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältniswert wird. Ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor, wie er bei diesen Technologien normalerweise zum Einsatz kommt, stellt ein Sauerstoffkonzentrationserfassungselement einer Grenz strombauart dar, das einen Grenzstrom ausgibt, der zu der Sauerstoffkonzentration in dem vom Motor kommenden Abgas proportional ist. Das Sauerstoffkonzentrationserfassungs element der Grenzstrombauart ermöglicht es, das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases beruhend auf der erfaßten Sauerstoffkonzentration über einen großen Bereich linear zu erfassen. Das Sauerstoffkonzentrations erfassungselement der Grenzstrombauart ist daher nützlich, um die Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerungs genauigkeit zu verbessern oder um eine Magerverbrennungs steuerung durchzuführen.

Bei dem Sauerstoffkonzentrationserfassungselement ist es erforderlich, daß das Element in einem aktiven Zustand gehalten wird, um eine hochpräzise Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses aufrechtzuerhalten. Wenn der Motor gestartet wird, wird das Element typischerweise sofort durch Elektrifizierung einer an dem Element angebrachten Heizeinrichtung erwärmt, damit das Element schnell aktiviert wird. Die Elektrifizierung der Heiz einrichtung wird dann gesteuert, um so den aktiven Zustand des Elements aufrechtzuerhalten.

Fig. 27 zeigt eine grafische Darstellung, die die Wechselbeziehung zwischen der Temperatur und der Impedanz von Sauerstoffkonzentrationserfassungselementen wieder gibt. Die Temperatur und die Impedanz eines Sauerstoff konzentrationserfassungselements (nachstehend einfach als Element" bezeichnet) zeigen normalerweise eine Wechsel beziehung, wie sie durch die Linie A in Fig. 27 gekenn zeichnet ist, d. h. einen Zusammenhang, bei dem mit einem Anstieg der Elementtemperatur die Elementimpedanz sinkt. Auf diesem Zusammenhang beruhend erfaßt die vorstehend genannte Heizeinrichtungs-Elektrifizierungssteuerung die Elementimpedanz und leitet daraus eine Elementtemperatur her, wobei derart eine Regelung erfolgt, daß die herge leitete Elementtemperatur zu einer gewünschten Aktivie rungstemperatur von beispielsweise 700°C wird. Falls die Elementimpedanz Zac beispielsweise größer oder gleich 30 Ω ist (Zac ≧ 30), d. h. größer oder gleich der Elementimpedanz ist, die der anfänglichen Steuerungs elementtemperatur von 700°C entspricht, falls also die Elementtemperatur wie durch die Linie A in Fig. 27 gekennzeichnet kleiner oder gleich 700°C ist, wird die Heizeinrichtung elektrifiziert. Falls Zac kleiner als 30 Ω ist (Zac < 30), falls also die Elementtemperatur höher als 700°C liegt, wird die Elektrifizierung der Heizeinrichtung unterbrochen. Durch diese Steuerung wird die Elementtemperatur auf größer oder gleich 700°C, d. h. der Aktivierungstemperatur des Elements, gehalten, so daß der aktive Zustand des Elements aufrechterhalten wird. Während der Elektrifizierung der Heizeinrichtung wird die Energiezuführungsmenge bestimmt, die zur Beseitigung der Abweichung der Elementimpedanz von dem Sollwert (d. h. Zac - 30) benötigt wird, wobei eine Auslastungsteuerung erfolgt, damit der Heizeinrichtung diese Energiemenge zugeführt wird.

Ein Verfahren zur Erfassung der Temperatur eines Sauer stoffkonzentrationssensors ist zum Beispiel in der JP-A- 09-292 364 offenbart, wonach die Impedanz des Sauerstoff konzentrationserfassungselements erfaßt wird, indem an das Element eine zur Erfassung des Luft/Kraftstoff verhältnisses dienende Gleichspannung zusammen mit einer überlagernden Wechselspannung angelegt wird, die eine zur Erfassung der Elementtemperatur geeignete Frequenz von beispielsweise 5 kHz aufweist, und nach der Wechsel spannungsüberlagerung der durch das Element hindurch gehende Strom gemessen wird. Anhand der überlagerten Anlegespannung und des gemessenen Stroms wird eine Elementimpedanz erfaßt.

Jedoch treten in Hinblick auf die Elementimpedanz, die durch das vorstehend genannte Verfahren zur Erfassung des Widerstands eines Sauerstoffkonzentrationssensorelements erfaßt wird, die folgenden Probleme auf. Ein in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordneter Sauerstoffkonzentrationssensor unterliegt infolge von Abgaswärme oder einer Ablagerung an Innenteilen oder Oberflächen der Elektroden des Elements in bezug auf Elektrodenabschnitte des Elements einer Alterungs schädigung, so daß sich die Wechselbeziehung zwischen der Elementimpedanz und der Elementtemperatur wie durch die Linie B in Fig. 27 gekennzeichnet ändert. Das heißt, daß mit einer Schädigung des Sensorelements eine Abweichung der erfaßten Elementimpedanzwerte auftritt. Darüber hinaus kommt es bei in Abgaswegen angeordneten Sauer stoff Konzentrationssensoren auch infolge der sich ändern den Abgasbedingungen, die von dem Ansaugluftstrom, dem Belastungszustand des Motors, dem Luft/Kraftstoff verhältnis des Abgases und dergleichen abhängen, zu Abweichungen bei den erfaßten Impedanzwerten.

Die wie vorstehend beschriebenen Abweichungen der erfaßten Impedanzwerte verursachen natürlich unerwünschte Ereignisse. Falls die Sollimpedanz zum Beispiel 30 Ω beträgt und die vorliegende wahre Elementimpedanz 30 Ω beträgt, kann die Elementimpedanz infolge einer wie vorstehend erwähnten Abweichung falsch mit 20 Ω erfaßt werden, so daß die Elementtemperatur mit 800°C bestimmt wird. In diesem Fall wird die Heizeinrichtung derart gesteuert, daß die Elementtemperatur abnimmt. Falls diese Steuerung fortgesetzt wird, wird das Sensorelement auf eine Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur von 700°C abgekühlt, wodurch versäumt wird, den aktiven Zustand aufrechtzuerhalten. Dadurch verschlechtern sich die Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerungsgenauigkeit und die Abgasemissionen.

Aufgrund einer wie vorstehend erwähnten Abweichung kann die Elementimpedanz des weiteren, falls die Sollimpedanz 30 Ω beträgt und die vorliegende wahre Elementimpedanz 30 Ω ist, falsch mit 90 Ω erfaßt werden, so daß die Elementtemperatur mit 600°C bestimmt wird. In diesem Fall wird die Heizeinrichtung derart gesteuert, daß die Elementtemperatur zunimmt. Falls diese Steuerung fort gesetzt wird, überschreitet die Sensorelementtemperatur die Aktivierungstemperatur von 700°C, d. h. das Sensor element wird überhitzt. Dadurch beschleunigt sich die Schädigung des Sensorelements und verkürzt sich seine Betriebslebensdauer.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstands erfassungsvorrichtung bereit zustellen, durch die eine Schädigung des Sensorelements infolge einer Überhitzung des Sensorelements und eine Schädigung eines Heizeinrich tungswiderstands infolge einer übermäßigen Energiezufüh rung zu dem Heizeinrichtungswiderstand selbst dann verhindert werden, wenn das Sensorelement mit der Zeit geschädigt wird oder wenn sich der Zustand eines Erfassungsobjektgases ändert.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Luft/Kraft stoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung bereit zustellen, die bestimmt, ob das Luft/Kraftstoff verhältnissensorelement ausgefallen bzw. defekt ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe durch Bereitstellung einer Luft/Kraftstoffverhältnis sensor-Widerstandserfassungsvorrichtung gelöst, die (i) ein Sauerstoffkonzentrationserfassungselement, das in einem Erfassungsobjektgas (z. B. einem Abgas von einem Motor) eine Sauerstoffkonzentration erfaßt, (ii) eine Heizeinrichtung zur Aktivierung des Sauerstoffkonzen trationserfassungselements und (iii) eine Luft/Kraft stoffverhältnis-Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines durch das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement gehenden, zu der Sauerstoffkonzentration in dem Erfassungsobjektgas proportionalen elektrischen Stroms durch Anlegen einer Spannung an das Sauerstoffkonzen trationserfassungselement umfaßt, wobei die Luft/Kraft stoffverhältnis-Erfassungseinrichtung auf dem elektri schen Strom beruhend ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Erfassungsobjektgases erfaßt. Die Luft/Kraftstoff verhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung umfaßt des weiteren (iv) eine Gaszustandserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Zustands des Erfassungsobjektgases, (v) eine Impedanzerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Impedanz des Sauerstoffkonzentrationserfassungs elements durch Anlegen einer Spannung an das Sauerstoff konzentrationserfassungselement und (vi) eine Korrektur einrichtung zur Korrektur der durch die Impedanz erfassungseinrichtung erfaßten Impedanz gemäß dem Gaszustand.

Diese Vorrichtung korrigiert die Impedanz des Sauer stoffkonzentrationserfassungselements gemäß dem Gas zustand des durch das Sauerstoffkonzentrationserfassungs element erfaßten Erfassungsobjektgases und korrigiert die Sollimpedanz für das Sauerstoffkonzentrationserfassungs element. Daher ist die Vorrichtung in der Lage, eine korrekte Steuerung der Sollimpedanz gemäß dem Gaszustand vorzunehmen und eine Überhitzung des Sauerstoffkonzen trationserfassungselements und der Heizeinrichtung zu verhindern.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfaßt eine Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstands erfassungsvorrichtung (i) ein Sauerstoffkonzentrations erfassungselement, das in einem Erfassungsobjektgas eine Sauerstoffkonzentration erfaßt, (ii) eine Heizeinrichtung zur Aktivierung des Sauerstoffkonzentrationserfassungs elements, (iii) eine Luft/Kraftstoffverhältnis- Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines durch das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement fließenden elektrischen Stroms, wobei der Strom bei Anlegung einer Spannung an das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement proportional zu einer Sauerstoffkonzentration in dem Erfassungsobjektgas ist, (iv) eine Energieberechnungs einrichtung zur Berechnung einer elektrischen Energie menge, die der Heizeinrichtung zugeführt wird, (v) eine Impedanzerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Impedanz des Sauerstoffkonzentrationserfassungselements durch Anlegen einer Spannung an das Sauerstoffkonzentra tionserfassungselement und (vi) eine Korrektureinrichtung zur Korrektur der durch die Impedanzerfassungseinrichtung erfaßten Impedanz gemäß der der Heizeinrichtung zuge führten elektrischen Energiemenge.

Diese Vorrichtung verwendet die durch die Energie berechnungseinrichtung berechnete elektrische Energie menge als einen Parameter, der der Schädigung des Sensor elements (als Folge von beispielsweise Alterungsverände rungen) entspricht, um die Impedanz des Sauerstoff konzentrationserfassungselements zu korrigieren und um daher gemäß der elektrischen Energiemenge eine für das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement eingestellte Sollimpedanz zu korrigieren. Daher ist die Vorrichtung dazu in der Lage, trotz Alterungsveränderungen eine korrekte Steuerung der Sollimpedanz gemäß der Schädigung des Sensorelements vorzunehmen und eine Überhitzung des Sauerstoffkonzentrationserfassungselements und der Heizeinrichtung zu verhindern.

Die Impedanzerfassungseinrichtung kann die Impedanz des Sauerstoffkonzentrationserfassungselements erfassen, indem an das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement eine Spannung angelegt wird, die durch Überlagerung einer Gleichspannung mit einer Wechselspannung erhalten wird. In diesem Fall kann die Impedanz des Sauerstoff konzentrationserfassungselements innerhalb kurzer Zeit erfaßt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen gleichen Elementen entsprechen, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Luft/Kraftstoff verhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung;

Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors und der Heizeinrich tung, die in Fig. 1 gezeigt sind;

Fig. 3A die Wellenform einer an das Sensorelement angelegten Eingangsspannung;

Fig. 3B die Wellenform eines erfaßten Ausgangsstroms von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor;

Fig. 4A eine Schnittansicht eines Luft/Kraftstoff verhältnissensorelements;

Fig. 4B eine ausgebrochene Vergrößerungsansicht eines Elektrolytabschnitts des Luft/Kraftstoffverhältnis sensorelements;

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild des Luft/Kraftstoff verhältnissensorelements;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Impedanzkennwerte des Luft/Kraftstoffverhältnissensorelements wiedergibt;

Fig. 7 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Impedanz und der Frequenz einer Eingangswechselspannung wiedergibt;

Fig. 8 ein Diagramm der Spannung-Strom-Kennlinien des Luft/Kraftstoffverhältnissensors;

Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer Sensorelement-Impedanzberechnungsroutine;

Fig. 10 ein Ablaufdiagramm einer Frequenzüberlagerungs operation innerhalb der Sensorelement-Impedanz berechnungsroutine;

Fig. 11 ein Ablaufdiagramm einer ersten Unterbrechungs routine, die zur Durchführung der Frequenzüberlagerungs operation benötigt wird;

Fig. 12 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Unterbrechungs routine, die zur Durchführung Frequenzüberlagerungs operation benötigt wird;

Fig. 13 ein Zeitdiagramm einer Heizeinrichtungs steuerungsoperation;

Fig. 14 ein Ablaufdiagramm einer Heizeinrichtungs steuerungsroutine;

Fig. 15 ein Ablaufdiagramm einer Sensorelement- Temperaturregelungsroutine;

Fig. 16 ein Ablaufdiagramm einer Sollimpedanzberechnungs routine;

Fig. 17 eine Tabelle zur Herleitung eines Impedanz korrekurbetrags anhand des Ansaugluftstroms;

Fig. 18 eine Tabelle zur Herleitung eines Impedanz korrekturbetrags anhand des Motorbelastungszustands;

Fig. 19 eine Tabelle zur Herleitung eines Impedanz korrekturbetrags anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses des Motors;

Fig. 20 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer beim Start des Motors ausgeführten Elementschädigungskorrekturroutine;

Fig. 21 ein Ablaufdiagramm des nachfolgenden Abschnitts der Elementschädigungskorrekturroutine;

Fig. 22 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer Leerlauf-Elementschädigungskorrektur routine;

Fig. 23 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer Fahrbetrieb-Elementschädigungskorrektur routine;

Fig. 24 ein Ablaufdiagramm einer Luft/Kraftstoff verhältnissensor-Ausfallbestimmungsroutine;

Fig. 25 ein Ablaufdiagramm einer Elementtemperatur steuerungs-Solllernwertberechnungsroutine;

Fig. 26 eine Tabelle zur Herleitung eines Korrektur betrags für den Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert anhand einer der Heizeinrichtung zugeführten mittleren elektrischen Energiemenge; und

Fig. 27 eine grafische Darstellung, die eine Wechsel beziehung zwischen der Temperatur und der Impedanz eines Sauerstoffkonzentrationserfassungselements wiedergibt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Luft/Kraft stoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung.

Gemäß Fig. 1 weist ein Motor 1 einen Kolben 2, einen Zylinderkopf 3, eine Verbrennungskammer 4, einen Ansaug krümmer 5 und einen Auspuffkrümmer 6 auf. Der Ansaug krümmer 5 ist über einen Druckausgleichsbehälter 7, einen Ansaugkanal 8 und eine Luftstrommeßeinrichtung 9 mit einem Luftreiniger 10 verbunden. In dem Ansaugkanal 8 ist eine Drosselklappe 11 angeordnet. An dem Ansaugkrümmer 5 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 12 befestigt und zu einer Einlaßöffnung 13 hin gerichtet. Der Auspuffkrümmer 6 ist mit einem Auspuffrohr 14 verbunden. In dem Auspuff rohr 14 ist ein Katalysator 15 angeordnet, der eine Dreiwege-Katalyseeinrichtung enthält, die gleichzeitig die Anteile an drei Abgaskomponenten, d. h. HC, CO und NO_x, senken und außerdem darin Sauerstoff speichern kann.

Eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 100 wird von einem Digitalcomputer gebildet, der einen Festspeicher (ROM) 42, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 43, einen Sicherungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (B.RAM) 44, eine Zentraleinheit (CPU) 45, einen Eingabebaustein 46 und einen Ausgabebaustein 47 aufweist, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 41 verbunden sind. Die Luftstrommeßeinrichtung 9 erzeugt eine zu dem Ansaugluft strom proportionale Ausgangsspannung. Das Ausgangs spannungssignal wird über einen A/D-Wandler 48 in den Eingabebaustein 46 eingegeben. In einem stromaufwärts liegenden Abschnitt des Auspuffkrümmers 6 ist ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 angeordnet. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 erfaßt die Sauer stoffkonzentration in dem Abgas. Ein von dem Luft/Kraft stoffverhältnissensor 101 ausgegebenes Signal wird über den A/D-Wandler 48 in den Eingabebaustein 46 eingegeben.

Die Öffnung der in dem Ansaugkanal 8 angeordneten Drosselklappe 11 wird gemäß der Betätigung eines (nicht gezeigten) Gaspedals geändert. Die Drosselklappe 11 ist mit einem Drosselklappen-Positionssensors 18 versehen, der einen Leerlaufschalter zur Erfassung eines voll ständig geschlossenen Zustands der Drosselklappenöffnung aufweist. Der Drosselklappen-Positionssensor 18 ist an die ECU 100 angeschlossen. Ein Ein-Aus-Signal XIDLE von dem Leerlaufschalter des Drosselklappen-Positionssensors 18 wird in den Eingabebaustein 46 der ECU 100 eingegeben. Über den A/D-Wandler 48 wird in den Eingabebaustein 46 ein zu der Drosselklappenöffnung proportionales Analog spannungssignal eingegeben.

Der Druckausgleichsbehälter 7 ist mit einem Drucksensor 19 zur Erfassung des Absolutdrucks in einem Auslaßkanal versehen. Der Drucksensor 19 gibt über den A/D-Wandler 48 an den Ausgabebaustein 46 ein zu dem Ansaugluftdruck proportionales Analogspannungssignal aus.

Der Zylinderkopf 3 ist mit einem Wassertemperatursensor 20 zur Erfassung der Motorkühlungswassertemperatur in einem Wassermantel versehen. Der Wassertemperatursensor 20 gibt über den A/D-Wandler 48 an den Eingabebaustein 46 ein zu der Kühlwassertemperatur des Motors 1 proportiona les Analogspannungssignal aus.

An die ECU 100 ist eine Batterie 105 angeschlossen. Die Spannung von der Batterie 105 wird über den A/D-Wandler 48 in der ECU 100 in den Eingabebaustein 46 eingegeben. Außerdem ist an die ECU 100 ein Fahrzeuggeschwindigkeits sensor 21 zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Fahr zeugs, in dem der Motor 1 eingebaut ist, angeschlossen. Über den A/D-Wandler 48 in der ECU 100 wird in den Eingabebaustein 46 ein Analogspannungsausgangssignal des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 21 eingegeben.

Ein Verteiler 16 ist mit zwei Kurbelwinkelsensoren 33, 34 versehen. Der Kurbelwinkelsensor 33 erfaßt jeweils bei einem Kurbelwinkel von 720° eine Bezugsposition und erzeugt dementsprechend ein Ausgangsimpulssignal. Der Kurbelwinkelsensor 34 erfaßt jeweils bei einem Kurbel winkel von 30° eine Position und erzeugt dementsprechend ein Ausgangsimpulssignal. Die Ausgangsimpulssignale von den Kurbelwinkelsensoren 33, 34 werden in den Eingabe baustein 46 eingegeben. Die Ausgangsimpulssignale von dem Kurbelwinkelsensor 34 werden außerdem in einen Unter brechungsanschluß der CPU 45 eingegeben. Beruhend auf den Ausgangsimpulssignalen von den Kurbelwinkelsensoren 33, 34 berechnet die CPU 45 beispielsweise eine Umdrehungs geschwindigkeit des Motors 1.

Der Ausgabebaustein 47 der ECU 100 ist über eine Ansteue rungsschaltung 49 an das Kraftstoffeinspritzventil 12 angeschlossen. Die von dem Kraftstoffeinspritzventil 12 aus in einen Einlaßkanal 17 zu einer Einlaßöffnung 13 hin eingespritzte Kraftstoffmenge wird gesteuert, indem die Ventilöffnungsdauer des durch die Ansteuerungsschaltung 49 geöffneten Kraftstoffeinspritzventils 12 geändert wird, so daß das Luft/Kraftstoffverhältnis gleich einem Luft/Kraftstoff-Sollverhältnis wie beispielsweise dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird. Der Ausgabebaustein 47 ist über die Ansteuerungsschaltung 49 außerdem an einer Alarm einrichtung 22 angeschlossen. Die Alarmeinrichtung 22 wird ausgelöst, wenn bestimmt wird, daß ein Luft/Kraft stoffverhältnissensorelement 102 oder eine Heizeinrich tung 104 übermäßig geschädigt wurden.

Eine Unterbrechung der CPU 45 findet statt, wenn eine A/D-Umwandlungsoperation durch den A/D-Wandler 48 endet oder wenn ein Ausgangsimpulssignal von dem Kurbelwinkel sensor 34 empfangen wird. Über den A/D-Wandler 48 in den Eingabebaustein 46 eingegebene Digitaldaten werden unmittelbar nach der A/D-Umwandlung der Daten gelesen. Die gelesenen Daten werden in dem RAM 43 gespeichert. Jedesmal, wenn in den Unterbrechungsanschluß der CPU 45 ein Ausgangsimpulssignal von dem Kurbelwinkelsensor 34 eingegeben wird, wird außerdem die Umdrehungsgeschwindig keit NE des Motors 1 berechnet. Die berechnete Motor umdrehungsgeschwindigkeit NE wird im RAM 43 gespeichert. Das heißt, daß die in dem RAM 43 gespeicherten Daten in bezug auf den Motor 1 ständig aktualisiert werden.

Die Heizeinrichtung 104 ist bereitgestellt, um das Sensorelement des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 zu aktivieren. Bei einer nachstehend beschriebenen Operation werden von dem Ausgabebaustein 47 aus von der CPU 45 berechnete Digitaldaten zu einem D/A-Wandler 50 ausge geben, wodurch die Daten in eine Analogspannung umge wandelt werden. Daher wird der Heizeinrichtung 104 über eine Heizeinrichtungsschaltung 106 elektrische Energie zugeführt.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 und der Heizeinrichtung 104, die in Fig. 1 gezeigt sind. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 zur Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgases in dem Abgas system des in Fig. 1 gezeigten Motors 1 besteht im wesentlichen aus einem Luft/Kraftstoffverhältnis sensorelement (nachstehend einfach mit "Sensorelement" bezeichnet) 102 und einer Luft/Kraftstoffverhältnis sensorschaltung (nachstehend einfach als "Sensor schaltung" bezeichnet) 103. Die Sensorschaltung 103 legt an das Sensorelement 102 eine Spannung an. Die Sensor schaltung 103 empfängt eine Analogspannung von der ECU 100 und legt an das Sensorelement 102 eine Spannung gemäß der empfangenen Spannung an. Die ECU 100 wandelt durch eine nachstehend beschriebene Operation berechnete Digitaldaten unter Verwendung des in der ECU 100 bereit gestellten D/A-Wandlers 50 in eine Analogspannung um und gibt die Analogspannung zu der Sensorschaltung 103 aus. Bei der Anlegung der Spannung erfaßt die ECU 100 den Strom durch das Sensorelement 102, der sich proportional zu der Sauerstoffkonzentration in einem Erfassungs objektgas, d. h. einem Abgas, ändert. Um den Strom zu erfassen, empfängt die ECU 100 über den A/D-Wandler 48 von der Sensorschaltung 103 eine Analogspannung, die dem Strom durch das Sensorelement 102 entspricht. Die ECU 100 wandelt dann die Analogspannung in Digitaldaten um und verwendet die Digitaldaten bei der nachstehend beschriebenen Operation.

Das Ausgangssignal von dem Luft/Kraftstoffverhältnis sensor 101 kann nicht zur Luft/Kraftstoffverhältnis steuerung verwendet werden, solange sich das Sensor element 102 nicht in einem aktiven Zustand befindet. Wenn der Motor 1 gestartet wird, führt die ECU 100 daher der Heizeinrichtung 104 Energie von der Batterie 105 zu, um die Heizeinrichtung 104 unter Strom zu setzen, damit das Sensorelement 102 schnell aktiviert wird. Nach der Aktivierung des Sensorelements 102 führt die ECU 100 der Heizeinrichtung 104 Energie zu, um den aktiven Zustand des Sensorelements 102 aufrechtzuerhalten. Die Sensor schaltung 103 umfaßt eine integrierte Schaltung, so daß Rechteckimpulse, die von der ECU 100 in die Sensor schaltung 103 eingegeben werden, in sinuswellenförmige Impulsspannungen umgewandelt werden, wobei die sinus wellenförmigen Impulsspannungen an das Sensorelement 102 angelegt werden. Daher können Fehler bei der Erfassung des Ausgangsstroms des Sensorelements infolge hoch frequenter Störsignale verhindert werden.

Da der Widerstand des Sensorelements 102 von der Tempe ratur des Sensorelements 102 abhängt und im einzelnen der Widerstand des Sensorelements 102, wie in Fig. 27 wieder gegeben ist, mit einem Anstieg der Sensorelementtempe ratur sinkt, führt die ECU 100 derart eine Steuerung durch, daß die Temperatur des Sensorelements 102 bei einer Solltemperatur von beispielsweise 700°C gehalten wird. Dies geschieht, indem der Heizeinrichtung 104 Energie zugeführt wird, so daß der Widerstand des Sensor elements 102 gleich einem Widerstandswert von beispiels weise 30 Ω wird, der einer Temperatur entspricht, bei der der aktive Zustand des Sensorelements 102 aufrecht erhalten wird. Unter Verwendung des in der ECU 100 bereitgestellten A/D-Wandlers 48 empfängt die ECU 100 darüber hinaus von der Heizeinrichtungsschaltung 106 die Spannung über der Heizeinrichtung 104 und eine dem Strom durch die Heizeinrichtung 104 entsprechende Analog spannung und wandelt die Spannungen in Digitaldaten um, wobei die Digitaldaten für die nachstehend beschriebenen Operationen verwendet werden. Die ECU 100 berechnet beispielsweise einen Widerstandswert der Heizeinrichtung 104 und führt, auf dem Widerstandswert beruhend, der Heizeinrichtung 104 gemäß dem Motorbetriebszustand eine Energiemenge zu, wobei sie die Temperatur der Heiz einrichtung 104 steuert, um eine Überhitzung der Heiz einrichtung 104 zu verhindern.

Fig. 3A und Fig. 3B zeigen Darstellungen, die in den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 eingegebene und von diesem ausgegebene Signale wiedergeben. Fig. 3A zeigt die Wellenform einer an das Sensorelement 102 angelegten Eingangsspannung. Fig. 3B zeigt die Wellenform eines erfaßten Ausgangsstroms von dem Luft/Kraftstoff verhältnissensor 101. In den Darstellungen gemäß Fig. 3A und Fig. 3B gibt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Spannung oder den Strom an. Wie in Fig. 3A gezeigt ist, wird an den Luft/Kraftstoff verhältnissensor 101 als Eingangsspannung Vm eine Gleichspannung von 0,3 V angelegt. Um die Impedanz des Sensorelements 102 zu messen, legt die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 unter Ausführung einer nachstehend beschriebenen Routine eine Impuls spannung von ± 0,2 V mit einer ersten Frequenz (von beispielsweise 5 kHz) an, die der Gleichspannung von 0,3 V überlagert wird. Wie in Fig. 3B angegeben ist, zeigt der erfaßte Ausgangsstrom Im von dem Luft/Kraft stoffverhältnissensor 101, während an den Luft/Kraft stoffverhältnissensor 101 nur die Gleichspannung von 0,3 V angelegt ist, einen Wert gemäß der vorliegenden Sauerstoffkonzentration des Erfassungsobjektgases. Allerdings ändert sich der Ausgangsstrom Im, wenn der dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 zugeführten Gleich spannung von 0,3 V die Impulsspannung von ± 0,2 V überlagert wird. Die ECU 100 erfaßt die Änderung des Ausgangsstroms von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 und berechnet auf der erfaßten Änderung beruhend die Impedanz des Sensorelements 102.

Nachstehend sind der Aufbau des Luft/Kraftstoff verhältnissensorelements 102, dessen Ersatzschaltung und die Impedanzkennwerte des Elements beschrieben.

Fig. 4A und Fig. 4B veranschaulichen den Aufbau des Sensorelements 102. Fig. 4A zeigt eine Schnittansicht davon. Fig. 4B stellt eine ausgebrochene Vergrößerungs ansicht eines Elektrolytabschnitts des Sensorelements 102 dar.

Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild des Luft/Kraftstoff verhältnissensorelements 102, wobei R1 den Bulk- bzw. Volumenwiderstand des aus beispielsweise Zirkoniumoxid bestehenden Elektrolyten (entsprechend einem in Fig. 4B gezeigten Kornabschnitt), R2 den Korngrenzenwiderstand des Elektrolyten (entsprechend einem in Fig. 4B gezeigten Korngrenzenabschnitt) und R3 den Grenzflächenwiderstand einer aus beispielsweise Platin ausgebildeten Elektrode darstellt. C2 stellt die Kapazitätskomponente in der Korngrenze, C3 die Kapazitätskomponente in der Elektrodengrenzfläche und Z(w) den Impedanzanteil (Warburg-Impedanz) dar, der durch periodische Änderungen der Grenzflächenkonzentration bedingt ist, die mit der Wechselstrompolarisation verbunden sind.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das die Impedanzkennwerte des Luft/Kraftstoffverhältnissensorelements 102 wiedergibt, wobei die horizontale Achse den Realanteil Z' der Impedanz Z und die vertikale Achse den Imaginäranteil Z'' davon angibt. Die Impedanz Z des Sensorelements 102 ist durch Z' + jZ'' ausgedrückt. Das Diagramm gemäß Fig. 6 gibt an, daß der Elektrodengrenzflächenwiderstand R3 gegen 0 konvergiert, wenn sich die Frequenz 1-10 kHz nähert. Die gestrichelte Kurve in dem Diagramm kennzeich net die Elementimpedanz, die auftritt, wenn von dem Sensorelement 102 ein Gaszustand mit hoher Sauerstoff konzentration erfaßt wird. Die Strichpunktlinie kenn zeichnet die Elementimpedanz, die auftritt, wenn von dem Sensorelement 102 ein Gaszustand mit niedriger Sauer stoffkonzentration erfaßt wird. Anhand der Impedanzkenn werte, die durch die gestrichelte Linie und die Strich punktlinie gekennzeichnet sind, ist zu erkennen, daß insbesondere in einem Abschnitt R3 eine große Änderung auftritt.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Impedanz und der Frequenz einer Wechselstromeingangs spannung wiedergibt. Das Diagramm gemäß Fig. 7 wird durch eine Konvertierung des Diagramms gemäß Fig. 6 erhalten, d. h. durch eine Konvertierung der horizontalen Achse zu einer Frequenz f und der vertikalen Achse zu einer Impedanz Zac. Das Diagramm gemäß Fig. 7 gibt an, daß die Impedanz Zac in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 MHz gegen einen vorbestimmten Wert (R1 + R2) konvergiert und daß die Impedanz Zac bei einer Frequenz von mehr als 10 MHz abnimmt und gegen Rl konvergiert. Anhand dessen läßt sich verstehen, daß Frequenzen in und um den Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, in dem die Impedanz Zac ungeachtet der Frequenzen im wesentlichen konstant bleibt, gewünscht sind, um die Impedanz Zac in einem stabilen Zustand zu erfassen. In Fig. 7 entsprechen die gestrichelte Linie und die Strichpunktlinie den in Fig. 6 angegebenen Impedanzkennwerten.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm der Spannung-Strom-Kennlinie des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101, wobei die horizontale Achse die an den Sensor angelegte Spannung V und die vertikale Achse den Ausgangsstrom I des Sensors angibt. Wie durch das Diagramm gemäß Fig. 8 wiedergegeben wird, weisen die angelegte Spannung V und der Ausgangs strom 1 einen im wesentlichen proportionalen Zusammenhang auf, wobei sich der Stromwert zu einer positiven Seite ändert, wenn sich das Luft/Kraftstoffverhältnis zu einer mageren Seite hin ändert, und sich der Stromwert zu einem negativen Bereich ändert, wenn sich das Luft/Kraftstoff verhältnis zu einer fetten Seite hin ändert (siehe Kennlinie L1 in Fig. 8). Das heißt, daß der Grenzstrom bei Änderungen des Luft/Kraftstoffverhältnisses zur magereren Seite hin steigt und bei Änderungen des Luft/Kraftstoffverhältnisses zur fetteren Seite hin sinkt. Wenn der Ausgangsstrom I 0 mA beträgt, entspricht das Luft/Kraftstoffverhältnis dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis (von etwa 14,5). Das Spannung- Strom-Verhalten hängt von der Elementtemperatur ab, d. h. der Gradient der Linie L1 nimmt mit steigender Element temperatur zu. Im Gegensatz dazu wird der Grenzstromwert durch die Elementtemperatur nicht stark beeinflußt, d. h. der Grenzstrom nimmt ungeachtet von Änderungen der Elementtemperatur einen im wesentlichen konstanten Wert ein, falls das Luft/Kraftstoffverhältnis konstant bleibt.

Nachstehend wird nun ausführlich eine Sensorelement- Impedanzberechnungsroutine beschrieben, die von der ECU 100 ausgeführt wird.

Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts der Sensorelement-Impedanzberechnungsroutine.

Fig. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm des nachfolgenden Abschnitts der Routine. Genauer veranschaulicht das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 10 eine Frequenzüberlagerungs operation innerhalb der Sensorelement-Impedanzberech nungsroutine. Fig. 11 und Fig. 12 zeigen Ablaufdiagramme von Unterbrechungsroutinen, die zur Durchführung der Frequenzüberlagerungsoperation benötigt werden. Die in Fig. 9 und Fig. 10 dargestellte Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 1 ms ausgeführt. In Schritt 901 der in Fig. 9 dargestellten Impedanzberechnungsroutine bestimmt die ECU 100, ob ein (nicht gezeigter) Zündungsschalter IGSW ein- oder ausge schaltet ist. Falls der Zündungsschalter IGSW einge schaltet ist, setzt die Operation mit Schritt 902 fort. Falls der Zündungsschalter IGSW ausgeschaltet ist, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 902 bestimmt die ECU 100, ob an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 bereits eine Gleichspannung Vm (= 0,3 V) angelegt ist. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 903 fort. Falls die Bestimmung in Schritt 902 negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 904 fort. In Schritt 904 legt die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 die Gleichspannung von 0,3 V an.

In Schritt 903 bestimmt die ECU 100 auf der Grundlage von beispielsweise einer Zähleinrichtung, ob nach der Anlegung der Gleichspannung von 0,3 V in Schritt 904 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 4 ms verstrichen sind (dabei handelt es sich um im wesentlichen genau 4 ms) und/oder ob im Anschluß an das Lesen des Stroms Ims des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 in dem voraus gehenden Zyklus der Routine 4 ms verstrichen sind (dabei handelt es sich um im wesentlichen genau 4 ms). Falls eines der Bestimmungsergebnisse positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 905 fort. Falls beide Bestim mungsergebnisse negativ sind, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 905 liest die ECU 100 den Strom Ims des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 und geht zu Schritt 1001 in Fig. 10.

Unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme gemäß Fig. 10 bis Fig. 12 wird nun die Frequenzüberlagerungsoperation innerhalb der Sensorelement-Impedanzberechnungsroutine beschrieben. Die folgende Beschreibung erfolgt unter der Annahme, daß eine spezifische Frequenz von 5 kHz verwen det wird. In Schritt 1001 bestimmt die ECU 100 unter Verwendung beispielsweise einer Zähleinrichtung, ob nach dem Start der Routine bei dem derzeitigen Zyklus K × 64 ms (K = 1, 2, 3,. . .) verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, d. h. falls bei dem derzeitigen Operationszyklus entweder 64 ms, 128 ms, 192 ms, . . . verstrichen sind, setzt die Operation mit Schritt 1002 fort. Falls die Bestimmung in Schritt 1001 negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 1002 überlagert die ECU 100 der an dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 angelegten Spannung Vm (= 0,3 V) eine Impulsspannung von -0,2 V, so daß die zu diesem Zeitpunkt an den Luft/Kraftstoffverhältnis sensor 101 angelegte Spannung zu 0,1 V wird. In Schritt 1002 wird eine erste Zeitgeberunterbrechung eingeleitet, die in Fig. 11 dargestellt ist.

Die erste Zeitgeberunterbrechungsoperation wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 11 beschrie ben. In Schritt 1101 bestimmt die ECU 100, ob nach Einleitung der ersten Zeitgeberunterbrechung 85 µs verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1102 fort, in dem die ECU 100 den Ausgangsstrom Im1 des Luft/Kraftstoffverhältnis sensors 101 liest. Falls die Bestimmung in Schritt 1101 negativ ausfällt, kehrt die Operation zu Schritt 1101 zurück (Schritt 1101 wird wiederholt).

In Schritt 1103 bestimmt die ECU 100, ob nach Einleitung der ersten Zeitgeberunterbrechung 100 µs verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv aus fällt, setzt die Operation mit Schritt 1104 fort, in dem die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 eine Spannung von Vm (= 0,5 V) anlegt. Falls die Bestimmung in Schritt 1103 negativ ausfällt, kehrt die Operation zu Schritt 1101 zurück. In Schritt 1104 wird eine zweite Zeitgeberunter brechung eingeleitet, die in Fig. 12 dargestellt ist.

Die zweite Zeitgeberunterbrechungsoperation wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 beschrieben. In Schritt 1201 bestimmt die ECU 100, ob nach Einleitung der zweiten Zeitgeberunterbrechung 100 µs verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1202 fort, in der die ECU 100 an den Luft/Kraft stoffverhältnissensor 101 eine Spannung von Vm (= 0,3 V) anlegt, wodurch der Sensor in einen Normalzustand zur Luft/Kraftstofferfassung zurückgesetzt wird. Falls die Bestimmung in Schritt 1201 negativ aus fällt, kehrt die Operation zu Schritt 1201 zurück (Schritt 1201 wird wiederholt).

Zurück in Fig. 10 bestimmt die ECU 100 in Schritt 1003, ob bei dem derzeitigen Operationszyklus seit dem Start dieser Routine (K × 64 + 4) ms (K = 1, 2, 3,. . .) verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1004 fort. Falls die Bestimmung in Schritt 1003 negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine.

In Schritt 1004 berechnet die ECU 100 anhand der Gleichung (1) eine Impedanz Zac für den Zeitpunkt der Anlegung einer Spannung spezifischer Frequenz:

Zac = ΔVm/ΔIm = 0,2/(Im - Ims) (1).

In Schritt 1005 führt die ECU 100 eine Zac-Ausblend operation durch, derart daß die Impedanz Zac innerhalb des Bereichs zwischen einem unteren Ausblendwert KREL und einem oberen Ausblendwert KREH liegt, d. h. KREL ≦ Zac ≦ KREH ist. Genauer wird die vorliegende Impedanz Zac beibehalten, falls sich diese Impedanz Zac innerhalb des Bereichs von KREL ≦ Zac ≦ KREH befindet. Falls Zac < KREL ist, dann wird die Impedanz zu der Untergrenze KREL geändert, d. h. Zac = KREL = 1 (Ω). Falls KREH < Zac ist, dann wird Zac zu der Obergrenze KREH geändert, d. h. Zac = KREH = 200 (Ω). Normalerweise wird die Ausblendoperation durchgeführt, um Daten zu übergehen, die durch eine äußere Störung, einen A/D-Umwandlungsfehler oder dergleichen hervorgerufen werden.

Fig. 13 zeigt ein Zeitdiagramm einer Heizeinrichtungs steuerungsoperation. In Fig. 13 gibt die horizontale Achse die Zeit an, wobei die vertikale Achse im oberen Teil des Diagramms das Auslastungsverhältnis in bezug auf eine der Heizeinrichtung 104 zugeführte Energie, im mittleren Teil des Diagramms die Heizeinrichtungstempe ratur und in im unteren Teil des Diagramms die Element impedanz angibt. Wenn der Motor 1 gestartet wird, wird zwischen einem Zeitpunkt t0, bei dem die Heizeinrich tungselektrifizierung beginnt, und einem Zeitpunkt t1, bei dem die Heizeinrichtungstemperatur eine Solltempe ratur (Obergrenze) von beispielsweise 1200°C erreicht, eine Vollelektrifizierungssteuerung mit einem Auslastungsgrad von 100% durchgeführt. In einer Zeit spanne zwischen dem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2, in der die Sensorelementimpedanz 30 Ω erreicht, was einer Elementtemperatur von 700°C entspricht, bei der das Sensorelement aktiviert ist, wird eine Heizeinrichtungs temperaturregelung durchgeführt, um die Heizeinrichtung 104 auf der Solltemperatur zu halten. Nach dem Zeitpunkt t2 wird eine Elementtemperaturregelung durchgeführt, um die Sensorelementtemperatur bei der Elementaktivierungs temperatur von 700°C zu halten. Diese Heizeinrichtungs steuerungsroutine ist nachstehend unter Bezugnahme auf Ablaufdiagramme erläutert.

Fig. 14 zeigt ein Ablaufdiagramm der Heizeinrichtungs steuerungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbe stimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 100 ms ausge führt. In Schritt 1401 bestimmt die ECU 100, ob der (nicht gezeigte) Zündungsschalter ein- oder ausgeschaltet ist. Falls der Zündungsschalter eingeschaltet ist, setzt die Operation mit Schritt 1402 fort. Falls der Zündungs schalter ausgeschaltet ist, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 1402 berechnet die ECU 100 anhand der an die Heizeinrichtung 104 angelegten Spannung und dem durch die Heizeinrichtung 104 fließenden Strom einen Heizeinrichtungswiderstand RH. In Schritt 1403 vergleicht die ECU 100 anschließend den in Schritt 1402 berechneten Heizeinrichtungswiderstand RH mit einem Heizeinrichtungs widerstandslernwert RHG. Falls RH ≧ RHG ist (JA in Schritt 1403), dann setzt die Operation mit Schritt 1404 fort. Falls RH < RHG ist, dann setzt die Operation mit Schritt 1405 fort. Der "Heizeinrichtungswiderstands lernwert RHG" ist ein Wert, der anhand von Heizeinrich tungswiderstandswerten gelernt wird, die auftreten, wenn die Heizeinrichtungstemperatur gleich der Solltemperatur (1200°C) ist, so daß durch den Lernwert das Problem von Widerstandsschwankungen infolge individueller Produkt unterschiede, Alterungsveränderungen oder dergleichen umgangen wird.

In Schritt 1404 liest die ECU 100 eine Elementimpedanz Zac. In Schritt 1406 vergleicht die ECU 100 anschließend die in Schritt 1404 gelesene Impedanz Zac mit 30 Ω, d. h. mit dem der Sensorelement-Aktivierungstemperatur entspre chenden Widerstandswert. Falls Zac ≦ 30 ist, wird ange nommen, daß sich das Sensorelement 102 im aktiven Zustand befindet, wobei die Operation mit Schritt 1408 fortfährt. Falls Zac < 30 (NEIN in Schritt 1406) ist, wird ange nommen, daß sich das Sensorelement 102 im inaktiven Zustand befindet, wobei die Operation mit Schritt 1407 fortfährt. In Schritt 1405 führt die ECU 100 die Voll elektrifizierungssteuerung (100% Auslastung) durch. In Schritt 1407 führt die ECU 100 die Heizeinrichtungstempe raturregelung durch. In Schritt 1408 führt die ECU 100 die Elementtemperaturregelung durch. Nachstehend ist nun die Elementtemperaturregelungsroutine beschrieben, durch die auf der Grundlage der Impedanz Zac des Luft/Kraft stoffverhältnissensors 101, die durch Anlegen der spezifischen Frequenz an den Sensor erfaßt wird, die Temperatur des Luft/Kraftstoffverhältnissensorelements 102 auf Aktivierungstemperatur gehalten wird.

Fig. 15 zeigt ein Ablaufdiagramm der Elementtemperatur regelungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimm ten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms durchge führt. Bei dieser Routine erfolgt die PID-Steuerung des Heizeinrichtungs-Elektrifizierungsauslastungsgrads auf der Grundlage der Abweichung Zacerr der der spezifischen Frequenz von 5 kHz entsprechenden Impedanz Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 von einer Soll impedanz Zactg (Zecerr = Zactg - Zac). In Schritt 1500 führt die ECU 100 eine Sollimpedanz-Berechnungsroutine aus, die nachstehend beschrieben ist.

In Schritt 1501 berechnet die ECU 100 anschließend wie in Gleichung (2) angegeben eine Proportionale KP:

KP = Zacerr × K1 (K1: Konstante) (2).

In Schritt 1502 berechnet die ECU 100 anschließend wie in Gleichung (3) angegeben einen Integrationsterm KD:

KI = ΣZacerr × K2 (K2: Konstante) (3).

In Schritt 1503 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (4) angegeben einen Differentiationsterm KD:

KD = (Δzacerr/Δt) × K3 (K3: Konstante) (4).

In Schritt 1504 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (5) angegeben einen PID-Verstärkungsfaktor KPID:

KPID = KP + KI + KD (5).

In Schritt 1505 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (6) angegeben einen Ausgabeauslastungsgrad:

DUTY(i) = DUTY(i-1) × KPID (6).

In Schritt 1506 führt die ECU 100 derart eine Ausblend operation für den Ausgabeauslastungsgrad DUTY(i) durch, daß der Auslastungsgrad DUTY(i) innerhalb des Bereichs zwischen einem unteren Grenzwert KDUTYL und einem oberen Grenzwert KDUTYH fällt, d. h. HDUTYL ≦ DUTY(i) ≦ KDUTYH ist. Genauer wird der Auslastungsgrad DUTY(i) beibehal ten, wenn sich der Auslastungsgrad DUTY(i) innerhalb des Bereichs befindet, d. h. wenn KDUTYL ≦ DUTY(i) ≦ KDUTYH ist. Falls DUTY(i) < KDUTYL ist, dann wird der Auslastungsgrad DUTY(i) zu der Untergrenze, d. h. DUTY(i) = KDUTYL, geändert. Falls KDUTYH < DUTY(i) ist, dann wird DUTY(i) zu der Obergrenze, d. h. DUTY(i) = KDUTYH, geändert.

Bei der in Fig. 13 und Fig. 14 dargestellten Heiz einrichtungssteuerung führt die erfindungsgemäße Wider standserfassungsvorrichtung eine wie nachstehend beschriebene Operation durch, um Übertemperaturen der Heizeinrichtung 104 und des Sensorelements 102 zu verhin dern. Und zwar bestimmt die Widerstandserfassungsvorrich tung, ob die Impedanz Zac des Luft/Kraftstoffverhältnis sensors im Ansprechen auf die spezifische Frequenz von 5 kHz kleiner oder gleich einem Wert ist, der durch Subtraktion eines vorbestimmten Werts von beispielsweise 5 Ω von einer nach der Schädigungskorrektur bereitge stellten Sollimpedanz Zactg erhalten wird (Zac ≦ Zactg - 5 (Ω)). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, wird angenommen, daß die Heizeinrichtungstemperatur und die Sensorelementtemperatur normal sind, d. h. die Heiz einrichtung 104 und das Sensorelement 102 keine Über temperaturen aufweisen. Dann wird die in Fig. 14 dargestellte Heizeinrichtungssteuerungsroutine durchge führt. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, wird angenommen, daß die Heizeinrichtungstemperatur oder die Elementtemperatur anormal sind, d. h. die Heizeinrichtung und das Sensorelement Übertemperaturen aufweisen. Dann wird eine Operation ausgeführt, bei der DUTY(i) = 0 eingestellt wird.

Als nächstes wird eine Routine zur Berechnung einer Sollimpedanz Zactg auf der Grundlage eines durch Schätzen und Lernen der Alterungsveränderung des Sensorelements 102 erhaltenen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactgg und gemäß durch das Sensorelement 102 erfaßten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases beschrieben.

Fig. 16 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Sollimpedanz- Berechnungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbe stimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 100 ms ausge führt. In Schritt 1601 lernt die ECU 100 die Schädigung des Sensorelements 102 und berechnet dementsprechend einen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactgg, wobei der Lernwert in dem Sicherungs-RAM 44 gespeichert wird. Der Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactgg kann zum Beispiel berechnet werden, indem wie nachstehend beschrieben der Mittelwert einer der Heizeinrichtung 104 des Sensorelements 102 zugeführten elektrischen Energie menge berechnet wird. Dieser Lernwert wird durch die Anfangseinstellung, die bei Start des Motors durchgeführt wird, in den Sicherungs-RAM 44 gelesen.

In Schritt 1602 berechnet die ECU 100 anschließend anhand eines von der Luftstrommeßeinrichtung 9 gelesenen Ansaug luftstroms ga (g/s) auf der Grundlage einer (in Fig. 17 gezeigten) Tabelle zur Herleitung eines Impedanz korrekturbetrags KLD anhand des Ansaugluftstroms ga einen Impedanzkorrekturbetrag KLD. Wie aus der in Fig. 17 gezeigten Tabelle hervorgeht, ist der Korrekturbetrag KLD für einen vorbestimmten Wert (20 g/s) des Ansaugluft stroms auf null eingestellt, wobei der Korrekturbetrag KLD für kleinere Ansaugluftströme als dem vorbestimmten Wert auf abnehmende (negative) Korrekturwerte und für größere Ansaugluftströme aufzunehmende (positive) Korrekturwerte eingestellt ist. Die Tabelle ist auf diese Weise festgelegt, da der Sensorelement-Elektrodengrenz flächenwiderstand mit Zunahme des Ansaugluftstroms ansteigt und sich daher die Elementimpedanz erhöht.

Der Impedanzkorrekturbetrag KLD kann in Schritt 1602 auch auf der Grundlage einer (in Fig. 18 gezeigten) Tabelle zur Herleitung eines Impedanzkorrekturbetrags KLD anhand des Motorbelastungszustands berechnet werden. Wie aus der in Fig. 18 gezeigten Tabelle ersichtlich ist, wird ein Motorbelastungszustand anhand der Motorumdrehungs geschwindigkeit NE (U/min), die auf Erfassungssignalen von Kurbelwinkelsensoren 33, 34 beruhend berechnet wurde, und anhand eines von einem Ansaugluftdrucksensor erfaßten Ansaugrohrunterdrucks (mmHg) geschätzt. Der Korrektur betrag KLD ist bei mittleren Belastungszuständen auf null eingestellt und nimmt bei Zuständen mit niedriger Belastung und niedriger Geschwindigkeit abnehmende (negative) Korrekturwerte und bei Zuständen mit hoher Belastung und hoher Geschwindigkeit zunehmende (positive) Korrekturwerte ein. Die Tabelle ist auf diese Weise festgelegt, da der Ansaugluftstrom bei einem sich zu einer Seite mit hoher Belastung und hoher Geschwindigkeit hin verschiebenden Zustand zunimmt, so daß der Sensor element-Elektrodengrenzflächenwiderstand steigt und sich daher die Elementimpedanz erhöht.

In Hinblick auf die Motorbelastung kann ersatzweise auch ein Wert ga/NE verwendet werden, der anhand einer Umdrehungsgeschwindigkeit NE (U/min) und eines durch die Luftstrommeßeinrichtung 9 erfaßten Ansaugluftstroms ga (g/s) berechnet wird.

In Schritt 1603 berechnet die ECU 100 anschließend auf der Grundlage einer (in Fig. 19 gezeigten Tabelle) zur Herleitung eines Korrekturbetrags KAF anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses (A/F) des Motors 1 ausgehend von einem von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 gelesenen Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) einen Impedanz korrekturbetrag KAF. Wie in der Tabelle gemäß Fig. 19 gezeigt ist, ist der Korrekturbetrag KAF für das theo retische Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) von 14,5 auf null eingestellt, wobei er für niedrigere Luft/Kraft stoffverhältnisse als dem theoretischen Luft/Kraftstoff verhältnis aufzunehmende (positive) Korrekturwerte und für höhere Luft/Kraftstoffverhältnisse auf abnehmende (negative) Korrekturwerte eingestellt ist. Die Tabelle ist auf diese Weise festgelegt, da sich die Sauerstoff menge bei steigendem Luft/Kraftstoffverhältnis verringert, so daß der Sensorelement-Elektrodengrenz flächenwiderstand abnimmt und daher die Elementimpedanz sinkt.

In Schritt 1604 berechnet die ECU 100 anschließend anhand des Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactgg, des auf dem Ansaugluftstrom oder der Belastung beruhenden Korrekturbetrags KLD und des auf dem Luft/Kraftstoff verhältnis beruhenden Korrekturbetrags KAF, die in den Schritten 1601 bis 1603 berechnet wurden, wie in Gleichung (7) angegeben eine Sollimpedanz Zactg:

Zactg = Zactgg + KLD + KAF (7).

Indem die Sollimpedanz auf die vorstehend beschriebene Weise geändert wird, kann eine Überhitzung des Heiz einrichtungswiderstands und des Sensorelements 102 verhindert werden.

Als nächstes wird eine Routine zur Berechnung einer der Heizeinrichtung 104 während einer vorbestimmten Zeitdauer zugeführten kumulativen elektrischen Energiemenge und zur auf der berechneten kumulativen elektrischen Energiemenge beruhenden Bestimmung eines Schädigungsgrads des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 sowie zur Berechnung eines Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactgg der Impedanz des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 beschrieben.

Fig. 20 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer beim Start des Motors 1 durchgeführten Elementschädigungskorrekturroutine. Fig. 21 zeigt ein Ablaufdiagramm des nachfolgenden Abschnitts der Element schädigungskorrekturroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 20001 liest die ECU 100 den derzeitigen Strom HTIi durch den Heizeinrichtungswider stand, die an den Heizeinrichtungswiderstand angelegte Spannung HTVi und den Auslastungsgrad DUTYi der Heiz einrichtungsenergiezuführung und berechnet eine Energie HTWi (HTWi = HTIi × HTVi × DUTYi), die dem Heizeinrich tungswiderstand zugeführt wird. In Schritt 2002 überprüft die ECU 100 anschließend, ob ein Lernabschlußflag XZACGE ausgeschaltet oder ob ein Lernsperrflag XZACGI ausge schaltet ist. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2003 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine.

In Schritt 2003 bestimmt die ECU 100, ob sich bei Start des Motors eine Bedingung zum Lernen eingestellt hat. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2004 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2005 fort.

Es wird angenommen, daß sich die Motorstartzeitlern bedingung eingestellt hat, falls die nachstehend aufge führten Bedingungen erfüllt sind, wobei die Bedingungen angeben, daß sich der Motor 1 in einem stabilen Kaltleer laufzustand befindet.

- Die Wassertemperatur THWst nach Start des Motors befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (THW1 ≦ THWst ≦ THW2).
- Die Batteriespannung BATst nach Start des Motors ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (KBA ≦ BATst).
- Die Impedanz Zacst (Ω) des Luft/Kraftstoffverhältnissensors nach Start des Motors ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (Kzac ≦ Zacst).
- Die Motorumdrehungsgeschwindigkeit NE (U/min) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (NE ≦ KNE).
- Der Motoransaugdruck PM (mmHg) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (PM ≦ KPM).
- Die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD (km/h) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (SPD ≦ KSPD).
- Der Motorleerlaufschalter ist eingeschaltet.

In Schritt 2004, der auf die positive Bestimmung in Schritt 2003 folgt, schaltet die ECU 100 ein Lern bedingungseinstellungsflag XZACG ein. In Schritt 2005, der auf die negative Bestimmung in Schritt 2003 folgt, überprüft die ECU 100 dagegen, ob ein Lernbedingungs ersteinstellungsflag XZACGF eingeschaltet ist, der die Ersteinstellung der Lernbedingung nach Start des Motors angibt. Falls das Flag eingeschaltet ist (XZACGF = 1), setzt die Operation mit Schritt 2012 fort. Falls das Flag ausgeschaltet ist (XZACGF = 0), endet dieser Zyklus der Routine.

In Schritt 2006, der dem Schritt 2004 folgt, überprüft die ECU 100, ob das Lernbedingungseinstellungsflag XZACG bei dem vorausgehenden Operationszyklus eingeschaltet war. Falls das Flag bei dem vorausgehenden Zyklus ausge schaltet war (XZACG = 0), setzt die Operation mit Schritt 2007 fort. Falls das Flag eingeschaltet war (XZACG = 1), setzt die Operation mit Schritt 2008 fort. In Schritt 2007 schaltet die ECU 100 das Lernbedingungserst einstellungsflag XZACGF ein.

In Schritt 2008 bestimmt die ECU 100, ob sich die Elementimpedanz Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet (KZacG1 ≦ Zac ≦ KZacG2, wobei KzacG1 einen unteren Grenz wert, d. h. eine einer Elementtemperatur von 600°C entsprechende Elementimpedanz, und KZacG2 einen oberen Grenzwert, d. h. eine einer Elementtemperatur von 400°C entsprechende Elementimpedanz, darstellt). Falls die Bestimmung in Schritt 2008 positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2009 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2010 fort. In Schritt 2009 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (8) angegeben bis zu dem derzeitigen Operationszyklus eine kumulative elektrische Energiemenge ΣHTWi:

ΣHTWi = ΣHTWi-1 + HTWi (8).

In Gleichung (8) stellt ΣHTWi-1 eine kumulative elektri sche Energiemenge bis zu dem vorausgehenden Operations zyklus dar. Der Wert ΣHTWi-1 wird unmittelbar nach dem Motorstart auf null eingestellt, indem der Zündungs schalter eingeschaltet wird. Nach Schritt 2009 setzt die Operation mit Schritt 2001 in Fig. 21 fort.

In Schritt 2010, der auf die negative Bestimmung in Schritt 2008 folgt, bestimmt die ECU 100, ob die Impedanz Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert KZacG1 ist (Zac ≦ KZacG1) Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2011 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2101 in Fig. 21 fort. In Schritt 2011 schaltet die ECU 100 das Lernabschlußflag XZACGE ein.

In Schritt 2101 überprüft die ECU 100, ob das Lern abschlußflag XZACGE eingeschaltet ist. Falls das Lern abschlußflag eingeschaltet ist (XZACGE = 1), setzt die Operation mit Schritt 2102 fort. Falls das Lernabschluß flag ausgeschaltet ist (XZACGE = 0), endet dieser Operationszyklus der Routine. In Schritt 2102 bestimmt die ECU 100, ob der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 einen Schaden bzw. Defekt aufweist. Das heißt, daß die ECU 100 bestimmt, ob die bei dem derzeitigen Operations zyklus berechnete kumulative Energiemenge ΣHTWi größer oder gleich einem vorbestimmten Wert KΣHTW ist (ΣHTWi ≧ KΣHTW). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, bestimmt die ECU 100, daß der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 einen Schaden aufweist und geht zu Schritt 2103. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, geht die ECU 100 zu Schritt 2104. In Schritt 2103 schaltet die ECU 100 ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Fehlerflag XAFSF ein. Anschließend endet dieser Zyklus der Routine.

In Schritt 2104 führt die ECU 100 wie nachstehend unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in Fig. 25 beschrieben eine Routine zur Berechnung eines Elementtemperatur steuerungs-Solllernwerts Zactgg anhand einer kumulativen elektrischen Heizeinrichtungs-Energiemenge ΣHTWi aus. In Schritt 2105 schaltet die ECU 100 anschließend das Lern abschlußflag XZACGE aus. Nachstehend ist eine Routine zur Korrektur der Elementschädigung während des Motorleer laufs beschrieben.

Fig. 22 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts der Leerlauf-Elementschädigungskorrektur routine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 2201 liest die ECU 100 den derzeitigen Strom HTIi durch den Heizeinrichtungswiderstand, die an den Heiz einrichtungswiderstand angelegte Spannung HTVi und den Auslastungsgrad DUTYi der Heizeinrichtungsenergie zuführung und berechnet eine Energie HTWi (HTWi = HTIi × HTVi × DUTYi), die dem Heizeinrichtungswiderstand zugeführt wird.

In Schritt 2202 bestimmt die ECU 100 anschließend, ob sich während des Motorleerlaufs eine Bedingung zum Lernen eingestellt hat. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2203 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine.

Es wird angenommen, daß sich die Leerlauflernbedingung eingestellt hat, falls die nachstehend aufgeführten Bedingungen erfüllt sind, wobei die Bedingungen angeben, daß sich der Motor 1 in einem vollständig aufgewärmten stabilen Leerlaufzustand befindet.

- Die Wassertemperatur THWst nach Start des Motors befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (THW1 ≦ THWst ≦ THW2).
- Die Batteriespannung BAT ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (KBA ≦ BAT).
- Die Impedanz Zac (Ω) des Luft/Kraftstoffverhältnissensors liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Kzac1 ≦ Zac ≦ Kzac2).
- Die Motorumdrehungsgeschwindigkeit NE (U/min) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (NE ≦ KNE).
- Der Motoransaugdruck PM (mmHg) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (PM ≦ KPM).
- Die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD (km/h) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (SPD ≦ KSPD).
- Der Motorleerlaufschalter ist eingeschaltet.

In Schritt 2203, der auf die positive Bestimmung in Schritt 2202 folgt, bestimmt die ECU 100 anschließend, ob nach Einstellung der Lernbedingung eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2204 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 2204 schaltet die ECU 100 das Lernbedingungseinstellungsflag XZACG ein.

In Schritt 2206 überprüft die ECU 100 anschließend, ob das Lernbedingungseinstellungsflag XZACG bei dem voraus gehenden Operationszyklus ausgeschaltet war. Falls das Flag ausgeschaltet war (XZACG = 0), setzt die Operation mit Schritt 2207 fort. Falls das Flag eingeschaltet war (XZACG = 1), setzt die Operation mit Schritt 2208 fort. Im Schritt 2207 löscht die ECU 100 die kumulative elektrische Energiemenge ΣHTWi auf null und löscht einen Zähler für die im Lernbereich verstrichene Zeit CZACGT auf "0".

In Schritt 2208, der auf die negative Bestimmung in Schritt 2206 folgt, erhöht die ECU 100 den Zähler für die im Lernbereich verstrichene Zeit CZACGT (CZACGT = CZACGT + 1).

In Schritt 2209 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (9) angegeben bis zum derzeitigen Operationszyklus eine kumulative elektrische Energiemenge ΣHTWi:

ΣHTWi = ΣHTWi-1 + HTWi (9).

In Gleichung (9) stellt ΣHTWi-1 die kumulative elektri sche Energiemenge bis zu dem vorausgehenden Operations zyklus dar. Der Wert ΣHTWi-1 wird unmittelbar, nachdem der Motor durch Einschalten des Zündungsschalters gestartet wurde, auf null gelöscht.

In Schritt 2210 bestimmt die ECU 100 anschließend, ob der Wert des Zählers für die im Lernbereich verstrichene Zeit CZACGT größer oder gleich einem vorbestimmten Wert KCZACGT ist (CZACGT ≧ KCZACGT). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2211 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2101 in Fig. 21 fort. In Schritt 2211 schaltet die ECU 100 das Lernabschlußflag XZACGE ein.

Nachstehend ist eine Routine zur Korrektur der Element schädigung während des Fahrzeugfahrbetriebs beschrieben.

Fig. 23 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts der Fahrbetrieb-Elementschädigungskorrektur routine.

Die in Fig. 23 dargestellte Fahrbetrieb-Element schädigungskorrekturroutine ist im wesentlichen die gleiche wie die in Fig. 22 dargestellte Leerlauf-Element schädigungskorrekturroutine. Davon ausgenommen ist, daß in Fig. 23 in Schritt 2302 bestimmt wird, ob sich eine Fahrbetriebslernbedingung eingestellt hat, während in Fig. 22 in Schritt 2202 bestimmt wird, ob sich die Leerlauflernbedingung eingestellt hat. Die Bedingung zum Lernen während des Fahrbetriebs in Schritt 2302 ist nachstehend erläutert, während die anderen Schritte nicht nochmals beschrieben sind.

Von der Fahrbetriebslernbedingung wird angenommen, daß sie sich eingestellt hat, falls die nachstehend aufge führten Bedingungen erfüllt sind, wobei die Bedingungen angeben, daß sich der Motor in einem vollständig aufge wärmten stabilen Fahrzustand befindet.

- Die Wassertemperatur THWst nach Start des Motors befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (THW1 ≦ THWst ≦ THW2).
- Die Batteriespannung BAT ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (KBA ≦ BAT)
- Die Impedanz Zac (Ω) des Luft/Kraftstoffverhältnissensors liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Kzac1 ≦ Zac ≦ Kzac2)
- Die Motorumdrehungsgeschwindigkeit NE (U/min) liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (KNE1L ≦ NE ≦ KNE1H).
- Der Motorbelastungsfaktor-Glättungswert KLSM (%) befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs KKLSM1L ≦ KLSM ≦ KKLSM1H).

Auch wenn bezüglich der Elementschädigungskorrektur routine drei Betriebsarten, d. h. bei Start des Motors, während des Leerlaufs und während des Fahrbetriebs, erläutert wurden, ist es nicht notwendig, sämtliche der drei Betriebsarten auszuführen. Erfindungsgemäß kann also eine Elementschädigungskorrektur auf nur einer oder auf einer beliebigen Kombination der drei Betriebsarten beruhend durchgeführt werden.

Als nächstes wird eine Operation beschrieben, die nach der Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Ausfallbestimmung durchgeführt wird.

Fig. 24 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Luft/Kraftstoff verhältnissensor-Ausfallbestimmungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 2401 bestimmt die ECU 100, ob ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Ausfall bestimmungsflag XFAFS eingeschaltet ist. Falls das Flag eingeschaltet ist (XFAFS = 1), setzt die Operation mit Schritt 2402 fort. Falls das Flag ausgeschaltet ist (XFAFS = 0), endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 2402 beendet die ECU 100 die Luft/Kraftstoffverhältnis- Regelungsoperation zur Steuerung des Luft/Kraftstoff verhältnisses des Abgases des Motors 1 auf ein Luft/Kraftstoff-Sollverhältnis wie beispielsweise das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis. In Schritt 2403 unterbricht die ECU 100 anschließend die Elektrifizierung der Heizeinrichtung 104, um ein Überhitzen der Heiz einrichtung 104 zu verhindern. In Schritt 2404 schaltet die ECU 100 anschließend eine (nicht gezeigte) Alarmlampe ein, um den Fahrer über das Auftreten des Ausfalls bzw. Schadens des Luft/Kraftstoffverhältnissensor zu informieren. Nachstehend ist die Operation in Schritt 2104 in Fig. 21 beschrieben, d. h. eine Routine zur auf der kumulativen elektrischen Heizeinrichtungs-Energie menge ΣHTWi beruhenden Korrektur der Sollimpedanz Zactg.

Fig. 25 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Elementtemperatur steuerungs-Solllernwertberechnungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 2501 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (10) angegeben anhand der kumulativen elektrischen Heizeinrichtungs-Energiemenge ΣHTWi eine mittlere Energie HTWAV:

HTWAV = ΣHTWi/Anzahl der Aufsummierungen (10).

In Schritt 2502 berechnet die ECU 100 anhand der mittleren Energie HTWAV (W.h) auf der Grundlage einer in Fig. 26 angegebenen Tabelle einen Korrekturbetrag ZACOT (Ω) für den Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactgg zur Schätzung der Schädigung des Sensorelements 102. In Schritt 2503 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (11) angegeben einen Elementtemperatur steuerungs-Solllernwert Zactggi für den derzeitigen Operationszyklus:

Zactggi = Zactggi-1 + ZACOT (11).

In Gleichung (11) stellt Zactggi-1 den in dem vorausge henden Operationszyklus verwendeten Elementtemperatur steuerungs-Solllernwert dar. In Schritt 2504 führt die ECU 100 anschließend wie in Gleichung (12) angegeben bezüglich des derzeitig erhaltenen Elementtemperatur steuerungs-Solllernwerts Zactggi eine Aktualisierungs operation durch und speichert diesen in einem batterie gesicherten statischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (SRAM).

Zactggb = Zactggi (12).

Wie aus Fig. 26 hervorgeht, ist die Tabelle derart festgelegt, daß sich der Korrekturbetrag ZACOT mit einer Zunahme der mittleren Energie HTWAV erhöht. Diese Fest legung wurde aus den folgenden Gründen gewählt. Wenn der Luft/Kraftstoffverhältnissensor geschädigt wird, ändert sich das Impedanzverhalten des Sensorelements. Im Anspre chen darauf wird die Steuerung zur Erhöhung der Sensor elementtemperatur, d. h. die Steuerung zur Senkung des Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactggi, durchgeführt, so daß die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Energie zunimmt. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Überhitzung des Sensorelements und des Heizeinrichtungswiderstands verhindert, indem eine der Heizeinrichtung zuzuführende mittlere Energie berech net wird und derart eine Steuerung durchgeführt wird, daß die Elementimpedanz heraufgesetzt wird, wenn die berech nete mittlere Energie zunimmt. Indem eine Überhitzung des Sensorelements und des Heizeinrichtungswiderstands verhindert werden, können eine vorzeitige Schädigung des Sensorelements und des Heizeinrichtungswiderstands verhindert und kann deren Betriebslebensdauer verlängert werden.

Obwohl bei dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel als spezifische Frequenz eine Frequenz von 5 kHz verwendet wurde, schränkt dies die Erfindung nicht ein. Es kann eine beliebige geeignete spezifische Frequenz ausgewählt werden, sofern bei dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor das Elektrodenmaterial, der Elektrolyt und dergleichen, das Verhalten der Sensorschaltung, die angelegte Spannung, die Betriebstemperatur und dergleichen berück sichtigt werden. Falls eine spezifische Frequenz ausge wählt wird, die eine Impedanzerfassung bis zu der in Fig. 5 und 6 dargestellten Summe aus R1 (Bulk- bzw. Volumen widerstand des Elektrolyten) + R2 (Korngrenzenwiderstand des Elektrolyten) + R3 (Elektrodengrenzflächenwiderstand) erlaubt, ergibt sich die Möglichkeit, Änderungen der Gaszustands des Erfassungsobjektgases deutlicher und genauer als in dem Fall zu überwachen, daß eine Frequenz gewählt ist, die eine nur bis R1 + R2 gehende Impedanz erfassung ermöglicht.

Die Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstands erfassungsvorrichtung gemäß dem vorstehenden Ausführungs beispiel berechnet als einen Schädigungsparameter, der mit Alterungsveränderungen des Sensorelements verbunden ist, eine der Heizeinrichtung zur Erwärmung des Sensor elements zugeführte kumulative elektrische Heizeinrich tungs-Energiemenge, bestimmt beruhend auf der berechneten kumulativen Heizeinrichtungs-Energiemenge eine mittlere Energie für die Heizeinrichtung und berechnet anhand der mittleren Energie unter Verwendung der Berechnungs einrichtung für die elektrische Energie einen Element temperatursteuerungs-Solllernwert. Anschließend berechnet die Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß den durch das Sensorelement erfaßten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases und genauer gemäß dem Luftstrom oder der Belastung sowie dem Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F-Verhältnis) einen Korrekturbetrag für die Sensor sollimpedanz. Beruhend auf dem demgemäß berechneten Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert und dem Korrek turbetrag korrigiert die Vorrichtung die Impedanz des Sensorelements und korrigiert dadurch die Sensorsoll impedanz. Das heißt, daß die Vorrichtung eine Soll impedanz berechnet, indem der Elementtemperatur steuerungs-Solllernwert gemäß den durch das Sensorelement erfaßten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases auf der Grundlage der der Heizeinrichtung zugeführten kumulativen elektrischen Energiemenge, die den durch Alterungsverän derungen hervorgerufenen Schädigungsgrad des Sensor elements angibt, korrigiert wird. Dann führt die Vorrich tung derart eine Steuerung durch, daß die Sensorelement temperatur zu der berechneten Sollimpedanz wird. Daher kann die Vorrichtung eine Überhitzung des Sensorelements und der Heizeinrichtung verhindern.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß die erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Wider standserfassungsvorrichtung die Impedanz des Sauerstoff konzentrationserfassungselements und daher die Element sollimpedanz gemäß durch das Sauerstoffkonzentrations erfassungselement erfaßten Gaszuständen des Erfassungs objektgases korrigiert. Daher kann die Vorrichtung eine korrekte Steuerung der Sollimpedanz gemäß den Gaszustän den vornehmen, um so eine Überhitzung des Sauerstoff konzentrationserfassungselements und der Heizeinrichtung zu verhindern.

Darüber hinaus korrigiert die erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungs vorrichtung die Impedanz des Sauerstoffkonzentrations erfassungselements und daher die Sollimpedanz gemäß der der Heizeinrichtung zugeführten Energiemenge. Daher kann die Vorrichtung eine korrekte Steuerung der Sollimpedanz gemäß der der Heizeinrichtung zugeführten Energiemenge vornehmen, um so eine Überhitzung des Sauerstoff konzentrationserfassungselements und der Heizeinrichtung zu verhindern.

Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf der Grundlage der elektrischen Energiemenge, die der Heizeinrichtung innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne zugeführt wird, bestimmen, ob das Sauerstoffkonzen trationserfassungselement einen Schaden aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Impedanz des Sauerstoffkonzentrationserfassungselements zudem inner halb einer kurzen Zeitdauer erfassen, indem an das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement eine Spannung angelegt wird, die durch Überlagerung einer Gleich spannung mit einer Wechselspannung erhalten wird.

Die Vorrichtung zur Erfassung eines Widerstands eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors weist somit ein Luft/Kraftstoffverhältnissensorelement, eine Heiz einrichtung zur Aktivierung des Sensorelements, eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses in einem durch das Sensorelement erfaßten Erfassungsobjektgas, eine Gaszustandserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Gaszustands des Erfassungsobjektgases, eine Einrichtung zur Erfassung einer Impedanz des Sensorelements und eine Einrichtung zur Korrektur der Impedanz des Sensorelements gemäß dem Gaszustand auf. Während einer vorbestimmten Zeitspanne wird eine kumulative elektrische Energiemenge berechnet, die der Heizeinrichtung zugeführt wird. Beruhend auf der berechneten kumulativen elektrischen Energiemenge wird die Impedanz des Sensorelements korri giert. Gemäß der der Heizeinrichtung zugeführten kumu lativen elektrischen Energiemenge wird bestimmt, ob das Sensorelement einen Schaden aufweist, und wird ein Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert bestimmt. Durch eine Korrektur des Lernwerts gemäß dem Gaszustand wird eine Sollimpedanz berechnet. Beruhend auf dem berechneten Sollwert wird die Heizeinrichtung gesteuert, um eine Überhitzung des Sensorelements und der Heizeinrichtung zu verhindern.

Claims

1. Vorrichtung zur Erfassung eines Widerstands eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors, mit:
einem Sauerstoffkonzentrationserfassungselement (101), wobei ein durch das Sauerstoffkonzentrations erfassungselement fließender Strom proportional zu einer über das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement strömenden Sauerstoffkonzentration eines Erfassungs objektgases ist;
einer Heizeinrichtung (104) zur Aktivierung des Sauerstoffkonzentrationserfassungselements (101);
einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungs einrichtung (100) zur Erfassung des durch das Sauerstoff konzentrationserfassungselement fließenden Stroms durch Anlegen einer ersten Spannung an das Sauerstoffkonzen trationserfassungselement (101), wobei die Luft/Kraft stoffverhältnis-Erfassungseinrichtung (100) auf dem erfaßten Strom beruhend ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Erfassungsobjektgases erfaßt,
gekennzeichnet durch
eine Gaszustandserfassungseinrichtung (100) zur Erfassung eines Gaszustands des durch das Sauerstoff konzentrationserfassungselement erfaßten Erfassungs objektgases;
eine Impedanzerfassungseinrichtung (100) zur Erfassung einer Impedanz des Sauerstoffkonzentrations erfassungselements durch Anlegen einer zweiten Spannung an das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement; und
eine Korrektureinrichtung (100) zur Korrektur der durch die Impedanzerfassungseinrichtung erfaßten Impedanz gemäß dem Gaszustand.

2. Vorrichtung zur Erfassung eines Widerstands eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors, mit:
einem Sauerstoffkonzentrationserfassungselement (101), wobei ein durch das Sauerstoffkonzentrations erfassungselement fließender Strom proportional zu einer über das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement strömenden Sauerstoffkonzentration eines Erfassungs objektgases ist;
einer Heizeinrichtung (104) zur Aktivierung des Sauerstoffkonzentrationserfassungselements (101);
einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Erfassungs einrichtung (100) zur Erfassung des durch das Sauerstoff konzentrationserfassungselement fließenden Stroms durch Anlegen einer ersten Spannung an das Sauerstoffkonzen trationserfassungselement (101), wobei die Luft/Kraft stoffverhältnis-Erfassungseinrichtung (100) auf dem erfaßten Strom beruhend ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Erfassungsobjektgases erfaßt,
gekennzeichnet durch
eine Energieberechnungseinrichtung (100) zur Berechnung einer elektrischen Energiemenge, die der Heizeinrichtung zugeführt wird;
eine Impedanzerfassungseinrichtung (100) zur Erfassung einer Impedanz des Sauerstoffkonzentrations erfassungselements durch Anlegen einer zweiten Spannung an das Sauerstoffkonzentrationserfassungselement; und
eine Korrektureinrichtung (100) zur Korrektur der durch die Impedanzerfassungseinrichtung erfaßten Impedanz gemäß der der Heizeinrichtung zugeführten elektrischen Energiemenge.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (100) zur Bestimmung auf der Grundlage der durch die Energieberechnungseinrichtung berechneten elektrischen Energiemenge, ob das Sauerstoffkonzen trationserfassungselement einen Schaden aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieberechnungseinrichtung eine kumulative elektrische Energiemenge berechnet, die der Heizeinrich tung während einer bestimmten Zeitspanne zugeführt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieberechnungseinrichtung eine mittlere elektri sche Energiemenge berechnet, die der Heizeinrichtung während einer vorbestimmten Zeitspanne zugeführt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannung erhalten wird, indem der ersten Spannung, die eine Gleichspannung ist, eine Wechsel spannung überlagert wird.