DE112010002225T5

DE112010002225T5 - Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit

Info

Publication number: DE112010002225T5
Application number: DE112010002225T
Authority: DE
Inventors: Kentaro Mori; Tomohiro Tajima; Noboru Ishida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JP5021697B2; JP2010281732A; US8603310B2; US20110290015A1; WO2010140293A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erfassen des Gaskonzentration/der Feuchtigkeit kann die Feuchtigkeit einer als einem zu prüfenden Gas eingeführten Luft unter Verwendung eines einfachen Aufbaus mit einem Gassensor erfassen. Eine Sensorsteuervorrichtung 3 umfasst einen Vollbereich-Gassensor, der aus einer Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle mit einem Paar von Elektroden 21, 22 und einer Sauerstoffpumpenzelle mit einem Paar von Elektroden 19, 20 besteht. In einem elektrischen Schaltungsabschnitt 30 wird ein zwischen den Elektroden 19, 20 fließender Ip-Strom derart gesteuert, dass eine zwischen den Elektroden 21, 22 erzeugte elektromotorische Kraft Vs gleich einer Bezugsspannung wird. Die Bezugsspannung ist gewöhnlich auf eine erste Bezugsspannung gesetzt. Wenn das zu prüfende Gas jedoch Luft ist, wird die Bezugsspannung auf eine zweite Bezugsspannung gesetzt. Die Feuchtigkeit des zu prüfenden Gases wird auf der Basis eines Fehlers ΔIp zwischen einem bei der ersten Bezugsspannung erfassten Ip-Strom und einem bei der zweiten Bezugsspannung erfassten Ip-Strom erfasst.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit, die die Feuchtigkeit einer als einem zu prüfendem Gas eingeführten Luft unter Verwendung eines Gassensors zum Erfassen der Gaskonzentration einer spezifischen Komponente des zu prüfenden Gases erfasst.
Stand der Technik
Ein herkömmlicherweise in Kraftfahrzeugen verwendeter Sensor ist ein Sauerstoffsensor, der in einem Abgasdurchgang eines Verbrennungsmotors (Kraftfahrzeugmotors) angeordnet ist, um die Konzentration des in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffs zu erfassen. Der Sauerstoffsensor erfasst nicht nur die Sauerstoffkonzentration des Abgases, sondern auch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, indem er sich die Tatsache zunutze macht, dass sich die Größe eines durch ein Sensorelement fließenden Stroms in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration des Abgases ändert. Eine Sensorsteuervorrichtung, die diesen Sauerstoffsensor ansteuert, steuert die Stromzufuhr zu dem Sensorelement, wandelt den durch das Sensorelement fließenden Strom zu einer Spannung und gibt die Spannung zu einer elektronischen Steuereinheit (ECU) aus. Die ECU erhält die Sauerstoffkonzentration und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases auf der Basis der Ausgabe aus der Sensorsteuervorrichtung. In der ECU werden die erhaltene Sauerstoffkonzentration und/oder das erhaltene Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases für eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung wie etwa eine Anpassung der Kraftstoffeinspritzmenge verwendet.
Die Ausgabe eines in einem Kraftfahrzeug montierten Sauerstoffsensors kann unter einer gegebenen Bedingung abweichen, wenn sich die Kennlinie des Sensors zum Beispiel aufgrund einer Alterung oder einer Verschlechterung von permanenten Eigenschaften verändert. Deshalb ist eine Technik zum Korrigieren einer Änderung in der Kennlinie eines Sauerstoffsensors auf der Basis einer Sensorausgabe in der Luft bekannt. Zum Beispiel wurden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Abgaskonzentration angegeben, in denen Luft zu einem Gassensor zugeführt wird, um den Nullpunkt der Erfassungsausgabe des Gassensors auf der Basis der Erfassungsausgabe des der Luft ausgesetzten Gassensors zu kalibrieren (siehe das Patentdokument 1). Weiterhin wurde eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung vorgeschlagen, die die Feuchtigkeit der Luft erfasst, eine die atmosphärische Bedingung angebende Ausgabe in Übereinstimmung mit der Feuchtigkeit korrigiert und die korrigierte Ausgabe als einen Luftkalibrierungswert verwendet, der genau dem Sauerstoffteildruck der Luft entspricht, sodass die Sensoreigenschaft genau korrigiert wird (siehe zum Beispiel das Patentdokument 2),
Dokumente aus dem Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. H11-148910
Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. S62-2149

Zusammenfassung der Erfindung
Problemstellung der Erfindung
Die Ausgabe eines der Luft ausgesetzten Sauerstoffsensors kann sich jedoch unter einer bestimmten Bedingung aufgrund des Einflusses der Luftfeuchtigkeit ändern. Wenn zum Beispiel die Luftfeuchtigkeit hoch ist, ist der Sauerstoffteildruck der Luft niedrig im Vergleich zu einer niedrigen Luftfeuchtigkeit. Deshalb wird die durch den Sauerstoffsensor erfasste Anzahl von Sauerstoffmolekülen beträchtlich vermindert und neigt die Sensorausgabe zu einer Verringerung.
Insbesondere neigt wie in 8 und 9 gezeigt ein Ip-Wert (hier als „Luft-Ip-Wert” bezeichnet), der durch einen der Luft ausgesetzten Sauerstoffsensor erfasst wird zu einer Verminderung, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch und nicht niedrig ist. 8 zeigt den Luft-Ip-Wert, der bei einer Lufttemperatur von 30°C für einen Zustand mit einer niedrigen Luftfeuchtigkeit (relative Luftfeuchtigkeit: 0%) und für einen Zustand mit einer hohen Luftfeuchtigkeit (relative Luftfeuchtigkeit: 80%) erhalten wird. Wenn in dem Zustand mit einer niedrigen Luftfeuchtigkeit (relative Luftfeuchtigkeit 0%) die Luft eine Gaszusammensetzung (ein Volumenverhältnis) aufweist, in der das Volumenverhältnis von Stickstoff (N₂) bei 80 liegt und das Volumenverhältnis von Sauerstoff (O₂) bei 20 liegt, beträgt die Sauerstoffkonzentration der Luft 20%. Und wenn in dem Zustand mit einer hohen Luftfeuchtigkeit (relative Luftfeuchtigkeit: 80%) die Luft eine Gaszusammensetzung (ein Volumenverhältnis) aufweist, in dem das Volumenverhältnis von Stickstoff (N₂) bei 80 liegt, das Volumenverhältnis von Sauerstoff (O₂) bei 20 liegt und das Volumenverhältnis der Feuchtigkeit (H₂O) bei 1,95 liegt, beträgt die Sauerstoffkonzentration der Luft 19,6%. Wegen einer Differenz in dem Sauerstoffteildruck der Luft wird in dem Zustand mit einer hohen Luftfeuchtigkeit zum Beispiel 3,854 mA als Luft-Ip-Wert erfasst, während in dem Zustand mit einer niedrigen Luftfeuchtigkeit zum Beispiel 3,777 mA als Luft-Ip-Wert erfasst wird. Der erfasste Luft-Ip-Wert weist also einen Fehler ΔIp (hier ungefähr 2,0%) in Übereinstimmung mit der Luftfeuchtigkeit, der der Sauerstoffsensor ausgesetzt wird, auf.
Also auch wenn eine Änderung in der Kennlinie eines Sauerstoffsensors auf der Basis einer Sensorausgabe in der Luft korrigiert wird, kann die Erfassungsgenauigkeit des Sensors abfallen, wenn sich die Luftfeuchtigkeit zum Zeitpunkt der Erfassung der Sauerstoffkonzentration von derjenigen zum Zeitpunkt der Korrektur unterscheidet. Und weil bei der in dem Patentdokument 2 beschriebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungsvorrichtung ein Feuchtigkeitssensor separat vorgesehen werden muss, um die Luftfeuchtigkeit zu erfassen, ist der Aufbau der Vorrichtung komplex, wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Probleme Bezug, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/Feuchtigkeit anzugeben, die die Feuchtigkeit einer als einem zu prüfenden Gas eingeführten Luft genau erfassen kann, indem sie einen einfachen Aufbau einschließlich eines Gassensors zum Erfassen der Konzentration einer spezifischen Komponente des zu prüfenden Gases verwendet (im Folgenden kann die Konzentration der spezifischen Komponenten auch einfach als „Gaskonzentration” bezeichnet werden).
Problemlösung der Erfindung
(Anwendungsbeispiel 1) Eine Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Gassensor, der mit der Vorrichtung verbunden ist und die Konzentration einer spezifischen Komponente eines zu prüfenden Gases und die Feuchtigkeit einer als zu prüfendem Gas in den Gassensor eingeführten Luft erfasst; wobei der Gassensor umfasst: eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle, die einen ersten soliden Elektrolytkörper und ein auf dem ersten soliden Elektrolytkörper ausgebildetes Paar von ersten Elektroden enthält, wobei eine der ersten Elektroden in einer Erfassungskammer angeordnet ist, in die das zu prüfende Gas eingeführt wird, während die andere erste Elektrode einer als Bezug dienenden Sauerstoffkonzentrationsatmosphäre ausgesetzt ist; und eine Sauerstoffpumpenzelle, die einen zweiten soliden Elektrolytkörper und ein auf dem zweiten soliden Elektrolytkörper ausgebildetes Paar von zweiten Elektroden enthält, wobei eine der zweiten Elektroden in der Erfassungskammer angeordnet ist, wobei die Sauerstoffpumpenzelle in Übereinstimmung mit einem zwischen dem Paar von zweiten Elektroden fließenden Strom Sauerstoff, der in dem in die Erfassungskammer eingeführten, zu prüfenden Gas enthalten ist, herauspumpt oder Sauerstoff in die Erfassungskammer hineinpumpt. Die Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit umfasst: eine Stromsteuereinrichtung zum Erfassen einer Spannung, die aufgrund einer Differenz zwischen einer Sauerstoffkonzentration in der Erfassungskammer und einer Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffbezugskammer zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugt wird, und zum Steuern des zwischen dem Paar von zweiten Elektroden fließenden Stroms derart, dass die zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugte Spannung gleich einer Steuerzielspannung wird; eine Atmosphären-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob das zu prüfende Gas Luft ist; eine Spannungssetzeinrichtung zum Setzen der Steuerzielspannung auf eine erste Spannung und zum Setzen der Steuerzielspannung auf eine zweite Spannung, die größer als die erste Spannung ist, wenn die Atmosphären-Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass das zu prüfende Gas Luft ist; eine erste Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines ersten Stroms, der zwischen dem Paar von zweiten Elektroden in einem Zustand fließt, in dem die erste Spannung zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugt wird; eine zweite Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines zweiten Stroms, der zwischen dem Paar von zweiten Elektroden in einem Zustand fließt, in dem die zweite Spannung zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugt wird; und eine Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Feuchtigkeit des zu prüfenden Gases auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms, wenn die Atmosphären-Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass das zu prüfende Gas Luft ist, und auf der Basis des durch die zweite Stromerfassungseinrichtung erfassten Stroms, nachdem die erste Spannung durch die Spannungssetzeinrichtung zu der zweiten Spannung geändert wurde.
Was die als Steuerzielspannung gesetzte erste und zweite Spannung betrifft, wird die erste Spannung innerhalb eines Bereichs gesetzt, in dem die Feuchtigkeit in dem in die Gaserfassungskammer eingeführten, zu prüfenden Gas sich nicht wesentlich dissoziiert, und wird die zweite Spannung innerhalb eines Bereichs gesetzt, in dem sich die Feuchtigkeit in dem in die Gaserfassungskammer eingeführten, zu prüfenden Gas dissoziiert.
(Anwendungsbeispiel 2) Die Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann umfassen: eine Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Konzentration einer spezifischen Komponente auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms; und eine Korrekturwert-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Korrekturwerts, der für das Korrigieren der durch die Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung erfassten Konzentration verwendet wird, auf der Basis der durch die Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung erfassten Feuchtigkeit und auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms.
(Anwendungsbeispiel 3) In der Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung die Feuchtigkeit auf der Basis einer Differenz, die durch das Subtrahieren des ersten Stroms von dem zweiten Strom erhalten wird, erhalten werden.
(Anwendungsbeispiel 4) In der Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung die Feuchtigkeit auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms unmittelbar vor dem Setzen der Steuerzielspannung zu der zweiten Spannung erfassen.
Effekte der Erfindung
Die Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem Anwendungsbeispiel 1 umfasst einen Gassensor, der eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle mit einem Paar von ersten Elektroden und eine Sauerstoffpumpenzelle mit einem Paar von zweiten Elektroden umfasst. Der zwischen dem Paar von zweiten Elektroden fließende Strom wird derart gesteuert, dass eine zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugte Spannung gleich einer Steuerzielspannung wird. Die Steuerzielspannung wird gewöhnlich auf eine erste Spannung gesetzt. Wenn das zu prüfende Gas Luft ist, wird die Steuerzielspannung auf eine zweite Spannung gesetzt. Die Feuchtigkeit des zu prüfenden Gases wird auf der Basis der ersten und des zweiten Stroms erfasst, die erfasst werden, wenn bestimmt wird, dass das zu prüfende Gas Luft ist. Auf diese Weise kann die Feuchtigkeit der als zu prüfendem Gas eingeführten Luft unter Verwendung eines einfachen Aufbaus erfasst werden, in dem ein Gassensor zum Erfassen der Konzentration einer spezifischen Komponente des zu prüfenden Gases verwendet wird und dementsprechend kein separater Feuchtigkeitssensor vorgesehen zu werden braucht.
Indem in der Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem Anwendungsbeispiel 2 die Gaskonzentration unter Verwendung eines Korrekturwerts korrigiert wird, kann der Einfluss einer in dem zu prüfenden Gas enthaltenen Feuchtigkeit aus der erfassten Gaskonzentration entfernt werden, wodurch die Erfassungsgenauigkeit der Sensorausgabe verbessert werden kann.
Bei der Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem Anwendungsbeispiel 3 kann die Feuchtigkeit der als zu prüfendem Gas eingeführten Luft genau mittels einer einfachen Verarbeitung zum Erhalten der Differenz zwischen dem ersten Strom und dem zweiten Strom erfasst werden.
Bei der Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß dem Anwendungsbeispiel 4 kann die Zeitdifferenz zwischen der Erfassungszeit des ersten Stroms und der Erfassungszeit des zweiten Stroms reduziert werden, um das Auftreten des Problems, dass sich die Feuchtigkeit zwischen der Erfassung des ersten Stroms und der Erfassung des zweiten Stroms ändert, zu vermeiden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch die Konfiguration eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors 100.
2 zeigt schematische den Aufbau eines Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1.
3 ist ein Flussdiagramm der in einer Sensorsteuervorrichtung 3 ausgeführten Verarbeitung
4 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Bezugsspannung Vs und dem Pumpenstrom Ip wiedergibt.
5 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Wassergehalt eines zu prüfenden Gases und dem Pumpenstromfehler ΔIp wiedergibt.
6 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen den Bezugsspannungen Vs und dem Pumpenstrom Ip wiedergibt.
7 ist ein weiteres Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen dem Wassergehalt eines zu prüfenden Gases und dem Pumpenstromfehler ΔIp wiedergibt.
8 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Pumpenstrom in einem herkömmlichen Sauerstoffsensor wiedergibt.
9 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen der Feuchtigkeit und dem Pumpenstromfehler ΔIp in dem herkömmlichen Sauerstoffsensor wiedergibt.
Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben. In dieser Ausführungsform wird eine Sensorsteuervorrichtung 3, die die Sauerstoffkonzentration eines zu prüfenden Gases und die Feuchtigkeit der als zu prüfendem Gas eingeführten Luft auf der Basis eines durch einen Gassensor ausgegebenen Erfassungssignals erfassen kann, als ein Beispiel für die Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Gassensor ein Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1, dessen Strom (Sensorstrom) sich linear in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration ändert.
Zuerst wird der Aufbau eines Verbrennungsmotorsystems 100, an dem die Sensorsteuervorrichtung 3 angebracht ist, kurz mit Bezug auf 1 beschrieben. Das Verbrennungsmotorsystem 100 umfasst einen Motor 101 für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Ein Abgasrohr 102 ist mit dem Motor 101 verbunden, um das aus dem Motor 101 ausgestoßene Abgas nach außen abzuführen. Der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ist in einem Abgasdurchgang des Abgasrohrs 102 angeordnet. Insbesondere ist der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ein Gassensor zum Erfassen der Konzentration einer spezifischen Komponente (in der vorliegenden Ausführungsform des Sauerstoffs) in dem durch den Abgasdurchgang des Abgasrohrs 102 fließenden Abgas. Der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ist über einen Kabelbaum (Signaldraht) 91 mit der Sensorsteuervorrichtung 3 verbunden, die an einer zu dem Sensor entfernten Position angeordnet ist. Die Sensorsteuervorrichtung 3 versorgt den Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 mit Strom und steuert ihn für das Erfassen der Sauerstoffkonzentration. Die Sensorsteuervorrichtung 3 wird bei Empfang eines Stroms aus einer Batterie 80 betrieben und gibt zu der Motorsteuereinheit (ECU) 5 ein Erfassungssignal aus, das die unter Verwendung des Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 erfasste Sauerstoffkonzentration angibt. In der ECU 5 wird eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung für den Motor 101 auf der Basis der Ausgabe des Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 durchgeführt.
Wenn in der vorliegenden Ausführungsform Kraftstoff zu dem Motor 101 zugeführt wird, ist das Abgas das zu prüfende Gas, das durch den Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 erfasst werden soll. Wenn die Zufuhr des Kraftstoffs zu dem Motor 101 unterbrochen wird (während Kraftstoffabsperrungsperioden) und Luft durch das Abgasrohr 102 fließt, wird die durch das Abgasrohr 102 fließende Luft als ein zu prüfendes Gas durch den Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 erfasst. In der folgenden Beschreibung ist unter dem „zu prüfenden Gas” jeweils das Gas zu verstehen, dem der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ausgesetzt wird, wobei es sich um Abgas oder Luft handeln kann.
Im Folgenden werden der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 und die Sensorsteuervorrichtung 3 im Detail beschrieben. Der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 umfasst ein Sensorelement 10, das die Form einer länglichen Platte aufweist, und ein nicht gezeigtes Gehäuse, in dem das Sensorelement 10 gehalten wird. Der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ist elektrisch mit der Sensorsteuervorrichtung 3, die an einer von dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 entfernten Position angeordnet ist, über den Kabelbaum 91 verbunden, um das Ausgabesignal des Sensorelements 10 abzunehmen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem die Sensorsteuervorrichtung 3 zwischen dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 und der ECU 5 angeordnet ist, wobei der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 und die Sensorsteuervorrichtung 3 eine Sensoreinheit 4 bilden. Die „Vorrichtung zum Erfassen des Gaskonzentration/der Feuchtigkeit” der vorliegenden Erfindung entspricht der Sensorsteuervorrichtung 3, die mit dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 (d. h. mit der Sensoreinheit 4) verbunden ist. Natürlich kann auch eine andere Anordnung der Sensorsteuervorrichtung 3 gewählt werden. Zum Beispiel kann die Sensorsteuervorrichtung 3 in der ECU 5 integriert sein. In diesem Fall können der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 und die ECU 5 eine Sensoreinheit bilden.
Zuerst wird der Aufbau des Sensorelements 10 beschrieben. Des Sensorelement 10 weist einen Aufbau auf, in dem solide Elektrolytkörper 11 und 13, die hauptsächlich aus Zirkonoxid ausgebildet sind, und isolierte Substrate 12, 17, 18 und 24, die hauptsächlich aus Aluminiumoxid ausgebildet sind, in der folgenden Reihenfolge übereinander gestapelt sind: isolierendes Substrat 18, isolierendes Substrat 17, solider Elektrolytkörper 13, isolierendes Substrat 12, solider Elektrolytkörper 11 und isolierendes Substrat 24. Gepaarte Elektroden 19 und 20, die vor allem aus Platin ausgebildet sind, sind auf gegenüberliegenden Seiten des soliden Elektrolytkörpers 11 ausgebildet. Entsprechend sind gepaarte Elektroden 21 und 22 auf gegenüberliegenden Seiten des soliden Elektrolytkörpers 13 ausgebildet. Von diesen Elektroden ist die Elektrode 22 zwischen dem soliden Elektrolytkörper 13 und dem isolierenden Substrat 24 eingeschlossen und begraben. Jeder der soliden Elektrolytkörper 11 und 13 und der isolierenden Substrate 12, 17, 18 und 24 weist die Form einer länglichen Platte auf, wobei 2 einen Querschnitt des Sensorelements 10 senkrecht zu der Längsrichtung zeigt.
An einem Ende in der Längsrichtung des isolierenden Substrats 12 ist eine hohle Gaserfassungskammer 23 ausgebildet, deren gegenüberliegenden Wandflächen durch entsprechende Flächen der soliden Elektrolytkörper 11 und 13 gebildet werden und in die das zu prüfende Gas eingeführt werden kann. Poröse Diffusionsraten-Beschränkungsabschnitte 15 sind an gegenüberliegenden Enden in der Breitenrichtung der Gaseinführungskammer 23 ausgebildet, um die Flussrate des in die Gaserfassungskammer 23 eingeführten, zu prüfenden Gases zu beschränken. Die Elektrode 20 auf dem soliden Elektrolytkörper 11 und die Elektrode 21 auf dem soliden Elektrolytkörper 13 liegen zu dem Inneren der Gaserfassungskammer 23 hin frei.
Ein Wärmeerzeugungswiderstand 26, der hauptsächlich aus Platin ausgebildet ist, ist zwischen den isolierenden Substraten 18 und 17 eingeschlossen und begraben. Die isolierenden Substrate 17 und 18 und der Wärmeerzeugungswiderstand 26 funktionieren als ein Heizer zum Heizen der soliden Elektrolytkörper 11 und 13, um diese zu aktivieren.
Die Oberfläche der Elektrode 19 auf dem soliden Elektrolytkörper 11 ist mit einer porösen Schutzschicht 25 aus einer Keramik (zum Beispiel Aluminiumoxid) bedeckt. Die Schutzschicht 25 verhindert einen Verschleiß der Elektrode 19, der ansonsten durch ätzende Komponenten in dem Abgas wie etwa Silicium verursacht würde. Weiterhin weist das auf dem soliden Elektrolytkörper 11 geschichtete isolierende Substrat 24 eine Öffnung auf, sodass das isolierende Substrat 24 die Elektrode 19 nicht bedeckt. Die Schutzschicht 25 ist in dieser Öffnung vorgesehen.
In dem Sensorelement 10 mit dem oben beschriebenen Aufbau funktionieren der solide Elektrolytkörper 11 und das auf gegenüberliegenden Flächen desselben vorgesehene Paar von Elektroden 19 und 20 als eine Sauerstoffpumpenzelle, die Sauerstoff von außerhalb des Sensorelements 10 in die Gaserfassungskammer 23 pumpt oder Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 23 nach außen pumpt (in der folgenden Beschreibung werden der solide Elektrolytkörper 11 und die Elektroden 19 und 20 gemeinsam als „Ip-Zelle” bezeichnet). Der solide Elektrolytkörper 11 entspricht dem „zweiten soliden Elektrolytkörper” der vorliegenden Erfindung, und das Paar der Elektroden 19 und 20 entspricht dem „Paar von zweiten Elektroden” der vorliegenden Erfindung.
Der solide Elektrolytkörper 13 und das auf gegenüberliegenden Flächen desselben vorgesehene Paar von Elektroden 21 und 22 funktionieren als eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle, die eine elektromotorische Kraft in Übereinstimmung mit der Sauerstoffkonzentration zwischen den Elektroden erzeugt (in der folgenden Beschreibung werden der solide Elektrolytkörper 13 und die Elektroden 21 und 22 gemeinsam als „Vs-Zelle” bezeichnet). Die Elektrode 22 funktioniert als eine Sauerstoffbezugselektrode, die eine Sauerstoffkonzentration aufrechterhält, die als Bezug für das Bestimmen der Sauerstoffkonzentration in der Gaserfassungskammer 23 dient. Der solide Elektrolytkörper 13 entspricht dem „ersten soliden Elektrolytkörper” der vorliegenden Erfindung, und das Paar von Elektroden 21 und 22 entspricht dem Paar von „ersten Elektroden” der vorliegenden Erfindung. Die Funktionen der Ip-Zelle und der Vs-Zelle werden weiter unten näher beschrieben.
Im Folgenden wird die Konfiguration der mit dem Sensorelement 10 verbundenen Sensorsteuervorrichtung 3 beschrieben. Die Sensorsteuervorrichtung 3 besteht hauptsächlich aus einem Mikrocomputer 9 und einem elektrischen Schaltungsabschnitt 30. Der Mikrocomputer 9 ist ein Mikrocomputerchip, auf dem eine CPU 6 mit einer bekannten Konfiguration, ein ROM 7, ein RAM 8 usw. montiert sind. Insbesondere speichert der ROM 7 zum Beispiel Steuerprogramme, die veranlassen, dass die CPU 6 verschiedene Verarbeitungen ausführt, und eine Feuchtigkeits-Korrekturtabelle zum Ausführen einer weiter unten beschriebenen Feuchtigkeitskorrektur.
Der elektrische Schaltungsabschnitt 30 umfasst eine Heizerstromversorgungs-Steuerschaltung 31, eine Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32, eine Spannungsausgabeschaltung 33, eine Kleinstromversorgungsschaltung 34, eine Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 und eine Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36.
Die Heizerstromversorgungs-Steuerschaltung 31 führt eine Spannung Vh zu gegenüberliegenden Enden des Wärmeerzeugungswiderstands 26 zu und steuert dabei die Spannung mittels einer Pulsbreitenmodulation, um zu veranlassen, dass der Wärmeerzeugungswiderstand 26 Wärme erzeugt und dadurch die Ip-Zelle und die Vs-Zelle heizt. Die Kleinstromversorgungsschaltung 34 veranlasst, dass ein sehr kleiner Strom Icp von der Elektrode 22 der Vs-Zelle zu der Elektrode 21 fließt, um Sauerstoffionen zu der Elektrode 22 zu bewegen, wodurch eine als Bezug dienende Sauerstoffkonzentrationsatmosphäre erzeugt wird. Die Elektrode 22 funktioniert also als eine Sauerstoffbezugselektrode, die als ein Bezug für das Erfassen der Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases dient. Die Spannungsausgabeschaltung 33 erfasst eine elektromotorische Kraft Vs, die zwischen den Elektroden 21 und 22 der Vs-Zelle erzeugt wird. Die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 vergleicht eine vorbestimmte Bezugsspannung mit der elektromotorischen Kraft Vs, die durch die Spannungsausgabeschaltung 33 erfasst wird, und sendet das Vergleichsergebnis als Rückkopplung zu der Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32. Die Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32 steuert die Größe und die Richtung des Pumpenstroms Ip, der zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließt, auf der Basis des von der Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 erhaltenen Vergleichsergebnisses. Die Ip-Zelle pumpt also Sauerstoff in die Gaserfassungskammer 23 oder pumpt Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 23. Die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 wandelt den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpenstrom Ip zu einer Spannung und gibt die Spannung als ein Erfassungssignal zu dem Mikrocomputer 9 aus.
In dieser Ausführungsform sind zwei Bezugsspannungen (eine erste und eine zweite Bezugsspannung) vorgesehen, die durch die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 als Bezugsspannung für den Vergleich mit der elektromotorischen Kraft Vs verwendet werden. Die erste Bezugsspannung ist auf einen Spannungswert (z. B. 450 mV) gesetzt, bei dem sich die Feuchtigkeit (H₂O), die in dem in die Gaserfassungskammer 23 eingeführten, zu prüfenden Gas enthalten ist, im wesentlichen nicht dissoziiert, wenn die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in der Gaserfassungskammer 23 kontrolliert wird, während das Vergleichsergebnis der Spannungsausgabeschaltung 33 zu der Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32 rückgekoppelt wird.
Die zweite Bezugsspannung wird auf einen Spannungswert (z. B. 1000 mV) gesetzt, bei dem sich die Feuchtigkeit (H₂O), die in dem in die Gaserfassungskammer 23 eingeführten, zu prüfenden Gas enthalten ist, dissoziiert, wenn die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre in der Gaserfassungskammer 23 kontrolliert wird, während das Vergleichsergebnis der Spannungsausgabeschaltung 33 zu der Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32 rückgekoppelt wird.
In der oben beschriebenen Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 wird die erste Bezugsspannung gewöhnlich als eine Bezugsspannung für den Vergleich mit der elektromotorischen Kraft Vs verwendet, wobei die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases auf der Basis des Pumpenstroms Ip berechnet wird. Wenn die Feuchtigkeitskorrektur für den Vollbereichs-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 durchgeführt wird, wird wie weiter unten im Detail beschrieben die zweite Bezugsspannung verwendet. Dabei entsprechen die Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32, die Spannungsausgabeschaltung 33 und die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 der „Stromsteuereinrichtung” der vorliegenden Erfindung. Die Bezugsspannung, die mit der elektromotorischen Kraft Vs verglichen wird, entspricht der „Steuerzielspannung” der vorliegenden Erfindung, und die erste und die zweite Bezugsspannung entsprechen jeweils der „ersten Spannung” und der „zweiten Spannung” der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden wird die Konfiguration der ECU 5 beschrieben. Die ECU 5 ist eine Vorrichtung, die unter anderem den Betrieb des Motors 101 in dem Kraftfahrzeug elektronisch steuert. Die ECU 5 verwendet einen Mikrocomputerchip, auf dem eine CPU mit einer bekannten Konfiguration, ein ROM, ein RAM usw. montiert sind. In der ECU 5 werden die Kraftstoffeinspritzzeit und die Zündungszeit durch die Ausführung von Steuerprogrammen gesteuert. Als Informationen für die Ausführung einer derartigen Steuerung wird eine Ausgabe (ein Erfassungssignal) in Entsprechung zu der Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases von der Sensorsteuervorrichtung 3 eingegeben. Weiterhin werden Signale von anderen Sensoren (wie z. B. Informationen zu dem Verbrennungsdruck, der Kühlwassertemperatur und dem Kurbelwinkel, aus dem die Drehgeschwindigkeit und die Kolbenposition des Motors 101 abgeleitet werden können) als weitere Informationen eingegeben.
Im Folgenden wird kurz der Betrieb zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases) unter Verwendung des Vollbereichs-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 beschrieben. Wenn die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases erfasst wird, wird die erste Bezugsspannung (z. B. 450 mV) für einen Vergleich durch die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 verwendet. Wie in 2 gezeigt, veranlasst die Kleinstromversorgungsschaltung 34, dass ein sehr kleiner Strom Icp von der Elektrode 22 zu der Elektrode 21 der Vs-Zelle fließt. Daraus resultiert, das in dem zu prüfenden Gas enthaltener Sauerstoff von der Seite der Elektrode 21 über den soliden Elektrolytkörper 13 zu der Seite der Elektrode 22 gepumpt wird, wobei die Elektrode 22 als Sauerstoffbezugselektrode funktioniert. Die Spannungsausgabeschaltung 33 erfasst die elektromotorische Kraft Vs, die zwischen den zwei Elektroden 21 und 22 erzeugt wird. Die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 vergleicht die elektromotorische Kraft Vs mit der Bezugsspannung. Die Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32 steuert die Größe und die Richtung des Pumpenstroms Ip, der zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließt, auf der Basis des Ergebnisses des durch die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 durchgeführten Vergleichs, sodass die elektromotorische Kraft Vs gleich der Bezugsspannung wird.
Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des in die Gaserfassungskammer 23 geflossenen Abgases auf der fetten Seite eines theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist und die Sauerstoffkonzentration des Abgases niedrig ist, wird der zwischen den Elektroden 19 und 20 fließende Pumpenstrom Ip derart gesteuert, dass die Ip-Zelle Sauerstoff von außen in die Gaserfassungskammer 23 pumpt. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des in die Gaserfassungskammer 23 geflossenen Abgases auf der mageren Seite des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist und eine große Menge von Sauerstoff in dem Abgas vorhanden ist, wird der zwischen den Elektroden 19 und 20 fließende Pumpenstrom Ip derart gesteuert, dass die Ip-Zelle Sauerstoff aus der Gaserfassungskammer 23 nach außen pumpt. Der Pumpenstrom Ip zu diesem Zeitpunkt wird durch die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 zu einer Spannung gewandelt, wobei die Spannung als eine Ausgabe (ein Erfassungssignal) des Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 zu der ECU 5 ausgegeben wird. In der ECU 5 kann die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (d. h. das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) auf der Basis der Größe und der Richtung des aus dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 ausgegebenen Pumpenstroms Ip bestimmt werden.
Weil in der vorliegenden Ausführungsform die Sensoreinheit 4 (der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 und die Sensorsteuervorrichtung 3) dieselbe Konfiguration wie eine herkömmliche Sensoreinheit aufweist, führt die Sensoreinheit 4 dieselbe Operation zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases) durch wie die herkömmliche Sensoreinheit. Die Sensorsteuervorrichtung 3 kann jedoch nicht nur die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases), sondern auch die Feuchtigkeit der als zu prüfendem Gas eingeführten Luft unter Verwendung des Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 erfassen. Die Sensorsteuervorrichtung 3 kann also die Sensorausgabe aus dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 in Übereinstimmung mit der Luftfeuchtigkeit korrigieren, was weiter unten im Detail beschrieben wird.
Im Folgenden wird die in der Sensorsteuervorrichtung 3 ausgeführte Hauptverarbeitung mit Bezug auf 3 beschrieben. Ein Programm zum Ausführen der Verarbeitung von 3 ist in dem oben genannten ROM 7 (siehe 2) gespeichert und wird durch die CPU 6 (siehe 2) ausgeführt. Diese Hauptverarbeitung wird periodisch zu vorbestimmten Zeitpunkten ausgeführt, wenn das Verbrennungsmotorsystem 100 betrieben wird. Die Verarbeitung zum Betreiben und Steuern der Heizerstromversorgungs-Steuerschaltung 31, der Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32, der Spannungsausgabeschaltung 33, der Kleinstromversorgungsschaltung 34, der Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 und der Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 des elektrischen Schaltungsabschnitts 30 werden separat zu der Hauptverarbeitung von 3 ausgeführt. Die Sensorsteuervorrichtung 3 ist derart konfiguriert, dass in einer Phase, bevor die Hauptverarbeitung von 3 nach dem Starten des Verbrennungsmotors zuerst ausgeführt wird, die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 die erste Bezugsspannung (z. B. 450 mV) verwendet und die Pumpenstrom-Ansteuerschaltung 32 die Zufuhr des Ip-Stroms zu der Ip-Zelle steuert.
Wenn wie in 3 gezeigt die Hauptverarbeitung in der Sensorsteuervorrichtung 3 gestartet wird, bestimmt die CPU 6 zuerst, ob das in den Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 Eingeführte, zu prüfende Gas Luft ist (S1). In dieser Ausführungsform wird auf der Basis davon, ob der Mikrocomputer 9 (die CPU 6) ein Signal (nachfolgend als „Kraftstoffunterbrechungssignal” bezeichnet) empfängt, das eine Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr in dem Verbrennungsmotorsystem 100 angibt, bestimmt, ob das zu prüfende Gas Luft ist. Der Mikrocomputer 9 empfängt also von der ECU 5 mit vorbestimmten Intervallen das Signal, das angibt, ob eine Kraftstoffzufuhr in dem Verbrennungsmotorsystem 100 durchgeführt wird. In Übereinstimmung mit einem separat ausgeführten Programm speichert die CPU 6 das empfangene Signal in dem RAM 8. In dem Schritt S1 bestimmt die CPU 6, ob sie das Kraftstoffunterbrechungssignal empfangen hat, indem sie bestimmt, ob das Kraftstoffunterbrechungssignal in dem RAM 8 als das letzte von der ECU 5 empfangene Signal gespeichert ist.
Wenn das Kraftstoffunterbrechungssignal empfangen wird, wird die Kraftstoffzufuhr in dem Verbrennungsmotorsystem 10 gestoppt. Deshalb wird der Abgasdurchgang des Abgasrohrs 102 mit Luft gefüllt. Weil dabei das Sensorelement 10 der Luft ausgesetzt wird, bestimmt die CPU 6, dass das zu prüfende Gas Luft ist (S1: JA). In einer Periode, während der das Kraftstoffunterbrechungssignal kontinuierlich empfangen wird, wird eine durch eine nicht gezeigte Zeitschaltung getaktete Zeit in Übereinstimmung mit einem separat ausgeführten Zeitschaltungs-Aktualisierungsprogramm mit vorbestimmten Intervallen aktualisiert und in dem RAM 8 gespeichert. Die durch die Zeitschaltung getaktete Zeit gibt also die Länge der Periode wieder, während der das Kraftstoffunterbrechungssignal kontinuierlich empfangen wird, d. h. die seit dem Stoppen der Kraftstoffzufuhr (seit der Kraftstoffunterbrechungs-Startzeit) vergangene Zeit.
Wenn die CPU 6 in Schritt S1 bestimmt, dass das zu prüfende Gas Luft ist, bestimmt die CPU 6, ob eine vorbestimmte Zeit ab dem Zeitpunkt, zu dem die Kraftstoffzufuhr in dem Verbrennungsmotorsystem 100 gestoppt wurde, abgelaufen ist oder nicht. In der Verarbeitung von Schritt S3 bestimmt die CPU 6, ob die durch die Zeitschaltung getaktete und in dem RAM 8 gespeicherte Zeit eine in dem ROM 7 gespeicherte vorbestimmte Zeit überschreitet oder nicht. Wenn die CPU 6 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit nach dem Stoppen der Kraftstoffzufuhr abgelaufen ist (S3: JA), ist der Abgasdurchgang des Abgasrohrs 102 ausreichend mit Luft gefüllt und ist das Sensorelement 10 durch Luft umgeben, deren Sauerstoffkonzentration bekannt ist.
Dann schreitet die CPU 6 zu Schritt S5 fort, um über die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpenstrom Ip in einem Zustand zu lesen, in dem die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 die erste Bezugsspannung (z. B. 450 mV) verwendet. Der Pumpenstrom Ip in diesem Zustand wird als „Ip_primary” bezeichnet. Der gelesene „Ip_primary” wird in dem RAM 8 gespeichert. Dann führt die CPU 6 eine Verarbeitung zum Wechseln der durch die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 verwendeten Bezugsspannung von der ersten Bezugsspannung zu der zweiten Bezugsspannung (z. B. 1000 mV) durch (S7).
Dann schreitet die CPU 6 zu Schritt S9 fort, um über die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 den zwischen den Elektroden 19 und 20 der Ip-Zelle fließenden Pumpenstrom Ip in einem Zustand zu lesen, in dem die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 die zweite Bezugsspannung verwendet (S9). Der Pumpenstrom Ip in diesem Zustand wird als „IP_secondary” bezeichnet. Der gelesene „IP_secondary” wird in dem RAM 8 gespeichert. Dann führt die CPU 6 eine Verarbeitung zum Wechseln der durch die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 verwendeten Bezugsspannung von der zweiten Bezugsspannung zu der ersten Bezugsspannung durch (S11).
Dann berechnet die CPU 6 den Wassergehalt des zu prüfenden Gases aus den im RAM 8 gespeicherten „Ip_primary” und „IP_secondary” (S13). In Schritt S13 wird „Ip_primary” von „IP_secondary” subtrahiert, um eine Pumpenstromdifferenz zu berechnen, die die aus einer Feuchtigkeit stammende Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (d. h. den Wassergehalt des zu prüfenden Gases) und damit die Feuchtigkeit der als zu prüfendem Gas eingeführten Luft angibt.
Die CPU 6 bestimmt dann einen Korrekturwert, der einen aufgrund der Luftfeuchtigkeit erzeugten Ip-Stromfehler ΔIp wiedergibt, auf der Basis des oben beschriebenen „Ip_primary” und des in Schritt S13 berechneten Wassergehalts (S15). In einer im ROM 7 gespeicherten Feuchtigkeits-Korrekturtabelle sind IP-Stromfehler ΔIp jeweils in Entsprechung zu einer Kombination aus einem durch „Ip_primary” angegebenen Ip-Strom und einem Wassergehalt des zu prüfenden Gases enthalten. In Schritt S15 bestimmt die CPU 6 mit Bezug auf die Feuchtigkeits-Korrekturtabelle aus dem ROM 7 als Korrekturwert einen IP-Stromfehler ΔIp, der einer Kombination aus „Ip_primary” und dem Wassergehalt entspricht. Der in Schritt S15 bestimmte Korrekturwert wird in einem vorbestimmten Speicherbereich des RAM 8 gesetzt.
Vorzugsweise wird der für die Berechnung des Wassergehalts in Schritt S13 verwendete „Ip_primary” in Schritt S5 und damit unmittelbar vor dem Schritt S7 gelesen, in dem der durch die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 verwendete Bezugswert von der ersten Bezugsspannung zu der zweiten Bezugsspannung wechselt. Die Zeitdifferenz zwischen der Erfassungszeit von „Ip_primary” und der Erfassungszeit von „Ip_secondary” kann also reduziert werden, um das Problem, dass sich die Feuchtigkeit zwischen der Erfassung von „Ip_primary” und „IP_secondary” ändert, zu vermeiden.
Die Feuchtigkeits-Korrekturtabelle von ROM 7 wird durch eine Abtastung der Ausgabe aus dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 wie weiter unten beschrieben gefüllt. In einem Zustand, in dem der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 unter einer gegebenen Temperaturbedingung der Luft ausgesetzt ist, wird der in Übereinstimmung mit der gewechselten Bezugsspannung ausgegebene Pumpenstrom Ip erfasst, während nur die Feuchtigkeitsbedingung variiert wird. Aufgrund von individuellen Differenzen des Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 hinsichtlich der Leistung usw. kann die Größe des Pumpenstroms Ip zwischen einer Vielzahl von derartigen Sensoren variieren, wenn dieselbe Bezugsspannung für die Steuerung verwendet wird. Deshalb wird vorzugsweise eine Abtastung der Ausgabe des Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensors 1 für eine Vielzahl von Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensoren 1 mit jeweils unterschiedlichen Pumpenstrom-Ip-Ausgabekennlinien durchgeführt.
Mit Bezug auf 4 bis 7 werden im Folgenden die Ergebnisse der oben beschriebenen Abtastung für den Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 beschrieben. 4 bis 7 zeigen die Ergebnisse einer Abtastung, die derart durchgeführt wurde, dass der Pumpenstrom Ip aus dem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 während des Wechselns der Bezugswerts innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erfasst wurde, wobei der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 einer bestimmten Temperaturbedingung (25°C) ausgesetzt wurde und die Feuchtigkeit (relative Feuchtigkeit) der Luft zwischen 20%, 50%, 80% und 100% wechselte. Wenn die Feuchtigkeit (relative Feuchtigkeit) der Luft zwischen 20%, 50%, 80% und 100% wechselte, betrug der Wassergehalt (das Volumenverhältnis) der Luft jeweils 0,38%, 0,95%, 1,52% und 1,89%.
Zum Beispiel geben 4 und 5 die Ergebnisse der Abtastung wieder, die für einen Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 mit einer Tendenz zu einer relativ großen Ip-Stromausgabe durchgeführt wurde. Wenn wie in 4 gezeigt bei diesem Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 die Bezugsspannung von zum Beispiel 80 mV erhöht wird, erhöht sich der Pumpenstrom Ip mit dem Anstieg der Bezugsspannung. Wenn die Bezugsspannung größer als 200 mV wird, wird der Pumpenstrom Ip im wesentlichen stabil, weil der in dem zu prüfenden Gas enthaltene Sauerstoff sich ausreichend durch den soliden Elektrolytkörper 13 bewegen kann. Wenn die Bezugsspannung größer als 900 mV wird, erhöht sich der Pumpenstrom Ip, weil der Sauerstoff an dem soliden Elektrolytkörper 13 von der im dem zu prüfenden Gas enthaltenen Feuchtigkeit dissoziiert werden kann. Je größer die Feuchtigkeit ist, desto stärker steigt der Pumpenstrom Ip an. Und je kleiner die Feuchtigkeit ist, desto schwächer steigt der Pumpenstrom an. Wenn die Bezugsspannung größer als 1000 mV wird, kann der Sauerstoff an dem soliden Elektrolytkörper 13 ausreichend von der in dem zu prüfenden Gas enthaltenen Feuchtigkeit dissoziiert werden.
Mit Bezug auf die Ergebnisse der Abtastung von 4 kann ein Fehler ΔIp, der der Differenz zwischen dem bei der ersten Bezugsspannung (in der vorliegenden Ausführungsform 450 mV) gemessenen Pumpenstrom Ip und dem bei der zweiten Bezugsspannung (in der vorliegenden Ausführungsform 1000 mV) gemessenen Pumpenstrom Ip entspricht, für jede Feuchtigkeitsbedingung, d. h. 20% (Wassergehalt 0,38%), 50% (Wassergehalt 0,95%), 80% (Wassergehalt 1,52%) und 100% (Wassergehalt 1,89%), bestimmt werden. Wie in 5 gezeigt, betragen die Fehler ΔIp des Pumpenstroms Ip unter diesen Bedingungen jeweils 0,0304 mA, 0,779 mA, 0,1242 mA und 0,1504 mA. Wenn also der Wassergehalt (%) durch die x (x-Achse) wiedergegeben wird und der Pumpenstromfehler ΔIp (mA) durch y (y-Achse) wiedergegeben wird, wird die Korrelation zwischen dem Wassergehalt und dem Pumpenfehler ΔIp durch die folgende Korrelationsfunktion wiedergegeben: y = 0,0799x + 0,0011
Dabei wird das Quadrat eines Korrelationskoeffizienten R (R-Quadratwert) wie folgt: R² = 0,9991
6 und 7 geben die Ergebnisse der Abtastung wieder, die für einen Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 mit einer Tendenz zu einer relativ kleinen Ip-Stromausgabe durchgeführt wurde. Wie in 6 gezeigt, ist die Änderung in dem Pumpenstrom Ip in Bezug auf die Größe der Bezugsspannung bei einer Tendenz zu einer relativ kleinen Ip-Stromausgabe identisch wie bei einer Tendenz zu einer relativ großen Ip-Stromausgabe (4).
Mit Bezug auf die Ergebnisse der Abtastung von 6 kann ein Fehler ΔIp, der der Differenz zwischen dem bei der ersten Bezugsspannung (in der vorliegenden Ausführungsform 450 mV) gemessenen Pumpenstrom Ip und dem bei der zweiten Bezugsspannung (in der vorliegenden Ausführungsform 1000 mV) gemessenen Pumpenstrom Ip entspricht, für jede Feuchtigkeitsbedingung, d. h. 20% (Wassergehalt 0,38%), 50% (Wassergehalt 0,95%), 80% (Wassergehalt 1,52%) und 100% (Wassergehalt 1,89%), bestimmt werden. Wie in 7 gezeigt, betragen die Fehler ΔIp des Pumpenstroms Ip unter diesen Bedingungen jeweils 0,0575 mA, 0,1044 mA, 0,1616 mA und 0,2784 mA. Wenn also der Wassergehalt (%) durch die x (x-Achse) wiedergegeben wird und der Pumpenstromfehler ΔIp (mA) durch y (y-Achse) wiedergegeben wird, wird die Korrelation zwischen dem Wassergehalt und dem Pumpenfehler ΔIp durch die folgende Korrelationsfunktion wiedergegeben: y = 0,1368x + 0,0017
Dabei wird das Quadrat eines Korrelationskoeffizienten R (R-Quadratwert) wie folgt: R² = 0,9015
Ein Pumpenstromfehler ΔIp (d. h. ein Korrekturwert) für eine Kombination aus einem Wert des Pumpenstroms Ip und einem Wert des Wassergehalts des zu prüfenden Gases wird zuvor in der Feuchtigkeits-Korrekturtabelle des ROMs 7 auf der Basis der Ergebnisse der oben beschriebenen Abtastung für den Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 gesetzt. Anstelle des Korrekturwerts kann eine Korrelationsfunktion in Entsprechung zu jedem Wert des Pumpenstroms Ip in der Feuchtigkeits-Korrekturtabelle gesetzt werden. In diesem Fall wird in dem oben beschriebenen Schritt S15 ein Pumpenstromfehler ΔIp in Entsprechung zu dem in Schritt S13 berechneten Wassergehalt als ein Korrekturwert auf der Basis einer Korrelationsfunktion in Entsprechung zu „Ip_primary” berechnet.
Nachdem in der Hauptverarbeitung (3) der Korrekturwert bestimmt wurde und in einem vorbestimmten Speicherbereich des RAMs 8 gesetzt wurde, wird die Hauptverarbeitung (3) beendet. In einer separaten Verarbeitung des Mikrocomputers 9 (CPU 6) wird der in dem RAM gesetzte Korrekturwert als ein Korrekturwert (Ip-Stromfehler ΔIp) für den Pumpenstrom Ip verwendet, der über die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 in einem Zustand erfasst wird, in dem die erste Bezugsspannung als Bezugsspannung für die Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung 35 verwendet wird. Sobald also der Korrekturwert in Schritt S15 der Hauptverarbeitung von 3 bestimmt wurde, wird der separat durch den Mikrocomputer 9 (CPU 6) erfasste Pumpenstrom Ip unter Verwendung des Korrekturwerts korrigiert. Weil der Mikrocomputer 9 den unter Verwendung des Korrekturwerts korrigierten Pumpenstrom Ip als ein Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignal zu der ECU 5 ausgibt, kann die ECU 5 eine genaue Sauerstoffkonzentration bzw. ein genaues Luft/Kraftstoff-Verhältnis berechnen, sodass eine präzise Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Rückkopplungssteuerung realisiert werden kann.
Wenn die CPU 6 in der Verarbeitung von 3 bestimmt, dass das zu prüfende Gas keine Luft ist (S1: NEIN), bedeutet dies, dass die Kraftstoffzufuhr in dem Verbrennungsmotorsystem 100 durchgeführt wird und dass der Abgasdurchgang des Abgasrohrs 102 mit Abgas gefüllt ist. Wenn die CPU 6 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeitdauer seit dem Stoppen der Kraftstoffzufuhr noch nicht abgelaufen ist (S3: NEIN), bedeutet dies, dass die Kraftstoffzufuhr gestartet wird, bevor der Abgasdurchgang des Abgasrohrs 102 ausreichend mit Luft gefüllt wurde. Weil in diesen Fällen die Atmosphäre um das Sensorelement 10 herum keine Luft ist, deren Sauerstoffkonzentration bekannt ist, beendet die CPU 6 die Hauptverarbeitung in jedem Fall.
Die CPU 6, die den Schritt S1 in der Hauptverarbeitung des oben beschriebenen Ausführungsform (3) ausführt, entspricht der „Atmosphären-Bestimmungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung; die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 und die CPU 6, die den Schritt S5 ausführen, entsprechen der „ersten Stromerfassungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung; die CPU 6, die die Schritte S7 und S11 ausführt, entspricht der „Spannungssetzeinrichtung” der vorliegenden Erfindung; die Pumpenstrom-Erfassungsschaltung 36 und die CPU 6, die den Schritt S9 ausführen, entsprechen der „zweiten Stromerfassungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung; die CPU 6, die den Schritt S13 ausführt, entspricht der „Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung; und die CPU 6, die den Schritt S15 ausführt, entspricht der „Korrekturwert-Bestimmungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung. Weiterhin entsprechen der Mikrocomputer 9, der den unter Verwendung des Korrekturwerts korrigierten Pumpenstrom Ip als ein Sauerstoffkonzentrations-Erfassungssignal zu der ECU 5 ausgibt, und die ECU 5, die die Sauerstoffkonzentration und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis des Erfassungssignals berechnet, entspricht der „Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben im Detail beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedener Weise modifiziert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Die oben beschriebene Ausführungsform erläutert einen Fall, in dem der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases als ein Gassensor zum Erfassen der Konzentration einer spezifischen Komponente des zu prüfenden Gases verwendet wird, wobei die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Wenn zum Beispiel ein NOx-Sensor zum Erfassen der NOx-Konzentration des zu prüfenden Gases verwendet wird, kann die Feuchtigkeitskorrektur in der oben beschriebenen Weise durchgeführt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Bestimmung, ob das zu prüfende Gas Luft ist oder nicht, auf der Basis eines Kraftstoffunterbrechungssignals ausgeführt, das ausgegeben wird, wenn die Kraftstoffzufuhr zu dem Verbrennungsmotor unterbrochen wird. Das Verfahren zum Bestimmen, ob das zu prüfende Gas Luft ist oder nicht, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn der Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor 1 zum Beispiel eine Vorrichtung umfasst, die ein Gas für die Korrektur mit einer bekannten Sauerstoffkonzentration in einen Raum um das Sensorelement 10 herum führen kann, kann die Bestimmung, ob das zu prüfende Gas Luft ist, auf der Basis einer Signalausgabe während des Zuführens des Gases für die Korrektur durchgeführt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Pumpenstrom Ip von der Sensorsteuervorrichtung 3 zu der ECU 5 ausgegeben, wobei die ECU 5 die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) auf der Basis des Pumpenstroms Ip bestimmt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel kann die Ausführungsform derart modifiziert werden, dass der Mikrocomputer 9 (die CPU 6) der Sensorsteuervorrichtung 3 die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) auf der Basis des Pumpenstroms Ip und des in Schritt S15 von 3 bestimmten Korrekturwerts bestimmt und die Sauerstoffkonzentration oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu der ECU 5 ausgibt. In diesem Fall entspricht der Mikrocomputer 9, der die Sauerstoffkonzentration des zu prüfenden Gases (das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases) auf der Basis des Pumpenstroms Ip und des in Schritt S15 von 3 bestimmten Korrekturwerts bestimmt, der „Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung” der vorliegenden Erfindung.
Bezugszeichenliste

1: Vollbereich-Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Sensor
3: Sensorsteuervorrichtung
4: Sensoreinheit
9: Mikrocomputer
10: Sensorelement
11: solider Elektrolytkörper
13: solider Elektrolytkörper
23: Gaserfassungskammer
32: Pumpenstrom-Ansteuerschaltung
33: Spannungsausgabeschaltung
35: Bezugsspannungs-Vergleichsschaltung
36: Pumpenstrom-Erfassungsschaltung
100: Verbrennungsmotorsystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 11-148910 [0004]
JP 62-2149 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit einschließlich eines Gassensors, der mit der Vorrichtung verbunden ist und die Konzentration einer spezifischen Komponente eines zu prüfenden Gases und die Feuchtigkeit einer als einem zu prüfendem Gas in den Gassensor eingeführten Luft erfasst, wobei der Gassensor umfasst: eine Sauerstoffkonzentrations-Erfassungszelle, die einen ersten soliden Elektrolytkörper und ein auf dem ersten soliden Elektrolytkörper ausgebildetes Paar von ersten Elektroden enthält, wobei eine der ersten Elektroden in einer Erfassungskammer angeordnet ist, in die das zu prüfende Gas eingeführt wird, während die andere erste Elektrode einer als Bezug dienenden Sauerstoffkonzentrationsatmosphäre ausgesetzt ist, und eine Sauerstoffpumpenzelle, die einen zweiten soliden Elektrolytkörper und ein auf dem zweiten soliden Elektrolytkörper ausgebildetes Paar von zweiten Elektroden enthält, wobei eine der zweiten Elektroden in der Erfassungskammer angeordnet ist, wobei die Sauerstoffpumpenzelle in Übereinstimmung mit einem zwischen dem Paar von zweiten Elektroden fließenden Strom Sauerstoff, der in dem in die Erfassungskammer eingeführten, zu prüfenden Gas enthalten ist, herauspumpt oder Sauerstoff in die Erfassungskammer hineinpumpt, wobei die Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: eine Stromsteuereinrichtung zum Erfassen einer Spannung, die aufgrund einer Differenz zwischen einer Sauerstoffkonzentration in der Erfassungskammer und der Sauerstoffkonzentrationsatmosphäre zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugt wird, und zum Steuern des zwischen dem Paar von zweiten Elektroden fließenden Stroms derart, dass die zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugte Spannung gleich einer Steuerzielspannung wird, eine Atmosphären-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob das zu prüfende Gas Luft ist, eine Spannungssetzeinrichtung zum Setzen der Steuerzielspannung auf eine erste Spannung und zum Setzen der Steuerzielspannung auf eine zweite Spannung, die größer als die erste Spannung ist, wenn die Atmosphären-Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass das zu prüfende Gas Luft ist, eine erste Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines ersten Stroms, der zwischen dem Paar von zweiten Elektroden in einem Zustand fließt, in dem die erste Spannung zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugt wird, eine zweite Stromerfassungseinrichtung zum Erfassen eines zweiten Stroms, der zwischen dem Paar von zweiten Elektroden in einem Zustand fließt, in dem die zweite Spannung zwischen dem Paar von ersten Elektroden erzeugt wird, und eine Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Feuchtigkeit des zu prüfenden Gases auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms, wenn die Atmosphären-Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass das zu prüfende Gas Luft ist, und auf der Basis des durch die zweite Stromerfassungseinrichtung erfassten Stroms, nachdem die erste Spannung durch die Spannungssetzeinrichtung zu der zweiten Spannung geändert wurde.
Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin umfasst: eine Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Konzentration der spezifischen Komponente auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms, und eine Korrekturwert-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen eines Korrekturwerts, der für das Korrigieren der durch die Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung erfassten Konzentration verwendet wird, auf der Basis der durch die Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung erfassten Feuchtigkeit und auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms, wenn die Atmosphären-Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass das zu prüfende Gas Luft ist.
Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung die Feuchtigkeit auf der Basis einer Differenz erhält, die durch das Subtrahieren des ersten Stroms von dem zweiten Strom erhalten wird.
Vorrichtung zum Erfassen der Gaskonzentration/der Feuchtigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feuchtigkeits-Erfassungseinrichtung die Feuchtigkeit auf der Basis des durch die erste Stromerfassungseinrichtung erfassten ersten Stroms unmittelbar vor dem Setzen der Steuerzielspannung zu der zweiten Spannung erfasst.