DE69725937T2

DE69725937T2 - Temperaturregelung für eine Lambda-Sonde mit grossem Messbereich

Info

Publication number: DE69725937T2
Application number: DE69725937T
Authority: DE
Inventors: Tessho Mizuho-ku Yamada; Takeshi Mizuho-ku Kawai; Yuji Mizuho-ku Oi; Shigeki Mizuho-ku Mori; Satoshi Mizuho-ku Teramoto; Toshiya Mizuho-ku Matsuoka
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: EP0822326A3; DE69725937D1; EP0822326B1; EP0822326A2; US6120677A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf die Steuerung eines Luft/Kraftstoffverhältnisfühlers oder Sauerstofffühlers vom Typ eines Allbereichs- oder Allbetriebsweisentyps, d. h. ein Luft/Kraftstoffverhältnisfühler oder Sauerstofffühler des Typs, dessen Ausgang sich sanft und kontinuierlich in Reaktion auf eine Veränderung des Luft/Kraftstoffverhältnisses von einer Magermischungsbetriebsart oder -bereich zu einer Fettmischungsbetriebsart oder -bereich, d. h. über alle Luft/Kraftstoffverhältnismischungsbetriebsarten oder -bereichen und im Besonderen auf Verfahren und Vorrichtungen zur Temperatursteuerung für einen derartigen Typ von Luft/Kraftstoffverhältnisfühler oder Sauerstofffühler.
Zur Steuerung einer Luft/Kraftstoffverhältnismischung, welche einer Maschine zugeführt werden muss in einer Weise, um zu ermöglichen, dass das Luft/Kraftstoffverhältnis an einem Zielwert gehalten wird (d. h. stöchiometrisch) und dadurch die Menge von CO, NOx und HC in den Maschinenauspuffgasen zu reduzieren ist es im Stand der Technik bekannt, eine Steuerung mit Rückkopplung der Menge des Kraftstoffs, welcher der Maschine zugeführt werden soll, auszuführen. Für eine derartige Rückkopplungssteuerung wird eine λ-Sonde (lambda) hauptsächlich verwendet, deren Ausgabewert sich abrupt oder schart (d. h. stufenweise) ändert in Reaktion auf eine bestimmte Sauerstoffkonzentration, d. h. eine theoretische Luft/Kraftstoffverhältnismischung und ein Allbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnisfühler oder Sauerstofffühler, dessen Ausgabewert sich sanft (d. h. nicht stufenweise) und kontinuierlich in Reaktion auf eine Änderung des Luft/Kraftstoffverhältnisses von einer Magermischungsbetriebsart oder -bereich zu einer Fettmischungsbetriebsart oder -bereich ändert. Der Allbereichs-Sauerstofffühler ist wie vorstehend erwähnt in der Lage, den Sauerstoffgehalt in einem Maschinenauspuffgas kontinuierlich festzustellen und die Rückkopplungssteuerung in Bezug auf Genauigkeit und Schnelligkeit zu verbessern und wird daher verwendet in dem Fall, in dem eine Rückkopplungssteuerung mit hoher Geschwindigkeit und höherer Genauigkeit erforderlich ist.
Ein Beispiel für einen derartigen Allbereichs-Sauerstofffühler ist in US-Patent 5,174,885 und 5,194,135 offenbart.
Der Allbereichs-Sauerstofffühler ist mit zwei Zellen ausgestattet, welche aus Sauerstoffionen leitenden, festen, elektrolytischen Körpern hergestellt sind, welche so angeordnet sind, dass sie sich mit einem dazwischenliegenden bestimmten Abstand oder Spalt (Messkammer) dazwischen gegenüberstehen. Eine der Zellen wird verwendet als eine Pumpzelle zum Pumpen des Sauerstoffs aus oder in den Spalt zwischen die Zellen. Die andere Zelle wird verwendet als eine Zelle elektromotorischer Kraft zur Erzeugung einer Spannung, welche von einem Unterschied in dem Sauerstoffgehalt zwischen einer Sauerstoffreferenzkammer und dem vorbeschriebenen Spalt abhängt. Die Pumpzelle wird derart betrieben, dass die Ausgabe der Zelle elektromotorischer Kraft konstant gehalten wird, und der Strom, welcher der Pumpzelle an diesem Ende zugeführt wird, wird gemessen zur Verwendung als ein Wert, welcher proportional zu einem gemessenen Sauerstoffgehalt ist. Das Funktionsprinzip eines derartigen Allbereichs-Sauerstofffühlers ist in der vorläufigen japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-148849 offenbart, welche durch denselben Anmelder wie diese Anmeldung angemeldet wurde.
US-5,405,521 beschreibt eine Einrichtung zur Messung der Sauerstoffkonzentration, welche in der Lage ist, den Zeitabschnitt erheblich abzukürzen, in welchem die Sauerstoffkonzentration nicht gemessen werden kann. Während die Temperatur eines Hauptfühlerkörpers gemessen wird, bestimmt ein Mikrocomputer die Temperatur des Hauptfühlerkörpers durch die Abschätzung eines Sättigungsstroms, ausgehend von einem Strom, welcher durch eine Stromerfassungsschaltung festgestellt wird, in einem Zeitabschnitt bevor der Strom, welcher durch den Fühlerhauptkörper fließt, seinen Anstieg beendet, nachdem der Fühlerhauptkörper durch eine Vorspannungssteuerungsschaltung mit einer negativen Vorspannung versorgt worden ist. Der Fühlerhauptkörper wird durch die Vorspannungssteuerungsschaltung mit positiver Vorspannung versorgt, unmittelbar nachdem der Zeitabschnitt abgelaufen ist. Der Mikrocomputer bestimmt ein Luft-zu-Kraftstoffverhältnis durch Verwendung des Stroms in einem Zeitabschnitt bevor der Stromfluss durch den Fühlerhauptkörper aufgrund der positiven Vorspannung seinen Abfall beendet.
EP-A-0153830 beschreibt eine Einrichtung zur Bestimmung des Maschinen-Luft/Kraftstoffverhältnisses zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks oder der Konzentration in dem Auspuffgas einer Maschine. Die Einrichtung weist einen Fühler und eine Steuerungsschaltung auf, welche miteinander verbunden sind. Der Fühler besteht aus einer festen elektrolytischen Sauerstoffpumpzelle und einer festen elektrolytischen Sauerstofffühlerzelle, welche zwischen denselben einen Spalt aufweisen. Die Steuerungsschaltung stellt einen Pumpstrom durch einen strombegrenzenden Widerstand für die Pumpzelle bereit und misst zwei Klemmspannungen über dem strombegrenzenden Widerstand, um den aktuellen Pumpstrom und den internen Widerstand der Pumpzelle zu erhalten, wobei der letztere in eine aktuelle Temperatur T umgewandelt wird, welcher der Fühler ausgesetzt ist. Der aktuelle Pumpstrom und die aktuelle Temperatur werden verwendet, um den aktuellen Pumpstrom auf einen geeigneten Pumpstrom zu korrigieren, welcher im Hinblick auf die Temperatur kompensiert ist gemäß einer vorbestimmten Gleichung.
Um den Allbereichs-Sauerstoffsensor zu betreiben, ist es notwendig, die oben beschriebene Pumpzelle und Zelle elektromotorischer Kraft über eine vorbestimme Temperatur zu heizen und dadurch die Sauerstoffionen leitenden, festen, elektrolytischen Körper zu aktivieren. Aus diesem Grund ist der Allbereichs-Sauerstofffühler mit einem Heizer ausgestattet, an der Stelle, welche der Pumpzelle und der Zelle elektromotorischer Kraft benachbart ist, um dieselbe zu heizen.
Derzeit ist es erforderlich, mehr die schädlichen Komponenten, wie etwa CO, NOx, HC etc., welche in den Auspuffgasen vorhanden sind, stärker zu reduzieren. Zur Entfernung dieser schädlichen Komponenten ist es notwendig, den Sauerstoffgehalt der Auspuffgase genauer zu messen und eine Rückkopplungssteuerung eines Luft/Kraftstoffverhältnisses bei hoher Geschwindigkeit auszuführen. Unter diesen Umständen ist es zur Erhöhung der Genauigkeit des Sauerstofffühlers notwendig, die Temperatur des Sauerstofffühlers konstant zu halten. Zur Erzielung der konstanten Temperatur des Sauerstofffühlers wurde ein derartiges Verfahren oder eine derartige Einrichtung zur Messung einer Temperatur durch die Messung des Widerstands des Heizers angewandt und die Temperatur des Heizers konstant gehalten in der Annahme, dass die gemessene Temperatur gleich der Temperatur der Zellen ist.
Durch ein derartiges Verfahren war es jedoch unmöglich, die Temperatur der Zellen mit hoher Genauigkeit zu steuern, aufgrund der Tatsache, dass, wenn die Auspuffgastemperatur niedrig ist oder die Flussrate der Auspuffgase hoch ist, eine Ablage zwischen der Zellentemperatur und der Heizertemperatur auftritt.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung neuartiges und verbessertes Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Temperatur eines Allbereichs-Luft/Kraftstoffverhältnisfühlers oder Sauerstofffühlers bereitzustellen. Dieses Ziel wird erreicht durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11. Die Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen festgelegt.
Gemäß einem Aspekt wird der Widerstandswert gemessen durch Anlegen einer Spannung oder eines Stroms an die Zelle elektromotorischer Kraft, welche zwischen einem Spalt mit einer Atmosphäre, welche durch eine Pumpzelle konstant gehalten wird, und einer Sauerstoffreferenz, mit einem konstanten Sauerstoffgehalt dazwischengeschaltet ist, so dass der Widerstandswert genau gemessen werden kann, unabhängig von dem Sauerstoffgehalt in der durch den Allbereichs-Sauerstofffühler zu messenden Atmosphäre. Weiterhin wird der Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft in einem vorbestimmten Zeitablauf oder in einem vorbestimmten Zeitabschnitt, nachdem die Anwendung des Stroms oder der Spannung begonnen wurde, gemessen, so dass ein gemessener Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft frei ist von einer Widerstandskomponente an einer Grenzfläche zwischen jeder der porösen Elektroden und dem Sauerstoffionen leitenden, festen, elektrolytischen Körper. In anderen Worten, sollte ein sich ändernder Anteil der Widerstandskomponente an dieser Grenzfläche aufgrund einer Alterung der Grenzfläche zwischen der porösen Elektrode der Zelle elektromotorischer Kraft und dem festen elektrolytischen Körper nicht in den gemessenen Widerstandswert eingeschlossen werden. Ein derartiger sich ändemder Anteil der Widerstandskomponente wird in den gemessenen Widerstandswert in dem Fall aufgenommen, in dem die Messung durch die Verwendung eines Stroms oder einer Spannung durchgeführt wird, welche für einen relativ langen Zeitabschnitt angewandt wird, d. h. deren Anwendung und Beendigung wird bei einer niederen Frequenz oder die Messung des Widerstands wird bei einer niedrigen Frequenz ausgeführt. Die Materialwiderstandskomponente des festen elektrolytischen Körpers der Zelle elektromotorischer Kraft kann genau gemessen werden, wenn der vorbestimmte Zeitabschnitt für die Mes sung des Widerstandswerts der Zelle elektromotorischer Kraft so festgesetzt ist, dass er zwischen 1 μs und 10 ms und vorzugsweise zwischen 1 μs und 1 ms beträgt. Demgemäß kann der Widerstandswert, welcher in genauer Weise die Temperatur der Zelle darstellt, erhalten werden.
Gemäß einem anderen Aspekt wird zu dem Zeitpunkt der Anwendung der Spannung an die Zelle elektromotorischer Kraft eine konstante Spannung oder ein konstanter Strom einer entgegengesetzten Polarität und mit derselben (d. h. symmetrischen) Wellenform, wie die Spannung oder der Strom zur Messung des oben beschriebenen Widerstandswerts der Anwendung jener Spannung oder jenes Stroms nachfolgend angewandt, so dass es möglich wird, eine kürzere Rücksetz- oder Wiederherstellungszeit zur Wiederherstellung aus einem Zustand zu erreichen, in welchem die interne elektromotorische Kraft der Zelle elektromotorischer Kraft durch ein derartiges Orientierungsphänomen des Sauerstoffionen leitenden, festen, elektrolytischen Körpers beeinflusst ist, das verursacht wird, wenn ein großer Strom durch den festen elektrolytischen Körper geschickt wird und nicht in der Lage ist zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, welche dem korrekten Unterschied des Sauerstoffgehalts entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, den Anfang der Messung des Sauerstoffgehalts wiederum zu starten innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts nach der Messung des Widerstandswerts und eine Hochgeschwindigkeitssteuerung des Allbereichs-Sauerstofffühlers kann so erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird der Widerstandswert der Pumpzelle und/oder der Zelle elektromotorischer Kraft gemessen durch Anwendung von Strömen oder Spannungen von jeweils entgegengesetzten Polaritäten an die Pumpzelle und die der Zelle elektromotorischer Kraft. Der Sauerstoffgehalt in dem Spalt (Messkammer), welcher stöchiometrisch gehalten wird, neigt zu Änderungen, da ein Pumpen des Sauerstoffs aus oder in den Spalt stattfindet, wenn ein Strom oder eine Spannung an die Zelle elektromotorischer Kraft angewandt wird. Da jedoch der Strom oder die Spannung der umgekehrten Polarität auf die Pumpzelle angewandt wird, wird der Sauerstoff aus oder in den Spalt durch die Pumpzelle gepumpt, wobei sich das Einpumpen und Auspumpen aufhebt, um den Sauerstoffgehalt in dem Spalt (Messkammer) stöchiometrisch zu halten. Aus diesem Grund kann die Messung von Sauerstoff durch den Allbereichs-Sauerstofffühler unmittelbar nachdem die Messung des Widerstandswerts (Temperatur) beendet ist, wieder gestartet werden.
Vorzugsweise wird nicht nur die Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft, sondern auch die Temperatur der Pumpzelle festgestellt, so dass selbst wenn der Fühler selbst eine bestimmte Temperaturverteilung oder Gradienten aufweist, ein derartiger Temperaturgradient genau erfasst oder festgestellt werden kann und daher die Temperatur des Fühlers genauer gesteuert werden kann.
Vorzugsweise wird die Temperatur des Fühlers derart gesteuert, dass die Temperatur von entweder der Zelle elektromotorischer Kraft oder der Pumpzelle einen oberen Grenzwert nicht übersteigt, wodurch es möglich wird, ein derartiges Problem zu vermeiden, dass, wenn beispielsweise die Temperatur der Pumpzelle höher als diejenige der Zelle elektromotorischer Kraft ist, eine Steuerung ungewünschterweise derart vorgenommen wird, dass die Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft über einen vorbestimmten Wert eingestellt wird und die Temperatur der Pumpzelle eine obere Grenztemperatur übersteigt, d. h. eine obere Grenze eines Temperaturbereichs innerhalb dessen, keinerlei Probleme mit der Eigenschaft der Hitzebeständigkeit des Fühlers erzeugt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Temperatur des Fühlers derart gesteuert, dass die Temperatur von entweder der Zelle elektromotorischer Kraft oder der Pumpzelle nicht geringer wird als eine untere Grenztemperatur, so dass es möglich wird, das Entstehen eines derartigen Problems zu vermeiden, wie es in dem Fall besteht, wenn beispielsweise die Temperatur der Pumpzelle niedriger ist als diejenige der Zelle elektromotorischer Kraft, eine irrtümliche Entscheidung getroffen wird, dass die Temperatur des Fühlers einen vorbestimmten Wert erreicht hat, basierend lediglich auf der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft, um den Heizer mit weniger Energie zu versorgen, wodurch die Temperatur der Pumpzelle noch nicht ausreichend hoch geworden ist, und der Fühler nicht richtig funktionieren kann.
Weiterhin kann bei den vorstehend beschriebenen Aspekte eine obere Temperaturgrenze und eine untere Temperaturgrenze für sowohl die Zelle elektromotorischer Kraft als auch die Pumpzelle gesetzt werden. Beispielsweise gibt es eine Möglichkeit, dass zum Zeitpunkt der Aufheizung des Fühlers die Zelle elektromotorischer Kraft Funktion oder Betrieb bei einer relativ niedrigen Temperatur beginnt, wohingegen die Pumpzelle nicht ausreichend funktionieren kann, um als der Fühler zu dienen, bis sie nicht auf eine Temperatur erhitzt worden ist, welche erheblich höher als diejenige der Zelle elektromotorischer Kraft ist. In einem derartigen Fall wird eine Steuerung derart ausgeführt, dass dem Heizer mehr Energie zugeführt wird, bis die Temperatur der Pumpzelle bis zum unteren Grenzwert derselben ansteigt, wodurch es möglich wird, den Fühler in einen Zustand zu versetzten, in dem er richtig funktionieren kann, d. h. den Fühler innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts zu aktivieren.
Vorzugsweise wird der Widerstandswert durch die Anwendung einer Spannung oder eines Stroms an die Zelle elektromotorischer Kraft gemessen, welche zwischen einem Spalt mit einer Atmosphäre, welche durch die Pumpzelle konstant gehalten wird und einer Sauerstoffreferenzkammer eines konstanten Sauerstoffgehalts angeordnet ist, so dass der Widerstandswert genau gemessen werden kann, unabhängig von dem Sauerstoffgehalt in einer von dem Allbereichs-Sauerstofffühler zu messenden Atmosphäre. Weiterhin wird der Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft in einem vorbestimmten Zeitablauf nachdem die Anwendung des Stroms oder der Spannung begonnen wird, gemessen, so dass ein gemessener Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft frei ist von einer Widerstandskomponente an einer Grenzfläche zwischen jeder der porösen Elektroden und dem Sauerstoffionen leitenden, festen, elektrolytischen Körper, wobei ein sich ändernder Anteil der Widerstandskomponente an jener Grenzfläche aufgrund einer Alterung der Grenzfläche zwischen der porösen Elektrode der Zelle elektromotorischer Kraft und dem festen, elektrolytischen Körper nicht in dem gemessenen Widerstandswert enthalten ist. Ein derartiger, sich ändernder Anteil der Widerstandskomponente ist in dem gemessenen Widerstandswert in dem Fall enthalten, dass die Messung durchgeführt wird, durch die Verwendung eines Stroms oder einer Spannung, welche angewandt und aufgehoben wird mit einer hohen Frequenz, und die Materialwiderstandskomponente des festen elektrolytischen Körpers der Zelle elektromotorischer Kraft genau gemessen werden kann.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt hält, wenn die Einrichtung zur Anwendung eines Messstroms oder Messspannung einen Messstrom oder Messspannung an den Pluseingang der Zelle elektromotorischer Kraft anwendet, die Haltevorrichtung, welche zwischen dem Pluseingang der Zelle elektromotorischer Kraft und dem Eingang der PID-Schaltung angeordnet ist, die Eingangsspannung der PID-Schaltung konstant und hält das Eingangspotenzial der PID-Schaltung konstant. Zu diesem Zweck wendet die Einrichtung zur Anwendung eines konstanten Stroms einen Strom auf den Pluseingang der Pumpzelle in der Weise an, dass das elektrische Potenzial an dem Schaltungspunkt, welcher mittels eines Widerstands an die PID-Schaltung verbunden ist, gehalten wird. Das bedeutet, dass die Vorrichtung zur Anwendung eines konstanten Stroms einen Strom oder eine Spannung an die Pumpzelle anwendet, welche von entgegengesetzter Polarität ist zu jener des Stroms oder der Spannung, welche an die Seite der Zelle elektromotorischer Kraft angewandt wird. Auf diese Weise wird ein Strom oder Spannung mit untereinander umgekehrten Polaritäten an die Pumpzelle und die Zelle elektromotorischer Kraft jeweils zur selben Zeit angewandt, um den Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft und/oder der Pumpzelle zu messen. Der Sauerstoffgehalt in dem Spalt (Messkammer) welcher stöchiometrisch gehalten wird, neigt zu Änderungen, da das Pumpen von Sauerstoff aus und in dem Spalt stattfindet, wenn ein Strom oder eine Spannung an die Zelle elektromotorischer Kraft angewandt wird. Da jedoch der Strom oder Spannung von umgekehrter Polarität an die Pumpzelle angewandt wird, wird Sauerstoff aus oder in den Spalt (Messkammer) durch die Pumpzelle gepumpt, wobei sich das Hineinpumpen und Hinauspumpen aufheben, um den Sauerstoffgehalt in dem Spalt stöchiometrisch aufrecht zu erhalten. Aus diesem Grund kann die Messung von Sauerstoff mit dem Allbereichs-Sauerstofffühler unmittelbar nach der Beendigung der Messung des Widerstandswerts (Temperatur) wieder gestartet werden.
Vorzugsweise wird ein gemeinsamer Strom durch die Zelle elektromotorischer Kraft und die Pumpzelle geleitet zur Messung der Temperaturen derselben, so dass mit einem einfachen Aufbau der innere Widerstand der beiden Zellen und daher der Temperaturen derselben bestimmt werden kann.
Wenn die Einrichtung zur Anwendung des Stroms oder der Spannung einen Strom oder Spannung zur Messung der Temperatur an den positiven Eingang der Zelle elektromotorischer Kraft anwendet, hält, in einem weiteren Aspekt, die Einrichtung zum Halten, welche zwischen dem positiven Eingang der Zelle elektromotorischer Kraft und dem Eingang der PID-Schaltung angeordnet ist, die Eingangsspannung der PID-Schaltung konstant und hält das Eingangspotenzial der PID-Schaltung konstant. Aus diesem Grund kann die Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts sogar während der Messung der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft ein Ausgangssignal erzeu gen, welches repräsentativ ist für einen konstanten Sauerstoffgehalt, basierend auf der Ausgangsspannung der PID-Schaltung. Da weiterhin das Ausgangssignal der PID-Schaltung konstant gehalten wird während der Anwendung des Stroms oder der Spannung an dem positiven Eingang der Zelle elektromotorischer Kraft zur Messung der Temperatur, wendet die Vorrichtung für den konstanten Strom einen Strom an den positiven Eingang der Pumpzelle in der Weise an, dass das elektrische Potenzial an dem Schaltungspunkt, welcher mittels des Widerstands an die PID-Schaltung angeschlossen ist, konstant gehalten wird. Das bedeutet, dass die Vorrichtung für konstanten Strom ein Strom oder Spannung einer Polarität, welche umgekehrt zu derjenigen des Stroms oder der Spannung, welche an die Seite der Zelle elektromotorischer Kraft angewendet wird, an die Seite der Pumpzelle angewendet. Zu diesem Zweck wird zu dem Zeitpunkt, wenn ein Messstrom oder eine Messspannung zur Messung der Temperatur an die Zelle elektromotorischer Kraft durch die Einrichtung zur Anwendung von Strom oder Spannung angewandt wird, die Einrichtung zur Messung der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft das elektrische Potenzial der Zelle elektromotorischer Kraft messen, und dadurch die Temperatur derselben messen, während zur selben Zeit die Vorrichtung zur Messung der Temperatur der Pumpzelle das elektrische Potenzial der Pumpzelle misst und dadurch die Temperatur derselben misst. Das bedeutet, dass die Temperaturen der Zelle elektromotorischer Kraft und der Pumpzelle gleichzeitig gemessen werden können, ohne eine zusätzliche Einrichtung zur Anwendung eines Stroms oder einer Spannung an die Seite der Pumpzelle zur Messung bereitstellen zu müssen.
Die vorstehenden Verfahren und Strukturen sind wirksam zur Lösung der vorstehend genannten Probleme, welche den Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik innewohnen.
1 ist eine verdeutlichende Darstellung eines Allbereichs-Sauerstofffühlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Schaltplan einer Steuerung des Sauerstofffühlers der 1;
3 ist ein Zeitdiagramm für die Schalter SW1, SW2 und SW3 in der Schaltung der 2;
4A ist ein Diagramm zur Verdeutlichung einer elektromotorischen Kraft Vs einer Zelle elektromotorischer Kraft, welche erzeugt wird, wenn ein gepulster Strom zur Messung des Widerstands einmalig an die Zelle elektromotorischer Kraft angelegt wird;
4B ist ein Diagramm zur Verdeutlichung einer elektromotorischen Kraft Vs einer Zelle elektromotorischer Kraft, die erzeugt wird, wenn ein Wechselstrom an die Zelle elektromotorischer Kraft angelegt wird;
5A ist eine grafische Darstellung, welche eine Beziehung zwischen einem an die Zelle elektromotorischer Kraft angelegten Wechselstrom und einem gemessenen Widerstand verdeutlicht;
5B ist eine grafische Darstellung, welche ein Beziehung zwischen einem an die Pumpzelle angelegten Wechselstrom und einem gemessenen Widerstand verdeutlicht;
6 ist eine grafische Darstellung des Stroms und der Spannung über die Zelle elektromotorischer Kraft als eine Funktion der Zeit;
7 ist eine der 2 ähnliche Ansicht, zeigt jedoch eine andere Ausführungsform;
8 ist ein Zeitdiagramm für die Schalter SW1, SW2 und SW3 der Schaltung der 7; und
9A und 9B sind Ablaufdiagramme eines Heizersteuerungsprogramms für einen Luft/Kraftstoffverhältnisfühler oder Sauerstofffühler der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf 1 wird ein Allbetriebsart- oder Allbereichs-Sauerstofffühler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei dieser eine Zelleneinheit 10 einschließt, welche in einem Auspuffsystem angeordnet ist (nicht gezeigt). Die Zelleneinheit 10 misst den Sauerstoffgehalt in den Auspuffgasen und ist mit einer Steuerung 50 zur Messung der Temperatur der Einheit 10 verbunden. An die Zelleinheit 10 ist ein Heizer 70, welcher durch eine Heizersteuerungsschaltung 60 gesteuert wird, mittels eines aus Keramik bestehenden Klebematerials angebracht. Der Heizer 70 ist aus einem Isolationsmaterial hergestellt, d. h. ein keramisches Material, wie etwa Aluminiumoxid und weist in demselben eine Heizerschaltung oder Verdrahtung 72 auf. Die Heizersteuerungsschaltung 60 wendet elektrische Leistung auf den Heizer 70 in der Weise an, dass der Widerstand der Zelleinheit 10, welcher durch die Steuerung 50 gemessen wird, konstant gehalten wird, wodurch die Temperatur der Zelleinheit konstant werden soll.
Die Zelleinheit 10 schließt eine Pumpzelle 14, eine poröse Diffusionsschicht 18 und eine Zelle elektromotorischer Kraft 24 und eine Verstärkungsplatte 30 ein, wobei diese aufeinander gestapelt sind. Die Pumpzelle 14 besteht aus einem festen Elektrolyt, welcher eine Sauerstoffionenleitfähigkeit aufweist, d. h. stabilisiertes oder teilweise stabilisiertes Zirkon (ZrO₂) und weist auf der Vorderseitenfläche und der Rückseitenfläche derselben poröse Elektroden 12 und 16 auf, welche jeweils hauptsächlich aus Platin hergestellt sind. An der porösen Elektrode 12 der Vorderseite, welche dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, wird eine Spannung Ip+ angelegt für den Stromfluss Ip+ durch dieselbe, so dass die poröse Elektrode 12 der Vorderseitenfläche als eine IP+-Elektrode bezeichnet wird. Andererseits ist an die poröse Elektrode 14 der Rückseitenfläche eine Spannung Ip– für einen Stromfluss Ip– durch dieselbe angelegt, so dass die poröse Elektrode 14 der Rückseite als Ip–-Elektrode bezeichnet wird.
Die Zelle elektromotorischer Kraft 24 ist in ähnlicher Weise aus stabilisiertem oder teilweise stabilisiertem Zirkon (ZrO₂) aufgebaut und weist auf den Vorder- und Rückseitenflächen derselben poröse Elektroden 22 und 28, welche jeweils aus Platin hergestellt sind, auf. An der porösen Elektrode 22, welche an der Seite eines Spalts 20 (Messkammer) angebracht ist, wird eine Spannung Vs– durch die elektromotorische Kraft Vs der Zelle elektromotorischer Kraft 24 erzeugt, so dass die poröse Elektrode 22 als eine Vs–-Elektrode bezeichnet wird. Andererseits wird an der porösen Elektrode 28, welche an der Seite einer Sauerstoffreferenzkammer angebracht ist, eine Spannung VS+ erzeugt, so dass die poröse Elektrode 28 als Vs+-Elektrode bezeichnet wird. Der Referenzsauerstoff innerhalb der Sauerstoffreferenzkammer 26 wird ausgebildet oder erzeugt durch Pumpen von vorbestimmtem Sauerstoff in die poröse Elektrode 28. Zwi schen der Pumpzelle 14 und der Zelle elektromotorischer Kraft 24 ist der Spalt 20 (Messkammer) ausgebildet, welcher von der porösen Diffusionsschicht 18 umgeben ist. Das bedeutet, dass der Spalt 20 mit der Messgasatmosphäre über die poröse Diffusionsschicht 18 verbunden ist. Während in dieser Ausführungsform die poröse Diffusionsschicht 18 durch das Auffüllen eines porösen Materials an einer vorbestimmten Stelle verwendet wird, können statt dessen Poren in der Stelle angeordnet sein.
Hierdurch wird Sauerstoff gemäß dem Unterschied in dem Sauerstoffgehalt zwischen dem zu messenden Gas und dem Spalt 20 in die Seite des Spalts 20 diffundiert durch die poröse Diffusionsschicht 18. Wenn in diesem Zusammenhang die Atmosphäre in dem Spalt 20 bei einem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis gehalten wird, wird ein elektrisches Potenzial zwischen dem Spalt 20 und der Sauerstoffreferenzkammer 26 erzeugt, welche in dem Sauerstoffgehalt konstant gehalten wird, d. h. ein Potenzial von etwa 0,45 Volt wird zwischen der Vs+-Elektrode 28 und der Vs–-Elektrode 22 der Zelle elektromotorischer Kraft 24 erzeugt. In diesem Zusammenhang reguliert die Steuerung 50 den durch die Pumpzelle 14 fließenden Strom Ip in der Weise, dass die elektromotorische Kraft Vs der vorstehend beschriebenen Zelle elektromotorischer Kraft 24 0,45 Volt beträgt, wobei die Atmosphäre des Spalts 24 bei einem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis gehalten und der Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas gemessen werden soll auf der Basis des Pumpzellenstroms Ip, um ein derartiges theoretisches Luft/Kraftstoffverhältnis zu erhalten.
Mit zusätzlichem Bezug auf 2, welche den Aufbau der Steuerung 50 zeigt, werden die Steuerungsvorgänge des Sauerstofffühlers nachstehend beschrieben.
Die Steuerung 50 stellt die Messung des Sauerstoffgehalts durch die Zelle 10 bereit und einen Vorgang zur Messung des Materialwiderstands der Zelle elektromotorischer Kraft 24 der Zelleinheit 10, wodurch die Temperatur gemessen wird. Zunächst wird die Beschreibung für die Messung des Sauerstoffgehalts gegeben.
Ein Operationsverstärker OP2 weist einen Eingang auf, an den +4 V angelegt ist und einen anderen Eingang, welcher mit einem V_cent Punkt verbunden ist und derartig arbeitet, dass die Spannung über dem V_cent bei 4 V gehalten wird. Ein PID (proportional, integral und differentiell) Schaltkreis, welcher eine PID-Steuerung durchführt, stellt eine Funktion zur Feststellung einer elektromotorischen Kraft Vs der Zelle elektromotorischen Kraft 24 und die Bestimmung des Stroms Ip der Pumpzelle 14 in der Weise bereit, dass die elektromotorische Kraft Vs konstant gehalten wird (d. h. bei 0,45 V) durch die Wirkung des Stroms Ip, der durch den Widerstand R1 fließt. Unter der Bedingung, wo die elektromotorische Kraft der Zelle elektromotorischer Kraft 24 bei 0,45 V durch die PID-Schaltung gehalten wird, erscheint auf diese Weise die Spannung V_PID, welche proportional ist zu dem Strom Ip, welcher durch die Pumpzelle 14 geführt wird, an dem Ausgang der PID-Schaltung. Durch eine Schaltung 52 zur Feststellung des Sauerstoffgehalts wird ein entsprechender Sauerstoffgehalt, welcher der Spannung V_PID, welche an dem Ausgang der PID-Schaltung erscheint, aus einer Tabelle, welche in der Schaltung 52 vorgehalten wird, ausgesucht, nachdem die Spannung V_PID mittels einer A/D-Schaltung (analog zu digital) (nicht gezeigt) in digitale Werte umgewandelt wurde und der so gesuchte Sauerstoffgehalt wird an das System zu Maschinensteuerung (nicht gezeigt) ausgegeben.
Nachfolgend wird der Vorgang der Messung der Temperatur (Widerstand) der Zelle elektromotorischer Kraft 24 beschrieben, welcher durch die Steuerung 50 bereitgestellt wird. Ein Operationsverstärker OP1 arbeitet mit einem Kondensator C1 zusammen, um eine Abtast- und Halteschaltung aufzubauen und stellt während der Anwendung der Spannung zur Messung der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft 24 einen Vorgang zur Beibehaltung der elektromotorischen Kraft Vs der Zelle elektromotorischer Kraft 24 bereit, bei solch einem Wert, der durch die Zelle elektromotorischer Kraft unmittelbar vor der Anwendung der Spannung angenommen worden war. Ein Operationsverstärker OP3 gibt die Differenz zwischen dem Haltewert (d. h. der elektromotorischen Kraft Vs der Zelle elektromotorischer Kraft 24 unmittelbar vor der Anwendung der Spannung zur Messung des Widerstands), welcher durch den Operationsverstärker OP1 gehalten wird und dem elektrischen Potenzial, wenn der Strom –I_const für die Messung des Widerstands der Zelle elektromotorischer Kraft angewandt wird, an die A/D Schaltung aus.
Der Schalter SW1 steuert den Operationsverstärker OP1, d. h. den Vorgang zum Halten der Spannung der Abtasthalteschaltung. Weiterhin schaltet der Schalter SW2 den konstanten Strom –I_const für die Messung des Widerstands an oder aus, und der Schalter SW3 schaltet den konstanten Strom +I_const von entgegengesetzter Polarität zu dem Strom –I_const, welcher dem Schalter SW2 zugeführt wird, aus oder ein.
In 3 ist die elektromotorische Kraft Vs der Zelle elektromotorischer Kraft 24 zusammen mit dem Zeitablaufdiagramm für die Schalter SW1, SW2 und SW3 gezeigt. Der Schalter SW1 wird an vorbestimmten Zeitabschnitten T5 über eine vorbestimmte Zeit T6 abgeschaltet (d. h. ungefähr 500 μs), wodurch die Messung des Widerstands der Zelle elektromotorischer Kraft 24 ermöglicht wird. Zwischenzeitlich wird, während der Auszeit T6 die Eingangsspannung zu der PID-Schaltung bei 0,45 V beibehalten durch die Abtast- und Halteschaltung, welche aus dem Operationsverstärker OP1 aufgebaut ist.
Nach dem Zeitablauf T1, nachdem der Schalter SW1 abgeschaltet wurde, wird der Schalter SW2 über die Zeit T3 (d. h. ungefähr 100 μs) angeschaltet, wodurch verursacht wird, dass der konstante Strom –I_const zur Messung des Widerstands durch die Zelle elektromotorischer Kraft 24 fließt. Die Polarität des Stroms –I_const ist entgegengesetzt zu derjenigen der internen elektromotorischen Kraft, welche in der Zelle elektromotorischer Kraft 24 erzeugt wird, und durch die Wirkung dieses Stroms –I_const wird die Spannung über beide Ausgänge der Zelle elektromotorischer Kraft 24 um den Betrag ΔVs erniedrigt.
In diesem Zusammenhang wird, nach dem Ablauf der Zeit T2 (d. h. ungefähr 60 μs) nachdem die Anwendung des Stroms –I_const begonnen wird, der Ausgang des Operationsverstärkers OP3 zu jenem Zeitpunkt (d. h. zu dem Zeitpunkt, wenn 60 μs nach dem Start der Anwendung des Stroms verstrichen sind) an die Seite der Heizersteuerungsschaltung 60 ausgegeben, nachdem dieser durch die A/D-Wandlungsschaltung von einen Analogwert zu einem Digitalwert gewandelt wurde. Die Heizersteuerungsschaltung 60 steuert die Energiezufuhr des Heizers 70 derart, dass der gemessene Wert, d. h. der Wert entsprechend dem Materialwiderstand der Zelle elektromotorischer Kraft 24 gleichwert zu dem Zielwert. Diese Steuerung leistet im Wesentlichen eine derartige Funktion des Beibehaltens der Temperatur des Sauerstofffühlerelements 10 genau bei einer Zieltemperatur (d. h. 800°C) durch Erzeugen einer höheren Spannung, wenn der Materialwiderstand der Zelle elektromotorischer Kraft 24 höher als ein Zielwert ist und sie niedriger zu machen, wenn dieser niedriger als der Zielwert ist.
Indessen besteht der Grund dafür, warum der Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft 24 zu dem Zeitpunkt gemessen wird, wenn die Zeit T2 von 60 μs nach dem Beginn der Anwendung abgelaufen ist, darin, die Widerstandskomponente an der Grenzfläche zwischen der vorstehend beschriebenen porösen Elektrode und dem vorstehend beschriebenen festen elektrolytischen Körper nicht in den gemessenen Widerstand aufzunehmen. Dies deshalb, weil es unmöglich wird, eine genaue Messung aufgrund der Änderungsbeträge auszuführen, wenn die Anwendung des Stroms oder Spannung zur Feststellung eines derartigen Widerstands über einen relativ langen Zeitabschnitt durchgeführt wird, d. h. bei niedriger Frequenz, dann wird ein derartiger Wert festgestellt, welcher einen Änderungsbetrag der Widerstandskomponente an der Grenzfläche zwischen den porösen Elektroden 22 und 28 der Zelle elektromotorischer Kraft 24 und dem festen, elektrolytischen Körper aufgrund von Alterung und etc. derselben einschließt. Anders ausgedrückt kann die Messung des Widerstands, welcher ein Änderungsbetrag aufgrund von Alterung einschließt, festgestellt werden durch Verändern dieser Zeit für die Messung und kann für die Feststellung der Alterung verwendet werden.
Die Zeit T2 ist ziemlich wichtig für die genaue Messung des internen Widerstands der Zelle elektromotorischer Kraft, d. h. zur genauen Steuerung der Temperatur des Allbereichs-Sauerstofffühlers derart, dass diese in einem Bereich von 750°C bis 900°C durch die Verwendung eines Heizers eingeschlossen ist. Im Einzelnen geht, wie in 6 gezeigt, fällt die Spannung über die Elektroden der Zelle elektromotorischer Kraft, welche für die Messung des internen Widerstands derselben verwendet wird, nach dem Ablauf der Zeit von 10 ms nach der Anwendung des Stroms –I_const abrupt ab. In dem Augenblick, indem der Strom –I_const angewandt wird, tritt ein Rauschen in der Messung auf innerhalb eines Zeitabschnitts von weniger als 1 μs nach der Anwendung des Stroms -I_const, wie durch ein Unterschwingen (d. h. der Abschnitt der vertikal vorstechenden Linie) in der Zeichnung gezeigt. Die Messung des internen Widerstands der Zelle elektromotorischer Kraft sollte in einem anderen als dem Rauschabschnitt durchgeführt werden. Der flache Signalabschnitt, wie er durch max T2 in der Zeichnung ausgewiesen ist, sollte für die Messung verwendet werden, d. h. die Zeit T2 ist vorzugsweise eingeschlossen in einen Zeitabschnitt von 1 μs bis 10 ms und besonders vorzugsweise von 1 μs bis 1 ms nach der Anwendung des konstanten Stroms oder Spannung an die Zelle elektromotorischer Kraft.
Nach dem Ablauf der Zeit T3 wird der Schalter SW2 abgeschaltet, während zur selben Zeit der Schalter SW3 angeschaltet wird und der konstante Strom +I_const der umgekehrten Polarität zu dem vorstehend beschriebenen Strom –I_const zur Messung des Widerstands an die Seite der Zelle elektromotorischer Kraft 24 über den Zeitabschnitt T3 angewandt wird, welcher im Wesentlichen derselbe ist wie derjenige, während dem der Schalter SW2 angeschaltet war. Dies wird durchgeführt, um die Rücksetzzeit zum Rücksetzen oder Wiederherstellen einer normalen Bedingung aus einer abnormalen Bedingung zu verkürzen, in welcher die interne elektromotorische Kraft durch das Ausrichtphänomen des Sauerstoffionen leitenden, festen Elektrolyten beeinflusst wird, welcher die Zelle elektromotorischer Kraft 24 aufbaut und die Zelle elektromotorischer Kraft 24 nicht in der Lage ist, eine interne elektromotorische Kraft auszugeben, welche für eine korrekte Differenz des Sauerstoffgehalts repräsentativ ist, und es zu ermöglichen, die Messung der Sauerstoffkonzentration in einer kurzen Zeit nach der Messung des Widerstands wieder zu beginnen.
Mit Bezug auf 4 wird die Rücksetzzeit beschrieben, welche notwendig ist, zum Rücksetzten und Wiederherstellen einer regulären elektromotorischen Kraft, welche betrachtet wird entsprechend einem Orientierungsphänomen des Sauerstoffionen leitenden, festen, elektrolytischen Körpers. 4A zeigt eine Änderung der elektromotorischen Kraft Vs der Zelle für elektromotorische Kraft 24 für den Fall, dass ein gepulster Strom von 4,88 mA, entsprechend dem vorstehend beschriebenen Strom –I_const zur Messung des Widerstands auf die Zelle elektromotorischer Kraft angewandt wird und nachfolgend die Anwendung des Stroms gestoppt wird. 4B zeigt einen Änderung der elektromotorischen Kraft Vs für den Fall, dass ein gepulster Strom von 4,88 mA entsprechend dem vorstehend beschriebenen Strom –I_const an die Zelte elektromotorischer Kraft 24 angewandt wird und nachfolgend ein gepulster Strom +I_const von entgegengesetzter Polarität zu dem Strom –I_const angewandt wird, d. h. es wird ein gepulster Strom in alternierender Weise angewandt. Wie in 4A gezeigt, wurden 16 ms für das Zurücksetzen oder Wiederherstellen gebraucht, für den Fall, dass ein gepulster Strom von 4,88 mA nur einmal angewandt wird. Im Gegensatz dazu wird in dem Fall, wo der Strom ersetzt wird durch einen alternierenden Strom wurden nur 0,5 ms für das Zurücksetzen oder Wiederherstellen gebraucht. Auf diese Weise wird in dieser Ausführungsform ein ge pulster Strom in einer alternierenden Weise angewandt, um hierdurch zu ermöglichen, dass die Messung des Sauerstoffgehalts in einer kurzen Zeit gestartet wird.
Zu dem Zeitpunkt, wenn die Zeit T4, nach dem Ablauf der Zeit T3 für die Anwendung des konstanten Stroms +I_const, abgelaufen ist und nachdem der Schalter SW3 abgeschaltet ist, wird der Schalter SW1 angeschaltet, um zu bewirken, dass die elektromotorische Kraft Vs der Zelle für elektromotorische Kraft 24 wieder an die PID-Schaltung über den Operationsverstärker OP1 angewandt wird, wobei die Messung des Sauerstoffgehalts erneut gestartet wird. Nach dem Ablauf des Intervalls T5 wird der Schalter SW1 abgeschaltet, wobei der Widerstand der Zelle für elektromotorische Kraft 24 wiederum gemessen wird.
In dieser Ausführungsform wird die Temperatur der Zelleinheit 10 gemessen nicht durch die Messung des Widerstands der Pumpzelle 14, sondern des Widerstands der Zelle elektromotorischer Kraft 24. Der Ablauf in dieser Beziehung wird mit Bezug auf die Graphen der 5A und 5B beschrieben. 5A ist ein Graph, welcher im Falle eines alternierenden Stroms erhalten wird, welcher an die Seite der Zelle für elektromotorische Kraft 24 zur Messung des Widerstands angelegt wird. 5B ist ein Graph, welcher im Fall eines alternierenden Stroms erhalten wird, welcher an die Seite der Pumpzelle 14 zur Messung des Widerstands angelegt wird. In den Graphen wurden Daten aufgetragen, wobei die Temperatur des Heizers entsprechend der Temperatur der Zelleinheit 10 als Ordinate und der gemessene Widerstand als Abszisse aufgetragen ist. In diesem Zusammenhang stellen O die Daten da, welche erhalten werden, wenn die Messung in einer Atmosphäre von A/F 23 (Magerbetriebsweise) und bei einer Frequenz von 20 Hz (niedere Frequenz) durchgeführt wurde, d. h. bei der Verwendung eines Stroms oder einer Spannung, welche angewandt und abgeschaltet wird, mit einer niedrigen Frequenz,
stellt die Daten dar, welche erhalten werden, wenn die Messung in der Atmosphäre von A/F 23 (Magerbetriebsweise) und bei einer Frequenz von 1 KHz (hohe Frequenz) durchgeführt wurde, d. h. bei Verwendung eines Stroms oder einer Spannung, welche angewandt und abgeschaltet wird mit einer hohen Frequenz. Δ stellt die Daten dar, welche erhalten werden, wenn die Messung in der Atmosphäre des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses und bei einer Frequenz von 20 Hz (niedrige Frequenz) durchgeführt wurde und
stellt die Daten dar, welche erhalten werden, wenn die Mes sung durchgeführt wurde in einer Atmosphäre eines theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses und bei einer Frequenz von 1 KHz (hohe Frequenz).
Aus dem Graphen der 5A, welcher repräsentativ ist für Daten, welche gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten werden, ist ersichtlich, dass der gemessene Widerstand, welcher in der Atmosphäre des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses und der Widerstand, welcher in der Atmosphäre des mageren Luft/Kraftstoffverhältnisses gemessen wird, ungefähr zueinander gleich sind und daher genaue Messungen des Widerstandswerts erhalten werden können, unabhängig von der Sauerstoffreferenz. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die Messung bei hoher Geschwindigkeit oder hoher Frequenz von 1 KHz bessere Ergebnisse zeigt als die Messung bei geringer Geschwindigkeit oder niedriger Frequenz von 20 Hz aufgrund einer geringeren Änderung von Rez (Widerstand) für ein gegebenes VH (Heizerspannung). Im Gegensatz hierzu ist es aus 5B ersichtlich, dass der Widerstandswert, welcher in der Atmosphäre des theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnisses gemessen wird und der Widerstandswert, welcher in der Atmosphäre des mageren Luft/Kraftstoffverhältnisses gemessen wird, sich voneinander unterscheiden und genaue Messungen des Widerstandswerts, unabhängig von der Sauerstoffreferenzkammer nicht erhalten werden können. Dies beruht darauf, dass der Sauerstoffgehalt auf gegenüberliegenden Seiten der Zelle elektromotorischer Kraft 24 immer konstant ist, wenn der Strom auf die Zelle elektromotorischer Kraft 24 angewandt wird (siehe 1), das die Zelle elektromotorischer Kraft 24 zwischen dem Spalt 20, welcher eine auf das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis festgelegte Atmosphäre aufweist und der Sauerstoffreferenz 26, welche im Sauerstoffgehalt konstant ist. Im Gegensatz hierzu ist die Pumpzelle 14 zwischen dem zu messenden Gas angeordnet, welches sich in seinem Sauerstoffgehalt ändert und dem Spalt 20, welcher die auf das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis festgelegte Atmosphäre aufweist, so dass der Unterschied in dem Sauerstoffgehalt zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Pumpzelle sich ständig ändert in Abhängigkeit von dem Sauerstoffgehalt des zu messenden Gases.
Mit folgendem Bezug auf 7 und 8 wird nachfolgend eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese Ausführungsform ist im Wesentlichen ähnlich zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform in Bezug auf die 1 bis 6 mit Ausnahme der Steuerung 50'. Wenngleich die Steuerung 50' einen ähnli chen Aufbau aufweist, verglichen zu demjenigen, welcher in der vorstehenden Ausführungsform verwendet wurde, ist dieser angepasst, die nachfolgend beschriebenen Vorgänge bereitzustellen.
Die Steuerung 50' stellt einen Vorgang zur Messung des Sauerstoffgehalts durch die Zelleinheit 10 bereit und einen Vorgang zur Messung des Materialwiderstands der Zelle elektromotorischer Kraft 24 der Zelleinheit 10 bereit, wodurch die Temperatur gemessen wird. Zunächst wird als erstes die Messung des Sauerstoffgehalts beschrieben.
Ein Operationsverstärker OP2 weist einen Eingangspin auf, an welchen die Spannung von +4 V angelegt ist und einen anderen Eingangspin, welcher mit einem V_cent-Punkt verbunden ist und derart arbeitet, um die Spannung über V_cent bei 4 V beizubehalten. Ein PID (proportional, integral und differentiell)-Schaltkreis, welcher eine PID-Steuerung durchführt, stellt eine Funktion bereit, eine elektromotorische Kraft Vs der Zelle für elektromotorische Kraft 24 zu detektieren und den Strom Ip der Pumpzelle 14 derart zu bestimmen, dass die elektromotorische Kraft Vs konstant gehalten wird (d. h. bei 0,45 V) durch die Wirkung des Stroms Ip, der veranlasst wird, durch einen Widerstand R1 zu fließen. Auf diese Weise erscheint, unter der Voraussetzung, dass die elektromotorische Kraft der Zelle für elektromotorische Kraft 24 bei 0,45 V durch die PID-Schaltung gehalten wird, die Spannung V_PID, welche proportional ist zu dem durch die Pumpzelle 14 geführten Strom Ip, an dem Ausgangspin der PID-Schaltung. An einer Schaltung 52 zur Detektion des Sauerstoffgehalts wird ein Sauerstoffgehalt entsprechend zu der Spannung VIP, welche an dem Ausgangspin der PID-Schaltung erscheint, aus einer Tabelle gesucht mit welcher die Schaltung 52 ausgestattet ist, nachdem die Spannung in einen digitalen Wert durch eine A/D(analog-zu-digital)-Schaltung (nicht gezeigt) gewandelt wurde, und der so gesuchte Sauerstoffgehalt wird zu dem Maschinensteuerungssystem ausgegeben. Das bedeutet, dass die vorstehend beschriebene Ausgangsspannung V_PID der PID-Schaltung festgelegt ist durch die Differenz zwischen dem Zielwert (0,45 V) und dem elektrischen Potenzial Vs der Zelle elektromotorischer Kraft 24 und der Strom I_PID, entsprechend der zu messenden Gasatmosphäre und der durch den folgenden Ausdruck gegeben ist, wird durch den Widerstand R1 geführt.
Nachfolgend wird die Funktion der Temperaturmessung (Widerstand) der Zelle elektromotorischer Kraft 24 beschrieben, welche durch die Steuerung 50' bereitgestellt wird. Ein Operationsverstärker OP1 arbeitet mit einem Kondensator C1 zusammen, um eine Abtast – und Halteschaltung aufzubauen und stellt während der Anwendung der Spannung zur Messung der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft 24 eine Funktion bereit, die elektromotorischen Kraft Vs der Zelle elektromotorischer Kraft 24. bei einem derartigen Wert aufrecht zu erhalten, welcher durch die Zelle elektromotorischer Kraft 24 unmittelbar vor Anwendung der Spannung angenommen wurde. Ein Operationsverstärker OP 3 gibt zu der A/D Schaltung die Differenz aus zwischen dem Haltewert (d. h. der elektromotorischen Kraft der Zelle elektromotorischer Kraft unmittelbar vor Anwendung der Spannung zur Messung des Widerstands), welcher durch den Operationsverstärker OP1 gehalten wird und dem elektrischen Potenzial, wenn der Strom –I_const zur Messung des Widerstands durch die Zelle elektromotorischer Kraft fließt. Jeder Schalter SW1, SW2 und SW3 ist aus einer komplementären Transistorschaltung aufgebaut (nachfolgend manchmal bezeichnet als CMOS).
Der Schalter SW1 steuert den Operationsverstärker OP1, d. h. die Funktion, die Spannung zu halten in der Abtast- und Halteschaltung. Weiterhin schaltet der Schalter SW2 den konstanten Strom –I_const ein oder aus für die Messung des Widerstands und der Schalter SW3 schaltet den konstanten Strom +I_const ein oder aus, welcher von entgegengesetzter Polarität ist zu derjenigen des Stroms –I_const, welcher an dem Schalter SW2 zur Verfügung steht.
In 8 ist die elektromotorische Kraft Vs über den Elektroden an gegenüberliegenden Seiten der Zelle elektromotorischer Kraft 24 gezeigt, zusammen mit dem Zeitablaufdiagramm der Schalter SW1, SW2 und SW3. Der Schalter SW1 wird, wie oben ausgeführt, in einem vorbestimmten Intervall T5 (d. h. ungefähr 1 Sekunde) über eine vorbestimmte Zeit T6 (d. h. ungefähr 500 μs) ausgeschaltet, wodurch die Messung des Widerstands (Temperatur) der Zelle elektromotorischer Kraft 24 ermöglicht wird. In der Zwischenzeit wird während der Ausschaltzeit T6 die Eingangsspannung zu der PID-Schaltung bei 0,45 V gehalten durch die Abtast- und Halteschaltung, welche aus dem Operationsverstärker OP1 aufgebaut ist. Insofern weist die Temperaturänderung des Allbereichs-Sauerstofffühlers eine Rate von ungefähr 3°C/s auf unterhalb seiner normalerweise verwendeten Bedingung, so dass die Messung des Sauerstoffs mit einer Widerholrate von einer Sekunde ausreichend ist, um die gewünschte Steuerung der Temperatur zu erhalten. Weiterhin ist, obwohl die Messung des Sauerstoffs für 500 μs innerhalb dieser einen Sekunde abgestellt ist, jene Zeit ausreichend kurz, für die Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses der Maschine.
Nach dem Ablauf der Zeit T1 (d. h. der Verzögerungszeit des CMOS, welcher den Schalter SW1 aufbaut) nachdem der Schalter SW1 abgeschaltet ist, wird der Schalter SW2 angeschaltet über eine Zeit T3 (d. h. ungefähr 100 μs), wodurch bewirkt wird, dass der konstante Strom –I_const (–4,88 mA) zur Messung des Widerstands durch die Zelle elektromotorischer Kraft 24 fließt. Die Polarität des Stroms –I_const ist umgekehrt zu jener der internen elektromotorischen Kraft, welche durch die Zelle elektromotorischer Kraft 24 erzeugt wird und durch die Wirkung dieses Stroms –I_const wird die Spannung über gegenüberliegenden Enden der Zelle elektromotorischer Kraft 24 um einen Betrag ΔVs vermindert.
Während der Zeit, in der der Schalter SW2 den konstanten Strom –I_const andauernd zur Messung der Temperatur an den Pluspin der Zelle elektromotorischer Kraft 24 anwendet, ist der Schalter SW1 ausgeschaltet, wodurch aufgrund des konstanten Potenzials des Kondensators C1 das Eingangspotenzial der PID-Schaltung konstant gehalten wird und die Ausgangsspannung V_PID der PID-Schaltung konstant gehalten wird. Somit fließt der konstante Strom –I_const nicht in einer Seite eines Widerstands R3, welcher einen hohen Widerstandswert aufweist, d. h. mehrere 100 kΩ und an welchen +8 V angelegt ist. Weiterhin fließt der konstante Strom –I_const nicht in den Eingangspin des Operationsverstärkers OP2 aufgrund der hohen Impedanz desselben. Dementsprechend hält die PID-Schaltung die konstante Ausgangsspannung V_PID, wie vorstehend ausgeführt, konstant, weil der konstante Strom –I_const dazu neigt, in die Seite der PID-Schaltung über den Widerstand R1 zu fließen.
Aus diesem Grund wendet der Operationsverstärker OP2 zu dem vorstehend beschriebenen Pluspin der Pumpzelle 14 einen Strom an, um das Potenzial V_cent konstant zu halten. Das bedeutet, das der Operationsverstärker OP2 einen Strom an die Pumpzelle 14 von entgegengesetzter Polarität anwendet zu und von der gleichen Wellenform mit dem Strom –I_const für die Messung der Temperatur an die Zelle elektromotorischer Kraft 24 angewendet wird. In 8 ist das elektrische Potenzial Vp, welches durch den Strom von entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, gezeigt.
In dieser Ausführungsform wird zum selben Zeitpunkt, wenn der konstante Strom –I_const an die Seite der Zelle elektromotorischer Kraft 24 zur Messung des Widerstands angewendet wird, ein Strom von einer entgegengesetzten Polarität an die Seite der Pumpzelle 14 angewendet. Insofern neigt der Sauerstoffgehalt in dem Spalt (Messkammer), welcher bei dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis gehalten wird, dazu sich zu ändern, weil das Pumpen des Sauerstoffs aus und in den Spalt stattfindet, wenn ein Strom durch die Zelle elektromotorischer Kraft 24 geleitet wird. Da jedoch der Strom –I_const der entgegengesetzten Polarität durch die Pumpzelle 14 geleitet wird, wird Sauerstoff aus oder in den Spalt durch die Pumpzelle 14 gepumpt, wobei das Ein- und Auspumpen sich ausgleicht, um den Sauerstoffgehalt bei dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis zu halten. Aus diesem Grund kann, wie nachstehend beschrieben, die Messung des Sauerstoffgehalts durch den Allbereichs-Sauerstofffühler, unmittelbar nachdem die Messung des Widerstands (Temperatur) beendet oder abgeschlossen ist, wieder gestartet werden.
Nach dem Zeitablauf der Zeit T2 (d. h. ungefähr 60 μs), nachdem die Anwendung des Stroms –I_const gestartet wird, wird in diesem Zusammenhang der Ausgang des Operationsverstärkers OP3 zu diesem Zeitpunkt (d. h. zu dem Zeitpunkt, wenn 60 μs nach dem Starten der Anwendung des Stroms abgelaufen sind) an die Seite der Heizersteuerung 60 abgegeben, nachdem dieser durch die A/D-Wandlungsschaltung von einem Analogwert zu einem Digitalwert gewandelt wurden. Aus diesem Eingang oder gemessenen Wert nimmt oder detektiert die Heizersteuerung 60 den Wert, welcher dem Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft 24 entspricht, d. h. die Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft 24. Gleichzeitig mit der Temperaturmessung der Zelle elektromotorischer Kraft 24 nimmt oder detektiert die Heizersteuerung 60 die Temperatur der Pumpzelle 14 aus der Spannung Vp (siehe 8), welche durch den Strom von entgegengesetzter Polarität erzeugt wird, da der Strom von entgegengesetzter Polarität zu dem Strom –I_const durch die Pumpzelle 14 fließt.
Auf diese Weise kann in dieser Ausführungsform, ohne dass eine Leistungsquelle für die Pumpzelle 14 für die Messung der Temperatur derselben bereitgestellt wird, sondern nur durch die Bereitstellung eines Stroms, welcher von dem Operationsverstärker OP1, welcher für die Messung des Sauerstoffgehalts bereitgestellt wird, während ein Schalter SW2 zur Messung der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft 24 bereitgestellt wird, ein Strom von entgegengesetzter Polarität auf die Seite der Pumpzelle 14 angewandt werden und die Temperatur der Pumpzelle 14 kann gleichzeitig gemessen werden. Weiterhin kann eine Temperaturerhöhung in jeder derselben detektiert werden, um eine Fehlfunktion im voraus zu vermeiden, da in dieser Ausführungsform die Temperaturen der Pumpzelle 14 und der Zelle elektromotorischer Kraft 24 getrennt gemessen werden.
Die Heizersteuerung 60 steuert die Versorgung des Heizers 70 mit Energie in der Weise, dass der gemessene Wert, d. h. der Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft 24 oder der Pumpzelle 14 gleich dem Zielwert wird. Diese Steuerung führt im Wesentlichen eine derartige Funktion aus, bei der die Temperatur des Sauerstofffühlerelements 10 genau bei einer Zieltemperatur (d. h. 800°C) gehalten wird, dadurch, dass eine höhere Spannung erzeugt wird, wenn die Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft 24 oder der Pumpzelle 14 höher als ein Zielwert ist und dieselbe niedriger zu machen, wenn die Temperatur niedriger als der Zielwert ist.
Indessen besteht der Grund dafür, warum der Wert nach dem Ablauf der Zeit T2 von 60 μs nach der Anwendung des Stroms –I_const gestartet wird, darin, die Widerstandskomponente an der Grenzfläche zwischen der vorstehend beschriebenen porösen Elektrode und dem vorstehend beschriebenen festen, elektrolytischen Körper nicht eingeschlossen ist in dem gemessenen Widerstand. Das bedeutet, wenngleich eine kürzere Zeit T2 es ermöglicht, einen Wert näher an dem Materialwiderstand der Zelle elektromotorischer Kraft 24 festzustellen, welcher die Temperatur genau wiedergibt, ist diese auf 60 μs festgelegt, um eine ausreichende Zeit zu erhalten, dass eine Schaltung konstanten Stroms (nicht gezeigt) den Strom –I_const ausgibt, um nach dem Schalten des Schalters SW2 konstant zu werden. Mit anderen Worten, es wird die Messung nach dem Ablauf einer Zeit von 60 μs ausgeführt, welche die kürzeste Zeit ist im Hinblick auf die Schaltungsstruktur, weil, wenn die Messung nach einem Ablauf einer bestimmten längeren Zeit ausgeführt wird, wird ein derartiger Wert detektiert, der einen Änderungsbetrag der Widerstandskomponente an der Grenzfläche zwischen den porösen Elektroden 22 und 28 der Zelle elektromotorischer Kraft 24 und dem feste, elektrolytischen Körper ein schließt, aufgrund einer Alterung oder Ähnlichem derselben, und daher wird es aufgrund des Änderungsbetrags unmöglich, eine exakte Messung auszuführen. Wie vorstehend beschrieben, kann die Zeit T2 kleiner sein als 60 μs in Abhängigkeit von der Schaltungsstruktur und sie bewegt sich vorzugsweise von 1 μs bis 10 ms und besonders vorzugsweise von 1 μs bis 1 ms.
Nach dem Ablauf der Zeit T3 (100 μs) wird der Schalter SW2 abgeschaltet, während zur gleichen Zeit der Schalter SW3 angeschaltet wird. In diesem Zusammenhang ist der Grund, warum die Schaltzeit des Schalters SW2 auf 100 μs (T3) gesetzt ist, derjenige, dass es ungefähr 20 μs für die A/S-Konvertierungsschaltung dauert, um den Eingabewert, welcher in dieselbe gegeben wird, zu konvertieren nach dem vorstehend beschriebenen Ablauf einer Zeit von 60 μs und eine CPU (nicht gezeigt) den Schalter SW3 nach der Dateneingabe in dieselbe anschaltet, so dass die Schaltzeit mit einer Toleranz auf 100 μs gesetzt ist. Nachfolgend wird, nachdem der Schalter SW3 angeschaltet ist, der konstante Strom +I_const (+ 4,88 mA) der entgegengesetzten Polarität zu dem vorstehend beschriebenen Strom –I_const zur Messung des Widerstands an die Seite zu der Zelle elektromotorischer Kraft 24 über die Zeit T3 angewandt, welche im Wesentlichen dieselbe ist, wie diejenige, während der Schalter SW2 angeschaltet war.
Das bedeutet, um die Rücksetzzeit zum Rücksetzen oder Wiederherstellen von einer unnormalen Bedingung, in welcher die interne elektromotorische Kraft durch das Orientierungsphänomen des Sauerstoffionen leitenden, festen elektrolytischen Körpers beeinflusst ist, welcher die Zelle elektromotorischer Kraft 24 aufbaut und die Zelle elektromotorischer Kraft 24 nicht im Stande ist, eine interne elektromotorische Kraft auszugeben, welche für einen korrekten Unterschied im Sauerstoffgehalt repräsentativ ist, in eine normale Bedingung kürzer zu machen und um zu ermöglichen, dass die Messung der Sauerstoffkonzentration kurze Zeit nach der Messung des Widerstands wieder startet.
Nach dem Ablauf der Zeit T4 (ungefähr 300 μs oder 0,3 ms) nachdem der Schalter SW3 abgeschaltet wurde, wird der Schalter SW1 angeschaltet, um die Messung des Sauerstoffgehalts durch den Sauerstofffühler für alle Betriebsweisen der Luft/Kraftstoffmischungen wiederum zu starten. In diesem Zusammenhang besteht der Grund, warum die Verzögerungszeit von 300 μs bereitgestellt wird, darin, dass, selbst wenn der konstante Strom +I_const (+4,88 mA) der entgegengesetzten Polarität zu dem Strom –I_const auf die Zelle elektromotorischer Kraft 24 angewendet wird, die Spannung Vs über den Elektroden an den gegenüberliegenden Oberflächen der Zelle elektromotorischer Kraft 24 nicht auf den ursprünglichen Wert zurückkehrt, so dass, wenn der Schalter zu diesem Zeitpunkt angeschaltet wird, um den Abtast- und Halterwert auszulöschen, wird das elektrische Potenzial V_PID der PID-Schaltung geändert, um eine Änderung in dem Sauerstoffgehaltausgang zu erzeugen, selbst, wenn der Sauerstoffgehalt in den Auspuffgasen derselbe ist, wie zu der Zeit, bevor die Messung der Temperatur gestartet wurde. Die Verzögerungszeit von 300 μs ist festgesetzt, um einen Spielraum aufzuweisen, so dass sie kürzer sein kann.
Wenngleich in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein konstanter Strom durch die Pumpzelle 14 und die Zelle elektromotorischer Kraft 24 zur Messung der Temperaturen derselben geleitet wird, ist es selbstverständlich, dass anstelle des Stroms eine Spannung für eine derartige Messung der Temperaturen angelegt werden kann. Weiterhin ist diese Ausführungsform aufgebaut, um die Widerstandswerte sowohl der Zelle elektromotorischer Kraft 24 und der Pumpzelle 14 zu messen, sie kann jedoch aufgebaut sein, um nur eine von ihnen zu messen.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 9A und 9B ein Verfahren zur Steuerung des Heizers 70 unter Verwendung der Temperatur ts der Zelle elektromotorischer Kraft 24 und der Temperatur tp der Pumpzelle 14 beschrieben.
9A und 9B sind Ablaufdiagramme eines Heizersteuerungsprogramms. Anfangs wird das Heizersteuerungsprogramm an jedem Zeittakt gestartet. Das Programm ist aufgebaut aus einem Steuerungsablauf (a) für die Heizersteuerung und einem Steuerungsablauf (b) zum Rücksetzen und Wiederherstellen der Funktion des Fühlers auf einen Normalzustand. Zunächst wird der Steuerungsablauf (a) gestartet, um den Schalter SW1 abzuschalten und für eine Zeit die Steuerung zum Detektieren des Luft/Kraftstoffs (d. h. A/F) der Steuerung 50 zu stoppen (S00). Gleichzeitig hiermit wird ein Zeitglied 3 gesetzt, um die Messung der Zeit T3 zu starten (S05). Nachfolgend wird der Schalter SW2 angeschaltet, um einen Strom –I_const zur Temperaturmessung an die Zelle elektromotorischer Kraft 24 und der Pumpzelle 14 anzuwenden (S10). Indessen wird nachfolgend der Ausdruck "einen Stromfluss veranlassen" als dasselbe erachtet wie „eine Spannung anwenden" und ebenso beschrieben als "Anwenden eines Stroms". Nachfol gend wird ein Zeitglied 2 gesetzt, um zu warten, bis die Zeit T2 abgelaufen ist (S15). In dieser Ausführungsform ist T2 auf 60 μs gesetzt. Nach dem Ablauf der Zeit T2 werden die Ausgangsspannungen V2 und V3 der Operationsverstärker OP2 und OP3 mittels des A/D-Wandlers detektiert (S20).
Nachfolgend werden, basierend auf den Ausgangsspannungen V2 und V3 und von der Tabelle, die Temperaturen ts und tp der Zelle elektromotorischer Kraft 24 und der Pumpzelle 14 gefunden und detektiert (S25). Die Temperatur ts wird mit einer unteren Grenztemperatur ts1 verglichen und es wird eine Flagge FH, welche mit der Energiezufuhr zu dem Heizer 70 korrespondiert, gesetzt auf 1, wenn ts kleiner als ts1 ist (S30). Nachfolgend wird die Temperatur tp mit einem unteren Grenzwert tp1 verglichen und die Flagge FH, welche einer Energiezufuhr zu dem Heizer 70 entspricht, auf 1 gesetzt, wenn tp kleiner als tp1 ist (S35). Die Temperatur ts wird mit einer oberen Grenztemperatur ts2 verglichen und die Flagge FH, welche sich auf die Energiezufuhr zu dem Heizer 70 bezieht, auf 0 gesetzt, wenn ts höher als ts2 ist (S40). Die Temperatur tp wird mit der oberen Grenztemperatur tp2 verglichen und die Flagge FH, welche einer Energiezufuhr zu dem Heizer 70 entspricht, wird auf 0 gesetzt, wenn tp größer als tp2 ist (S45). Schließlich wird die Energiezufuhr zu dem Heizer 70 durchgeführt, wenn die Flagge FH auf 1 gesetzt ist und dieselbe gestoppt, wenn die Flagge FH auf 0 gesetzt ist (S5). Nachfolgend wird, nach dem Ablauf der Zeit T3 der Steuerungsablauf (a) beendet und der in 9B gezeigte Steuerungsablauf (b) wird anstelle dessen gestartet.
Bei dem Steuerungsablauf (b) wird zuerst der Schalter SW2 abgeschaltet (S60) und nahezu zur selben Zeit der Schalter SW3 angeschaltet, um einen Strom +I_const auf die Zelle elektromotorischer Kraft 24 und die Pumpzelle 14 anzuwenden, um hierdurch den Fühler auf einen Normalzustand zurückzusetzen oder wiederherzustellen (S65). Nachfolgend wird das Zeitglied 3 gesetzt, um zu warten, bis die Zeit T3 abgelaufen ist (S70). Nach dem Ablauf der Zeit T3 wird der Schalter SW3 abgeschaltet (S80). Nachfolgend wird ein Timer 4 gesetzt, um zu warten, bis die Zeit T4 abgelaufen ist (S90). Diese Wartezeit dient zum Rücksetzen oder Wiederherstellen des Fühlers zu einem Normalzustand. Nach dem Ablauf der Zeit T4 wird der Schalter SW1 angeschaltet, um den Fühler zurückzusetzen oder wieder herzustellen für eine normale Steuerung (S100).
Auf diese Weise wird es durch die Steuerung des Heizers 70 durch die Ermittlung der Temperaturen von sowohl der Zelle elektromotorischer Kraft 24 als auch der Pumpzelle 14 möglich, die Temperaturen der zwei Zellen derart zu steuern, dass dieselben innerhalb eines Temperaturbereichs gehalten werden, in welchem der Fühler ordnungsgemäß funktioniert und betrieben werden kann, sogar in dem Fall, dass die Temperaturen der beiden Zellen sich voneinander unterscheiden.
Indessen wird in der vorstehend beschriebenen Steuerung der Heizer 70 nicht mit Energie versorgt, selbst wenn, z. B., die Temperatur ts der Zelle elektromotorischer Kraft niedriger ist als die untere Grenztemperatur ts 1, aber wenn die Temperatur tb der Pumpzelle höher als die obere Grenztemperatur tp1 ist. Der Grund hierfür besteht darin, dass ein Vorrang dafür gegeben wird, zu verhindern, dass eine der Zellen weiter beheizt wird, um sich zu verschlechtern, selbst wenn eine der Zellen nicht ordnungsgemäß oder ausreichend funktionieren kann. In einem derartigen Fall kann z. B. die unvollständige Funktion der Zelle elektromotorischer Kraft 24 bei S30 des Ablaufdiagramms der 9A detektiert werden, so dass zu diesem Zeitpunkt eine derartige ungenügende Funktion in einigen der Flaggen registriert werden kann zum Stoppen der Detektionssteuerung des Fühlers und zum Korrigieren des Ausgangs des Fühlers auf der Basis der Temperatur der Zelle elektromotorischer Kraft 24.

Claims

Ein Verfahren zur Steuerung der Temperatur eines Allbereichs-Sauerstofffühlers (10), wobei der Sauerstofffühler zwei Zellen (14, 24) einschließt, von denen jede einen sauerstoffionenleitenden, festen, elektrolytischen Körper und zwei poröse Elektroden (12, 16, 22, 28) aufweist, welche jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des sauerstoffionenleitenden, festen, elektrolytischen Körpers angeordnet sind, wobei die zwei Zellen so angeordnet sind, dass sie sich einander gegenüberliegen mit einem dazwischen liegenden Spalt (20), wobei eine der Zellen als eine Pumpzelle (14) verwendet wird, zum Pumpen von Sauerstoff aus dem und in den Spalt, die andere der Zellen als Zelle elektromotorischer Kraft (24) verwendet wird, zum Erzeugen einer Spannung entsprechend einem Unterschied in dem Sauerstoffgehalt zwischen einer Sauerstoffreferenzkammer (26) und dem Spalt, und die Temperatur der zwei Zellen unter Verwendung eines Heizers (70) gesteuert wird, wobei das Verfahren umfasst: Anwenden von konstantem Strom oder konstanter Spannung an die Zelle elektromotorischer Kraft (24) zur Messung des Widerstandswertes; Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft (24) innerhalb eines vorbestimmten Zeitabschnitts nach der Anwendung des Stromes oder der Spannung zur Messung des Widerstandswertes derart, dass ein gemessener Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft frei ist von einer Widerstandskomponente an einer Grenzfläche zwischen jeder der porösen Elektroden (22, 28) und dem sauerstoffionenleitenden, festen, elektrolytischen Körper; und Steuerung des Heizers (70) derart, dass der gemessene Widerstandswert der elektromotorischen Kraftzelle konstant gehalten wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei nach der Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft ein konstanter Strom oder eine konstante Spannung von einer entgegengesetzten Polarität zu dem konstanten Strom oder der konstanten Spannung für die Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft auf die Zelle elektromotorischer Kraft angewandt wird über einen vorbestimmten Zeitabschnitt nachfolgend zu der Anwendung des konstanten Stromes oder der konstanten Spannung zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der konstante Strom oder die konstante Spannung von entgegengesetzter Polarität dieselbe Wellenform aufweist, wie der Strom oder die Spannung zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Zeitabschnitt zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft von 1 μs bis 10 ms ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Zeitabschnitt zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft von 1 μs bis 1 ms ist.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend das Feststellen des internen Widerstands der Pumpzelle.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, weiterhin umfassend das Feststellen aus dem internen Widerstand der Pumpzelle und dem internen Widerstand der Zelle elektromotorischer Kraft, die jeweiligen Temperaturen derselben und Steuerung des Heizers derart, dass der Heizer mit weniger Energie versorgt wird, wenn eine der Temperaturen höher als ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die vorbestimmte obere Grenztemperatur 900°C beträgt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, weiterhin umfassend das Feststellen aus dem internen Widerstand der Pumpzelle und dem internen Widerstand der Zelle elektromotorischer Kraft, die jeweiligen Temperaturen derselben und Steuerung des Heizers derart, dass dem Heizer mehr Energie zugeführt wird, wenn eine der Temperaturen unterhalb eines unteren Temperaturgrenzwertes liegt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der untere Temperaturgrenzwert 750°C beträgt.
Eine Vorrichtung zur Steuerung einer Temperatur eines Allbereichsauerstofffühlers, wobei der Sauerstofffühler zwei Zellen (14, 24) einschließt, von denen jede einen sauerstoffionenleitenden, festen, elektrolytischen Körper und zwei poröse Elektroden (12, 16, 22, 28) aufweist, welche jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des sauerstoffionenleitenden, festen, elektrolytischen Körpers angeordnet sind, wobei die zwei Zellen so angeordnet sind, dass sie sich einander gegenüberliegen mit einem dazwischen liegenden Spalt (20), wobei eine der Zellen als eine Pumpzelle (14) verwendet wird, zum Pumpen von Sauerstoff aus oder in den Spalt, die andere der Zellen als Zelle elektromotorischer Kraft (24) verwendet wird, zum Erzeugen einer Spannung entsprechend einem Unterschied in dem Sauerstoffgehalt zwischen einer Sauerstoffreferenzkammer (26) und dem Spalt, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Heizer (70) zur Steuerung einer Temperatur der zwei Zellen (14, 24); eine Einrichtung zur Anwendung einer Spannung zur Anwendung eines konstanten Stromes oder einer konstanten Spannung an die Zelle elektromotorischer Kraft (24) zur Messung eines Widerstandswertes derselben; eine Einrichtung zur Messung eines Widerstandswertes zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft (24) innerhalb eines vorbestimmten Zeitabschnitts nach der Anwendung des Stromes oder der Spannung für die Messung des Widerstandswertes derart, dass ein gemessener Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft frei ist von einer Widerstandskomponente an ei ner Grenzfläche zwischen jeder der porösen Elektroden (22, 28) und dem sauerstoffionenleitenden, festen, elektrolytischen Körper; und eine Einrichtung (60) zur Steuerung der Temperatur zur Steuerung des Heizers derart, dass der gemessene Widerstandswert der Zelle elektromotorischer Kraft konstant gehalten wird.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Zeitabschnitt zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft von 1 μs bis 10 ms ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Zeitabschnitt zur Messung des Widerstandswertes der Zelle elektromotorischer Kraft zwischen 1 μs und 1 ms ist.
Ein Allbereichs-Sauerstofffühler, welcher mit einer Temperatursteuerungseinrichtung gemäß Anspruch 11 ausgerüstet ist.
Eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Einrichtung zur Steuerung der Temperatur (60) geeignet ist, den Heizer mit weniger Energie zu versorgen, wenn die Temperatur von einem, der Zelle elektromotorischer Kraft und der Pumpzelle, welche in der Temperatur höher ist als die andere, höher als ein vorbestimmter oberer Grenzwert ist, und den Heizer mit mehr Energie zu versorgen, wenn die Temperatur von einem, der Zelle elektromotorischer Kraft und der Pumpzelle, welche niedriger in der Temperatur ist, niedriger ist als ein vorbestimmter unterer Grenzwert.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der vorbestimmte obere Grenzwert 900°C ist und der vorbestimmte untere Grenzwert 750°C ist.