DE102008000347A1

DE102008000347A1 - Gassensor-Regelgerät

Info

Publication number: DE102008000347A1
Application number: DE102008000347A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kariya Suzuki; Tomoo Kariya Kawase; Eiichi Kariya Kurokawa; Yohei Kariya Kawaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: DE102008000347B4; US20080197022A1; US8052863B2; JP2008203101A; JP4325684B2

Abstract

Bei einem Gassensor-Regelgerät werden über einen Widerstand eine auf einer ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an einem negativen Anschluss eines Gassensors und eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung an einem positiven Anschluss des Gassensors erzeugt, wobei ein Regler über den Widerstand einen durch die Erzeugung der ersten und zweiten Spannung entstehenden Sensorstrom zur Messung der Konzentration eines Gases abtastet. Zur Messung der Impedanz des Gassensors verändert der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung. Dr bei einem Sensorstrom von Null (d. h. von 0 mA) an den Gassensor angelegte Spannungswert (d. h. der Nullpunkt) hängt hierbei von der ersten und zweiten Bezugsspannung ab. Dieser Nullpunkt wird korriegiert, indem eine Einstellung bzw. Regelung der zweiten Bezugsspannung zur Herbeiführung einer genauen Anpassung an eine Klemmenspannungscharakteristik des Gassensors vorgenommen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gassensor-Regelgerät zur Regelung des Betriebs eines eine Festelektrolytschicht aufweisenden und zur Messung einer Gaskonzentration dienenden Gassensors und betrifft insbesondere ein Regelgerät dieser Art, das zur Gewährleistung der Messgenauigkeit eines Gassensors ausgestaltet ist.
Es sind bereits Sauerstoffsensoren mit einem sogenannten Grenzstrom- oder Sättigungsstromverhalten bekannt, die als Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren zur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des einer Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches dienen. Ein solcher Sauerstoffsensor umfasst meist ein aus einer Festelektrolytschicht wie z. B. Zirkondioxid bestehendes Sensorelement und zwei Elektroden, die an der Festelektrolytschicht angebracht sind. Die Messung der Sauerstoffkonzentration erfolgt hierbei durch Anlegen einer Spannung an die Festelektrolytschicht über die Elektroden, wodurch das Fließen eines elektrischen Stroms über das Sensorelement als Funktion der Sauerstoffkonzentration herbeigeführt wird, sodass der elektrische Strom zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses abgetastet werden kann.
Zur Gewährleistung einer genauen Messung der Sauerstoffkonzentration ist jedoch eine Regelung der an das Sensorelement anzulegenden Spannung erforderlich, wobei in Bezug auf diese Klemmenspannungsregelung des Sensorelements bereits verschiedene Techniken vorgeschlagen worden sind. So ist z. B. aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2004-251 891 ein Gaskonzentrationsmessgerät bekannt, das zur Regelung der an das Sensorelement anzulegenden Spannung unter Verwendung einer Klemmenspannungscharakteristik in Form einer Kennlinie erster Ordnung (die nachstehend auch als Klemmenspannungskennlinie bezeichnet wird) und Messung der Sauerstoffkonzentration in einem größeren Bereich unter Verwendung eines über das Sensorelement fließenden elektrischen Stroms (der nachstehend auch als Sensorstrom bezeichnet wird) ausgestaltet ist. Bei diesem Gaskonzentrationsmessgerät wird die Klemmenspannungscharakteristik auf der Basis der Größe bzw. Breite eines Grenzstrombereichs (d. h. eines flachen Bereichs einer Ausgangsgröße des Sensorelements) verändert, der jeweils bei vorgegebenen Werten der Sauerstoffkonzentration in einem Gaskonzentrationsmessbereich auftritt.
Hierbei erfolgt bei diesem Gaskonzentrationsmessgerät eine Änderung der Steigung der Klemmenspannungskennlinie, um die an den Sensor anzulegende Spannung bzw. Klemmenspannung bei den jeweiligen Werten der Sauerstoffkonzentration in den Grenzstrombereich (d. h. den flachen Bereich) hinein zu verlagern. Die Größe bzw. Breite dieser flachen Bereiche der Klemmenspannungskennlinie können jedoch bei jeweiligen Sensoren unterschiedlich ausfallen, was sich dann nur durch Vornahme einer Steigungskorrektur der Klemmenspannungskennlinie gegebenenfalls nicht mehr ausgleichen lässt. Die Regelung der an das Sensorelement anzulegenden Spannung ist somit weiterhin verbesserungsfähig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Gassensor-Regelgerät anzugeben, das eine Regelungskorrektur der an einen Gassensor anzulegenden Spannung zur Gewährleistung der erforderlichen Messgenauigkeit des Gassensors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Gassensor-Regelgerät angegeben, das in Verbindung mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor zur Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches im Rahmen einer Verbrennungsregelung der Brennkraftmaschine Verwendung finden kann. Das Gassensor-Regelgerät ist hierbei zur Regelung des Betriebs eines Gassensors mit einem Festelektrolytkörper und einer an gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers jeweils angebrachten ersten und zweiten Elektrode ausgestaltet und umfasst (a) einen Sensorstrom-Abtastwiderstand, der mit einem ersten Anschluss in Reihe geschaltet ist, der einen zu der ersten Elektrode des Gassensors führenden positiven oder negativen Anschluss bildet, (b) eine erste Spannungszuführungsschaltung, die über den Sensorstrom-Abtastwiderstand eine auf einer ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an dem zu dem Gassensor führenden ersten Anschluss erzeugt, (c) eine zweite Spannungszuführungsschaltung, die eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung an einem zweiten Anschluss erzeugt, der den zu der zweiten Elektrode des Gassensors führenden anderen positiven oder negativen Anschluss bildet, und (d) einen Regler, der über den Sensorstrom-Abtastwiderstand einen Sensorstrom, der einen bei Anlegen einer Spannung an den ersten und zweiten Gassensor-Anschluss durch den Gassensor fließenden und auf der Erzeugung der ersten und zweiten Spannung an dem ersten und zweiten Anschluss beruhenden elektrischen Strom darstellt, zur Erzeugung eines auf dem Sensorstrom basierenden und eine Funktion der Konzentration eines gegebenen Gases darstellenden Signals abtastet, wenn eine Messung der Impedanz des Gassensors erforderlich ist, wobei der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung verändert und die sich ergebende und die Impedanz des Gassensors repräsentierende Änderung des Sensorstroms abtastet und ausgibt.
Im einzelnen wird im Betrieb des Gassensor-Regelgeräts die auf der Basis der ersten Bezugsspannung erzeugte erste Spannung dem ersten Anschluss des Gassensors zugeführt, während die auf der Basis der zweiten Bezugsspannung erzeugte zweite Spannung dem zweiten Anschluss des Gassensors zugeführt wird. An dem Gassensor liegt somit eine sich aus der Differenz zwischen der ersten und zweiten Spannung ergebende Spannung an. Der Regler überwacht die an den Anschlüssen des Sensorstrom-Abtastwiderstands auftretende Spannung zur Abtastung des Sensorstroms, der über den Gassensor in Abhängigkeit von der an ihn angelegten Spannung fließt. Außerdem verändert der Regler die Ausgangsspannung der ersten Spannungszuführungsschaltung in Bezug auf die erste Bezugsspannung, um eine Wechselspannung an den Gassensor zur Messung von dessen Impedanz anzulegen. Der Impedanzwert kann zur Regelung der Aktivierung des Gassensors Verwendung finden. So dient z. B. die ermittelte Impedanz zur Regelung der Temperatur des Gassensors über eine Heizeinrichtung.
Der bei einem Sensorstrom von 0 (d. h. 0 mA) an den Gassensor angelegte Spannungswert (d. h. der Nullpunkt) hängt von der ersten und der zweiten Bezugsspannung ab und kann somit durch Regelung der ersten und/oder der zweiten Bezugsspannung geändert oder korrigiert werden. Durch eine solche Korrektur kann die an den Gassensor anzulegende Spannung genau innerhalb eines gewünschten Bereiches einer Ausgangscharakteristik des Gassensors festgelegt werden. Diese Nullpunktkorrektur erfolgt z. B. im Rahmen von Prüfstandtests bei der Auslieferung des Gassensor-Regelgerätes.
Die Nullpunktkorrektur wird hierbei durch Änderung oder Regelung der zweiten Bezugsspannung vorgenommen. Die erste Bezugsspannung stellt nämlich eine Bezugsspannung für sowohl die Abtastung des Sensorstroms als auch die Bildung der Amplitude der Wechselspannung zur Messung der Impedanz des Gassensors dar, sodass eine Änderung der ersten Bezugsspannung zur Nullpunktkorrektur nachteilige Auswirkungen auf andere Operationen des Gassensor-Regelgeräts haben kann. So kann z. B. eine Änderung dieser Bezugsspannung zu Abweichungsfehlern (Offsetfehlern) bei der Abtastung des Sensorstroms führen. Demgegenüber trägt die zweite Bezugsspannung nicht direkt zur Abtastung des Sensorstroms oder zur Impedanzmessung bei, wobei insbesondere die zweite Spannungszuführungsschaltung unabhängig von dem Sensorstrom-Abtastwiderstand vorgesehen ist und keine Komponente der die Wechselspannung erzeugenden ersten Spannungszuführungsschaltung darstellt. Eine Regelung der zweiten Bezugsspannung hat daher keine Auswirkungen auf die Operationen des Gassensor-Regelgeräts.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein integrierter Schaltkreis wie ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) vorgesehen, in dem die erste Spannungszuführungsschaltung ausgebildet ist, während die zweite Spannungszuführungsschaltung eine außerhalb des integrierten Schaltkreises angeordnete Bezugsspannungsschaltung zur Erzeugung der zweiten Bezugsspannung umfasst, was die Korrektur der zweiten Bezugsspannung erleichtert und vereinfacht.
Die zweite Spannungszuführungsschaltung kann hierbei einen Spannungsteiler umfassen, der einen Widerstand zur Bildung eines Teilwertes der Ausgangsspannung einer Konstantspannungsquelle zur Erzeugung der zweiten Bezugsspannung aufweist, sodass die Korrektur der zweiten Bezugsspannung durch Änderung der Widerstandswerte der Widerstände erfolgen kann.
Außerdem kann die zweite Spannungszuführungsschaltung eine Brückenschaltung umfassen, die aus vier Widerständen und einem ersten und einem zweiten Schalter besteht, die jeweils auf der Seite des hohen und der Seite des niedrigen Potentials der Brückenschaltung angeordnet sind, wobei der Regler den ersten und zweiten Schalter zur Änderung der ersten Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung abwechselnd einschaltet und abschaltet. Eine Veränderung der ersten Bezugsspannung erfordert somit eine Änderung der Widerstandswerte von sämtlichen Widerständen der Brückenschaltung. Die Regelung der zweiten Bezugsspannung zur Nullpunktkorrektur ist daher bei einer solchen Anordnung sehr zweckmäßig.
Wenn die erste Spannungszuführungsschaltung in der vorstehend beschriebenen Weise in dem integrierten Schaltkreis ausgebildet ist, erfordert die Änderung der ersten Bezugsspannung, dass die Widerstände der Brückenschaltung außerhalb des integrierten Schaltkreises angeordnet und dass an dem integrierten Schaltkreis zusätzliche Anschlüsse vorgesehen sind. Diese Erfordernisse entfallen jedoch, wenn eine Regelung der zweiten Bezugsspannung zur Nullpunktkorrektur erfolgt.
Weiterhin kann die zweite Spannungszuführungsschaltung zur Verstärkung des von dem Sensorstrom-Abtastwiderstand erfassten Sensorstroms zur Steuerung der an dem zweiten Anschluss erzeugten zweiten Spannung ausgestaltet sein. Die zweite Spannungszuführungsschaltung kann hierbei z. B. einen invertierenden oder nichtinvertierenden Verstärker umfassen, wobei die zweite Bezugsspannung in einen Eingang des Verstärkers und der Sensorstrom in den anderen Eingang des Verstärkers eingegeben werden. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers kann dann durch Änderung des Verhältnisses eines Eingangswiderstandwertes zu einem Rückkopplungswiderstandswert geregelt werden. Die Steigung der zur Bestimmung der an den Gassensor anzulegenden Spannung verwendeten Klemmenspannungskennlinie kann dann durch Regelung des Verstärkungsfaktors korrigiert werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung einer an einen Gassensor mit einem Festelektrolytkörper und einer an gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers jeweils angebrachten ersten und zweiten Elektrode anzulegenden Spannung mit Hilfe eines Gassensor-Regelgeräts angegeben, das (a) einen Sensorstrom-Abtastwiderstand, der mit einem ersten Anschluss in Reihe geschaltet ist, der einen zu der ersten Elektrode des Gassensors führenden positiven oder negativen Anschluss bildet, (b) eine erste Spannungszuführungsschaltung, die über den Sensorstrom-Abtastwiderstand eine auf einer ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an dem zu dem Gassensor führenden ersten Anschluss erzeugt, (c) eine zweite Spannungszuführungsschaltung, die eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung an einem zweiten Anschluss erzeugt, der den zu der zweiten Elektrode des Gassensors führenden anderen positiven oder negativen Anschluss bildet, und (d) einen Regler aufweist, der zur Regelung der zweiten Spannung eine an den ersten und zweiten Gassensor-Anschluss anzulegende Klemmenspannung auf der Basis einer gegebenen Klemmenspannungscharakteristik bzw. Klemmenspannungskennlinie bestimmt und über den Sensorstrom-Abtastwiderstand einen Sensorstrom, der einen durch den Gassensor auf Grund des Anlegens der Klemmenspannung fließenden elektrischen Strom darstellt, zur Erzeugung eines auf dem Sensorstrom basierenden und eine Funktion der Konzentration eines gegebenen Gases darstellenden Signals abtastet. Wenn eine Messung der Impedanz des Gassensors erforderlich ist, verändert der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung und führt eine Abtastung und Ausgabe der sich ergebenden und die Impedanz des Gassensors repräsentierenden Änderung des Sensorstroms durch. Das Verfahren umfasst hierbei eine Abtastung der Ausgangscharakteristik bzw. Ausgangskennlinie des Gassensors sowie eine Korrektur der Klemmenspannungscharakteristik bzw. Klemmenspannungskennlinie auf der Basis der abgetasteten Ausgangscharakteristik bzw. Ausgangskennlinie, um die an den Gassensor angelegte Klemmenspannung mit einer gewünschten Spannung in Übereinstimmung zu bringen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild des elektrischen Schaltungsaufbaus eines erfindungsgemäßen Gassensor-Regelgerätes,
2 eine Querschnittsansicht eines von dem Gassensor-Regelgerät gemäß 1 zu regelnden Sensorelements,
3 ein Beispiel für ein Klemmenspannungs-Ausgangsstrom-Kennlinienfeld zur Verwendung bei der Bestimmung einer an das Sensorelement gemäß 2 anzulegenden Sollspannung,
4 den Verlauf einer an das Sensorelement gemäß 2 zur Messung von dessen Impedanz angelegten Spannung,
5 ein Schaubild, das die zeitabhängige Veränderung des Ausgangssignals des Sensorelements gemäß 2 unmittelbar nach einem Starten einer Brennkraftmaschine veranschaulicht,
6(a) ein Schaubild, das eine Ausgangscharakteristik des Sensorelements gemäß 2 beim Anlegen einer Spannung an das Sensorelement veranschaulicht,
6(b) ein Schaubild, das die Einstellung oder Korrektur einer zur Bestimmung der an das Sensorelement gemäß 2 anzulegenden Spannung verwendeten Klemmenspannungskennlinie in Form einer Kennlinie erster Ordnung veranschaulicht, und
7 ein Schaltbild des elektrischen Schaltungsaufbaus eines Beispiels für ein bekanntes Gassensor-Regelgerät.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile und Bauelemente in verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein erfindungsgemäßes Gassensor-Regelgerät veranschaulicht, das als Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät zur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches ausgestaltet ist. Das das Luft-Kraftstoff-Verhältnis angebende Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerätes findet bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem Verwendung, das mit Hilfe eines elektronischen Steuergerätes in Form einer elektronischen Steuereinheit (ECU) realisiert wird. Das Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem dient hierbei zur Durchführung einer stöchiometrischen Verbrennungsregelung, bei der das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis durch Rückkopplung auf den Bereich des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eingeregelt wird, oder zur Durchführung einer Magerbetriebsregelung, bei der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis durch Rückkopplung auf einen vorgegebenen Magerbereich eingeregelt wird.
Das Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät umfasst im allgemeinen eine elektronische Motorsteuereinheit 1 (ECU 1) sowie einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor (A/F-Sensor), der ein planares Sensorelement 10 mit dem in 2 veranschaulichten Querschnittsaufbau aufweist (das nachstehend auch als Laminat-Sensorelement bezeichnet ist).
Die Längsabmessungen des Sensorelements 10 verlaufen senkrecht zur Zeichenebene gemäß 2, wobei das Sensorelement 10 in der Praxis in einem mit einer Schutzkappe versehenen Sensorgehäuse angeordnet ist. Der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor ist hierbei im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet. Aus der EPO 987 546 A2 der Anmelderin sind Aufbau und betriebliche Regelung eines solchen Gassensors im einzelnen bekannt, worauf im Rahmen der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Das Sensorelement 10 besteht aus einer Festelektrolytschicht 11, einer Diffusionswiderstandsschicht 12, einer Abschirmschicht 13 und einer Isolierschicht 14, die laminiert oder in Form einer vertikalen Schichtanordnung aufgebaut sind, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Das Sensorelement 10 ist ferner von einer (nicht dargestellten) Schutzschicht umgeben. Die Festelektrolytschicht 11 besteht aus einem rechteckigen teilstabilisierten Zirkondioxidblatt bzw. -plättchen, an dessen gegenüberliegenden Oberflächen eine obere Elektrode 15 und eine untere Elektrode 16 angebracht sind. Die Diffusionswiderstandsschicht 12 besteht aus einem porösen Blatt bzw. Plättchen, das ein Hindurchtreten der Abgase zu der Elektrode 15 ermöglicht, während die Abschirmschicht 13 aus einem dichten Blatt bzw. Plättchen besteht, das ein Hindurchtreten der Abgase verhindert. In der Diffusionswiderstandsschicht 12 ist hierbei eine Mischkammer 17 ausgebildet, in der die Elektrode 15 freiliegend angeordnet ist.
Die Diffusionswiderstandsschicht 12 und die Abschirmschicht 13 werden hierbei jeweils unter Verwendung eines Blattes bzw. Plättchens aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid oder Zirkondioxid mit unterschiedlicher mittlerer Porosität oder Gasdurchlässigkeit ausgebildet.
Die Isolierschicht 14 besteht aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid oder Zirkondioxid und ist mit einem Luftkanal 18 versehen, in dem die Elektrode 16 freiliegend angeordnet ist. In die Isolierschicht 14 ist ferner eine Heizeinrichtung 19 eingebettet, die aus einem Heizdraht besteht, der von einer im Fahrzeug angeordneten Speicherbatterie zur Erwärmung des gesamten Sensorelements 10 auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur mit Strom versorgt wird.
Die durch ein das Sensorelement 10 enthaltendes Abgasrohr der Brennkraftmaschine hindurchströmenden Abgase treten seitlich durch die Diffusionswiderstandsschicht 12 hindurch und erreichen die in der Mischkammer 17 befindliche Elektrode 15. Wenn ein Magerzustand (höherer Sauerstoffanteil) der Abgase vorliegt, werden die in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffmoleküle durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 15 und 16 aufgespalten oder ionisiert, sodass sie über die Festelektrolytschicht 11 und die Elektrode 16 in den Luftkanal 18 abgeführt werden. Dies hat zur Folge, dass ein positiver Strom von der Elektrode 16 zu der Elektrode 15 fließt. Wenn sich dagegen die Abgase in einem fetten Zustand (geringerer Sauerstoffanteil) befinden, werden die in der im Luftkanal 18 befindlichen Luft enthaltenen Sauerstoffmoleküle von der Elektrode 16 ionisiert, sodass sie über die Festelektrolytschicht 11 und die Elektrode 15 in das Abgasrohr abgeführt werden. Die Wirkungsweise des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors ist im übrigen aus dem Stand der Technik bekannt, sodass sich eine weitere detaillierte Beschreibung erübrigt.
3 zeigt eine typische Spannungs-Strom-Abhängigkeit (d. h. eine V-I-Charakteristik) des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors. Die parallel zu der Abszisse (d. h. der Vp-Achse) verlaufenden gradlinigen Abschnitte (flachen Bereiche) der dargestellten V-I-Kennlinie bezeichnen jeweils einen Grenzstrombereich, in dem das Sensorelement 10 einen elektrischen Strom I_L (d. h. einen Grenzstrom, der nachstehend auch als Sensorstrom bezeichnet wird) als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (d. h. eines fetten oder mageren Zustands) erzeugt. Wenn hierbei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den mageren Bereich übergeht, steigt der von dem Sensorelement 10 erzeugte Strom I_L an, während bei einem Übergang des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in den fetten Bereich ein Abfallen des Stroms I_L erfolgt. Die Kennlinie LX stellt hierbei eine Klemmenspannungskennlinie dar (d. h. ein in Form eines Segments erster Ordnung dargestelltes Klemmenspannungskennfeld), die eine an das Sensorelement 10 (d. h. die Elektroden 15 und 16) anzulegende Sollspannung Vp angibt. Die Steigung der Kennlinie LX entspricht weitgehend der Steigung eines Bereichs der V-I-Kennlinie mit einer im Vergleich zu dem Grenzstrombereich niedrigeren Spannung, der einen vom Widerstand des Sensorelements 10 abhängigen Bereich darstellt.
Wie 1 zu entnehmen ist, umfasst das Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät eine Sensorregelschaltung 20 der elektronischen Motorsteuereinheit 1 (ECU 1). Die Sensorregelschaltung 20 umfasst wiederum einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis 2 (ASIC 2).
Außerdem umfasst die Sensorregelschaltung 20 eine mit einem zu der Elektrode 16 führenden positiven Anschluss (Anschluss S+) des Sensorelements 10 verbundene Spannungszuführungssteuerschaltung 21, die ihrerseits eine Bezugsspannungsschaltung 22, einen nichtinvertierenden Verstärker 23 sowie einen Schwingungssteuerkondensator 24 aufweist. Die Bezugsspannungsschaltung 22 ist hierbei mit dem einen Operationsverstärker 23a umfassenden nichtinvertierenden Verstärker 23 verbunden, wobei der Kondensator 24 zwischen dem invertierenden Eingang (–Eingang) und dem Ausgang des Operationsverstärkers 23a angeordnet ist. Der nichtinvertierende Verstärker 23 ist ferner mit einem Schwingungssteuerungs-Tiefpassfilter (LPF) versehen. Die Bezugsspannungsschaltung 22 umfasst einen Spannungsteiler, der aus Widerständen R₄ und R₅ sowie einem mit einem Verbindungspunkt der Widerstände R₄ und R₅ verbundenen Widerstand R₃ besteht. Mit Vcc ist eine Konstantspannungsquelle bezeichnet, die eine Ausgangsspannung von z. B. 5 V abgibt. Die Bezugsspannungsschaltung 22 kann hierbei in Form eines auf der rechten Seite von 1 veranschaulichten Ersatzschaltbilds dargestellt werden, das eine Reihenschaltung aus einer eine Bezugsspannung Vref2 erzeugenden Spannungsquelle und einem Widerstand R₃₄₅ umfasst. Die Bezugsspannungsschaltung 22 und der Kondensator 24 sind hierbei außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet.
Der ASIC-Schaltkreis 2 umfasst seinerseits eine Wechselspannungszuführungsschaltung 26 und einen Pufferverstärker 27, die über einen Stromabtastwiderstand 28 mit einem negativen Anschluss (d. h. der Elektrode 15) des Sensorelements 10 in Reihe geschaltet sind. Die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 dient hierbei zur Erzeugung und Abgabe einer Wechselspannung mit einer Frequenz von z. B. 10 kHz bis 20 kHz und ist ebenfalls mit einem Tiefpassfilter versehen, über das die abgegebene Spannung dem Sensorelement 10 zugeführt wird.
Die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 umfasst hierbei eine Wechselspannungssteuerschaltung 26a, eine Wechselspannungsbrückenschaltung 26b sowie ein Tiefpassfilter 26c und dient zur Erzeugung einer Wechselspannung mit Amplituden, die sich in Bezug auf eine Bezugsspannung Vref1 in positiver und negativer Richtung abwechselnd verändern. Die Wechselspannungsbrückenschaltung 26b besteht aus Widerständen R₁₀, R₁₁, R₁₂ und R₁₃ sowie Schaltern SW1 und SW2, wobei die Schalter SW1 und SW2 über den ASIC-Schaltkreis 2 abwechselnd eingeschaltet werden, um die Wechselspannung mit in Bezug auf die Bezugsspannung Vref1 veränderlichen Amplituden zu erzeugen. Wenn hierbei der Schalter SW1 eingeschaltet und der Schalter SW2 abgeschaltet werden, führt dies in der in 4 dargestellten Weise zu einer Änderung oder Ablenkung der Wechselspannung zur positiven Seite (d. h. zu einem höheren Potential) um eine Amplitude ΔV_H in Bezug auf die Bezugsspannung Vref1. Wenn dagegen der Schalter SW1 abgeschaltet und der Schalter SW2 eingeschaltet werden, führt dies zu einer Änderung oder Ablenkung der Wechselspannung zur negativen Seite (d. h. zu einem niedrigeren Potential) um eine Amplitude ΔV_L in Bezug auf die Bezugsspannung Vref1. Die Amplituden ΔV_H und ΔV_L mit jeweils höherem bzw. niedrigerem Potential lassen sich durch die nachstehenden Gleichungen ausdrücken:
wobei R₁₀//R₁₂ den gemeinsamen Widerstand von R₁₀ und R₁₂ (d. h. (R₁₀ × R₁₂)/(R₁₀ + R₁₂)) angibt, was auch für R₁₁//R₁₃ zutrifft.
Der Sensorstrom-Abtastwiderstand 28 ist zwischen der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 und dem Sensorelement 10 in eine Leitung geschaltet, über die der Sensorstrom I_L fließt. Hierbei besitzt der Stromabtastwiderstand 28 den Widerstandswert R₁. Ein aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes Tiefpassfilter 29 ist mit einem Verbindungspunkt A zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und dem Sensorelement 10 (d. h. dem Anschluss S–) verbunden. Ferner ist das Tiefpassfilter 29 mit dem nichtinvertierenden Eingang (d. h. dem +Eingang) des Operationsverstärkers 23a des nichtinvertierenden Verstärkers 23 verbunden.
Wenn im Betrieb die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 dem Sensorelement 10 die Wechselspannung zur Abtastung der Impedanz des Sensorelements 10 zuführt, fließt über das Sensorelement 10 ein elektrischer Strom (d. h. der Sensorstrom I_L), der eine eine Funktion der Sauerstoffkonzentration des Abgases der Brennkraftmaschine (d. h. eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses) darstellende Komponente und eine eine Funktion der (nachstehend auch als Sensorimpedanz bezeichneten) Impedanz des Sensorelements 10 darstellende Komponente enthält. Hierbei ändert sich der Betrag der an dem Verbindungspunkt A zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und dem Sensorelement 10 auftretenden Spannung in Abhängigkeit von dem Zyklus, in dem sich die Amplitude der an das Sensorelement 10 angelegten Wechselspannung ändert, d. h. in Abhängigkeit von der Frequenz der Wechselspannung, wobei diese Spannung dann dem nichtinvertierenden Verstärker 23 der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 über das Tiefpassfilter 29 zugeführt wird. Hierbei wird ein Sensorstromsignal (d. h. die am Verbindungspunkt A auftretende Spannung) über einen Rückkopplungskreis FB1 der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 zugeführt, die dann das Sensorstromsignal zur Steuerung der dem Sensorelement 10 auf diese Weise zuzuführenden Spannung verstärkt.
Die Sensorregelschaltung 20 umfasst außerdem Signalausgabeschaltungen 31 und 32, denen die an dem Verbindungspunkt A zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und dem Sensorelement 10 (d. h. dem Anschluss S–) auftretende Spannung, d. h. ein Teilwert der an den Stromabtastwiderstand 28 und das Sensorelement 10 eingelegten Spannung, zugeführt wird. Die Signalausgabeschaltung 31 ist hierbei als Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung zur Ausgabe eines das Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis für eine Brennkraftmaschine angebenden Luft-Kraftstoffverhältnis-Signals ausgestaltet, während die Signalausgabeschaltung 32 als Impedanz-Signalausgabeschaltung zur Ausgabe eines die Impedanz des Sensorelements 10 angebenden ZAC-Signals ausgestaltet ist. Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 umfasst einen nichtinvertierenden Verstärker, dem die am Verbindungspunkt A anstehende Spannung über das Tiefpassfilter 29 zugeführt wird. Das Tiefpassfilter 29 dient hierbei zur Unterdrückung einer eine Funktion der Impedanz des Sensorelements 10 darstellenden Gleichspannungskomponente der am Verbindungspunkt A anstehenden Spannung in der erhaltenen Eingangsspannung und ist zur Verringerung der Anzahl von Anschlüssen (Anschlussstiften) des ASIC-Schaltkreises 2 in dem Rückkopplungskreis FB1 angeordnet.
Das Luft-Kraftstoffverhältnis-Signal und das ZAC-Signal werden von den Signalausgabeschaltungen 31 und 32 einem Mikrocomputer 33 der elektronischen Motorsteuereinheit 1 zugeführt, der in der üblichen Weise aufgebaut ist und aus einer Zentraleinheit (CPU), Speichern sowie Analog/Digital-Umsetzern besteht. Der Mikrocomputer 33 tastet das Luft-Kraftstoffverhältnis-Signal und das ZAC-Signal über die Analog/Digital-Umsetzer ab und bestimmt die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs angebende Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie die Impedanz des Sensorelements 10 (die nachstehend auch als Sensorimpedanz ZAC bezeichnet wird). Hierbei dient die Sensorimpedanz ZAC z. B. zur Regelung der Aktivierung des Sensorelements 10 mit Hilfe der Heizeinrichtung 19.
Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 wird von einem aus einem Tiefpassfilter und einem Operationsverstärker bestehenden Verstärker gebildet und dient zur Ableitung der eine Funktion des Momentanwertes des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches darstellenden Gleichstromkomponente des Sensorstroms aus der am Verbindungspunkt A anstehenden Spannung zwischen dem Stromabtastwiderstand 28 und dem Sensorelement 10. Hierbei verstärkt die Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 die abgeleitete Gleichstromkomponente mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor und führt sie dem Mikrocomputer 33 zu. Die Impedanz-Signalausgabeschaltung 32 besteht aus einem Hochpassfilter (HPF) und einer Spitzenwert-Speicherschaltung (PH) mit einem Verstärker und dient zur Ableitung der eine Funktion des Momentanwertes der Impedanz des Sensorelements 10 darstellenden Wechselstromkomponente des Sensorstroms aus der am Verbindungspunkt A anstehenden Spannung. Die Impedanz-Signalausgabeschaltung 32 tastet hierbei den Spitzenwert der Wechselstromkomponente ab und führt ihn in Form des ZAC-Signals dem Mikrocomputer 33 zu. Die Verstärkungsfaktoren der Luft-Kraftstoffverhältnis-Signalausgabeschaltung 31 und der Impedanz-Signalausgabeschaltung 32 werden hierbei unabhängig voneinander festgelegt.
Üblicherweise hängen die Ausgangskennlinien des Sensorelements 10 wie z. B. die in 3 dargestellte V-I-Kennlinie von Eigenschaften des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors wie z. B. der Rate, mit der das Sensorelement 10 von einem kalten in einen erwärmten oder aktivierten Zustand versetzt wird, und dem Ansprechverhalten bzw. der Empfindlichkeit des Sensorelements 10 ab. Dies kann zu Unterschieden in dem flachen Bereich der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 (d. h. der V-I-Kennlinie in dem Kennlinienfeld gemäß 3) bei jeweiligen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren führen, sodass eine entsprechende Einstellung bzw. Regelung der Klemmenspannungskennlinie des Kennlinienfeldes gemäß 3 erforderlich ist.
Wenn das Sensorelement 10 nach einem Starten der Brennkraftmaschine vom kalten in den erwärmten Zustand übergeht, normalisiert sich das Ausgangssignal des Sensorelements 10 in der in 5 dargestellten Weise nur allmählich bis zum Übergang auf einen vorgegebenen Wert (kraftstofffetter Zustand des Abgases in dem dargestellten Beispiel). Während einer solchen Erwärmung des Sensorelements 10 kann somit dessen Ausgangssignal in den kraftstofffetten Bereich hinein abweichen. Dies beruht auf der im Verlauf des Temperaturanstiegs des Sensorelements 10 nach dem Starten der Brennkraftmaschine erfolgenden Entfernung von organischen Stoffen wie HC von Partikeloberflächen der Diffusionswiderstandsschicht 12 und/oder der Innenwand der Mischkammer 17 des Sensorelements 10. Eine solche Abweichung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 zur kraftstofffetten Seite hin tritt insbesondere dann auf, wenn das Sensorelement 10 zur Verringerung der Abgasemissionen unmittelbar nach einem Starten der Brennkraftmaschine schnell aktiviert wird. Diese Ausgangssignalabweichung des Sensorelements 10 kann zwar durch Vergrößerung der Partikelabmessungen der Diffusionswiderstandsschicht 12 oder Eliminieren der Mischkammer 17 vermieden werden, was jedoch den Nachteil hat, dass sich hierdurch der flache Bereich der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 (d. h. der V-I-Kennlinie gemäß 3) verengt.
6(a) zeigt eine Ausgangscharakteristik bzw. Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 in Form der V-I-Kennlinie. Ein oberes gradliniges Segment dieser V-I-Kennlinie bezeichnet hierbei den Grenzstrombereich (d. h. den flachen Bereich), in dem die Sauerstoffkonzentration des Abgases einen der Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft entsprechenden Wert annimmt und das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases somit einen Wert aufweist, der einem Zustand entspricht, bei dem eine Abschaltung der Kraftstoffzufuhr der Brennkraftmaschine erfolgt, sodass der Brennkraftmaschine nur Luft zugeführt wird. Der flache Bereich besitzt hierbei die Breite W1 und wird nachstehend auch als Außenluftverhältnisbereich bezeichnet. Ein unteres gradliniges Segment bezeichnet hierbei einen Grenzstrombereich, bei dem das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches 10:1 beträgt. Der flache Bereich besitzt hierbei die Breite W2. Die Änderung der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 auf Grund der vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Verhinderung einer Abweichung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 in den kraftstofffetten Bereich hinein ist gestrichelt dargestellt, wobei der gestrichelt dargestellte obere flache Bereich die Breite W3 und der gestrichelt dargestellte untere flache Bereich die Breite W4 aufweisen. Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen zur Verhinderung der Abweichung des Ausgangssignals des Sensorelements 10 führen somit zu einer Verengung der flachen Bereiche von dem Wert W1 zu dem Wert W3 und von dem Wert W2 zu dem Wert W4.
Wenn die Klemmenspannungskennlinie unabhängig von Änderungen der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 unverändert beibehalten wird, kann dies dazu führen, dass an das Sensorelement 10 eine außerhalb des flachen Bereichs liegende Spannung angelegt wird, was dann zu einer Abnahme der Messgenauigkeit des Sensorelements 10 führt. Zur Lösung dieses Problems ist daher das Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät gemäß diesem Ausführungsbeispiel dahingehend ausgestaltet, zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors eine nachstehend näher beschriebene Regelung oder Korrektur von Nullpunkt und Steigung der Klemmenspannungskennlinie durchzuführen.
6(b) veranschaulicht die Einstellung der Klemmenspannungskennlinie zur Bestimmung und Festlegung der an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung. Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Änderung der Steigung und des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX1 zu einer Klemmenspannungskennlinie LX2, um eine Anpassung an die Klemmenspannungskennlinie des verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors herbeizuführen.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 lassen sich das am Anschluss S+ des Sensorelements 10 auftretende Potential V_S+ und das am Anschluss S– des Sensorelements 10 auftretende Potential V_S– durch die nachstehenden Gleichungen ausdrücken:
VS– = R1IL + Vref1
Wenn angenommen wird, dass Vp = (V_S+) – (V_S–) gilt, wobei mit Vp die an das Sensorelement 10 anzulegende Spannung bzw. Klemmenspannung bezeichnet ist, so ist diese Klemmenspannung Vp gegeben durch:
Hierbei bezeichnet der erste Ausdruck "R₂/R₃₄₅·R₁" auf der rechten Seite der Gleichung die Steigung der Klemmenspannungskennlinie LX, während der zweite Ausdruck "R₂/R₃₄₅·(V_ref1 – V_ref2)" auf der rechten Seite den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX bezeichnet (d. h. die an das Sensorelement 10 bei dem Sensorstrom I_L = 0 mA anzulegende Spannung).
Der die Steigung der Klemmenspannungskennlinie LX angebende Widerstandswert R₃₄₅ in dem Ausdruck "R₂/R₃₄₅·R₁" bezeichnet hierbei den Widerstandswert der außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordneten Bezugsspannungsschaltung 22, der somit unabhängig von dem ASIC-Schaltkreis 2 auf einfache Weise eingestellt bzw. geregelt werden kann.
Der Verstärkungsfaktor des nichtinvertierenden Verstärkers 23 kann hierbei durch Änderung des Widerstandswertes R₃₄₅ eingestellt bzw. geregelt werden, wodurch die Steigung der Klemmenspannungskennlinie und damit die Beziehung zwischen dem Sensorstrom I_L und der an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung verändert wird. Der Stromabtastwiderstand 28 ist ebenfalls außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet, sodass auch der Widerstandswert des Stromabtastwiderstands 28 auf einfache Weise eingestellt bzw. geregelt werden kann. Eine Änderung des Widerstandswertes R₁ des Stromabtastwiderstands 28 wirkt sich jedoch auch auf den Sensorstrom I_L aus, sodass die Verwendung des Stromabtastwiderstands 28 zur Veränderung der Steigung der Klemmenspannungskennlinie nicht empfehlenswert ist.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist die Bezugsspannungsschaltung 22 (d. h. die Spannungszuführungssteuerschaltung 21) somit getrennt von dem Stromabtastwiderstand 28 und der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 angeordnet, wodurch eine Änderung des Verstärkungsfaktors des nichtinvertierenden Verstärkers 23 ohne Beeinflussung des Verhaltens anderer Schaltungselemente ermöglicht wird.
Der Wert des den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX angebenden Ausdrucks "R₂/R₃₄₅·(V_ref1 – V_ref2)" kann durch Änderung der Bezugsspannung V_ref2 eingestellt bzw. geregelt werden, die eine der beiden Bezugsspannungen V_ref1 und V_ref2 bildet. Die Bezugsspannung V_ref2 stellt hierbei eine Spannung dar, die sich als von den Widerständen R₄ und R₅ gebildeter Teilwert der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle Vcc ergibt und sich folgendermaßen ausdrücken lässt:
Eine Änderung der Bezugsspannung V_ref2 wird somit durch Änderung der Widerstandswerte R₄ und R₅ des Spannungsteilers erhalten. Wie vorstehend beschrieben, ist die Bezugsspannungsschaltung 22 getrennt von dem ASIC-Schaltkreis 2 angeordnet, wodurch eine einfache Veränderung der Bezugsspannung V_ref2 ermöglicht wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist somit die Bezugsspannungsschaltung 22 (d. h. die Spannungszuführungssteuerschaltung 21) getrennt von dem Stromabtastwiderstand 28 und der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 angeordnet, wodurch eine Regelung der Bezugsspannung V_ref2 zur Einstellung des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX auf einen gewünschten Spannungswert ohne Beeinträchtigung des Verhaltens anderer Schaltungselemente ermöglicht wird.
Mit Hilfe der Sensorregelschaltung 20 kann somit in der vorstehend beschriebenen Weise die Steigung und/oder der Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX in dem Kennlinienfeld gemäß 3 eingestellt bzw. geregelt werden, das zur Bestimmung und Festlegung der zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors und damit zur Gewährleistung der Genauigkeit des dem Mikrocomputer 33 zugeführten Ausgangssignals erforderlichen und an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung Verwendung findet. Die Einstellung der Steigung und/oder des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie kann z. B. im Rahmen von Prüfstandtests vor der Auslieferung der elektronischen Motorsteuereinheit 1 erfolgen. Eine solche Einstellung erfolgt vorzugsweise durch Überprüfung der Ausgangskennlinie des zu verwendenden Sensorelements 10 und Vornahme einer auf der bei der Überprüfung erhaltenen Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 basierenden dahingehenden Korrektur der Klemmenspannungskennlinie LX des in der Sensorregelschaltung 20 gespeicherten Kennlinienfeldes gemäß 3, dass die dem Sensorelement 10 zuzuführende Spannung in einen entsprechenden Bereich der flachen Bereiche (d. h. der Grenzstrombereiche) fällt.
Wenn eine Änderung des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX erforderlich ist, wird hierbei die Bezugsspannung V_ref1 nicht benötigt, wodurch gewährleistet ist, dass die Nullpunktänderung ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit des Sensorstroms I_L erfolgt. Eine Änderung der Bezugsspannung V_ref1 führt nämlich zu einem Abweichungsfehler des Sensorstroms I_L und erfordert eine Einstellung der Widerstandswerte der Wechselspannungsbrückenschaltung 26b, was wiederum einen unerwünschten Arbeitsaufwand und außerdem die Anbringung zusätzlicher Anschlüsse an dem ASIC-Schaltkreis 2 zur Einstellung der Widerstandswerte erfordert.
7 zeigt ein Beispiel für eine bekannte Sensorregelschaltung für Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsysteme, die im Rahmen eines Vergleichs mit der Sensorregelschaltung 20 gemäß 1 nachstehend näher betrachtet wird.
Die Sensorregelschaltung 50 gemäß 7 umfasst eine Bezugsspannungsschaltung 53, die mit dem Anschluss S+ des Sensorelements 10 über einen Operationsverstärker 51 und einen Strommesswiderstand (d. h. einen Nebenschlusswiderstand) 52 verbunden ist und einen Teilwert der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle Vcc zur Erzeugung der Bezugsspannung V_ref1 bildet. Eine Wechselspannungszuführungsschaltung 56 ist mit dem Anschluss S– des Sensorelements 10 über eine Spannungszuführungssteuerschaltung 55 aus einem nichtinvertierenden Verstärker verbunden. Ein Tiefpassfilter 57 ist in einer Ausgangsstufe der Wechselspannungszuführungsschaltung 56 außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet. Die Wechselspannungszuführungsschaltung 56 besteht aus einer Wechselspannungssteuerschaltung 56a, einer Wechselspannungsbrückenschaltung 56b und einem Pufferverstärker 56c und dient zur Bildung einer Wechselspannung mit einer Amplitude, die in Bezug auf die Bezugsspannung V_ref2 zyklisch zur positiven und negativen Seite hin oszilliert. Die Wechselspannungsbrückenschaltung 56b weist hierbei den gleichen Aufbau wie die Wechselspannungsbrückenschaltung 26b gemäß 1 auf.
Die an einem zu einem der Endpunkte des Strommesswiderstands 52 führenden Verbindungspunkt B auftretende Spannung ändert sich in Abhängigkeit von dem Sensorstrom I_L und wird der Spannungszuführungssteuerschaltung 55 über einen nichtinvertierenden Verstärker 58 und ein Tiefpassfilter 59 zugeführt. Mit einem Operationsverstärker 58a des nichtinvertierenden Verstärkers 58 sind hierbei Widerstände R2 und R3 verbunden. Die Spannungszuführungssteuerschaltung 55 dient zur Steuerung der an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung in Abhängigkeit von der am Verbindungspunkt B auftretenden Spannung (d. h. einem Sensorstromsignal), wobei dieses Sensorstromsignal (d. h. die am Verbindungspunkt B auftretende Spannung) der Spannungszuführungssteuerschaltung 55 über einen Rückkopplungskreis FB2 zugeführt wird.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 7 lassen sich das am Anschluss S+ des Sensorelements 10 auftretende Potential V_S+ und das am Anschluss S– des Sensorelements 10 auftretende Potential V_S– durch die nachstehenden Gleichungen ausdrücken: VS+ = Vref1
Wenn hierbei angenommen wird, das Vp = (V_S+) – (V_S–) gilt, wobei mit Vp die an das Sensorelement 10 anzulegende Spannung bezeichnet ist, so ist diese Klemmenspannung Vp gegeben durch:
Hierbei bezeichnet der erste Ausdruck "2·R₃/R₂·R₁" auf der rechten Seite der Gleichung die Steigung der Klemmenspannungskennlinie LX, während der zweite Ausdruck "(V_ref2 – V_ref1)" auf der rechten Seite der Gleichung den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX bezeichnet (d. h. die an das Sensorelement 10 bei dem Sensorstrom I_L = 0 mA anzulegende Spannung).
Die Einstellung der Steigung (d. h. die Einstellung von 2·R₃/R₂·R₁) der Klemmenspannungskennlinie LX kann hierbei ermöglicht werden, indem der Widerstand R₂, der einen der den nichtinvertierenden Verstärker 58 bildenden Widerstände R1 und R2 darstellt, außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet wird.
Bei dieser Schaltungsanordnung ist eine Änderung der Bezugsspannungen V_ref2 und V_ref1, die in dem den Nullpunkt der Klemmenspannungskennlinie LX angebenden Ausdruck "V_ref2 – V_ref1" enthalten sind, mit Schwierigkeiten verbunden, wodurch die Einstellung des Nullpunkts auf eine gewünschte Position erschwert wird. Während die Änderung der Bezugsspannung V_ref1 zu einem Abweichungsfehler bei dem Sensorstrom I_L führen kann, führt eine Änderung der Bezugsspannung V_ref2 zu einer Amplitudenänderung der von der Wechselspannungszuführungsschaltung 56 abgegebenen Spannung. Zur Änderung der Bezugsspannung V_ref2 ohne nachteilige Auswirkungen auf die Amplitude der von der Wechselspannungszuführungsschaltung 56 abzugebenden Spannung ist es daher erforderlich, die Widerstände der Brückenschaltung 56b außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 anzuordnen. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 7 ist somit die gemeinsame Einstellung bzw. Regelung der Steigung und des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX zur Korrektur der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 mit Schwierigkeiten verbunden.
Der Aufbau des Gassensor-Regelgeräts gemäß 1 bietet dagegen die nachstehend näher beschriebenen Vorteile.
Die Bezugsspannungsschaltung 22 (d. h. die Spannungszuführungssteuerschaltung 21) ist unabhängig von dem Stromabtastwiderstand 28 und der Wechselspannungszuführungsschaltung 26 angeordnet, was eine einfache Nullpunktkorrektur der Klemmenspannungskennlinie LX durch die Bezugsspannung V_ref2 ohne nachteilige Auswirkungen auf andere Operationen des Gassensor-Regelgeräts ermöglicht. Außerdem kann auch die Steigung der Klemmenspannungskennlinie LX durch Regelung der Bezugsspannungsschaltung 22 korrigiert werden. Dies erleichtert die Anpassung der Regelung der an das Sensorelement 10 anzulegenden Spannung an dessen Betriebseigenschaften (d. h. an dessen Ausgangskennlinie), wodurch wiederum ermöglicht wird, dass an das Sensorelement 10 in jedem der Luft-Kraftstoffverhältnis-Messbereiche eine in dem flachen Bereich (d. h. dem Grenzstrombereich) der Ausgangskennlinie des Sensorelements 10 liegende Spannung angelegt werden kann. Hierdurch lässt sich eine genaue Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des der Brennkraftmaschine zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemisches in einem großen Bereich gewährleisten.
Bei einem Sensorelement, bei dem die Partikelabmessungen der Diffusionswiderstandsschicht 12 vergrößert werden oder die Mischkammer 17 nicht vorgesehen ist, um auf diese Weise die Aktivierung des Sensorelements zu beschleunigen oder ein stabiles Ausgangssignal des Sensorelements bei dessen Erwärmung zu gewährleisten (um die Ausgangssignalabweichung des Sensorelements 10 in den fetten Bereich hinein zu verhindern), kann in der vorstehend beschriebenen Weise eine unerwünschte Verengung bzw. Verkleinerung der flachen Kennlinienbereiche auftreten. Der Aufbau des Gassensor-Regelgeräts gemäß diesem Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für ein Sensorelement dieser Art.
Der ASIC-Schaltkreis 2 umfasst die Wechselspannungszuführungsschaltung 26, während die Bezugsspannungsschaltung 22 der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet und zur Bildung eines Teilwertes der Ausgangsspannung der Konstantspannungsquelle Vcc zur Erzeugung der Bezugsspannung V_ref2 ausgestaltet ist, wodurch eine einfache Einstellung der Bezugsspannung V_ref2 ermöglicht wird. Dies wiederum ermöglicht eine einfache Korrektur der Steigung und des Nullpunkts der Klemmenspannungskennlinie LX der Ausgangscharakteristik des Sensorelements 10.
Da eine Korrektur der Bezugsspannung V_ref1 nicht erforderlich ist, müssen somit keine zusätzlichen Anschlüsse bei dem ASIC-Schaltkreis 2 vorgesehen werden, was eine Verkleinerung des ASIC-Schaltkreises 2 und damit eine Verringerung der Kosten des ASIC-Schaltkreises 2 im Vergleich zu der bekannten Schaltungsanordnung gemäß 7 ermöglicht.
Die Erfindung ist vorstehend zwar in Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Verdeutlichung des Erfindungsgedankens beschrieben worden, jedoch sollte ersichtlich sein, dass die Erfindung auch in anderer Form ausgeführt werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Die Erfindung umfasst somit auch sämtliche Ausführungsformen und Modifikationen des beschriebenen Ausführungsbeispiels, die ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken im Rahmen der Patentansprüche möglich sind.
Alternativ kann z. B. die Sensorregelschaltung 20 nur zur Nullpunktkorrektur der Klemmenspannungskennlinie LX ausgestaltet sein.
Bei der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 ist zwar nur die Bezugsspannungsschaltung 22 außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet, jedoch können alternativ auch sämtliche Bauelemente der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 außerhalb des ASIC-Schaltkreises 2 angeordnet sein. Unter Berücksichtigung der Herstellungskosten der Sensorregelschaltung 20 ist es jedoch von Vorteil, möglichst viele Bauelemente der Spannungszuführungssteuerschaltung 21 im Rahmen eines integrierten Schaltkreises herzustellen.
Die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 gibt zwar die Wechselspannung ständig ab, kann jedoch alternativ auch dahingehend ausgestaltet sein, dass die Abgabe der Wechselspannung nur in einer erforderlichen Weise erfolgt. So kann z. B. die Wechselspannungszuführungsschaltung 26 die Wechselspannung auch in einem zur Abtastung der Impedanz ZAC des Sensorelements 10 vorgegebenen Zeitintervall abgeben.
Das Sensorelement 10 besitzt zwar nur eine einzige Zelle, kann jedoch alternativ auch dahingehend ausgestaltet sein, dass zwei Zellen in Form einer Pumpzelle und einer EMK-Zelle vorgesehen sind, d. h. das Sensorelement 10 kann auch zwei oder drei Festelektrolytschichten aufweisen. Außerdem kann das Sensorelement 10 in bekannter Weise becherförmig ausgestaltet sein.
In Bezug auf die Sensorregelschaltung 20 kann anstelle einer Verwendung in Verbindung mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor auch eine Verwendung bei einem Gassensor in Betracht gezogen werden, der zur Messung der Konzentration eines anderen Gases als Sauerstoff ausgestaltet ist. So kann z. B. ein Kompositsensor Verwendung finden, der eine erste Zelle (d. h. eine Pumpzelle) und eine zweite Zelle (d. h. eine Sensorzelle) umfasst, die jeweils aus einem Festelektrolytkörper bestehen. Die erste Zelle dient hierbei als Pumpzelle zum Hineinpumpen oder Herauspumpen von Sauerstoffmolekülen in eine oder aus einer in einem Sensorkörper ausgebildete(n) erste(n) Gaskammer und Abgabe eines die Konzentration der gepumpten Sauerstoffmoleküle angebenden Signals. Die zweite Zelle dient als Sensorzelle zur Erzeugung eines Signals, das die Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils von aus der ersten Gaskammer in die zweite Gaskammer strömenden Gasen angibt. Ein solcher Komposit-Gassensor kann z. B. zur Messung der Konzentration von NO_x in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Verwendung finden. Ferner kann der Komposit-Gassensor auch eine als Überwachungszelle oder zweite Pumpzelle dienende dritte Zelle zur Bildung eines elektrischen Signals als Funktion der Konzentration von in der zweiten Gaskammer verbliebenen Sauerstoffmolekülen aufweisen.
Alternativ kann das Gassensor-Regelgerät auch bei einem Gassensor Verwendung finden, der zur Messung der Konzentration von HC oder CO in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet ist. Die Messung der Konzentration von HC oder CO erfolgt hierbei durch Abpumpen von überschüssigem Sauerstoff (O₂) aus der ersten Gaskammer unter Verwendung der Pumpzelle und Aufspalten von in den in die zweite Gaskammer eintretenden Gasen enthaltenem HC oder CO unter Verwendung der Sensorzelle zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das die Konzentration von HC oder CO angibt.
Das Gassensor-Regelgerät kann im übrigen sowohl bei Gassensoren für Dieselmotoren als auch für Ottomotoren Verwendung finden. Darüber hinaus kann das Gassensor-Regelgerät jedoch auch zur Messung der Konzentration von anderen Gasen als den Abgasen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Gassensor-Regelgerät werden somit über einen Widerstand eine auf einer ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an einem negativen Anschluss eines Gassensors und eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung an einem positiven Anschluss des Gassensors erzeugt, wobei ein Regler über den Widerstand einen durch die Erzeugung der ersten und zweiten Spannung entstehenden Sensorstrom zur Messung der Konzentration eines Gases abtastet. Zur Messung der Impedanz des Gassensors verändert der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung. Der bei einem Sensorstrom von Null (d. h. von 0 mA) an den Gassensor angelegte Spannungswert (d. h. der Nullpunkt) hängt hierbei von der ersten und zweiten Bezugsspannung ab. Dieser Nullpunkte wird korrigiert, indem eine Einstellung bzw. Regelung der zweiten Bezugsspannung zur Herbeiführung einer genauen Anpassung an eine Klemmenspannungscharakteristik des Gassensors vorgenommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-251891 [0003]
- EP 987546 A2 [0028]

Claims

Gassensor-Regelgerät zur Regelung des Betriebs eines Gassensors, der einen Festelektrolytkörper und eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, die an gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers angeordnet sind, mit einem Sensorstrom-Abtastwiderstand, der mit einem ersten Anschluss in Reihe geschaltet ist, der einen zu der ersten Elektrode des Gassensors führenden positiven oder negativen Anschluss bildet, einer ersten Spannungszuführungsschaltung, die über den Sensorstrom-Abtastwiderstand eine auf einer ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an dem zu dem Gassensor führenden ersten Anschluss erzeugt, einer zweiten Spannungszuführungsschaltung, die eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung an einem zweiten Anschluss erzeugt, der den zu der zweiten Elektrode des Gassensors führenden anderen positiven oder negativen Anschluss bildet, und einem Regler, der über den Sensorstrom-Abtastwiderstand einen Sensorstrom, der einen bei Anlegen einer Spannung an den ersten und zweiten Gassensor-Anschluss durch den Gassensor fließenden und auf der Erzeugung der ersten und zweiten Spannung an dem ersten und zweiten Anschluss beruhenden elektrischen Strom darstellt, zur Erzeugung eines auf dem Sensorstrom basierenden und eine Funktion der Konzentration eines gegebenen Gases darstellenden Signals abtastet, wenn eine Messung der Impedanz des Gassensors erforderlich ist, wobei der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung verändert und die sich ergebende und die Impedanz des Gassensors repräsentierende Änderung des Sensorstroms abtastet und ausgibt.
Gassensor-Regelgerät nach Anspruch 1, bei dem ein integrierter Schaltkreis vorgesehen ist, in dem die erste Spannungszuführungsschaltung ausgebildet ist, wobei die zweite Spannungszuführungsschaltung eine außerhalb des integrierten Schaltkreises angeordnete Bezugsspannungsschaltung zur Erzeugung der zweiten Bezugsspannung umfasst.
Gassensor-Regelgerät nach Anspruch 1, bei dem die zweite Spannungszuführungsschaltung einen Spannungsteiler umfasst, der einen Widerstand zur Bildung eines Teilwertes der Ausgangsspannung einer Konstantspannungsquelle zur Erzeugung der zweiten Bezugsspannung aufweist.
Gassensor-Regelgerät nach Anspruch 1, bei dem die zweite Spannungszuführungsschaltung eine Brückenschaltung umfasst, die aus vier Widerständen und einem ersten und einem zweiten Schalter besteht, die jeweils auf der Seite des hohen und der Seite des niedrigen Potentials der Brückenschaltung angeordnet sind, wobei der Regler den ersten und zweiten Schalter zur Änderung der ersten Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung abwechselnd einschaltet und abschaltet.
Gassensor-Regelgerät nach Anspruch 1, bei dem die zweite Spannungszuführungsschaltung den von dem Sensorstrom-Abtastwiderstand erfassten Sensorstrom zur Steuerung der an dem zweiten Anschluss erzeugten zweiten Spannung verstärkt.
Verfahren zur Regelung einer an einen Gassensor mit einem Festelektrolytkörper und einer an gegenüberliegenden Oberflächen des Festelektrolytkörpers jeweils angebrachten ersten und zweiten Elektrode anzulegenden Spannung durch ein Gassensor-Regelgerät, das (a) einen Sensorstrom-Abtastwiderstand, der mit einem ersten Anschluss in Reihe geschaltet ist, der einen zu der ersten Elektrode des Gassensors führenden positiven oder negativen Anschluss bildet, (b) eine erste Spannungszuführungsschaltung, die über den Sensorstrom-Abtastwiderstand eine auf einer ersten Bezugsspannung basierende erste Spannung an dem zu dem Gassensor führenden ersten Anschluss erzeugt, (c) eine zweite Spannungszuführungsschaltung, die eine auf einer zweiten Bezugsspannung basierende zweite Spannung an einem zweiten Anschluss erzeugt, der den zu der zweiten Elektrode des Gassensors führenden anderen positiven oder negativen Anschluss bildet, und (d) einen Regler aufweist, der zur Regelung der zweiten Spannung eine an den ersten und zweiten Anschluss des Gassensors anzulegende Klemmenspannung auf der Basis einer gegebenen Klemmenspannungscharakteristik bestimmt und über den Sensorstrom-Abtastwiderstand einen Sensorstrom, der einen durch den Gassensor auf Grund des Anlegens der Klemmenspannung fließenden elektrischen Strom darstellt, zur Erzeugung eines auf dem Sensorstrom basierenden und eine Funktion der Konzentration eines gegebenen Gases darstellenden Signals abtastet, wenn eine Messung der Impedanz des Gassensors erforderlich ist, wobei der Regler die erste Spannung in Bezug auf die erste Bezugsspannung verändert und die sich ergebende und die Impedanz des Gassensors repräsentierende Änderung des Sensorstroms abtastet und ausgibt, und wobei das Verfahren eine Abtastung der Ausgangscharakteristik des Gassensors und eine Korrektur der Klemmenspannungscharakteristik auf der Basis der abgetasteten Ausgangscharakteristik umfasst, um die an den Gassensor angelegte Klemmenspannung mit einer gewünschten Spannung in Übereinstimmung zu bringen.