DE112018002725T5

DE112018002725T5 - Gassensor-steuervorrichtung

Info

Publication number: DE112018002725T5
Application number: DE112018002725.2T
Authority: DE
Inventors: Tadakatsu KOYABU; Yuki Murayama; Ryozo Kayama; Akari HASEGAWA; Hiroaki YOTO; Manabu Yoshidome
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2020-02-20
Also published as: JP6708168B2; WO2018216808A1; JP2018200229A

Abstract

Ein Gassensor weist das Folgende auf: eine Pumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einem durch Spannungsbeaufschlagung in eine Gaskammer eingeleiteten Detektionszielgas einstellt; eine Sensorzelle, die eine Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in der Gaskammer nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle detektiert; und eine Monitorzelle, die eine Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer erfasst. Jede der SCUs 31 bis 33 beinhaltet: eine Spannungsschalteinheit (M11), die eine angelegte Spannung einer Pumpzelle schaltet; eine Erfassungseinheit (M12), die einen Ausgang der Sensorzelle und einen Ausgang der Monitorzelle erfasst, wenn die angelegte Spannung durch die Spannungsschalteinheit geschaltet wird; und eine Verschlechterungsbestimmungseinheit (M13), die einen Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf dem Ausgang der Sensorzelle und dem Ausgang der von der Erfassungseinheit erfassten Monitorzelle bestimmt.

Description

[Querverweis auf eine zugehörige Anmeldung]
Diese Anmeldung basiert auf der am 26. Mai 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-104901 , deren Beschreibung hierin durch Verweis aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Gassensor-Steuervorrichtung.
Stand der Technik
Als Gassensor, der die Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in einem Detektionszielgas, wie beispielsweise Abgas aus einem Verbrennungsmotor, erfasst, ist ein NOx-Sensor bekannt, der die Konzentration von NOx (Stickoxiden) erfasst. Der NOx-Sensor weist eine Drei-Zellen-Struktur auf, die aus einer Pumpzelle, einer Monitorzelle und einer Sensorzelle gebildet wird, wie beispielsweise in PTL 1 beschrieben. Die Pumpzelle entlädt oder fördert den Sauerstoff aus dem in eine Gaskammer eingeleiteten Abgas. Die Monitorzelle detektiert die Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer nach dem Durchgang durch die Pumpzelle. Die Sensorzelle detektiert die NOx-Konzentration des Gases nach dem Durchgang durch die Pumpzelle.
Der verschlechterte NOx-Sensor kann die NOx-Konzentration nicht genau erfassen. Wenn der NOx-Sensor in das Abgassystem eines Automobils eingebaut wird, besteht daher die Möglichkeit, dass das Abgassystem an einem Ausfall wie beispielsweise einer verminderten Abgasemission leidet. So gab es konventionell vorgeschlagene Methoden für die Diagnose der Verschlechterung eines NOx-Sensors. So offenbart beispielsweise PTL 1 ein Verfahren, mit dem eine an die Pumpzelle angelegte Spannung zwangsweise geschaltet und die Verschlechterung des NOx-Sensors basierend auf dem Betrag einer Änderung der zu diesem Zeitpunkt ausgegebenen Sensorzellenleistung diagnostiziert wird.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur
[PTL 1] JP 2009-175013 A
[Kurzfassung der Erfindung]
Nach dem vorgenannten konventionellen Verschlechterungsdiagnoseverfahren wird die Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer durch Schalten der an die Pumpzelle angelegten Spannung bewusst verändert und die Verschlechterungsdiagnose der Sensorzelle wird basierend auf einer transienten Reaktion der Sensorzelle zusammen mit einer Änderung der Restsauerstoffkonzentration durchgeführt. Nach dem Schalten der angelegte Spannung der Pumpzelle kann jedoch, wenn die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer nicht richtig eingestellt ist, die Änderung des Ausgangs der Sensorzelle beeinflusst werden. In diesem Fall kann die Genauigkeit der Verschlechterungsdiagnose der Sensorzelle abnehmen.
Die vorliegende Offenbarung wurde unter Berücksichtigung der vorgenannten Punkte erstellt. Ein Hauptgegenstand der vorliegenden Offenbarung ist die Bereitstellung einer Gassensor-Steuervorrichtung, die den Verschlechterungszustand der Sensorzelle ordnungsgemäß bestimmt.
Um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist das vorliegende Mittel eine Steuervorrichtung, die auf einen Gassensor angewendet wird, mit: einer Pumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einem durch Spannungsbeaufschlagung in eine Gaskammer eingeleiteten Detektionszielgas einstellt; einer Sensorzelle, die eine Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in der Gaskammer nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle erfasst bzw. detektiert; und einer Monitorzelle, die eine Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer erfasst, wobei die Steuervorrichtung eine mit dem Gassensor verbundene Steuerung durchführt. Die Steuervorrichtung beinhaltet: eine Spannungsschalteinheit, die eine angelegte Spannung an die Pumpzelle schaltet; eine Erfassungseinheit, die, wenn die angelegte Spannung durch die Spannungsschalteinheit geschaltet wird, einen Ausgang der Sensorzelle und einen Ausgang der Monitorzelle erfasst; und eine Verschlechterungsbestimmungseinheit, die einen Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf dem Ausgang der Sensorzelle und dem Ausgang der von der Erfassungseinheit erfassten Monitorzelle bestimmt.
In einem Gassensor kann bei der Durchführung einer Verschlechterungsbestimmung einer Sensorzelle basierend auf der Ausgangsreaktion der Sensorzelle die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle basierend auf der Ausgangsänderung der Sensorzelle entsprechend der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer nach dem Schalten der Pumpzelle unter Spannung negativ beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang werden gemäß der vorstehenden Konfiguration, wenn die angelegte Spannung durch die Spannungsschalteinheit geschaltet wird, der Sensorzellenausgang und der Monitorzellenausgang erfasst und der Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf dem Sensorzellenausgang und dem Monitorzellenausgang bestimmt. In diesem Fall kann die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle durchgeführt werden, nachdem die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer aus dem Ausgang der Monitorzelle korrekt erfasst wurde. Dadurch ist es möglich, den Verschlechterungszustand der Sensorzelle richtig zu bestimmen.
Figurenliste
Die vorgenannten und andere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die folgenden detaillierten Beschreibungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind wie folgt:

1 ist ein Diagramm, das eine Systemkonfiguration eines Motorabgassystems veranschaulicht;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Konfiguration eines NOx-Sensors;
3 ist eine Querschnittsansicht von 2 entlang der Linie III-III;
4 ist ein Diagramm zur Beschreibung von Änderungen der transienten Eigenschaften des Ausgangs einer Sensorzelle aufgrund einer Verschlechterung des NOx-Sensors;
5 ist ein Diagramm, das einen Startpunkt und einen Endpunkt veranschaulicht, die bei der Berechnung eines Gradientenparameters verwendet werden;
6 ist ein Funktionsblockdiagramm einer SCU und eines Steuergeräts;
7 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle;
8 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Änderungsmenge eines Pumpzellenstroms und einem Konvergenzwert des Monitorzellenstroms veranschaulicht;
9 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem aktuellen Konvergenzwert der Monitorzelle und einem Anfangsgradienten veranschaulicht;
10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis, einem aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle und einer Verschlechterungsrate darstellt;
11 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Verschlechterungsbestimmung einer Sensorzelle in einer zweiten Ausführungsform;
12 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Änderungsmenge eines Pumpzellenstroms und einem anfänglichen Gradienten veranschaulicht;
13 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Verschlechterungsbestimmung einer Sensorzelle in einer dritten Ausführungsform;
14 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Monitorzellenstrom und einem Sensorzellenstrom veranschaulicht;
15 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Verschlechterungsbestimmung einer Sensorzelle in einer vierten Ausführungsform; und
16 ist eine Querschnittsansicht einer Konfiguration eines anderen NOx-Sensors.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Im Folgenden werden Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den vorliegenden Ausführungsformen ist in einem System, in dem die von einem Fahrzeug-Dieselmotor emittierten Abgase als Detektionszielgas und die NOx-Konzentration im Abgas durch einen NOx-Sensor erfasst wird, eine Gassensor-Steuervorrichtung implementiert, um eine Steuerung in Bezug auf den NOx-Sensor durchzuführen. Identische oder gleichwertige Komponenten in den folgenden Ausführungsformen werden mit den gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen dargestellt, und Beschreibungen der Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen werden durch Bezugnahme aufgenommen.
(Erste Ausführungsform)
Wie in 1 dargestellt, ist auf der Abgasseite eines Motors 10, der ein Dieselmotor zur Reinigung des Abgases ist, ein Abgasreinigungssystem vorgesehen. Das Abgasreinigungssystem ist so konfiguriert, dass der Motor 10 mit einem Abgasrohr 11 verbunden ist, das einen Abgasweg bildet, und das Abgasrohr 11 ist mit einem Oxidationskatalysator 12 und einem selektiven Katalysator (im Folgenden kurz SCR-Katalysator genannt) 13 in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors 10 versehen. Der Oxidationskatalysator 12 weist einen Dieseloxidationskatalysator 14 und einen Dieselpartikelfilter (DPF) 15 auf. Der selektive SCR-Katalysator 13 weist einen SCR-Katalysator 16 als selektiven Reduktionskatalysator auf. Das Abgasrohr 11 ist mit einem wässrigen Harnstoffzusatzventil 17 versehen, um wässrigen Harnstoff (wässrige Harnstofflösung) als Reduktionsmittel in das Abgasrohr 11 zwischen dem Oxidationskatalysator 12 und dem SCR-Katalysator 13 zuzuführen.
Im Oxidationskatalysator 12 besteht der Dieseloxidationskatalysator 14 hauptsächlich aus einem keramischen Träger, einer Oxidmischung, die Aluminiumoxid, Cerdioxid und Zirkoniumdioxid als Bestandteile enthält, und einem Edelmetallkatalysator wie Platin, Palladium oder Rhodium. Der Dieseloxidationskatalysator 14 oxidiert und reinigt Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickoxid und andere im Abgas enthaltene Stoffe. Der Dieseloxidationskatalysator 14 erhöht auch die Abgastemperatur durch Wärmeerzeugung zum Zeitpunkt der katalytischen Reaktion.
Das DPF 15 ist aus einer Wabenstruktur gebildet, in der ein Platingruppen-Katalysator wie Platin oder Palladium in poröser Keramik getragen wird. Der DPF 15 sammelt die im Abgas enthaltenen Partikel, indem er sie an den Trennwänden der Wabenstruktur ansammelt. Die angesammelten Partikelstoffe werden oxidiert und durch Verbrennung gereinigt. Die Verbrennung erfolgt unter Verwendung der Temperaturerhöhung des Dieseloxidationskatalysators 14 und der durch ein Additiv verursachten Verringerung der Verbrennungstemperatur der teilchenförmigen Stoffe.
Der SCR-Katalysator 13 ist eine Nachbehandlungsvorrichtung des Oxidationskatalysators 12, die NOx zu Stickstoff und Wasser reduziert. Der SCR-Katalysator 16 ist beispielsweise ein Katalysator, bei dem ein Edelmetall wie Pt auf der Oberfläche eines Basismaterials wie Zeolith oder Aluminiumoxid getragen wird. Wenn die Katalysatortemperatur in einem aktiven Temperaturbereich liegt, reduziert und reinigt der SCR-Katalysator 16 NOx unter Zusatz von Harnstoff als Reduktionsmittel.
Das Abgasrohr 11 ist mit Begrenzungsstrom-NOx-Sensoren 21, 22 und 23 als Gassensoren jeweils stromaufwärts des Oxidationskatalysators 12, stromaufwärts des wässrigen Harnstoffzusatzventils 17 zwischen dem Oxidationskatalysator 12 und dem SCR-Katalysator 13 und stromabwärts des SCR-Katalysators 13 versehen. Die NOx-Sensoren 21 bis 23 erfassen die NOx-Konzentration im Abgas an ihren jeweiligen Erfassungspositionen. Die Positionen und Anzahl der NOx-Sensoren im Motorabgassystem können beliebig eingestellt werden.
Die NOx-Sensoren 21 bis 23 sind jeweils mit den Sensorsteuergeräten (SCUs) 31, 32 und 33 verbunden. Detektionssignale der NOx-Sensoren 21 bis 23 werden gegebenenfalls an die entsprechenden SCUs 31 bis 33 ausgegeben. Die SCUs 31 bis 33 sind elektronische Steuergeräte, die jeweils einen Mikrocomputer mit einer CPU und verschiedenen Speichern und deren Peripherieschaltungen beinhalten und die Sauerstoff-(O2)-Konzentration und die NOx-Konzentration als Konzentration einer bestimmten Gaskomponente im Abgas berechnen, basierend auf den Detektionssignalen (Grenzstromsignalen) der NOx-Sensoren 21 bis 23.
Die SCUs 31 bis 33 sind über die Kommunikationsleitung 34 mit einer Kommunikationsleitung 34 wie dem CAN-Bus und mit verschiedenen Steuergeräten (z.B. dem Motor-ECU 35) verbunden. Das heißt, die SCUs 31 bis 33 und das Motorsteuergerät 35 können über die Kommunikationsleitung 34 gegenseitig Informationen senden und empfangen. So übertragen beispielsweise die SCUs 31 bis 33 Informationen über die Sauerstoffkonzentration und die NOx-Konzentration im Abgas an das Motorsteuergerät 35. Der Motor ECU 35 ist eine elektronische Steuervorrichtung mit einem Mikrocomputer mit einer CPU und verschiedenen Speichern und deren Peripherieschaltungen, die den Motor 10 und verschiedene Vorrichtungen im Abgassystem steuert. Das Motorsteuergerät 35 führt eine Kraftstoffeinspritzregelung durch und andere, die beispielsweise auf einer Gaspedalöffnung und einer Motordrehzahl basieren.
Darüber hinaus steuert das Motorsteuergerät 35 die Zugabe von wässrigem Harnstoff mit dem wässrigen Harnstoffzusatzventil 17 basierend auf der von den NOx-Sensoren 21 bis 23 erfassten NOx-Konzentration. Die Kontrolle der Zugabe von wässrigem Harnstoff wird kurz beschrieben. Das Motorsteuergerät 35 berechnet die additive Menge an wässrigem Harnstoff basierend auf der NOx-Konzentration, die von den NOx-Sensoren 21 und 22 stromaufwärts des SCR-Katalysators 13 erfasst wird, und führt eine Rückkopplungskorrektur der additiven Menge an wässrigem Harnstoff durch, sodass der Wert der NOx-Konzentration, die vom NOx-Sensor 23 stromabwärts des SCR-Katalysators 13 erfasst wird, so klein wie möglich wird. Anschließend steuert das Motor-ECU 35 das Antreiben des wässrigen Harnstoff-Additivventils 17 basierend auf der Additivmenge an wässrigem Harnstoff.
Als nächstes wird eine Konfiguration der NOx-Sensoren 21 bis 23 beschrieben. Die NOx-Sensoren 21 bis 23 sind in der Konfiguration gleich, daher wird hier die Konfiguration des NOx-Sensors 21 beschrieben. Die 2 und 3 sind Diagramme, die eine innere Struktur eines Sensorelements 40 darstellen, das den NOx-Sensor 21 bildet. Die längere Seite des Sensorelements 40 erstreckt sich in der Zeichnung entlang der rechten/linken Richtung, und das vordere Ende des Sensorelements 40 befindet sich auf der linken Seite der Zeichnung. Das Sensorelement 40 weist eine Drei-Zellen-Struktur auf, die eine Pumpzelle 41, eine Sensorzelle 42 und eine Monitorzelle 43 beinhaltet. Die Monitorzelle 43 hat die Funktion, sowohl aus einem Gas als auch aus der Pumpzelle 41 Sauerstoff abzuleiten und kann auch als Hilfspumpenzelle oder zweite Pumpzelle bezeichnet werden.
Das Sensorelement 40 beinhaltet einen ersten Hauptkörperteil 51 und einen zweiten Hauptkörperteil 52 aus einem Isolator, wie beispielsweise Aluminiumoxid, einen Festelektrolytkörper 53, der zwischen den Hauptkörperteilen 51 und 52 angeordnet ist, einen diffusen Widerstand 54, eine Pumpzellenelektrode 55, eine Sensorzellenelektrode 56, eine Monitorzellenelektrode 57, eine gemeinsame Elektrode 58 und eine Heizung 59. Zwischen dem ersten Hauptkörperteil 51 und dem Festelektrolytkörper 53 ist eine Gaskammer 61 als Konzentrationsmesskammer ausgebildet, und zwischen dem zweiten Hauptkörperteil 52 und dem Festelektrolytkörper 53 ist eine Luftkammer 62 als Standardgaskammer ausgebildet.
Die Pumpzelle 41 passt die Sauerstoffkonzentration im in die Gaskammer 61 eingeleiteten Abgas an und ist aus der Pumpzellenelektrode 55, der gemeinsamen Elektrode 58 und einem Teil des Festelektrolytkörpers 53 gebildet. Die Sensorzelle 42 detektiert die Konzentration einer vorbestimmten Gaskomponente (NOx-Konzentration) in der Gaskammer 61 basierend auf einem zwischen der Sensorzellenelektrode 56 und der gemeinsamen Elektrode 58 fließenden Sauerstoffionenstrom und ist aus der Sensorzellenelektrode 56, der gemeinsamen Elektrode 58 und einem Teil des Festelektrolytkörpers 53 gebildet. Die Monitorzelle 43 detektiert die Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer 61 basierend auf einem zwischen der Monitorzellenelektrode 57 und der gemeinsamen Elektrode 58 fließenden Sauerstoffionenstrom und ist aus der Monitorzellenelektrode 57, der gemeinsamen Elektrode 58 und einem Teil des Festelektrolytkörpers 53 gebildet.
Der Festelektrolytkörper 53 ist ein plattenförmiges Element, das aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial wie Zirkonoxid gebildet wird. Das erste Hauptkörperteil 51 und das zweite Hauptkörperteil 52 sind auf beiden Seiten des Festelektrolytkörpers 53 angeordnet. Das erste Hauptkörperteil 51 ist auf der Seite des Festelektrolytkörpers 53 getreten, und die Stufe bildet einen konkaven Abschnitt, der die Gaskammer 61 bildet. Eine Seitenfläche des konkaven Abschnitts im ersten Hauptkörperteil 51 wird geöffnet, und der diffuse Widerstand 54 ist auf der einen geöffneten Seitenfläche angeordnet. Der diffundierte Widerstand 54 besteht aus einem porösen Material oder einem Material mit feinen Poren. Die Geschwindigkeit des in die Gaskammer 61 eingeleiteten Abgases wird durch die Wirkung des diffundierten Widerstandes 54 geregelt.
Ebenso wird das zweite Hauptkörperteil 52 auf die Seite des Festelektrolytkörpers 53 getreten, und die Stufe bildet einen konkaven Abschnitt, der die Luftkammer 62 bildet. Eine Seitenfläche der Luftkammer 62 ist geöffnet. Das von der Seite des Festelektrolytkörpers 53 in die Luftkammer 62 eingeleitete Gas wird an die Atmosphäre abgegeben.
Die kathodenseitige Pumpzellenelektrode 55, die Sensorzellenelektrode 56 und die Monitorzellenelektrode 57 sind auf der der Gaskammer 61 zugewandten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 53 vorgesehen. In diesem Fall ist die Pumpzellenelektrode 55 auf der Eingangsseite der Gaskammer 61 in der Nähe des diffusen Widerstandes 54, also stromaufwärts der Gaskammer 61, angeordnet. Die Sensorzellenelektrode 56 und die Monitorzellenelektrode 57 sind auf der gegenüberliegenden Seite des diffusen Widerstandes 54 mit der Pumpzellenelektrode 55 dazwischen, d.h. stromabwärts der Gaskammer 61, angeordnet. Die Pumpzellenelektrode 55 weist eine größere Oberfläche auf als die der Sensorzellenelektrode 56 und der Monitorzellenelektrode 57. Die Sensorzellenelektrode 56 und die Monitorzellenelektrode 57 sind an Positionen angeordnet, die nahe beieinander liegen und in Bezug auf die Strömungsrichtung des Abgases gleich sind. Die Pumpzellenelektrode 55 und die Monitorzellenelektrode 57 sind Elektroden aus einem Edelmetall, das gegenüber NOx wie Au-Pt inaktiv ist (Elektroden, die weniger in der Lage sind, NOx zu zersetzen), während die Sensorzellenelektrode 56 eine Elektrode aus einem gegenüber NOx aktiven Edelmetall wie Platin Pt oder Rhodium Rh ist.
Die anodenseitige gemeinsame Elektrode 58 ist auf der der Luftkammer 62 zugewandten Oberfläche des Festelektrolytkörpers 53 an einer Position entsprechend den kathodenseitigen Elektroden 55 bis 57 vorgesehen.
Wenn eine Spannung zwischen der Pumpzellenelektrode 55 und der gemeinsamen Elektrode 58 angelegt wird, wird der im Abgas in der Gaskammer 61 enthaltene Sauerstoff durch die kathodenseitige Pumpzellenelektrode 55 ionisiert. Dann bewegen sich die Sauerstoffionen im Festelektrolytkörper 53 in Richtung der anodenseitigen gemeinsamen Elektrode 58, und die Sauerstoffionen in der gemeinsamen Elektrode 58 setzen elektrische Ladung frei und werden zu Sauerstoff. Der Sauerstoff wird in die Luftkammer 62 abgegeben. Dementsprechend wird die Gaskammer 61 in einem vorgegebenen sauerstoffarmen Zustand gehalten.
Da die an die Pumpzelle 41 angelegte Spannung (d.h. die angelegte Spannung zwischen der Pumpzellenelektrode 55 und der gemeinsamen Elektrode 58) höher ist, wird die von der Pumpzelle 41 aus dem Abgas abgegebene Sauerstoffmenge größer. Umgekehrt, da die an die Pumpzelle 41 angelegte Spannung niedriger ist, wird die Menge an Sauerstoff, die von der Pumpzelle 41 aus dem Abgas abgegeben wird, kleiner. Daher ermöglicht das Erhöhen oder Verringern der an die Pumpzelle 41 angelegten Spannung, die Menge des Restsauerstoffs im Abgas zu erhöhen oder zu verringern, der in die nachfolgende Sensorzelle 42 und Monitorzelle 43 strömt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die an die Pumpzelle 41 angelegte Spannung als Pumpzellenanlegte Spannung Vp bezeichnet, und der von der Pumpzelle 41 im spannungsangelegten Zustand ausgegebene Strom wird als Pumpzellenstrom Ip bezeichnet.
Die Monitorzelle 43 detektiert die Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer 61, nachdem der Sauerstoff durch die Pumpzelle 41 abgeführt wurde. Zu diesem Zeitpunkt gibt die Monitorzelle 43 als Detektionssignal der Restsauerstoffkonzentration ein durch das Anlegen der Spannung erzeugtes Stromsignal oder ein elektromotorisches Signal entsprechend der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 aus. Der Ausgang der Monitorzelle 43 wird von den SCUs 31 bis 33 als Monitorzellenstrom Im oder als elektromotorische Kraft Vm der Monitorzelle erfasst.
Nachdem der Sauerstoff durch die Pumpzelle 41 abgeführt wurde, unterzieht die Sensorzelle 42 das NOx im Abgas zusammen mit der Spannungsbeaufschlagung einer reduktiven Zersetzung und gibt ein Stromsignal entsprechend der NOx-Konzentration und der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 aus. Der Ausgang der Sensorzelle 42 wird als Sensorzellenstrom Is von den SCUs 31 bis 33 erfasst. Die SCUs 31 bis 33 berechnen die NOx-Konzentration im Abgas aus dem Sensorzellenstrom Is.
In der Sensorzelle 42, auch wenn die Konzentration des Detektionszielgases im Abgas gleich ist, neigt die transiente Reaktionsfähigkeit des Sensorzellenstroms Is als Ausgang der Sensorzelle 42 dazu, unter Einfluss von Verschlechterungen mit der Zeit oder dergleichen zu variieren. Diese Tendenz wird mit Bezug auf 4 beschrieben. 4 veranschaulicht schematisch Übergänge mit der Zeit von (a) der angelegten Spannung Vp der Pumpzelle, (b) dem Strom Ip der Pumpzelle, (c) dem Strom Is der Sensorzelle und (d) dem Strom Im der Monitorzelle. Im Folgenden wird der Fall der Durchführung einer ersten Spannungsschaltung beschrieben, bei der die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle zum Erhöhen der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 geschaltet wird, und eine zweite Spannungsschaltung, bei der die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle zum Verringern der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 nach der Durchführung der ersten Spannungsschaltung geschaltet wird.
Unter Bezugnahme auf 4, zum Zeitpunkt t1, wird die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle stufenweise von Vp0 auf Vp1 als erste Spannungsschaltung (Vp0 >Vp1) geschaltet. Dementsprechend ändert und verringert sich der Strom Ip der Pumpzelle, um dadurch die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 zu erhöhen. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich der Strom Ip der Pumpzelle mit dem Nachlaufen von Ip0 und konvergiert auf Ip1. In der Sensorzelle 42 und der Monitorzelle 43 erhöhen sich der Sensorzellenstrom Is und der Monitorzellenstrom Im durch eine transiente Reaktion entsprechend der Erhöhung der Restsauerstoffkonzentration auf einen stationären Wert.
4(c) veranschaulicht zwei Arten von transienten Ansprechverhalten des Sensorzellenstroms entsprechend der Abnahme der angelegten Spannung Vp der Pumpzelle, d.h. der Eigenschaften zum Zeitpunkt der Herstellung des NOx-Sensors (Anfangseigenschaften) und der Eigenschaften mit dem NOx-Sensor verschlechtert (Nachverschlechterungseigenschaften). In 4(c) werden die Anfangsmerkmale durch eine durchgezogene Linie und die Verschlechterungszeitmerkmale durch eine einpunktige Kettenlinie dargestellt. 4(c) zeigt, dass eine Differenz zwischen den Anfangseigenschaften und den Verschlechterungseigenschaften des Stromes der Sensorzelle auftritt, auch wenn das der Sensorzelle 42 zugeführte Abgas die gleiche Sauerstoffkonzentration aufweist. In diesem Fall ist zunächst einmal der stationäre Wert der Verschlechterungszeitmerkmale tendenziell kleiner als der stationäre Wert der ursprünglichen Merkmale. Zweitens ist der Anstieg der Verschlechterungszeitmerkmale tendenziell langsamer als der Anstieg der ursprünglichen Merkmale. So ist beispielsweise bei Gradienten der Merkmale in einer Periode Ta während einer transienten Änderung ein Gradient A11 der Verschlechterungszeitmerkmale kleiner als ein Gradient A10 der Ausgangsmerkmale. Die Periode Ta bezieht sich auf eine Zeitspanne zwischen einem Startpunkt P1 und einem Endpunkt P2 der transienten Reaktion auf das Schalten der Pumpzelle mit angelegter Spannung Vp. Diese Tendenzen werden mit dem Fortschreiten der Verschlechterung der Sensorzelle 42 immer deutlicher.
Unter Bezugnahme auf 4, zum Zeitpunkt t2, wird die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle stufenweise von Vp1 auf Vp2 als zweite Spannungsschaltung (Vp1 <Vp2) geschaltet. Dementsprechend steigt der Strom Ip der Pumpzelle an, um dadurch die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 zu reduzieren. Darüber hinaus ändern und verringern sich der Sensorzellenstrom Is und die Monitorzelle Im entsprechend der Reduzierung der Restsauerstoffkonzentration auf ihre jeweiligen stationären Werte.
Bei der Durchführung der ersten Spannungsumschaltung beziehen sich der Startpunkt P1 und der Endpunkt P2 auf Zeitpunkte, die in einem vorbestimmten Zeitraum nach dem Schalten der Pumpzelle mit angelegter Spannung Vp und vor der Stabilisierung des Sensorzellenstroms Is liegen. Die als Startpunkt P1 und Endpunkt P2 eingestellten Zeiten werden im Folgenden beschrieben.
Wie in 5 dargestellt, ist der Startpunkt P1 beispielsweise einer der folgenden drei Punkte:

(1) einen Zeitpunkt, mit dem das durch das Schalten der angelegte Spannung Vp der Pumpzelle verursachte Nachlaufen des Pumpzellenstroms Ip einen Nachlauftiefpunkt PL erreicht (ein in 5 dargestellter Punkt P11);
(2) einen Zeitpunkt, mit dem eine Sensorzellenausgangsfluktuationsmenge, die durch das Schalten der Pumpzellenanlegte Spannung Vp verursacht wird, einen vorbestimmten Wert L1 erreicht (ein Punkt P12, der in 5 dargestellt ist); und
(3) ein Timing, mit dem eine vorbestimmte Zeit E1 nach dem Schalten der an die Pumpzelle angelegten Spannung Vp vergeht (ein in 5 dargestellter Punkt P13).

5

P2

(4) ein Timing, mit dem eine vorbestimmte Zeit E2 nach dem Schalten der an die Pumpzelle angelegten Spannung Vp (ein Punkt P21, dargestellt in 5) vergeht; und
(5) einen Zeitpunkt, mit dem die Schwankungsbreite der Sensorzellenausgabe, die durch das Schalten der angelegte Spannung Vp der Pumpzelle verursacht wird, einen vorbestimmten Wert L2 erreicht (ein in 5 veranschaulichter Punkt P22).

Der vorgegebene Wert L1 ist ein Wert, der durch Erhöhen des Stromwertes vor der Spannungsumschaltung um einen vorgegebenen Prozentsatz (z.B. einen von 5 bis 30%) erhalten wird, wobei der Stromänderungsbetrag des Sensorzellenstroms zum Zeitpunkt des Schaltens der von der Pumpzelle angelegten Spannung Vp (Umschalten von Vp0 auf Vp1) auf 100% eingestellt wird, und zwar in gleicher Weise wie diesmal in den Anfangszuständen der NOx-Sensoren 21 bis 23. Der vorgegebene Wert L2 ist größer als der vorgegebene Wert L1, der durch Erhöhen des Stromwertes vor der Spannungsumschaltung um einen vorgegebenen Prozentsatz (z.B. ausgewählt aus 50 bis 95%) erhalten wird.
Unter Berücksichtigung der frühzeitigen Durchführung der Verschlechterungsbestimmung werden sowohl der Startpunkt P1 als auch der Endpunkt P2 vorzugsweise mit möglichst frühen Zeitpunkten eingestellt. In den vorstehenden konkreten Beispielen (1) bis (5) wird es bevorzugt, den Startpunkt P1 auf (1) und den Endpunkt P2 auf (4) zu setzen.
Bei der Durchführung der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 ändert sich die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 durch das Schalten der Pumpzelle mit angelegter Spannung Vp, und die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 wird basierend auf der transienten Reaktion der Sensorzelle 42 auf die Änderung der Restsauerstoffkonzentration durchgeführt. Die Verschlechterungsbestimmung kann jedoch entsprechend der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 nach dem Schalten der Pumpzelle mit angelegter Spannung Vp negativ beeinflusst werden. Wenn beispielsweise unter Bezugnahme auf 4 die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 nach dem Schalten der Pumpzellenspannung Vp (nach Zeit t1) größer als ein angenommener Wert ist, kann die Erfassungsgenauigkeit des Sensorzellenstroms Is als Parameter für die Alterungsbestimmung abnehmen.
So wird in der vorliegenden Ausführungsform beim Schalten der Pumpzellenspannung Vp der Sensorzellenstrom Is und der Monitorzellenstrom Im erfasst und der Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom Is und der Monitorzelle Im bestimmt, um dadurch eine Verringerung der Genauigkeit der Verschleißbestimmung der Sensorzelle 42 zu unterdrücken.
6 ist ein Funktionsblockdiagramm zur Beschreibung der Funktionen der SCUs 31 bis 33. Jede der SCUs 31 bis 33 beinhaltet: eine Spannungsschalteinheit M11, die die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle schaltet; eine Erfassungseinheit M12, die beim Schalten der angelegte Spannung Vp den Sensorzellenstrom Is und den Monitorzellenstrom Im erfasst; und eine Verschlechterungsbestimmungseinheit M13, die den Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im bestimmt.
Die Spannungsschalteinheit M11 führt die erste Spannungsschaltung durch, bei der die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle zum Erhöhen der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 (die Spannungsschaltung von Vp0 auf Vp1 in 4) und die zweite Spannungsschaltung, bei der die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle zum Verringern der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 geschaltet wird (die Spannungsschaltung von Vp1 auf Vp2 in 4). Das heißt, die Spannungsschalteinheit M11 führt einen Spannungsschaltzyklus durch, bei dem die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle verringert und dann erhöht wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die von der Pumpzelle angelegte Spannung Vp stufenweise geschaltet. Die Wellenform der Spannungsänderung kann sich jedoch von einer gestuften Wellenform unterscheiden. Dennoch ist die Wellenform der Spannungsänderung vorzugsweise die gleiche wie zum Zeitpunkt der Messung der Anfangseigenschaften, da die Verschlechterungsbestimmung im Vergleich zu den Anfangseigenschaften durchgeführt wird.
Die Erfassungseinheit M12 erfasst den Sensorzellenstrom Is als Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx unter der Bedingung, dass die Änderung des Monitorzellenstroms Im nach dem Schalten der Pumpzellenspannung Vp durch die Spannungsschalteinheit M11 konvergiert ist, und erfasst einen Gradienten der transienten Änderung des Sensorzellenstroms Is vor der Konvergenz der Änderung des Monitorzellenstroms Im als Gradientenparameter. Die Erfassungseinheit M12 erfasst auch einen Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx.
Die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 bestimmt den Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx und dem Gradienten des Sensorzellenstroms Isx, der von der Erfassungseinheit M12 erfasst wird. In der vorliegenden Ausführungsform berechnet die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 als Verschlechterungsprozess die Verschlechterungsrate C der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx und der Steigung des Sensorzellenstroms Is. In diesem Fall ist der Sensorzellenstrom Konvergenzwert Isx der Sensorzellenstrom Wird nach der Konvergenz der Änderung des Monitorzellenstroms Im seit dem Umschalten der Pumpzellenspannung Vp von Vp0 auf Vp1 erfasst. Darüber hinaus hat der Gradient des Sensorzellenstroms Is einen Wert, der aus einem Stromänderungsbetrag ΔIs pro Zeiteinheit Δt während der transienten Änderung des Sensorzellenstroms berechnet wird. Ist auf das Schalten der an die Pumpzelle angelegten Spannung Vp zurückzuführen.
Kurz gesagt, wenn die Spannungsschalteinheit M11 die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle schaltet, bestimmt die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 den Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im.
Die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 beinhaltet eine Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit, die bestimmt, ob der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert hat, unter Verwendung von Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip und dem Monitorzellenstrom Im zumindest vor oder nach der Spannungsumschaltung definieren. Wenn die Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit nicht bestimmt, dass der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert hat, invalidiert die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42. Die Korrelationsdaten definieren eine Beziehung zwischen einem Änderungsbetrag ΔIp des Pumpzellenstroms Ip zwischen vor und nach der Durchführung der ersten Spannungsschaltung und dem Konvergenzwert Imx des Monitorzellenstroms. Außerdem können die Korrelationsdaten Daten sein, die eine Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip0 vor der Durchführung der ersten Spannungsschaltung und dem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx definieren, oder Daten, die eine Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip1 nach der Durchführung der ersten Spannungsschaltung und dem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imxm definieren. In beiden Fällen definieren die Korrelationsdaten vorzugsweise eine Beziehung entsprechend der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61.
Die Sensorzelle 42 detektiert den Sensorzellenstrom Ist zum Zeitpunkt der allgemeinen NOx-Konzentrationserfassung in einem nA-Orderpegel, erfasst aber den Sensorzellenstrom Ist aufgrund der Restsauerstoffkonzentration zum Zeitpunkt des Schaltens der Pumpzelle aufgrund der zum Zeitpunkt des Schaltens der Pumpzelle angelegten Spannung Vp für die Alterungsbestimmung in einem µA-Orderpegel. In beiden Fällen wird der A/D-Wandlungsstromverarbeitungsbereich in den SCUs 31 bis 33 vorzugsweise zwischen dem Zeitpunkt der NOx-Konzentrationserfassung und dem Zeitpunkt der Verschlechterungsbestimmung umgeschaltet. Zum Zeitpunkt der Verschlechterungsbestimmung wird der aktuelle Verarbeitungsbereich vorzugsweise gegenüber demjenigen zum Zeitpunkt der NOx-Konzentrationsbestimmung erweitert.
Das Motorsteuergerät 35 weist eine Anomalie-Bestimmungseinheit M21 auf, die eine Anomalie aufgrund von Emissionsveränderungen basierend auf den Ergebnissen der Verschlechterungsbestimmung durch die SCUs 31 bis 33 bestimmt. Die Anomalie-Bestimmungseinheit M21 bestimmt Motoremissionsanomalien basierend auf der Verschlechterungsrate C der Sensorzelle 42, die von den Verschlechterungsbestimmungseinheiten M13 der SCUs 31 bis 33 berechnet wird. Die Anomalie-Bestimmungseinheit M21 kann konfiguriert werden, um eine Emissionsanomalie nicht nur basierend auf der Verschlechterungsrate C der Sensorzelle 42 zu bestimmen, sondern auch in umfassender Betrachtung der Ausgänge der NOx-Sensoren 21 bis 23, verschiedener Arten von Sensorinformationen von anderen Sensoren, des Motorbetriebszustands und anderer.
Die Verschlechterungsbestimmung in Bezug auf die NOx-Sensoren 21 bis 23 und die Bestimmung der Emissionsabweichung kann sowohl von den SCUs 31 bis 33 als auch von der Motorsteuerung 35 durchgeführt werden. Die Bestimmung der Emissionsabweichung wird vorzugsweise vom Motor ECU 35 durchgeführt, da die Bestimmung der Emissionsabweichung vorzugsweise mit anderen Elementen als dem Grad der Verschlechterung der NOx-Sensoren 21 bis 23 durchgeführt wird.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 mit Bezug auf das in 7 dargestellte Flussdiagramm beschrieben. Der in 7 dargestellte Prozess ist eine arithmetische Verarbeitung zur Implementierung der in 6 beschriebenen Funktionen der SCUs 31 bis 33, die beispielsweise von den SCUs 31 bis 33 in jedem vorgegebenen Zyklus durchgeführt wird.
In Schritt S10 bestimmt jede der SCUs, ob eine Bedingung für die Durchführung der Verschlechterungsbestimmung erfüllt ist. Die Ausführungsbedingung beinhaltet beispielsweise den Empfang eines Genehmigungssignals, um die Durchführung der Verschlechterungsbestimmung aus dem Motorsteuergerät 35 zu ermöglichen. Das Motorsteuergerät 35 überträgt das Genehmigungssignal, wenn die Gasumgebung im Abgasrohr 11 eine vorbestimmte stabile Umgebung ist. Insbesondere überträgt das Motorsteuergerät 35 das Genehmigungssignal, wenn sich der Motor 10 in einem vorgegebenen Betriebszustand mit einer relativ stabilen Emissionsmenge befindet, oder wenn ein Kraftstoff abgestellt wird, oder unmittelbar nach dem Ausschalten des Zündschalters (unmittelbar nach dem Ausschalten des Zündschalters), oder wenn das Motorsteuergerät 35 durch einen Einweichtimer gestartet wird. Insbesondere ist die Ausführungsbedingung sinnvollerweise auf die Zeit unmittelbar nach der IG-Abschaltung eingestellt. Denn unmittelbar nach der IG-Abschaltung wird der Abgasstrom durch das Abstellen des Motors beendet und die Verschlechterungsbestimmung kann in der stabilen Gasumgebung durchgeführt werden. Wenn die Bedingung für die Durchführung der Verschlechterungsbestimmung erfüllt ist, geht die SCU zum nächsten Schritt S11 über. Wenn die Bedingung für die Durchführung der Verschlechterungsbestimmung nicht erfüllt ist, beendet die SCU diesen Prozess.
In Schritt S11 bestimmt die SCU, ob die erste Spannungsschaltung, d.h. das Schalten der an die Pumpzelle angelegten Spannung Vp zur Erhöhung der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61, durchgeführt werden soll. Zu diesem Zeitpunkt bestimmt jede der SCUs 31 bis 33, ob sich die Sauerstoffkonzentration und die NOx-Konzentration im Abgas in einem stabilen Zustand befinden, in dem die Schwankungsmengen pro Zeiteinheit gleich oder kleiner als vorgegebene Werte sind. Unter der Voraussetzung, dass sich diese Konzentrationen im stabilen Zustand befinden, erlaubt die SCU die Durchführung der ersten Spannungsschaltung. Insbesondere bestimmt die SCU, ob der Schwankungsbetrag des Pumpzellenstroms Ip pro Zeiteinheit gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert und der Schwankungsbetrag des Sensorzellenstroms Is pro Zeiteinheit gleich oder kleiner als ein vorgegebener Wert vor der Durchführung der ersten Spannungsschaltung ist. Wenn sich diese Konzentrationen im stabilen Zustand befinden, nimmt die SCU in Schritt S11 eine bestätigende Bestimmung vor und geht zum nächsten Schritt S12 über. Der Prozess der Bestimmung der Konzentrationsstabilität kann jedoch entfallen.
Jede der SCUs 31 bis 33 kann bestimmen, ob sich entweder die Sauerstoffkonzentration oder die NOx-Konzentration im Abgas in dem stabilen Zustand befindet, in dem die Fluktuationsmenge pro Zeiteinheit gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. In diesem Fall, wenn sich die Sauerstoffkonzentration im Abgas im stabilen Zustand befindet, oder wenn sich die NOx-Konzentration im Abgas im stabilen Zustand befindet, erlaubt die SCU die Durchführung der ersten Spannungsschaltung. Wenn das Abgasrohr 11 mit einem Wechselstromsensor ausgestattet ist, kann die SCU basierend auf dem Erfassungswert des Wechselstromsensors bestimmen, ob sich die Sauerstoffkonzentration im Abgas im stabilen Zustand befindet.
Alternativ kann die SCU die Durchführung der ersten Spannungsschaltung unter der Bedingung gestatten, dass die Sauerstoffkonzentration im Abgas innerhalb eines vorbestimmten Konzentrationsbereichs liegt oder die NOx-Konzentration im Abgas innerhalb eines vorbestimmten Konzentrationsbereichs liegt. In diesem Fall führt die SCU anstelle oder zusätzlich zur Bestimmung, ob die Sauerstoffkonzentration oder die NOx-Konzentration im Abgas stabil ist, vorzugsweise eine Bestimmung durch, ob die Sauerstoffkonzentration oder die NOx-Konzentration innerhalb eines vorgegebenen Konzentrationsbereichs liegt.
In Schritt S11 kann die SCU zusätzlich zu den vorgenannten Bedingungen die Ausführung der ersten Spannungsschaltung unter der Bedingung gestatten, dass keine Ausfallhistorie (Dialoginformationen) in Bezug auf die Motorabgasanlage vorliegt oder dass die Leistungsspannung (Batteriespannung) gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist. Wenn die Leistungsspannung niedriger als ein vorgegebener Wert ist, reicht die Stromverteilung an die Sensorheizung nicht aus, so dass die NOx-Sensoren 21 bis 23 nicht in einem ordnungsgemäßen aktiven Zustand gehalten werden können, was zu einer Verringerung der Genauigkeit der Verschlechterungsbestimmung führt.
Im Falle der Durchführung der ersten Spannungsschaltung detektiert die SCU in Schritt S12 einen Pumpzellenstrom Ip0 als Pumpzellenausgang vor dem Schalten der Pumpzellenanlegte Spannung Vp auf Vp1, d.h. in dem Zustand, in dem die Pumpzellenanlegte Spannung Vp Vp0 ist.
Danach schaltet die SCU in Schritt S13 die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle von Vp0 auf Vp1. Unter Bezugnahme auf das in 4 dargestellte Zeitdiagramm wird dieser Schritt zum Zeitpunkt t1 durchgeführt. Danach detektiert die SCU in Schritt S14 einen Sensorzellenstrom Is1 am Startpunkt P1 und einen Sensorzellenstrom Is2 am Endpunkt P2 in der ersten Spannungsschaltung. In Schritt S15 erkennt bzw. detektiert die SCU den Strom Ip1 der Pumpzelle als Ausgang der Pumpzelle nach dem Schalten der angelegte Spannung Vp der Pumpzelle auf Vp1. Die SCU detektiert den Pumpzellenstrom Ip1 mit einem Timing, wenn eine vorgegebene Zeit ab der Spannungsumschaltung verstrichen ist (Zeit t1), d.h. mit einem Timing, wenn der Pumpzellenstrom Ip stabil wird. Die Erkennungsreihenfolge der Sensorzellenströme Is1 und Is2 und des Pumpzellenstroms Ip1 ist beliebig einstellbar.
Danach erfasst die SCU in Schritt S16 den Sensorzellenstrom Is und den Monitorzellenstrom Im zum Zeitpunkt der Konvergenz der Änderung des Monitorzellenstroms Im nach dem Schalten der Pumpzelle mit angelegter Spannung Vp, als den Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx bzw. den Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx. In diesem Fall, wenn der Änderungsbetrag des Monitorzellenstroms Im pro Zeiteinheit kleiner als ein vorgegebener Wert wird, betrachtet die SCU, dass die Änderung des Monitorzellenstroms Im konvergiert ist, und erfasst den aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und den aktuellen Konvergenzwert der Monitorzelle Imx nach der Konvergenz. Unter Bezugnahme auf das in 4 dargestellte Zeitdiagramm werden der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und der aktuelle Konvergenzwert der Monitorzelle Imx zum Zeitpunkt t11 erfasst.
In Schritt S17 bestimmt die SCU, ob der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert hat, indem sie die Korrelationsdaten verwendet, die die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip und dem Monitorzellenstrom Im definieren. Die Korrelationsdaten sind vordefiniert als das Verhältnis bzw. die Beziehung zwischen dem Änderungsbetrag ΔIp (= Ip0 - Ip1) des Pumpzellenstroms Ip und dem Konvergenzwert Imx des Monitorzellenstroms, wie beispielsweise in 8 dargestellt. In Schritt S17 bestimmt die SCU, ob der Konvergenzwert der Monitorzelle Imx mit der in 8 dargestellten Beziehung übereinstimmt.
Genauer gesagt, unter Bezugnahme auf 8, wird der Standardwert des Monitorzellenstrom-Konvergenzwertes Imx als Imsd gemäß der Änderungsmenge ΔIp des Pumpzellenstroms Ip bestimmt, und ein vorgegebener zulässiger Bereich RA wird gemäß dem Standardwert Imsd bestimmt. Die SCU bestimmt, ob der Konvergenzwert der Monitorzellenstrom-Konvergenz Imx innerhalb des zulässigen Bereichs RA liegt, der gemäß dem Stromänderungswert der Pumpzellen ΔIp bestimmt wird. Wenn der Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx im zulässigen Bereich RA liegt, bestimmt die SCU, dass der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert hat, und wenn der Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx außerhalb des zulässigen Bereichs RA liegt, bestimmt die SCU, dass der Monitorzellenstrom Im keinen Normalwert hat. Wenn der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert hat, geht die SCU zum nächsten Schritt S18 über, und wenn der Monitorzellenstrom Im keinen Normalwert hat, geht die SCU zu Schritt S17a über. In Schritt S17a bestimmt die SCU, dass die Monitorzelle 43 anormal ist, und beendet dann diesen Prozess. Das heißt, wenn der Monitorzellenstrom Im keinen Normalwert hat, wird die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 diesmal ungültig.
In Schritt S18 berechnet die SCU mit der folgenden Gleichung (1) den Gradienten A11 des Sensorzellenstroms Is zum Zeitpunkt einer transienten Reaktion basierend auf einem Stromänderungsbetrag ΔIs1 (= Is2 - Is1) als Differenz zwischen den Sensorzellenströmen Is1 und Is2 am Startpunkt P1 und Endpunkt P2 und auf einer Zeitdifferenz Δt1 zwischen dem Startpunkt P1 und dem Endpunkt P2: $A11 = Δ Is1/ Δ t1$
Die SCU berechnet auch den Gradienten A10 in den in 4 dargestellten Anfangsmerkmalen unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (1).
In Schritt S19 berechnet die SCU einen Gradienten B11, indem sie den Gradienten A11 normiert. In diesem Fall berechnet die SCU aus der folgenden Gleichung (2) den normierten Gradienten B11 basierend auf dem Gradienten A11 des Sensorzellenstroms Is zum Zeitpunkt der transienten Änderung und dem Änderungsbetrag ΔIp1 (= Ip0 - Ip1) des Pumpzellenstroms Ip durch Schalten der Pumpzellenanlegte Spannung Vp: $B11 = A11/ Δ Ip1$
Danach setzt die SCU in Schritt S20 einen Anfangsgradienten B10 des Sensorzellenstroms Is als Bestimmungskriteriumswert, der ein Kriterium für die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 basierend auf dem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx ist. Der Anfangsgradient B10 gibt die anfänglichen Eigenschaften der Sensorzelle 42 an, die beispielsweise über die in 9 dargestellte Beziehung eingestellt wird. Unter Bezugnahme auf 9, da der aktuelle Konvergenzwert der Monitorzelle Imx größer ist, wird der Anfangsgradient B10 auf einen größeren Wert eingestellt.
Danach berechnet die SCU in Schritt S21 die Verschlechterungsrate C (%) der Sensorzelle 42 basierend auf den Gradienten B10 und B11 und dem aktuellen Konvergenzwert Isx der Sensorzelle. Zu diesem Zeitpunkt berechnet die SCU das Verhältnis des Gradienten B11 zum Ausgangsgradienten B10 (B11/B10) als Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis und berechnet die Verschlechterungsrate C der Sensorzelle 42 basierend auf dem Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis B11/B10 und dem aktuellen Konvergenzwert Isx der Sensorzelle unter Verwendung der in 10 beispielsweise dargestellten Beziehung. Das Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis B11/B10 wird als das Verhältnis von Reaktionsgeschwindigkeit zu dem der Sensorzelle 42 zugeführten Sauerstoff bestimmt.
10 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis B11/B10 und der Verschlechterungsrate C, bei der, da das Reaktionsgeschwindigkeitsverhältnis B11/B10 klein ist, d.h. da die Differenz zwischen den Verschlechterungszeitmerkmalen und den anfänglichen Eigenschaften der Sensorzelle 42 größer ist, die Verschlechterungsrate C höher wird. 10 veranschaulicht auch die Beziehung zwischen dem aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und der Verschlechterungsrate C, bei der, wenn der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx kleiner ist, die Verschlechterungsrate C niedriger wird. Es wird daher davon ausgegangen, dass bei kleinerem Konvergenzwert der Sensorzellenstrom Isx die Änderungsbreite der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 durch das Schalten der Pumpzelle mit angelegter Spannung Vp kleiner wird und die transiente Reaktion des Sensorzellenstroms Is langsamer wird. Daher wird die Beziehung zwischen dem aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und der Verschlechterungsrate C, bei der, da der Konvergenzwert der Sensorzelle Isx kleiner ist, die Verschlechterungsrate C niedriger wird, definiert, um eine falsche Bestimmung zu unterdrücken, dass der Verschlechterungsgrad zu hoch ist, obwohl der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx klein ist. Die hohe Verschleißrate C bedeutet, dass der Verschleißgrad der Sensorzelle 42 hoch ist.
Danach überträgt die SCU in Schritt S22 die Verschlechterungsrate C der Sensorzelle 42 an das Motor-ECU 35.
In Schritt S23 bestimmt die SCU, ob die zweite Spannungsschaltung durchgeführt werden soll, d.h. das Schalten der an die Pumpzelle angelegten Spannung Vp, um die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 zu verringern. Im Falle der Durchführung der zweiten Spannungsschaltung geht die SCU zu Schritt S24 über, um die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle von Vp1 auf Vp2 zu schalten. Unter Bezugnahme auf das in 4 dargestellte Zeitdiagramm wird dieser Vorgang zum Zeitpunkt t2 durchgeführt. In der vorliegenden Ausführungsform ist Vp2 = Vp0. Wenn die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle auf Vp2 (Vp0) umgeschaltet wird, wird die Reihe von Schritten in der Verschlechterungsbestimmung beendet.
Nach der Berechnung der Verschlechterungsrate C der Sensorzelle 42 korrigiert jede der SCUs 31 bis 33 den Sensorzellenstrom Is um die Verschlechterungsrate C für jeden der NOx-Sensoren 21 bis 23 zum Zeitpunkt der Erfassung der NOx-Konzentration durch die NOx-Sensoren 21 bis 23 und berechnet die NOx-Konzentration basierend auf dem korrigierten Sensorzellenstrom Is. In diesem Fall korrigiert die SCU den Strom der Sensorzelle, um die Eigenschaften der aktuellen Sensorzelle auf die ursprünglichen Eigenschaften zurückzusetzen.
Gemäß der oben im Detail beschriebenen vorliegenden Ausführungsform können die folgenden hervorragenden Effekte erzielt werden:

Im Falle der Durchführung der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 basierend auf der Ausgangsreaktion der Sensorzelle 42 in den NOx-Sensoren 21 bis 23 kann die durchzuführende Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 basierend auf einer Änderung des Sensorzellenstroms Is gemäß der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 nach dem Schalten der Pumpzelle mit Spannung Vp negativ beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang werden gemäß der vorstehenden Konfiguration beim Schalten der Pumpzellenanlegte Spannung Vp der Sensorzellenstrom Is und der Monitorzellenstrom Im erfasst und der Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im bestimmt. In diesem Fall kann die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 durchgeführt werden, nachdem die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 aus dem Strom der Monitorzelle Im korrekt ermittelt wurde. Dadurch ist es möglich, den Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 richtig zu bestimmen.

Nach dem Schalten der Pumpzellenspannung Vp wird der Sensorzellenstrom Is mit der Konvergenz der Änderung des Monitorzellenstroms Im als Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx, der Änderungsgradient des Sensorzellenstroms Is vor der Konvergenz der Änderung des Monitorzellenstroms Im als Gradientenparameter erfasst und der Verschlechterungszustand bzw. den Verschleißzustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx und dem Gradienten des Sensorzellenstroms Is bestimmt. Dies ermöglicht es, die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 unter Berücksichtigung sowohl der Tatsache, dass der stationäre Wert der Verschlechterungszeitmerkmale (die Konvergenz des Sensorzellenstroms Isx) niedriger wird als der stationäre Wert der Anfangsmerkmale, als auch der Tatsache, dass der Anstieg der Verschlechterungszeitmerkmale (der Gradient des Sensorzellenstroms Is) langsamer wird als der der Anfangsmerkmale zusammen mit dem Fortschritt der Verschlechterung der Sensorzelle 42.
Der Bestimmungskriteriumswert als Kriterium für die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 (der Anfangsgradient B10 in der vorliegenden Ausführungsform) wird basierend auf dem aktuellen Konvergenzwert Imx der Monitorzelle eingestellt. Dies ermöglicht es, die Verschlechterungsrate C durch Vergleich zwischen dem Gradienten B11 der vorliegenden Eigenschaften und dem Ausgangsgradienten B10 zur Verwendung bei der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 unter gleichen Bedingungen zu berechnen und dadurch die Berechnungsgenauigkeit der Verschlechterungsrate C, d.h. der Verschlechterungsbestimmungsgenauigkeit, zu erhöhen.
Wenn die Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 durch Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle 41 eingestellt wird, kann der Wert des Stroms, der als Monitorzellenstrom Im genommen werden kann, basierend auf dem Pumpzellenstrom Ip vor und nach der Spannungsumschaltung angenommen werden. Mit Blick auf diesen Punkt werden die Korrelationsdaten, die die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip vor und nach der Spannungsumschaltung und dem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx definieren, verwendet, um zu bestimmen, ob der Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx ein Normalwert in dieser Beziehung ist. Wenn bestimmt wird, dass der aktuelle Konvergenzwert der Monitorzelle Imx kein Normalwert ist, wird die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 invalidiert. Dies unterdrückt eine Verringerung der Genauigkeit der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42, die durch eine Anomalie in der Monitorzelle 43 verursacht wird.
In der vorstehenden Ausführungsform wird der Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf dem aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und dem Gradienten des Sensorzellenstroms Is bestimmt. Diese Konfiguration kann jedoch so geändert werden, dass zwischen dem aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und dem Gradienten des Sensorzellenstroms Ix nur der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx oder nur der Gradient des Sensorzellenstroms Is zum Bestimmen des Verschlechterungszustands der Sensorzelle 42 verwendet wird. Bei Verwendung nur des Sensorzellenstrom-Konvergenzwertes Isx kann der Anfangskonvergenzwert Isx0 als Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx in den Anfangseigenschaften der Sensorzelle basierend auf dem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx eingestellt werden, und die Verschlechterungsrate C kann aus dem Verhältnis zwischen dem Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx in den aktuellen Eigenschaften und dem Anfangskonvergenzwert Isx0 berechnet werden. Auch nach dieser Konfiguration ist es möglich, die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 unter Berücksichtigung der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 ordnungsgemäß durchzuführen.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen beschrieben, die sich hauptsächlich auf Unterschiede zur ersten Ausführungsform konzentrieren.
(Zweite Ausführungsform)
In der zweiten Ausführungsform, wie in 6 dargestellt, beinhaltet eine Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 eine Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit, die Korrelationsdaten verwendet, die eine Beziehung zwischen einem Pumpzellenstrom Ip (ΔIp, Ip0 oder Ip1) zumindest vor oder nach der Spannungsumschaltung und einem Monitorzellenstrom Im definieren, um zu bestimmen, ob der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert in dieser Beziehung aufweist. Beim Bestimmen, dass der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert aufweist, setzt die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 einen Bestimmungskriteriumswert (ein Anfangsgradient B10) der Sensorzellenverschlechterung basierend auf einem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx und bestimmt den Verschlechterungszustand einer Sensorzelle 42 unter Verwendung des Bestimmungskriteriumswertes. Bei der Bestimmung, dass der Monitorzellenstrom Im keinen Normalwert aufweist, setzt die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 den Bestimmungskriteriumswert (den Anfangsgradienten B10) basierend auf dem Pumpzellenstrom Ip zumindest vor oder nach der Spannungsumschaltung und bestimmt den Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 anhand des Bestimmungskriteriumswertes. Das heißt, wenn der Monitorzellenstrom Im keinen Normalwert hat, führt die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 die Verschlechterungsbestimmung mit dem Pumpzellenstrom Ip anstelle des Monitorzellenstroms Im durch.
In der vorliegenden Ausführungsform führen die SCUs 31 bis 33 einen Verschlechterungsbestimmungsprozess durch, der in 11 anstelle des in 7 beschrieben Verschlechterungsbestimmungsprozesses vorgesehen ist. Der in 11 dargestellte Prozess wird teilweise gegenüber dem in 7 dargestellten Prozess geändert, bei dem die gleichen Schritte wie in 7 mit den gleichen Schrittnummern wie in 7 dargestellt versehen werden.
Unter Bezugnahme auf 11, erfasst in Schritt S16 jede der SCUs einen Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx und den Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx. Im nachfolgenden Schritt S18 berechnet die SCU einen Gradienten A11 des Sensorzellenstroms Is zum Zeitpunkt der transienten Änderung und berechnet in Schritt S19 einen Gradienten B11 durch Normierung des Gradienten A11. Danach verwendet die SCU in Schritt S31 die Korrelationsdaten (siehe 8) zum definieren einer Beziehung zwischen dem Änderungsbetrag ΔIp des Pumpzellenstroms Ip und dem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx, um zu bestimmen, ob der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert aufweist. Dieser Schritt ist derselbe wie der Schritt S17, der in 7 beschrieben ist, und damit entfällt eine detaillierte Beschreibung dessen.
Wenn der Strom der Monitorzelle Im einen Normalwert hat, geht die SCU zu Schritt S32 über. In Schritt S32 stellt die SCU den Anfangsgradienten B10 des Sensorzellenstroms ein. Basierend auf dem Konvergenzwert Imx des Monitorzellenstroms. Dieser Schritt ist derselbe wie der Schritt S20, der in 7 und entfällt damit die detaillierte Beschreibung.
Wenn der Strom der Monitorzelle Im einen abnormalen Wert hat, fährt die SCU mit Schritt S33 fort. In Schritt S33 bestimmt die SCU, dass die Monitorzelle 43 anormal ist. Danach stellt die SCU in Schritt S34 den Anfangsgradienten B10 des Sensorzellenstroms ein. Basierend auf dem Pumpzellenstrom Ip mindestens vor oder nach der Spannungsumschaltung. Die SCU stellt den Anfangsgradienten B10 mit Hilfe einer Beziehung ein, die in 12 beispielsweise dargestellt ist. Unter Bezugnahme auf 12, da die Änderungsmenge ΔIp des Pumpzellenstroms Ip größer ist, wird die Anfangssteigung B10 auf einen größeren Wert gesetzt. Alternativ kann der Anfangsgradient B10 basierend auf dem Strom der Pumpzelle Ip0 oder Ip1 eingestellt werden. In beiden Fällen wird der Anfangsgradient B10 entsprechend der Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 eingestellt.
Danach berechnet die SCU in Schritt S21 eine Verschlechterungsrate C basierend auf den Gradienten B10 und B11 und dem aktuellen Konvergenzwert Isx der Sensorzelle 42, und im nächsten Schritt S22 sendet die SCU die Verschlechterungsrate C.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom Ip und dem Monitorzellenstrom Im vor und nach der Spannungsumschaltung bezogen, um zu bestimmen, ob der Monitorzellenstrom Im einen Normalwert aufweist. Wenn der Monitorzellenstrom Im normal ist, wird der Anfangsgradient B10 des Sensorzellenstroms Is basierend auf dem Konvergenzwert Imx des Monitorzellenstroms eingestellt. Wenn der Monitorzellenstrom Im nicht normal ist, wird der Anfangsgradient B10 des Sensorzellenstroms Is basierend auf dem Pumpzellenstrom Ip eingestellt. Dadurch ist es möglich, eine Abnahme der Genauigkeit der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 aufgrund einer Anomalie in der Monitorzelle 43 zu unterdrücken.
(Dritte Ausführungsform)
In einer dritten Ausführungsform beinhaltet eine Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 anstelle der Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit eine Korrelationsbestimmungseinheit, die Korrelationsdaten verwendet, die eine Beziehung zwischen einem Monitorzellenstrom Im und einem Sensorzellenstrom Is zum Zeitpunkt des Schaltens einer Pumpzellenanlegte Spannung Vp definieren, um zu bestimmen, ob die Beziehung zwischen dem Monitorzellenstrom Im und dem Sensorzellenstrom Is zum Zeitpunkt des tatsächlichen Spannungsschaltens mit den Korrelationsdaten übereinstimmt. Wenn die Korrelationsbestimmungseinheit bestimmt, dass die tatsächliche Beziehung nicht mit den Korrelationsdaten übereinstimmt, setzt die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 die Verschlechterungsbestimmung einer Sensorzelle 42 außer Kraft.
In der vorliegenden Ausführungsform führen die SCUs 31 bis 33 einen in 13 dargestellten Verschlechterungsbestimmungsprozess anstelle des in 7 dargestellten Verschlechterungsbestimmungsprozesses durch. Der in 13 dargestellte Prozess wird teilweise gegenüber dem in 7 dargestellten Prozess geändert, bei dem die gleichen Schritte wie in 7 mit den gleichen Schrittnummern wie in 7 dargestellt versehen werden.
Unter Bezugnahme auf 13 erfasst jede der SCUs in Schritt S16 einen aktuellen Konvergenzwert der Sensorzelle Isx und fährt dann mit Schritt S41 fort. In Schritt S41 verwendet die SCU die Korrelationsdaten, die eine Beziehung zwischen dem Monitorzellenstrom Im und dem Sensorzellenstrom Is definieren, um zu bestimmen, ob die tatsächliche Beziehung zwischen dem Monitorzellenstrom Im und dem Sensorzellenstrom Is den Korrelationsdaten entspricht. Die Korrelationsdaten sind vorgegeben, wie beispielsweise in 14 dargestellt. In Schritt S41 bestimmt die SCU, ob eine Beziehung zwischen einem Monitorzellenstrom-Konvergenzwert Imx und dem Sensorzellenstrom-Konvergenzwert Isx mit der in 14 dargestellten Beziehung übereinstimmt.
Insbesondere wird unter Bezugnahme auf 14 ein Standardwert des Sensorzellenstroms Is als Issd gemäß dem Monitorzellenstrom Im und ein vorgegebener zulässiger Bereich B gemäß dem Standardwert Issd bestimmt. Anschließend bestimmt die SCU, ob der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx in Bezug auf den aktuellen Konvergenzwert der Monitorzelle Imx innerhalb des zulässigen Bereichs RB liegt. Wenn der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx innerhalb des zulässigen Bereichs RB liegt, bestimmt die SCU, dass die Korrelation normal ist, und wenn der aktuelle Konvergenzwert der Sensorzelle Isx außerhalb des zulässigen Bereichs RB liegt, bestimmt die SCU, dass die Korrelation nicht normal ist. Wenn die Korrelation normal ist, geht die SCU zum nächsten Schritt S18 über, und wenn die Korrelation nicht normal ist, geht die SCU zu Schritt S42 über. In Schritt S42 bestimmt die SCU, dass die Monitorzelle 43 anormal ist, und beendet diesen Prozess. Das heißt, wenn die Korrelation nicht normal ist, hebt die SCU die aktuelle Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 auf. Schritt S18 und die nachfolgenden Schritte sind wie oben beschrieben.
Wenn die Sensorzelle 42 und die Monitorzelle 43 in den NOx-Sensoren 21 bis 23 normal sind, besteht eine vorgegebene Korrelation zwischen dem Monitorzellenstrom Im und dem Sensorzellenstrom Is zum Zeitpunkt der Spannungsumschaltung. In der vorliegenden Ausführungsform werden unter Ausnutzung dessen die Korrelationsdaten zwischen dem Monitorzellenstrom Im und dem Sensorzellenstrom Is zum Zeitpunkt der Spannungsumschaltung herangezogen. Wenn die Beziehung zwischen dem Monitorzellenstrom Im und dem Sensorzellenstrom Is nicht mit den Korrelationsdaten übereinstimmt, wird die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 ungültig. Dies unterdrückt eine Verringerung der Genauigkeit der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42, die durch eine Anomalie in der Monitorzelle 43 verursacht wird.
(Vierte Ausführungsform)
In einer vierten Ausführungsform beinhaltet eine Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 anstelle der Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit oder der Korrelationsbestimmungseinheit eine Ausgangsdifferenzberechnungseinheit, die eine erste Ausgangsdifferenz ΔIX1 als Differenz zwischen einem Sensorzellenstrom Is und einem Monitorzellenstrom Im vor dem Schalten einer Pumpzellenanlegte Spannung Vp berechnet und eine zweite Ausgangsdifferenz ΔIX2 als Differenz zwischen dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im nach dem Schalten berechnet. Die Verschlechterungsbestimmungseinheit M13 bestimmt den Verschlechterungszustand der Sensorzelle 42 basierend auf einem Vergleich zwischen der ersten Ausgangsdifferenz ΔIX1 und der zweiten Ausgangsdifferenz ΔIX2, die durch die AusgangsdifferenzBerechnungseinheit berechnet wird.
In der vorliegenden Ausführungsform führen die SCUs 31 bis 33 einen in 15 dargestellten Verschlechterungsbestimmungsprozess anstelle des in 7 dargestellten Verschlechterungsbestimmungsprozesses durch. Der in 15 dargestellte Prozess wird teilweise gegenüber dem in 7 dargestellten Prozess geändert, bei dem die gleichen Schritte wie in 7 mit den gleichen Schrittnummern wie in 7 dargestellt versehen werden.
Unter Bezugnahme auf 15 geht die SCU nach dem Erfassen eines aktuellen Konvergenzwertes der Sensorzelle Isx in Schritt S16 zu Schritt S51 über. In Schritt S51 berechnet die SCU eine Differenz zwischen dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im als erste Ausgangsdifferenz ΔIX1 in einem Zustand, in dem die angelegte Spannung der Pumpzelle Vp Vp0 ist, und berechnet eine Differenz zwischen dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im als zweite Ausgangsdifferenz ΔIX2 in einem Zustand, in dem die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle auf Vp1 geschaltet wird. Die SCU berechnet die erste Ausgangsdifferenz ΔIX1 aus den in einem Zustand, in dem die Spannung Vp0 angelegt wird, erfassten Stromwerten (Is und Im) und berechnet die zweite Ausgangsdifferenz ΔIX2 aus den in einem Zustand, in dem die Spannung Vp1 angelegt wird, erfassten aktuellen Konvergenzwerten (Isx und Imx).
Danach bestimmt die SCU in Schritt S52, ob die erste Ausgangsdifferenz ΔIX1 und die zweite Ausgangsdifferenz ΔIX2 übereinstimmen. Insbesondere bestimmt die SCU, ob eine Differenz zwischen der ersten Ausgangsdifferenz ΔIX1 und der zweiten Ausgangsdifferenz ΔIX2 kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Wenn ΔIX1 und ΔIX2 übereinstimmen, geht die SCU zum nächsten Schritt S18 über, und wenn ΔIX1 und ΔIX2 nicht übereinstimmen, geht die SCU zu Schritt S53 über. In Schritt S53 bestimmt die SCU, dass eine Monitorzelle 43 anormal ist, und beendet dann diesen Prozess. Das heißt, wenn ΔIX1 und ΔIX2 nicht übereinstimmen, hebt die SCU die aktuelle Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 auf bzw. invalidiert diese. Schritt S18 und die nachfolgenden Schritte sind wie oben beschrieben.
Wenn die angelegte Spannung der Pumpzelle Vp in den NOx-Sensoren 21 bis 23 geschaltet wird, ändern sich der Sensorzellenstrom Is und der Monitorzellenstrom Im jeweils in der Sensorzelle 42 und der Monitorzelle 43 zusammen mit einer Änderung der Restsauerstoffkonzentration in einer Gaskammer 61. In diesem Fall, wenn die Sensorzelle 42 und die Monitorzelle 43 normal sind, stimmen die erste Ausgangsdifferenz ΔIX1 vor der Spannungsumschaltung und die zweite Ausgangsdifferenz ΔIX2 nach der Spannungsumschaltung weitgehend überein. In der vorliegenden Ausführungsform wird unter Ausnutzung dieser Tatsache bestimmt, ob die erste Ausgangsdifferenz ΔIX1 und die zweite Ausgangsdifferenz ΔIX2 übereinstimmen, und wenn festgestellt wird, dass keine Übereinstimmung vorliegt, wird die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 außer Kraft gesetzt bzw. invalidiert. Dies unterdrückt eine Verringerung der Genauigkeit der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42, die durch eine Anomalie in der Monitorzelle 43 verursacht wird.
(Andere Ausführungsformen)
Die vorgenannten Ausführungsformen können beispielsweise wie nachfolgend beschrieben geändert werden.
Bei der Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle 42 kann bei der Umschaltung der Pumpzellenspannung Vp zur Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 (bei der ersten Spannungsumschaltung) die Pumpzellenspannung Vp auf Null geschaltet werden, d.h. in einen Zustand ohne Spannungsanwendung versetzt werden. Andernfalls kann die angelegte Spannung Vp der Pumpzelle auf eine negative Spannung umgeschaltet werden. In beiden Fällen wird die Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer 61 durch das Schalten der angelegten Spannung erhöht, und die Verschlechterungsbestimmung kann durch das transiente Verhalten der Sensorzelle 42 zu diesem Zeitpunkt durchgeführt werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird der Gradient der transienten Änderung durch den aktuellen Änderungsbetrag ΔIs pro Zeiteinheit Δt in der transienten Periode des Sensorzellenstroms Is als „Gradientenparameter“ des Sensorzellenstroms Is berechnet. Alternativ kann auch der aktuelle Änderungsbetrag ΔIs in einer vorgegebenen Zeit als Gradientenparameter verwendet werden. Andernfalls kann die Dauer der Zeit, die für die Erzeugung eines vorbestimmten Stromänderungsbetrags erforderlich ist, als Gradientenparameter verwendet werden. Kurz gesagt, der Gradient des Sensorzellenstroms Is oder ein damit korrelierender Wert wird vorzugsweise als Gradientenparameter berechnet.
In den vorliegenden Ausführungsformen wird der Gradient B11 durch Normierung des Gradienten A11 des Sensorzellenstroms Is und die Verschleißrate C durch den Gradienten B11 berechnet. Diese Konfiguration kann jedoch geändert werden. So kann beispielsweise die Verschlechterungsrate C mit der Steigung A11 berechnet werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird als Bestimmung der Verschlechterungsrate der Sensorzelle 42 die Verschlechterungsrate C (%) als Verhältnis zwischen den vorliegenden Eigenschaften und den Anfangseigenschaften der Sensorzelle 42 berechnet. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. So kann beispielsweise die Differenz des Gradienten des Sensorzellenstroms Is als Verschlechterungsbestimmungsparameter für die Sensorzelle 42, ein damit korrelierender Wert oder der Stromänderungsbetrag ΔIs nach der Konvergenz des Sensorzellenstroms Is vom Ausgangswert berechnet werden, und der Verschlechterungsgrad der Sensorzelle 42 kann basierend auf der Differenz erfasst werden. Andernfalls kann der Vergleich nicht mit dem Anfangswert, sondern mit einem vorgegebenen Standardwert durchgeführt werden. Der Grad der Verschlechterung kann durch einen Index bestimmt werden, der als „100 - die Verschlechterungsrate C“ dargestellt wird. In diesem Fall wird nach dem Index der Wert der Merkmale zunächst als 100% dargestellt und sinkt mit dem Fortschritt der Verschlechterung. In beiden Fällen wird der Verschlechterungszustand, d.h. der Verschleißgrad, basierend auf der charakteristischen Änderung der Sensorzelle 42 bestimmt.
In den vorstehenden Ausführungsformen weist das Sensorelement 40 den einzelnen Festelektrolytkörper 53 und die einzelne Gaskammer 61 auf. Diese Konfiguration kann jedoch geändert werden. So kann beispielsweise das Sensorelement 40 eine Vielzahl von Festelektrolytkörpern 53 und eine Vielzahl von Gaskammern 61 aufweisen, und die Pumpzelle 41 und die Sensorzelle 42 können in den verschiedenen Festelektrolytkörpern 53 und gegenüber den verschiedenen Gaskammern 61 vorgesehen sein. 16 zeigt ein Beispiel für diese Konfiguration.
Ein in 16 dargestelltes Sensorelement 40 weist zwei gegenüberliegende Festelektrolytkörper 53a und 53b und Gaskammern 61a und 61b zwischen den Festelektrolytkörpern 53a und 53b auf. Die Gaskammer 61a kommuniziert mit einer Abgaseintrittsöffnung 53c, und die Gaskammer 61b kommuniziert mit der Gaskammer 61a über einen gezogenen Abschnitt 71. Die Pumpzelle 41 weist ein Paar Elektroden 72 und 73 auf, und eine Elektrode 72 ist der Innenseite der Gaskammer 61a ausgesetzt. Die Sensorzelle 42 weist eine Elektrode 74 und eine gemeinsame Elektrode 76 gegenüberliegend auf. Die Monitorzelle 43 weist eine Elektrode 75 und die gemeinsame Elektrode 76 gegenüberliegend auf. Die Sensorzelle 42 und die Monitorzelle 43 sind nebeneinander angeordnet. In diesen Zellen sind die Elektroden 74 und 75 auf einer Seite dem Inneren der Gaskammer 61b ausgesetzt. Je nach Konfiguration, in der die Pumpzelle 41 und die Sensorzelle 42 auch in den verschiedenen Gaskammern 61a und 61b vorgesehen sind, ist es möglich, die Funktionen in den vorgenannten Ausführungsformen wie der Verschlechterungsbestimmung günstig zu realisieren.
Die zu erfassende spezifische Gaskomponente kann von NOx verschieden sein. So kann beispielsweise der Gassensor gezielt zur Erkennung von HC oder CO im Abgas eingesetzt werden. In diesem Fall leitet der Gassensor vorzugsweise Sauerstoff im Abgas durch die Pumpzelle ab und zersetzt HC oder CO aus dem Gas nach der Abgabe des Sauerstoffs, um die HC-Konzentration oder die CO-Konzentration zu erfassen. Andernfalls kann der Gassensor die Konzentration von Ammoniak im Detektionszielgas erfassen.
Die vorliegende Offenbarung kann auch als Gassensor-Steuervorrichtung verkörpert werden, die auf einen Gassensor ausgerichtet ist, der in anderen Arten von Motoren verwendet wird, wie beispielsweise einen Gassensor, der im Ansaugpfad eines Verbrennungsmotors oder eines anderen Benzinmotors als eines Dieselmotors vorgesehen ist. Der Gassensor kann auf ein anderes Detektionszielgas als das Abgas ausgerichtet sein oder für andere Zwecke als Automobile verwendet werden.
Die vorliegende Offenbarung wurde bisher gemäß den Ausführungsformen beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen oder Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung enthält verschiedene Änderungen und Ergänzungen zu einem gleichwertigen Umfang. Darüber hinaus sind verschiedene Kombinationen und Modi und andere Kombinationen und Modi, die nur ein Element der vorgenannten Kombinationen und Modi umfassen, weniger oder mehr als das eine Element, in den Umfang und den konzeptionellen Bereich der vorliegenden Offenbarung einbezogen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017104901 [0001]
JP 2009175013 A [0005]

Claims

Gassensor-Steuervorrichtung (31 bis 33, 35), die auf einen Gassensor (21 bis 23) angewandt wird, wobei die Gassensor-Steuervorrichtung (31 bis 33, 35) das Folgende aufweist: eine Pumpzelle (41), die eine Sauerstoffkonzentration in einem Detektionszielgas einstellt, das durch Anlegen einer Spannung in eine Gaskammer (61) eingeleitet wird; eine Sensorzelle (42), die eine Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in der Gaskammer nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration durch die Pumpzelle detektiert; und eine Monitorzelle (43), die eine Restsauerstoffkonzentration in der Gaskammer detektiert, wobei die Gassensorsteuervorrichtung eine Steuerung in Bezug auf den Gassensor durchführt und die Gassensor-Steuervorrichtung das Folgende umfasst: eine Spannungsschalteinheit, die eine an die Pumpzelle angelegte Spannung (Vp) schaltet; eine Erfassungseinheit, die, wenn die angelegte Spannung durch die Spannungsschalteinheit geschaltet wird, einen Ausgang (Is) der Sensorzelle und einen Ausgang (Im) der Monitorzelle erfasst; und eine Verschlechterungsbestimmungseinheit, die einen Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf dem Ausgang der Sensorzelle und dem Ausgang der von der Erfassungseinheit erfassten Monitorzelle bestimmt.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei unter der Bedingung, dass eine Änderung des Ausgangs der Monitorzelle nach dem Schalten der angelegten Spannung durch die Spannungsschalteinheit konvergiert ist, die Erfassungseinheit den Ausgang der Sensorzelle als Konvergenzwert der Sensorzellenausgabe erfasst; und die Verschlechterungsbestimmungseinheit den Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf dem von der Erfassungseinheit erfassten Konvergenzwert der Sensorzellenausgabe bestimmt.
Gassensor-Steuervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Erfassungseinheit den Konvergenzwert des Ausgangssignals der Sensorzelle nach dem Schalten der angelegten Spannung durch die Spannungsschalteinheit erfasst und einen Gradienten der Ausgangsänderung der Sensorzelle vor dem Konvergieren der Ausgangsänderung der Monitorzelle als einen Gradientenparameter erfasst, und die Verschlechterungsbestimmungseinheit den Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf dem Konvergenzwert der Sensorzellenausgabe und dem von der Erfassungseinheit erfassten Gradientenparameter bestimmt.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erfassungseinheit nach Konvergenz der Ausgangsänderung der Monitorzelle seit dem Schalten der angelegten Spannung durch die Spannungsschalteinheit einen Konvergenzwert der Monitorzellenausgabe erhält und die Verschlechterungsbestimmungseinheit einen Bestimmungskriteriumswert als Kriterium für die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle basierend auf dem Konvergenzwert der Monitorzellenausgabe setzt und den Verschlechterungszustand der Sensorzelle unter Verwendung des Bestimmungskriteriumswertes bestimmt.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verschlechterungsbestimmungseinheit eine Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit beinhaltet, die Korrelationsdaten verwendet, die eine Beziehung zwischen dem Ausgang der Pumpzelle und dem Ausgang der Monitorzelle zumindest vor oder nach der Spannungsumschaltung durch die Spannungsschalteinheit definieren, um zu bestimmen, ob der Ausgang der Monitorzelle einen Normalwert aufweist, und wenn die Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit bestimmt, dass der Ausgang der Monitorzelle keinen Normalwert aufweist, die Verschlechterungsbestimmungseinheit die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle invalidiert.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erfassungseinheit nach Konvergenz der Ausgangsänderung der Monitorzelle seit dem Schalten der angelegten Spannung durch die Spannungsschalteinheit einen Konvergenzwert der Monitorzellenausgabe erhält und die Verschlechterungsbestimmungseinheit eine Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit beinhaltet, die Korrelationsdaten verwendet, die eine Beziehung zwischen dem Ausgang der Pumpzelle und dem Ausgang der Monitorzelle zumindest vor oder nach der Spannungsumschaltung durch die Spannungsschalteinheit definieren, um zu bestimmen, ob der Ausgang der Monitorzelle einen Normalwert aufweist, wenn die Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit bestimmt, dass der Ausgang der Monitorzelle einen Normalwert aufweist, setzt die Verschlechterungsbestimmungseinheit einen Bestimmungskriteriumswert als Kriterium für die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle basierend auf dem Monitorzellen-Ausgangskonvergenzwert und bestimmt den Verschlechterungszustand der Sensorzelle unter Verwendung des Bestimmungskriteriumswertes, und wenn die Monitorzellen-Ausgangsbestimmungseinheit bestimmt, dass der Ausgang der Monitorzelle keinen Normalwert aufweist, setzt die Verschlechterungsbestimmungseinheit einen Bestimmungskriteriumswert als Kriterium für die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle basierend auf dem Ausgang der Pumpzelle zumindest vor oder nach der Spannungsumschaltung und bestimmt den Verschlechterungszustand der Sensorzelle anhand des Bestimmungskriteriumswertes.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verschlechterungsbestimmungseinheit eine Korrelationsbestimmungseinheit beinhaltet, die Korrelationsdaten verwendet, die eine Beziehung zwischen dem Ausgang der Monitorzelle und dem Ausgang der Sensorzelle zu einem Zeitpunkt der Spannungsumschaltung durch die Spannungsschalteinheit definieren, um zu bestimmen, ob eine tatsächliche Beziehung zwischen dem Ausgang der Monitorzelle und dem Ausgang der Sensorzelle zu einem Zeitpunkt der tatsächlichen Spannungsumschaltung den Korrelationsdaten entspricht, und wenn die Korrelationsbestimmungseinheit bestimmt, dass die tatsächliche Beziehung nicht mit den Korrelationsdaten übereinstimmt, invalidiert die Verschlechterungsbestimmungseinheit die Verschlechterungsbestimmung der Sensorzelle.
Gassensor-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verschlechterungsbestimmungseinheit eine Ausgangsdifferenzberechnungseinheit beinhaltet, die eine erste Ausgangsdifferenz als Differenz zwischen dem Ausgang der Sensorzelle und dem Ausgang der Monitorzelle vor der Spannungsumschaltung durch die Spannungsschalteinheit berechnet und eine zweite Ausgangsdifferenz als Differenz zwischen dem Ausgang der Sensorzelle und dem Ausgang der Monitorzelle nach der Spannungsumschaltung berechnet, und die Verschlechterungsbestimmungseinheit den Verschlechterungszustand der Sensorzelle basierend auf einem Vergleich zwischen der ersten Ausgangsdifferenz und der zweiten Ausgangsdifferenz bestimmt, die durch die Ausgangsdifferenzberechnungseinheit berechnet wird.