DE69918608T2 - Steuerapparat für Luft-Kraftstoffverhältnissensor - Google Patents

Steuerapparat für Luft-Kraftstoffverhältnissensor Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor und betrifft insbesondere eine Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor, die die Impedanz eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements wie eines Sauerstoffkonzentrations-Messelements zur schnellen und genauen Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas einer Brennkraftmaschine ermittelt. Hierbei bestimmt die Steuereinrichtung einen Störzustand oder einen Aktivierungszustand des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors auf der Basis der ermittelten Impedanz, berechnet das Luft-Kraftstoff-Verhältnis aus dem Ausgangssignalwert des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors und korrigiert eine Solltemperatur, auf die das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement zu erwärmen ist, indem einer Heizeinrichtung derart Energie zugeführt wird, dass ein Aktivierungszustand des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements aufrecht erhalten wird.
  • 2. In Betracht gezogener Stand der Technik
  • Zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses von Brennkraftmaschinen sind gemäß einer neueren Entwicklungsrichtung ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor sowie ein Katalysator im Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet, wobei eine Regelung im geschlossenen Regelkreis zur Einregelung eines von dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor ermittelten Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf einen Luft-Kraftstoff-Sollverhältniswert wie z.B. einen stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältniswert zur Erzielung einer maximalen Reinigungswirkung bei der durch den Katalysator erfolgenden Schadstoffminderung von Abgas-Schadstoffen (HC, CO, NOx und dergleichen) durchgeführt wird. Als Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren finden hierbei im allgemeinen Messelemente mit Grenz- oder Sättigungsstrombildung zur Messung einer Sauerstoffkonzentration Verwendung, die einen der Sauerstoffkonzentration im Abgas proportionalen Grenz- oder Sättigungsstrom abgeben. Ein solches Sauerstoffkonzentrations-Messelement mit Grenzstrombildung ermöglicht eine lineare Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas auf der Basis der Sauerstoffkonzentration über einen weiten Bereich hinweg und eignet sich daher zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Einregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas auf ein Luft-Kraftstoff-Sollverhältnis in einem weiten Bereich von einem fetten zu dem theoretischen (stöchiometrischen) und weiter zu einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis.
  • Das vorstehend beschriebene Sauerstoffkonzentrations-Messelement muss jedoch zur Gewährleistung der erforderlichen Messgenauigkeit bei der Ermittlung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem aktivierten Zustand gehalten werden. Zur Erzielung einer möglichst schnellen Messelementaktivierung nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine werden solche Messelemente üblicherweise beim Starten der Brennkraftmaschine durch Einschalten einer zu diesem Zweck vorgesehenen Heizeinrichtung erwärmt, wobei die Heizeinrichtung zur Aufrechterhaltung des Aktivierungszustands entsprechend gesteuert wird.
  • 19 zeigt ein Diagramm, das die Korrelation zwischen der Temperatur eines Sauerstoffkonzentrations-Messelements und dessen Impedanz veranschaulicht. Wie der in Form einer durchgezogenen Kennlinie in 19 dargestellten Korrelation zwischen der Temperatur des vorstehend beschriebenen Sauerstoffkonzentrations-Messelements (das nachstehend vereinfacht als Element bezeichnet wird) und dessen Impedanz zu entnehmen ist, fällt die Elementimpedanz mit steigenden Elementtemperaturen ab. Gemäß dieser Beziehung wird während der Erregungs- oder Einschaltsteuerung der Heizeinrichtung die Elementimpedanz zur Ableitung der Elementtemperatur gemessen und eine Regelung im geschlossenen Regelkreis zur Einstellung der Elementtemperatur auf einen gewünschten Aktivierungstemperaturwert von z.B. 700°C durchgeführt. Wenn z.B. die Impedanz Zac des Elements gleich einer oder größer als eine der Elementtemperatur von 700°C bei der anfänglichen Regelung (Anfangsregelungs-Elementtemperatur) entsprechenden Elementimpedanz von 30 Ω (Zac ≥ 30) ist, d.h., wenn die Elementtemperatur kleiner als oder gleich 700°C ist, wird die Heizeinrichtung erregt bzw. eingeschaltet. Wenn die Impedanz Zac kleiner als 30 Ω ist (Zac < 30), d.h., wenn die Elementtemperatur 700°C überschreitet, wird die Heizeinrichtung abgeschaltet. Auf diese Weise wird die Elementtemperatur auf der oder über der Aktivierungstemperatur von 700°C gehalten, sodass der Aktivierungszustand aufrecht erhalten wird. Außerdem erfolgt bei der Erregung der Heizeinrichtung eine Steuerung der relativen Einschaltdauer bzw. des Tastverhältnisses, um die zur Verhinderung einer Abweichung der Elementimpedanz (Zac = 30) vom Sollwert erforderliche Energiemenge zu erhalten und die Einschaltung der erforderlichen Stromzufuhr zu gewährleisten.
  • Aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. HEI 9-292 364 ist es z.B. bekannt, bei der Messung der Impedanz des vorstehend beschriebenen Sauerstoffkonzentrations-Messelements eine Wechselspannung mit einer zur Temperaturmessung des Elements geeigneten bestimmten Frequenz für diese Impedanzmessung anzulegen. Durch Anlegen einer Spannung mit dieser Frequenz lässt sich dann der Widerstandswert des Elektrolytbereiches des Elements messen. Der Widerstandswert dieses Elektrolytbereiches zeigt jedoch keine beträchtlichen zeitabhängigen Änderungen, sodass auch die Impedanz des Elements keine großen Änderungen zeigt. Beim Stand der Technik wird somit die durch die durchgezogene Kennlinie gemäß 19 veranschaulichte Beziehung zwischen der Elementtemperatur und der Elementimpedanz unabhängig von einer im Laufe der Zeit auftretenden Veränderung im wesentlichen konstant gehalten.
  • Wenn sich jedoch die Beständigkeit und damit die Eigenschaften des vorstehend beschriebenen Sauerstoffkonzentrations-Messelements verschlechtert haben, entspricht die Korrelation zwischen der Elementtemperatur und der Elementimpedanz der gestrichelten Kennlinie gemäß 19.
  • Nachstehend werden der Aufbau des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, sein Ersatzschaltbild und seine Impedanzcharakteristik näher beschrieben.
  • 20 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, wobei 20A eine Schnittansicht und 20B eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Elektrolytbereichs darstellen.
  • 21 zeigt ein Ersatzschaltbild des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, wobei mit R1 der Bahn- oder Volumenwiderstand eines aus z.B. Zirkondioxid bestehenden Elektrolyten (Korndarstellung gemäß 20), mit R2 der Korngrenzenwiderstand des Elektrolyten (Korngrenzenbereich gemäß 20), mit R3 der Übergangswiderstand an einer z.B. aus Platin bestehenden Elektrode, mit C2 eine kapazitive Komponente der Korngrenze des Elektrolyten, mit C3 eine kapazitive Komponente des Elektroden-Übergangsbereichs (Grenzfläche) und mit Z(W) eine Impedanz (Warburg-Impedanz) bezeichnet sind, die auf Grund von periodischen Änderungen der Übergangsbereichs- bzw. Grenzflächenkonzentration bei der Polarisierung durch einen Wechselstrom entsteht.
  • 22 zeigt ein Diagramm, das die Impedanzcharakteristik des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements veranschaulicht. Hierbei ist über der Abszisse der Realteil Z' der Impedanz aufgetragen, während über der Ordinate der Imaginärteil Z'' aufgetragen ist. Die Impedanz Z des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements lässt sich durch Z = Z' + jZ'' ausdrücken. Wie 22 zu entnehmen ist, konvergiert der Elektroden-Übergangswiderstand R3 in einem Frequenzbereich von 1 bis 10 kHz gegen Null. Die Impedanzänderung bei einer Verschlechterung der Eigenschaften des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements ist in Form einer gestrichelten Kennlinie veranschaulicht, der zu entnehmen ist, dass sich der Elektroden-Übergangswiderstand R3 im Lauf der Zeit verändert. Bei einer starken Veränderung der Sauerstoffkonzentration eines von dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement gemessenen Gases verändert sich die Impedanzcharakteristik in der durch die gestrichelte Kennlinie veranschaulichten Weise.
  • 23 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Frequenz einer an das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement angelegten Wechselspannung und der Elementimpedanz. In 23 ist im Vergleich zu 22 über der Abszisse die Frequenz f aufgetragen, während über der Ordinate die Impedanz Zac aufgetragen ist. Wie 23 zu entnehmen ist, konvergiert die Impedanz Zac in einem Frequenzbereich von ungefähr 1 bis 10 kHz bis 10 MHz gegen einen vorgegebenen Wert (R1 + R2), während sie bei einer über 10 MHz liegenden Frequenz abfällt und gegen R1 konvergiert. Dies zeigt, dass vorzugsweise ein Bereich von ungefähr 1 bis 10 kHz bis ungefähr 10 MHz, in dem die Impedanz Zac unabhängig von der Frequenz konstant ist, zur Ermittlung der Impedanz Zac in einem stabilen Zustand heranzuziehen ist. Die gestrichelte Kennlinie zeigt die zeitabhängige Veränderung von R3 bzw. die erhaltene Impedanz, wenn ein Wechselstrom mit einer noch messbaren geringen Frequenz (von weniger als 1 kHz) angelegt wird. Der Verschlechterungsgrad des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements lässt sich aus der bei der niedrigen Frequenz auftretenden Impedanz ableiten.
  • Wie in 19 durch die gestrichelte Kennlinie veranschaulicht ist, zeigt die Korrelation zwischen der Temperatur des als Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement dienenden Sauerstoffkonzentrations-Messelements und der Elementimpedanz in einem Bereich von ungefähr 1 bis 10 kHz bis ungefähr 10 MHz starke Veränderungen, nachdem eine Verschlechterung der Eigenschaften des Elements im Vergleich zum vorherigen Zustand aufgetreten ist.
  • Da jedoch gemäß der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. HEI 9-292 364 nur der Widerstandswert R1 + R2 des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements gemessen wird, lässt sich diese Änderung der Charakteristik des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements nicht feststellen. Wenn somit die Erregungssteuerung der Heizeinrichtung unter Aufrechterhaltung der Elementimpedanz Zac von 30 Ω als Sollwert zur Regelung der Elementtemperatur fortgeführt wird, steigt die geregelte Elementtemperatur nach einer eingetretenen Verschlechterung der Eigenschaften des Elements allmählich auf z.B. bis zu 800°C an. Dies führt zu einer übermäßigen Erwärmung des Elements, wodurch die Verschlechterung der Eigenschaften weiter beschleunigt und die Lebensdauer des Elements herabgesetzt werden.
  • Wenn eine solche Änderung der Elementtemperatur oder der Elementcharakteristik zu einer ungenauen Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Basis des Ausgangssignalwertes des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors führt, hat dies außerdem eine Verschlechterung der Schadstoffminderung zur Folge. Gleichermaßen kann das Vorliegen eines Störzustands oder das Erreichen des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors auf der Basis der gemessenen Elementimpedanz in einem Zustand nicht mehr genau bestimmt werden, bei dem sich die Elementtemperatur oder die Elementcharakteristik verändert hat.
  • Aus der US-Patentschrift 4 505 802 ist eine Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Im einzelnen ist aus dieser Druckschrift ein Sauerstoffkonzentrationsdetektor bekannt, der einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten mit daran angeordneten Elektroden zur Bildung einer Sauerstoffkonzentrations-Messzelle aufweist. Die Impedanz dieser Sauerstoffkonzentrations-Messzelle verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Festelektrolyten. Somit wird die Impedanz der Sauerstoffkonzentrations-Messzelle durch Anlegen eines eine gegebene Frequenz aufweisenden Wechselstroms an den Festelektrolyten der Sauerstoffkonzentrations-Messzelle gemessen. Auf der Basis des Messergebnisses kann dann die Temperatur des Festelektrolyten bestimmt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme eine Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor anzugeben, die eine in kurzer Zeit erfolgende, genaue Messung der Impedanz eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, die Bestimmung des Vorliegens eines Störzustands oder Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors unter Berücksichtigung einer Änderung der Charakteristik des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors auf der Basis der ermittelten Impedanz sowie die Berechnung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und eine Korrektur der Elementtemperatur auf eine Solltemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements in Abhängigkeit vom Ausgangssignalwert des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe vorgesehene Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor, bei dem ein Sauerstoffkonzentrations-Messelement einen der Konzentration von Sauerstoff in einem Messgas entsprechenden Strom erzeugt, wenn eine Spannung an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement angelegt wird, umfasst eine Impedanzermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements, die einer jeweiligen Frequenz entspricht, die durch Anlegen von Wechselspannungen mit einer Vielzahl von Frequenzen an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement erhalten wird, sowie eine Parameter-Recheneinrichtung zum Analysieren der von der Impedanzermittlungseinrichtung entsprechend der Vielzahl von Frequenzen jeweils ermittelten Wechselstromimpedanz zur Berechnung eines Parameters, der eine Änderung der Charakteristik des Sauerstoffkonzentrations-Messelements angibt.
  • Mit Hilfe dieser Anordnung werden mehrere Wechselstromimpedanzen des Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Messelements ermittelt, die jeweils zur Bildung der charakteristischen Parameter analysiert werden, die eine Änderung der Charakteristik des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors angeben. Ein solcher Parameter ermöglicht dann die Durchführung verschiedener Steuer- und Regelvorgänge.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung eine Störzustands-Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung eines Störzustands des Sauerstoffkonzentrations-Messelements in Abhängigkeit von dem von der Parameter-Recheneinrichtung berechneten Parameter.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung eine Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Recheneinrichtung zur Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Messgases aus dem Ausgangssignalwert des Sauerstoffkonzentrations-Messelements in Abhängigkeit von dem von der Parameter-Recheneinrichtung berechneten Parameter.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung eine Aktivierungs-Bestimmungseinrichtung, die in Abhängigkeit von dem von der Parameter-Recheneinrichtung berechneten Parameter bestimmt, ob sich das Sauerstoffkonzentrations-Messelement in einem aktivierten Zustand befindet oder nicht.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinrichtung eine Elementtemperatur-Steuereinrichtung zur Steuerung der Elementtemperatur durch Erwärmung des Elements durch Zuführung von Energie zu einer in dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement angeordneten Heizeinrichtung in Abhängigkeit von dem von der Parameter-Recheneinrichtung berechneten Parameter.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung legt die Impedanzermittlungseinrichtung an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement Wechselspannungen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen an, die aus der Vielzahl der Frequenzen ausgewählt sind.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Anlegen der Wechselspannungen an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement durch die Impedanzermittlungseinrichtung kurzzeitig.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung berechnet die Parameter-Recheneinrichtung den Parameter auf der Basis einer Differenz zwischen Wechselstromimpedanzwerten des Sauerstoffkonzentrations-Messelements, die zwei unterschiedlichen Frequenzen entsprechen, die aus der Vielzahl von Frequenzen ausgewählt sind.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird von den beiden Frequenzen eine erste Frequenz aus einem Frequenzbereich ausgewählt, in dem der Widerstandswert der elektrolytischen Beschaffenheit des Sauerstoffkonzentrations-Messelements ermittelt wird, während eine zweite Frequenz aus einem Frequenzbereich ausgewählt wird, in dem eine einen Elektroden-Übergangswiderstand des Sauerstoffkonzentrations-Messelements umfassende Impedanz ermittelt wird.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ändert die Impedanzermittlungseinrichtung die Frequenz in einer vorgegebenen Reihenfolge, wenn an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement Wechselspannungen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen angelegt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung legt die Impedanzermittlungseinrichtung bei der Beaufschlagung des Sauerstoffkonzentrations-Messelements mit Wechselspannungen einer Vielzahl unterschiedlicher Frequenzen die Wechselspannungen über ein Filter an, dessen Filterkonstante in Abhängigkeit von der Frequenz veränderbar ist.
  • Durch diese Anordnung lässt sich die Impedanz-Messgenauigkeit verbessern.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung stellt die Impedanzermittlungseinrichtung während eines Zeitintervalls vom Anlegen einer Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement bis zur Beendigung des Anlegens der Spannung und bis zum Vorliegen einer Konvergenz eines bei dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement ermittelten Stromwertes eine Filterkonstante des Filters auf der Basis dieser Frequenz ein.
  • Auch durch diese Maßnahme lässt sich die Impedanz-Messgenauigkeit verbessern.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung verhindert die Impedanzermittlungseinrichtung während eines Zeitintervalls vom Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement bis zur Beendigung des Anlegens der Spannung und bis zum Vorliegen einer Konvergenz eines bei dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement ermittelten Stromwertes eine Umschaltung auf eine Wechselspannung mit einer in Bezug auf die vorgegebene Frequenz unterschiedlichen Frequenz.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung verhindert die Impedanzermittlungseinrichtung während eines Zeitintervalls vom Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement bis zur Beendigung des Anlegens der Spannung und bis zum Vorliegen einer Konvergenz eines bei dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement ermittelten Stromwerts eine Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Messgases auf der Basis des Ausgangssignalwertes des Sauerstoffkonzentrations-Messelements.
  • Wenn nämlich z.B. bei der Messung einer niederfrequenten Impedanz das zu ermittelnde Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Messgases aus dem Ausgangssignalwert (Grenzstrom) des Sauerstoffkonzentrations-Messelements während einer Schwingung der angelegten Spannung berechnet wird, ergibt sich ein ungenauer Wert des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Die vorstehend beschriebene Maßnahme dient daher zur Verhinderung der Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem solchen Fall.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung berechnet die Luft-Kraftstoffverhältnis-Recheneinrichtung das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis einer Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements, die der höchsten Frequenz aus der Vielzahl von Frequenzen entspricht.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bestimmt die Aktivierungs-Bestimmungseinrichtung auf der Basis einer der höchsten Frequenz aus der Vielzahl von Frequenzen entsprechenden Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements, ob das Sauerstoffkonzentrations-Messelement aktiviert ist oder nicht.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung schaltet die Impedanzermittlungseinrichtung beim Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz über eine einzige Periode an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement während einer ersten Halbperiode der Wechselspannung auf eine zweite Halbperiode um, beendet das Anlegen der Wechselspannung während der zweiten Halbperiode und misst zur Berechnung der Wechselstromimpedanz die in der ersten Halbperiode an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement angelegte Spannung und den in dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement fließenden Strom.
  • Auf diese Weise lässt sich die Impedanz-Messgenauigkeit verbessern und sowohl die Messzeit als auch die Berechnungs-Sperrzeit für das aus dem Sensorstrom beim Anliegen der Gleichspannung ermittelte Luft-Kraftstoff-Verhältnis verkürzen, wodurch sich die Sperrzeit oder Totzeit bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verringern lässt.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung schaltet die Impedanzermittlungseinrichtung beim Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz über eine einzige Periode an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement während einer ersten Halbperiode der Wechselspannung auf eine zweite Halbperiode um, beendet das Anlegen der Wechselspannung während der zweiten Halbperiode und misst einen in dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement fließenden Strom in der ersten Halbperiode zumindest zweifach, um einen durch das Anlegen der Wechselspannung hervorgerufenen konvergierenden Stromwert des Sauerstoffkonzentrations-Messelements zur Berechnung einer Wechselstromimpedanz aus der Wechselspannung und dem konvergierenden Stromwert zu berechnen. Hierdurch lässt sich ebenfalls die Impedanz-Messgenauigkeit verbessern und die Messzeit verringern.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung legt die Impedanzermittlungseinrichtung unmittelbar nach dem über eine einzige Periode erfolgten Anlegen einer Wechselspannung mit einer niedrigen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement eine Wechselspannung mit einer höheren Frequenz als die niedrige Frequenz über eine einzige Periode an.
  • Hierdurch wird eine elektrische Entladung der kapazitiven Komponente des Sensorelements nach dem Ende des Anlegen des Wechselspannungsimpulses in kurzer Zeit beendet, sodass der über das Sensorelement fließende Strom schnell konvergiert und die Berechnungs-Sperrzeit für die Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verringert wird.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Impedanzermittlungseinrichtung eine Impedanzermittlung bei einer niedrigen Frequenz aus der Vielzahl von Frequenzen nur dann vor, wenn stabile Gas-Umgebungsbedingungen vorliegen, was z.B. der Fall ist, wenn eine stabile Abgas-Geschwindigkeit oder ein stabiles Luft-Kraftstoff-Verhältnis vorliegt.
  • Hierdurch wird die Messfrequenz der niederfrequenten Impedanz und damit die Sperrzeit oder Totzeit bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die Brennkraftmaschine verringert.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich der Zustand, bei dem stabile Gas-Umgebungsbedingungen für das Sauerstoffkonzentrations-Messelement vorliegen, auf einen Zustand, bei dem eine Brennkraftmaschine, bei der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung des Sauerstoffkonzentrations-Messelements gesteuert wird, warmgelaufen ist, sodass nur geringe Veränderungen der Abgas-Geschwindigkeit auftreten.
  • Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen werden die Messgenauigkeit bei der niederfrequenten Impedanzmessung verbessert, die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung des Vorliegens einer Verschlechterung oder eines Aktivierungszustands des Sensorelements verbessert und die Genauigkeit bei der Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei niedrigen Temperaturen bis zum Erreichen des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors und bei der Korrektur der Solltemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements erhöht.
  • Durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor wird somit eine genaue Messung der Impedanz des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements und damit die Bildung eines eine Änderung der Charakteristik des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors in Abhängigkeit von der ermittelten Impedanz angebenden Parameters ermöglicht, sodass auf der Basis dieses Parameters wiederum die Bestimmung des Vorliegens eines Störzustands oder eines Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, die Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus dem Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors sowie eine Korrektur der Solltemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors erfolgen kann.
  • Mit Hilfe dieses Parameters kann weiterhin der Ausgangssignalwert des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements entsprechend der im Laufe der Zeit auftretenden Veränderung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors korrigiert und die Genauigkeit der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verbessert werden, wodurch sich eine Verschlechterung der Schadstoffminderung bei den Abgasen der Brennkraftmaschine verhindern lässt. Da außerdem der Elementtemperatur-Regelsollwert des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements in Abhängigkeit von den im Laufe der Zeit auftretenden Veränderungen des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors geändert werden kann, kann auch das Auftreten von Unterbrechungen bei der Heizeinrichtung auf Grund eines übermäßigen Temperaturanstiegs sowie eine Verkürzung der Betriebslebensdauer des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors verhindert werden.
  • Da weiterhin bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor die Filterkonstante und deren Konstanten-Einstellperiode in Abhängigkeit von der Frequenz einer an das Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensorelement anzulegenden Wechselspannung und der Konvergenzzeit der Wechselspannung modifiziert werden, lässt sich die Messgenauigkeit bei der Impedanzmessung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements weiter verbessern.
  • Da durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor die Zeitdauer des Anlegens der Wechselspannung an das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement verringert wird, lässt sich die Messzeit für die Impedanzmessung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements verringern, sodass die Berechnungs-Sperrzeit für die Ermittlung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses aus einem bei Anliegen einer Gleichspannung erhaltenen Strom in dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement verringert und auf diese Weise auch die Sperrzeit oder Totzeit bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses reduziert werden kann.
  • Da außerdem bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor die Impedanzermittlungseinrichtung die Impedanzermittlung bei der erzeugten niedrigen Frequenz nur dann vornimmt, wenn stabile Umgebungsbedingungen für das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement vorliegen, ergibt sich eine geringere Messfrequenz bei der niederfrequenten Impedanzmessung, wodurch sich die Sperrzeit oder Totzeit bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses für die Brennkraftmaschine im geschlossenen Regelkreis verringert.
  • Da sich bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor außerdem der Zustand, bei dem stabile Umgebungsbedingungen des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements für die niederfrequente Impedanzmessung mit Hilfe der Impedanzermittlungseinrichtung vorliegen, auf den warmgelaufenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine bezieht, bei dem nur geringe Änderungen der Abgas-Geschwindigkeit auftreten, lässt sich eine höhere Zuverlässigkeit bei der Bestimmung einer Verschlechterung der Aktivierung des Sensorelements erzielen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses bei niedrigen Temperaturen bis zum Erreichen des Aktivierungszustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors sowie die Korrekturgenauigkeit für die Solltemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements verbessert werden.
  • Die vorstehende Zusammenfassung der Erfindung beinhaltet nicht notwendigerweise sämtliche erforderlichen Merkmale, sodass die Erfindung auch in einer Unterkombination der vorstehend beschriebenen Merkmale bestehen kann.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor,
  • 2 Eingangs- und Ausgangssignalverläufe des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, wobei 2A den Verlauf einer an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegten Eingangsspannung und 2B den Verlauf eines zu messenden Ausgangsstroms des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors zeigen,
  • 3 ein Spannungs-Strom-Kennlinienfeld des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors,
  • 4 ein Ablaufdiagramm einer ersten Hälfte eines Unterprogramms für eine Impedanzberechnung eines Sensorelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 5 ein Ablaufdiagramm, das eine erste Frequenzüberlagerungsverarbeitung bei dem Unterprogramm für die Sensorelement-Impedanzberechnung veranschaulicht,
  • 6 ein Ablaufdiagramm, das ein erstes Unterbrechungsverarbeitungsprogramm für die erste Frequenz-Überlagerungsverarbeitung veranschaulicht,
  • 7 ein Ablaufdiagramm, das ein zweites Unterbrechungsverarbeitungsprogramm für die erste Frequenz-Überlagerungsverarbeitung veranschaulicht,
  • 8 ein Ablaufdiagramm, das eine zweite Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Unterprogramm für die Sensorelement-Impedanzberechnung veranschaulicht,
  • 9 ein Ablaufdiagramm, das ein drittes Unterbrechungsverarbeitungsprogramm für die zweite Frequenz-Überlagerungsverarbeitung veranschaulicht,
  • 10 ein Ablaufdiagramm, das ein viertes Unterbrechungsverarbeitungsprogramm für die zweite Frequenz-Überlagerungsverarbeitung veranschaulicht,
  • 11 ein Ablaufdiagramm, das ein Verschlechterungs-Korrekturprogramm für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor veranschaulicht,
  • 12A ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Element-Gesamtwiderstand Rs und Zac3 veranschaulicht,
  • 12B ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Elementtemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements und Zac3 veranschaulicht,
  • 13 ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen dem Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements und Zac3 veranschaulicht,
  • 14 ein zweidimensionales Kennfeld einer Beziehung zwischen der ersten Impedanz Zac1 und einem Sensorstrom Ims,
  • 15 ein Ablaufdiagramm der Verarbeitung nach Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors,
  • 16 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms für die Aktivierungsbestimmung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors,
  • 17 ein Kennfeld, das eine Beziehung zwischen dem Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg und einem Aktivierungsbestimmungswert Zacact veranschaulicht,
  • 18 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Steuerung der Heizeinrichtung,
  • 19 ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen Temperatur und Impedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements veranschaulicht,
  • 20 schematische Darstellungen der Struktur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, wobei 20A eine Schnittansicht und 20B eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Elektrolyten zeigen,
  • 21 ein Ersatzschaltbild des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements,
  • 22 Impedanzkennlinien des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements,
  • 23 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Frequenz einer an das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement angelegten Wechselspannung und der Elementimpedanz veranschaulicht,
  • 24 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gemäß 1,
  • 25 ein Schaltbild der Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 20 gemäß 24,
  • 26 ein Schaltbild des Tiefpassfilters (TPF) 17 gemäß 24,
  • 27 ein Schaltbild der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorschaltung 3 gemäß 24,
  • 28 ein Ablaufdiagramm, das eine erste Hälfte einer ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei einem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement veranschaulicht,
  • 29 ein Ablaufdiagramm der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement,
  • 30 ein Ablaufdiagramm eines ersten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms zur Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung,
  • 31 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms zur Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung,
  • 32 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement,
  • 33 ein Ablaufdiagramm eines dritten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms zur Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung,
  • 34 ein Ablaufdiagramm eines vierten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms zur Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung,
  • 35 Signalverläufe zur Veranschaulichung des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 36 Ausgangssignale des Sensorelements bei einer niederfrequenten Impedanzmessung in Form eines 1-Punkt-Messverfahrens, wobei 36A eine angelegte Klemmenspannung des Sensorelements und 36B einen Strom im Sensorelement zeigen,
  • 37 Ausgangssignale des Sensorelements bei einer niederfrequenten Impedanzmessung in Form eines 2-Punkt-Messverfahrens, wobei 37A eine angelegte Klemmenspannung des Sensorelements und 37B einen Strom im Sensorelement zeigen,
  • 38 eine vergrößerte Darstellung von 37B,
  • 39 einen Sensorstromverlauf bei Anlegen eines niederfrequenten Impulses,
  • 40 einen Sensorstromverlauf bei Anlegen eines hochfrequenten Impulses direkt nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses,
  • 41 ein Ablaufdiagramm der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement, das zur erneuten Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist,
  • 42 ein Ablaufdiagramm des dritten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, das zur erneuten Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist,
  • 43 ein Ablaufdiagramm des vierten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, das zur erneuten Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist,
  • 44 ein Ablaufdiagramm eines fünften Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, das zur erneuten Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist,
  • 45 ein Ablaufdiagramm eines Einstellprogramms für die Regelverstärkung bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im geschlossenen Regelkreis,
  • 46 ein Ablaufdiagramm, das eine erste Hälfte eines Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, und
  • 47 ein Ablaufdiagramm, das eine zweite Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor, wobei gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind. Dieser Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1, der im Abgaskanal einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine zur Ermittlung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wird von einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement 2 (das nachstehend vereinfacht als Sensorelement bezeichnet ist) sowie einer Heizeinrichtung 4 gebildet. Dem Sensorelement 2 wird von einer Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorschaltung 3 (die nachstehend vereinfacht als Sensorschaltung 3 bezeichnet ist) eine Spannung zugeführt, während die über eine Batterie 5 erfolgende Zuführung von elektrischer Energie zu der Heizeinrichtung 2 von einer Heizsteuerschaltung 6 gesteuert wird. Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorschaltung 3 wird von einer von einem Mikrocomputer gebildeten Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 (A/FCU 10) über ein Tiefpassfilter 7 (TPF 7) mit einer analogen Klemmenspannung beaufschlagt, die dann an das Sensorelement 2 angelegt wird.
  • Die Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuereinheit 10 bildet zusammen mit der Sensorschaltung 3, der Heizsteuerschaltung 6 und dem Tiefpassfilter 7 einen Teil einer elektronischen Steuereinheit 100 (ECU 100) und gibt nach Umsetzung von im Rahmen einer nachstehend noch näher beschriebenen Verarbeitung berechneten digitalen Daten durch einen eingebauten Digital/Analog-Umsetzer eine analoge Rechteckspannung ab, die der Sensorschaltung 3 über das Tiefpassfilter 7 zugeführt wird. Das Tiefpassfilter 7 gibt ein unverarbeitetes Signal ab, bei dem der hochfrequente Anteil des analogen Rechteck-Spannungssignals unterdrückt ist, um eine auf hochfrequenten Störsignalanteilen beruhende Ausgangsstrom-Messabweichung des Sensorelements 2 zu verhindern. Wenn eine diesem unverarbeiteten Signal entsprechende Spannung an das Sensorelement 2 angelegt wird, ermittelt die Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 den über das Sensorelement 2 fließenden Strom, der sich proportional zu der Sauerstoffkonzentration im Abgas und der hierbei an das Sensorelement 2 angelegten Spannung ändert. Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 wird somit mit der an das Sensorelement 2 angelegten Spannung sowie über die Sensorschaltung 3 mit einer dem über das Sensorelement 2 fließenden Strom entsprechenden Analogspannung beaufschlagt und setzt diese Spannungen mit Hilfe von intern zur Detektion des Stroms und der Spannung vorgesehenen Analog/Digital-Umsetzern in digitale Daten um, die dann im Rahmen einer nachstehend noch näher beschriebenen Verarbeitung Verwendung finden.
  • Der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 ist jedoch nicht in der Lage, das Ausgangssignal des Sensorelements 2 bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einzusetzen, bevor nicht der Aktivierungszustand des Sensorelements 2 erreicht ist. Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 führt daher von einer Batterie 5 elektrische Energie zur Erregung einer in dem Sensorelement 2 angeordneten Heizeinrichtung 4 zu, um vorher eine Aktivierung des Sensorelements 2 herbeizuführen. Nach Erreichen des Aktivierungszustands des Sensorelements 2 wird die Heizeinrichtung 4 durch entsprechende Strom- bzw. Energiezufuhr im Aktivierungszustand gehalten.
  • Da der Widerstand des Sensorelements 2 von dessen Temperatur bestimmt wird, d.h., bei einem Anstieg der Temperatur des Sensorelements 2 abnimmt, wird die Heizeinrichtung 4 derart mit elektrischer Energie versorgt, dass der Widerstandswert des Sensorelements 2 auf einen Wert von z.B. 30 Ω eingestellt wird, der einer zur Aufrechterhaltung seines Aktivierungszustands ausreichenden Temperatur entspricht, sodass die Temperatur des Sensorelements 2 auf einer Solltemperatur von z.B. 700°C gehalten wird. Weiterhin wird der Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 von der Heizsteuerschaltung 6 eine der Spannung und dem Strom der Heizeinrichtung 4 entsprechende Analogspannung zur Steuerung der Erwärmung des Sensorelements 2 zugeführt, die mit Hilfe von internen Analog/Digital-Umsetzern in digitale Daten umgesetzt wird, welche im Rahmen einer nachstehend noch näher beschriebenen Verarbeitung Verwendung finden. So wird z.B. der Widerstand der Heizeinrichtung 4 berechnet, um durch eine auf der Basis des berechneten Widerstands entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfolgende Energiezufuhr die Temperatur der Heizeinrichtung 4 dahingehend zu steuern, dass ein übermäßiger Temperaturanstieg der Heizeinrichtung 4 vermieden wird.
  • Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 (A/FCU 10) umfasst eine Zentraleinheit (CPU), einen Festspeicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen batteriegespeisten Sicherungs-Direktzugriffsspeicher (B-RAM), eine Eingangsschnittstelle, eine Ausgangsschnittstelle, Analog/Digital-Umsetzer sowie Digital/Analog-Umsetzer, die untereinander über eine (nicht dargestellte) Zweirichtungs-Sammelleitung oder dergleichen verbunden sind und (in einer nachstehend noch näher beschriebenen Weise) bei der Steuerung des erfindungsgemäßen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 Verwendung finden.
  • 2 zeigt die Verläufe des Eingangssignals und des Ausgangssignals des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, d.h., 2A zeigt den Verlauf der an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor anzulegenden Spannung, während 2B den Verlauf des von dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gemessenen Ausgangsstroms zeigt. Hierbei sind über der Abszisse die Zeit und über der Ordinate die Spannung bzw. der Strom aufgetragen. Wie in 2A veranschaulicht ist, findet als an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor anzulegende Eingangsspannung stets eine Gleichspannung Vm von 0,3 V Verwendung. Zur Messung der Impedanz des Sensorelements wird der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einer eine erste Frequenz aufweisenden Impulsspannung von ± 0,2 V beaufschlagt, die der vorstehend beschriebenen Gleichspannung von 0,3 V überlagert wird. Wie in 2B veranschaulicht ist, nimmt der von dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gemessene Ausgangsstrom Im nur dann einen der Sauerstoffkonzentration des Gases bei jeder Messung entsprechenden Wert (Grenzstromwert) an, wenn die Gleichspannung von 0,3 V an dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor anliegt. Wenn die vorstehend beschriebene Impulsspannung von ± 0,2 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt und der Gleichspannung von 0,3 V überlagert wird, ändert sich der Sensorstrom in Abhängigkeit von dem Widerstandswert des Elements. Hierbei wird durch Messung der Klemmenspannung sowie der Änderung des Ausgangsstroms des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors die Impedanz des Sensorelements berechnet. Die Impedanzcharakteristik dieses Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors ist in den 22 und 23 in Form von Kennlinien dargestellt.
  • 3 zeigt ein Spannungs-Strom-Kennlinienfeld des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, wobei über der Abszisse die Klemmenspannung V und über der Ordinate der Ausgangsstrom I des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors aufgetragen sind. Wie 3 zu entnehmen ist, ist die Klemmenspannung V im wesentlichen proportional zu dem Ausgangsstrom I, d.h., bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfolgt eine Änderung des Stromwertes zur positiven Seite, während bei einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Stromwert in den negativen Bereich übergeht (siehe die strichpunktierte Kennlinie gemäß 3). Bei zunehmender Abmagerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses steigt somit der Grenzstrom an, während er bei fetter werdendem Luft-Kraftstoff-Verhältnis abnimmt. Bei einem Ausgangsstrom I von 0 mA nimmt das Luft-Kraftstoff-Verhältnis den stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältniswert (= 14,5) an.
  • Nachstehend wird ein Impedanzberechnungsprogramm für dieses Sensorelement näher beschrieben.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Hälfte des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, während die 5 bis 10 Ablaufdiagramme einer zweiten Hälfte des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement veranschaulichen. Hierbei stellt 5 ein Ablaufdiagramm einer ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement dar, während die 6 und 7 Ablaufdiagramme von zur Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlichen Unterbrechungsverarbeitungsprogrammen, 8 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement und die 9 und 10 Ablaufdiagramme von zur Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlichen Unterbrechungsverarbeitungsprogrammen zeigen. Die in den 4, 5 und 8 dargestellten Programme werden mit einer vorgegebenen Frequenz bzw. Häufigkeit von z.B. jeweils 1 ms ausgeführt.
  • Zunächst wird in einem Schritt 401 bestimmt, ob ein (nicht dargestellter) Zündschalter IGSW eingeschaltet ist oder nicht. Bei eingeschaltetem Zündschalter geht der Ablauf auf einen Schritt 402 über, während das Programm bei abgeschaltetem Zündschalter endet. Im Schritt 402 wird beurteilt, ob die Gleichspannung Vm = 0,3 V an dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 anliegt oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 403 über, während er im gegenteiligen Fall auf einen Schritt 404 übergeht. Im Schritt 404 wird dann die Gleichspannung von 0,3 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt.
  • Im Schritt 403 wird z.B. mittels eines Zählers festgestellt, ob seit dem Anlegen der Gleichspannung von 0,3 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 4 ms vergangen sind oder nicht, oder es wird ermittelt, ob 4 ms seit dem Einlesen des Stroms Ims des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors im vorherigen Verarbeitungszyklus dieses Programms vergangen sind oder nicht. Wenn eine dieser Beurteilungen zu dem Ergebnis JA führt, geht der Ablauf auf einen Schritt 405 über, während im gegenteiligen Falle das Programm endet.
  • Im Schritt 405 wird der Strom Ims des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors eingelesen, wobei aus den vorstehend beschriebenen Schritten ersichtlich ist, dass dieses Einlesen des Stroms Ims in zeitlichen Abständen von jeweils 4 ms erfolgt.
  • In einem Schritt 406 wird eine nachstehend noch näher beschriebene Verschlechterungskorrekturverarbeitung für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor durchgeführt, während in einem Schritt 407 eine nachstehend noch näher beschriebene Störzustandsbestimmungsverarbeitung und in einem Schritt 408 eine ebenfalls nachstehend noch näher beschriebene Aktivierungsbestimmungsverarbeitung für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor durchgeführt werden.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 das Ablaufdiagramm der ersten Frequenzüberlagerungsverarbeitung des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement näher beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die erste Frequenz 5 kHz beträgt. Zunächst wird z.B. mit Hilfe eines Zählers ermittelt, ob in diesem Verarbeitungszyklus seit Beginn des Programms k × 64 ms (k: ungradzahliger Wert 1, 3, 5 ...) vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, d.h., wenn in diesem Verarbeitungszyklus 64 ms, 192 ms, 320 ms,... seit dem Beginn des Programms vergangen sind, geht der Ablauf auf einen Schritt 502 über, während im gegenteiligen Fall der Ablauf auf einen Schritt 801 (siehe 8) übergeht. Im Schritt 502 wird der an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegten Spannung Vm (= 0,3 V) eine Impulsspannung von –0,2 V überlagert, sodass die an dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor anliegende Spannung Vm1 0,1V beträgt. In einem Schritt 502 setzt die in 6 veranschaulichte erste Zeitgeber-Unterbrechungsverarbeitung ein, auf die nachstehend näher eingegangen wird.
  • In einem Schritt 601 der ersten Zeitgeber-Unterbrechungsverarbeitung gemäß 6 wird ermittelt, ob 85 μs seit dem Beginn der vorstehend beschriebenen ersten Zeitgeber-Unterbrechung vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 602 über, in dem der Ausgangsstrom Im1 des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors eingelesen wird, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 601 wieder zurückgeführt wird.
  • In einem Schritt 603 wird beurteilt, ob seit dem Beginn der vorstehend beschriebenen ersten Zeitgeber-Unterbrechung 100 μs vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 604 über, in dem die Spannung Vm = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 601 zurückgeführt wird. In einem Schritt 604 wird dann eine in 7 veranschaulichte zweite Zeitgeber-Unterbrechung eingeleitet, auf die nachstehend näher eingegangen wird.
  • In einem Schritt 701 der zweiten Zeitgeber-Unterbrechungsverarbeitung gemäß 7 wird beurteilt, ob seit dem Beginn der zweiten Zeitgeber-Unterbrechung 100 μs vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 702 über, in dem die Spannung Vm = 0,3 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird, um zum normalen Luft-Kraftstoffverhältnis-Messzustand zurückzukehren, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 701 zurückgeführt wird.
  • Es sei nun wieder zum Schritt 503 gemäß 5 zurückgekehrt, in dem beurteilt wird, ob seit Beginn dieses Unterprogramms in diesem Verarbeitungszyklus (k × 64 + 4) ms (k: ungradzahliger Wert 1, 3, 5,...) vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 504 über, während im gegenteiligen Fall das Unterprogramm beendet wird.
  • Im Schritt 504 wird die beim Anliegen der die erste Frequenz aufweisenden Spannung erhaltene erste (hochfrequente) Impedanz Zac1 aus der nachstehenden Gleichung berechnet: Zac1 = Vm/Im = 0,2/(Im1 – Ims)
  • In einem Schritt 505 erfolgt eine Überwachungsverarbeitung von Zac1, d.h., eine Verarbeitung, um den Wert Zac1 in einem Bereich zwischen einem unteren Überwachungsgrenzwert KREL1 und einem oberen Überwachungsgrenzwert KREH1 zu halten, sodass KREL1 ≤ Zac1 ≤ KREH1 gewährleistet ist. Wenn somit KREL1 ≤ Zac1 ≤ KREH1 vorliegt, erfolgt keine Änderung, während bei Zac1 < KREL1 der Wert Zac1 = KREL1 = 1(Ω) wird. Wenn dagegen KREH1 < Zac1 vorliegt, erfolgt ein Vorgang, durch den Zac1 den Wert Zac1 = KREH1 = 200(Ω) annimmt. Diese Überwachungsverarbeitung wird normalerweise zur Vernachlässigung von auf Störungen, Analog/Digital-Umsetzungsabweichungen und dergleichen beruhenden Daten durchgeführt.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 8 bis 10 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement näher beschrieben. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die zweite Frequenz 500 Hz beträgt. Wenn im Schritt 501 gemäß 5 ein negatives Ergebnis erhalten wird, wird ein Schritt 801 ausgeführt, in dem z.B. mittels eines Zählers festgestellt wird, ob k × 64 ms (k: gradzahliger Wert 2, 4, 6,...) seit dem Beginn dieses Unterprogramms vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, d.h., wenn die vergangene Zeit 128 ms, 256 ms, 384 ms,... beträgt, geht der Ablauf auf einen Schritt 802 über, während im gegenteiligen Fall dieses Unterprogramm endet. Im Schritt 802 wird der an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegten Spannung Vm (= 0,3 V) eine Impulsspannung von –0,2 V überlagert, sodass an dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor die Spannung Vm1 = 0,1 V anliegt. Im Schritt 802 setzt eine dritte Zeitgeber-Unterbrechung ein, die nachstehend näher beschrieben wird.
  • In einem Schritt 901 der dritten Zeitgeber-Unterbrechungsverarbeitung gemäß 9 wird beurteilt, ob seit dem Beginn dieser dritten Zeitgeber-Unterbrechung 0,95 ms vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 902 über, bei dem der Ausgangsstrom Im2 des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors eingelesen wird, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 901 zurückgeführt wird.
  • In einem Schritt 903 wird beurteilt, ob seit dem Beginn dieser dritten Zeitgeber-Unterbrechung 1 ms vergangen ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 904 über, bei dem die Spannung Vm = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 901 zurückkehrt. Im Schritt 904 setzt eine in 10 dargestellte vierte Zeitgeber-Unterbrechung ein, auf die nachstehend näher eingegangen wird.
  • In einem Schritt 1001 der vierten Zeitgeber-Unterbrechungsverarbeitung gemäß 10 wird beurteilt, ob seit dem Beginn dieser vierten Zeitgeber-Unterbrechung 1 ms vergangen ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 1002 über, bei dem die Spannung Vm = 0,3 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird, um wieder auf den normalen Luft-Kraftstoffverhältnis-Messzustand überzugehen, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 1001 zurückgeführt wird.
  • Es sei nun wieder zum Schritt 803 gemäß 8 zurückgekehrt, bei dem beurteilt wird, ob seit Beginn dieses Unterprogramms in diesem Verarbeitungszyklus (k × 64 + 4) ms (k: gradzahliger Wert 2, 4, 6,...) vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 804 über, während im gegenteiligen Fall dieses Unterprogramm endet.
  • Im Schritt 804 wird die beim Anliegen der die zweite Frequenz aufweisenden Spannung erhaltene zweite (niederfrequente) Impedanz Zac2 mit Hilfe der nachstehenden Gleichung berechnet: Zac2 = Vm/Im = 0,2/(Im2 – Ims)
  • In einem Schritt 805 erfolgt eine Überwachungsverarbeitung von Zac2, d.h., eine Verarbeitung, durch die Zac2 in einem Bereich zwischen einem unteren Überwachungsgrenzwert KREL2 und einem oberen Überwachungsgrenzwert KREH2 gehalten wird, sodass KREL2 ≤ Zac2 ≤ KREH2 gewährleistet ist. Wenn hierbei KREL2 ≤ Zac2 ≤ KREH2 gilt, erfolgt keine Änderung des Wertes. Wenn dagegen Zac2 < KREL2 ist, wird Zac2 = KREL2 = 1 (Ω), während bei KREH2 < Zac2 eine Verarbeitung erfolgt, durch die Zac2 = KREH2 = 200 (Ω) wird.
  • Nachstehend wird die im Schritt 406 des Ablaufdiagramms gemäß 4 erfolgende Verschlechterungskorrekturverarbeitung für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor näher beschrieben.
  • 11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verschlechterungskorrekturprogramms für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor, das in einem vorgegebenen Zyklus von z.B. jeweils 4 ms ausgeführt wird. Zunächst wird in einem Schritt 1101 in Abhängigkeit vom Vorliegen von sämtlichen nachstehenden Bedingungen 1 bis 5 ermittelt, ob eine Verschlechterungskorrekturbedingung gegeben ist oder nicht, wobei im Fall des Ergebnisses JA der Ablauf auf einen Schritt 1102 übergeht, während im gegenteiligen Falle dieses Unterprogramm beendet wird:
    • 1. Drehzahl der Brennkraftmaschine NE ≤ 1000 min–1
    • 2. Fahrzeuggeschwindigkeit VS ≤ 3 km/h
    • 3. Leerlaufschalter EIN
    • 4. Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F während der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im geschlossenen Regelkreis in der Nähe von 14,5
    • 5. Motor-Kühlmitteltemperatur THW ≥ 85°C (Warmlaufzustand)
  • Im Schritt 1102 wird eine Differenz Zac3 (= Zac2 – Zac1) zwischen der ersten Impedanz Zac1 und der zweiten Impedanz Zac2 als ein die Änderung der Charakteristik des Sensorelements angebender Parameter gebildet, d.h., als Parameter, der die im Laufe der Zeit auftretende Veränderung des Sensorelements kennzeichnet. Nachstehend wird der Parameter Zac3 daher als Sensorelement-Charakteristikparameter bezeichnet.
  • 12A veranschaulicht eine Beziehung zwischen dem Element-Gesamtwiderstand Rs (= R1 + R2 + R3) und Zac3 (R3) des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, während 12B eine Beziehung zwischen der Elementtemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors und Zac3 veranschaulicht. Wie 12A zu entnehmen ist, besteht bei einem neuen Produkt und einem gealterten Produkt im wesentlichen die gleiche Korrelation zwischen Rs und Zac3, was darauf beruht, dass die Widerstandskomponente R3 bzw. Zac3 des Übergangsbereichs des elektrischen Feldes einen großen Anteil am Element-Gesamtwiderstand Rs des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors besitzt und dass die Widerstandskomponente des Übergangsbereichs des elektrischen Feldes die Charakteristik des Sensorelements widerspiegelt. Wie 12B zu entnehmen ist, besteht bei einem neuen Produkt und einem gealterten Produkt im wesentlichen die gleiche Korrelation zwischen der Elementtemperatur und Zac3. Hieraus ergibt sich, dass die Elementtemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors mit Hilfe der Widerstandskomponente R3 bzw. Zac3 des Übergangsbereichs des elektrischen Feldes bestimmt werden kann.
  • Die im Schritt 407 des vorstehend beschriebenen Ablaufdiagramms gemäß 4 erfolgende Störzustandsbestimmungsverarbeitung für den Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensor erfolgt im Rahmen der nachstehend näher beschriebenen Schritte 1103 bis 1109. Im Schritt 1103 wird hierbei ermittelt, ob ein Sensorelementtemperatur-Regelsollwert Zactg unter Berücksichtigung von Unregelmäßigkeiten und Abweichungen der Sensorelementcharakteristik gleich einem unteren Grenzwert Zactgmax bzw. kleiner ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, erfolgt die Feststellung, dass der Elementtemperatur-Regelsollwert korrigiert werden kann, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 1104 übergeht, während im gegenteiligen Falle der Ablauf auf einen Schritt 1105 übergeht. Im Schritt 1104 wird ein Korrekturbetrag Zactggk des Elementtemperatur-Regelsollwerts Zactg aus Zac3 mit Hilfe des Kennfeldes gemäß 13 berechnet, das in einem Festspeicher (ROM) vorgespeichert ist. Der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg bezieht sich hierbei auf eine Elementimpedanz, die erhalten wird, wenn die Elementtemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors einen Solltemperaturwert erreicht. In einem Schritt 1106 wird sodann der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg (derzeitiger Wert) als Mittelwert mit Hilfe der nachstehenden Gleichungen berechnet: Zactgt = Zactg(i – 1)(vorheriger Wert) + Zactggk Zactg(i)(derzeitiger Wert) = (Zactg(i – 1)(vorheriger Wert) × 31 + Zactgt)/32
  • Bei der Regelung der Heizeinrichtung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 wird der auf diese Weise berechnete Wert von Zactg (derzeitiger Wert) als Elementtemperatur-Regelsollwert der Sensorelementimpedanz eingestellt und die Sensorelementtemperatur dahingehend geregelt, dass die Sensorelementimpedanz den Wert Zactg (derzeitiger Wert) annimmt.
  • Wie dem Kennfeld gemäß 13 zu entnehmen ist, wird ein Anstieg der Elementtemperatur festgestellt, wenn der Charakteristikparameter Zac3 des Sensorelements gleich einem vorgegebenen Wert oder kleiner ist, was zu einer Vergrößerung des Elementtemperatur-Regelsollwerts Zactg führt, während ein Abfallen der Elementtemperatur festgestellt wird, wenn der Charakteristikparameter Zac3 gleich dem vorgegebenen Wert oder größer ist, was zu einer Verringerung des Elementtemperatur-Regelsollwerts Zactg führt, d.h., der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg wird dahingehend geregelt, dass Zac3 den vorgegebenen Wert annimmt. Auch wenn eine Verschlechterung bzw. Alterung des Sensors eingetreten ist, kann somit die Elementtemperatur auf den gleichen Wert wie bei einem neuen Produkt eingeregelt werden. Auf diese Weise kann nach erfolgter Alterung bzw. Verschlechterung der Eigenschaften des Sensors eine weitere Verschlechterung bzw. Alterung sowie eine Verkürzung der Lebensdauer des Sensorelements auf Grund steigender Elementtemperaturen verhindert werden.
  • In einem Schritt 1107 wird der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg in einem Sicherungsspeicher (RAM) in Form eines Wertes Zactgb gespeichert. Beim nächsten Motorstart wird dann im Rahmen des Anfangsprogramms dieser Wert Zactgb als Zactg eingelesen und somit die Elementtemperatur beim nächsten Motorstart auf die Solltemperatur eingeregelt.
  • In einem Schritt 1108 wird sodann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F mit Hilfe eines von der ersten Impedanz Zac1 und dem Ausgangsstrom Ims des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors gebildeten zweiten Kennfeldes (14) berechnet. Aus dem Kennfeld gemäß 14 ist ersichtlich, dass bei einer Abnahme der ersten Impedanz Zact1 und einem negativen Wert von Ims das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F vom stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis in den fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich übergeht, während bei einem positiven Wert von Ims ein Übergang des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses vom mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich zum stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisbereich erfolgt. Weiterhin ist ersichtlich, dass bei Ims = 0 das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unabhängig von der ersten Impedanz Zac1 den stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältniswert von 14,5 annimmt.
  • Im Schritt 1105 wird in der in 12B veranschaulichten Weise ermittelt, ob der Sensorelement-Charakteristikparameter Zac3 gleich dem Störzustandsbestimmungswert KFZAC oder kleiner ist (Zac3 ≤ KFZAC), wobei im Falle eines positiven Ergebnisses dieses Unterprogramm mit der Beurteilung beendet wird, dass sich der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor im Normalzustand befindet, während im gegenteiligen Falle der Ablauf auf einen Schritt 1109 mit der Beurteilung übergeht, dass ein Störzustand des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors vorliegt. Im Schritt 1109 wird ein Sensor-Störzustandszeichen XFAFS für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gesetzt. Der in 12B veranschaulichte Störzustandsbestimmungswert KFZAC ist auf einen Wert eingestellt, der zur Bestimmung eines durch eine Änderung der Charakteristik des Sensorelements hervorgerufenen übermäßigen Anstiegs der Elementtemperatur dient.
  • Nachstehend wird auf den Grund für die Verwendung des Kennfeldes gemäß 14 näher eingegangen.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg aus der Differenz Zac3 (= Zac2 – Zac1) zwischen der bei der einen Frequenz und der bei der anderen Frequenz erhaltenen Elementimpedanz berechnet und die Sensorelement-Heizregelung zur Einstellung der Elementimpedanz Zac auf den Wert Zactg durchgeführt. Nach einer eingetretenen Verschlechterung bzw. Alterung des Elements wird der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg dann auf einen im Vergleich zu dem Wert von 30 Ω für ein neues Element höheren Wert von z.B. 40 Ω, 50 Ω derart eingestellt, dass sich die Elementimpedanz Zac nach einer solchen Verschlechterung bzw. Alterung entsprechend bei 40 Ω, 50 Ω stabilisiert. Wenn hierbei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F mit Hilfe eines Kennfeldes berechnet wird, das einem Elementstrom bei der Elementimpedanz von 30 Ω für einen neuen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor entspricht, kann keine genaue Ermittlung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfolgen. Erfindungsgemäß ist daher das Kennfeld gemäß 14 vorgesehen, um eine genaue Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit Hilfe der nach einer Verschlechterung bzw. Alterung verwendeten Elementimpedanz Zac von 40 Ω oder 50 Ω zu ermöglichen.
  • Als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung kann in Betracht gezogen werden, anstelle der Verwendung von zwei Frequenzen zur Berechnung der Elementimpedanz Zac1 nur eine einzige hohe Frequenz, wie z.B. eine aus dem Bereich von 1 bis 10 kHz ausgewählte Frequenz, zu verwenden, die eine genaue Ermittlung der Elementimpedanz ermöglicht. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wird dann entsprechend dem Wert von Zac1 mit Hilfe des Kennfeldes gemäß 14 berechnet. Wenn hierbei festgestellt wird, dass das Element auf Grund einer Verschlechterung bzw. Alterung bei einer höheren Impedanz als der eines neuen Elements aktiviert worden ist, kann das Luft-Kraftstoff-Verhältnis entsprechend dieser höheren Impedanz mit Hilfe des Kennfeldes gemäß 14 berechnet werden. Der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor wird dann bei der im Vergleich zu einem neuen Element höheren Impedanz aktiviert, wobei eine kürzere Zeitdauer für die Aktivierung erforderlich ist, bevor sich die Impedanz verringert und der Aktivierungszustand des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors entsprechend einem neuen Element angezeigt wird. Auf diese Weise kann die Luft-Kraftstoff-Gemischregelung zu einem früheren Zeitpunkt einsetzen, wodurch die Schadstoffminderung bei dem nach einem Starten der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgas verbessert wird.
  • Nachstehend wird die im Schritt 408 des Ablaufdiagramms gemäß 4 erfolgende Aktivierungsbestimmungsverarbeitung für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor näher beschrieben.
  • 15 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verarbeitungsablaufs, der nach Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors erfolgt. Dieses Unterprogramm wird in einem vorgegebenen Zyklus von z.B. jeweils 1 ms ausgeführt. Hierbei wird in einem Schritt 1501 ermittelt, ob das Sensor-Störzustandszeichen für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gesetzt ist oder nicht. Bei XFAFS = 1 wird festgestellt, dass ein Störzustand des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors vorliegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 1502 übergeht, in dem die Rückkopplung bzw. Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses unterbrochen wird, da eine Fortsetzung der Rückkopplung bzw. Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zu einem Anstieg der Schadstoffe im Abgas führen würde. In einem Schritt 1503 wird dann die Heizeinrichtung abgeschaltet, um einen übermäßigen Temperaturanstieg der Heizeinrichtung zu verhindern. In einem Schritt 1504 erfolgt sodann das Aufleuchten einer (nicht dargestellten) Alarmanzeige. Wenn dagegen XFAFS = 0 im Schritt 1501 ermittelt wird, wird festgestellt, dass kein Störzustand des Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensors vorliegt, sodass das Unterprogramm beendet wird.
  • 16 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Aktivierungsbestimmungsprogramms für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor, das in einem vorgegebenen Zyklus von z.B. jeweils 1 ms ausgeführt wird. Hierbei wird zunächst in einem Schritt 1601 festgestellt, ob das Sensor-Störzustandszeichen für den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor gesetzt ist oder nicht. Bei XFAFS = 1 wird die Feststellung getroffen, dass ein Störzustand des Elements vorliegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 1602 übergeht. Bei XFAFS = 0 wird die Feststellung getroffen, dass kein Störzustand des Elements vorliegt, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 1603 übergeht.
  • Im Schritt 1602 wird ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Aktivierungszeichen XAFSACT abgeschaltet bzw. gelöscht. In einem Schritt 1603 wird dann der Aktivierungsbestimmungswert Zacact aus dem Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg nach einer entsprechend dem Kennfeld gemäß 17 erfolgenden Verschlechterungs- bzw. Alterungskorrektur berechnet. Wie in 17 veranschaulicht ist, wird hierbei zur Bildung einer Toleranz für den Elementtemperatur-Regelsollwert, d.h., zur Bestimmung der Aktivierung des Elements bei einer geringfügig unter der Solltemperatur liegenden Temperatur, der Aktivierungsbestimmungswert ein wenig höher als der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg eingestellt.
  • In einem Schritt 1604 wird dann ermittelt, ob die erste Impedanz Zac1 kleiner als Zacact ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, wird festgestellt, dass der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor aktiviert ist, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 1605 übergeht, während im gegenteiligen Fall festgestellt wird, dass der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor nicht aktiviert ist, woraufhin der Ablauf auf den Schritt 1602 übergeht. Im Schritt 1605 wird das Luft-Kraftstoffverhältnis-Aktivierungszeichen XAFSACT gesetzt.
  • Die vorstehend beschriebene Aktivierungsbestimmung erfolgt somit durch Berechnung des Elementtemperatur-Regelsollwerts Zactg aus der Differenz Zac3 (= Zac2 – Zac1) der bei der einen Frequenz und der anderen Frequenz erhaltenen Elementimpedanz, woraufhin der Aktivierungsbestimmungswert Zacact aus Zactg berechnet und Zacact mit der ersten Impedanz Zac1 als der Elementimpedanz Zac1 bei der hohen Frequenz verglichen wird.
  • 18 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Regelung der Heizeinrichtung, das in einem vorgegebenen Zyklus von z.B. jeweils 128 ms ausgeführt wird. Im Rahmen dieses Unterprogramms erfolgt eine PID-Regelung des Tastverhältnisses beim Einschaltvorgang der Heizeinrichtung 4 auf der Basis der Abweichung Zacerr (= Zactg – Zac1) der Impedanz Zac1 des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 bei der hohen Frequenz von dem Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg. Zunächst wird in einem Schritt 1801 ein Proportionalanteil KP gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet: KP = Zacerr × K1 (K1: Konstante)
  • In einem Schritt 1802 wird sodann ein Integralanteil KI gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet: KI = Zacerr × K2 (K2: Konstante)
  • In einem Schritt 1803 wird sodann ein Differentialanteil KD gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet: KD = (Zacerr/t) × K3 (K3: Konstante)
  • In einem Schritt 1804 wird die PID-Verstärkung KPID gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet: KPID = KP + KI + KD
  • In einem Schritt 1805 wird sodann das Ausgangstastverhältnis gemäß der nachstehenden Gleichung berechnet: DUTY(i) = DUTY(i – 1) × KPID
  • In einem Schritt 1806 erfolgt eine Überwachungsverarbeitung des Ausgangstastverhältnisses DUTY(i), um DUTY(i) in einem Bereich zwischen einem unteren Grenzwert KDUTYL und einem oberen Grenzwert KDUTYH zu halten, sodass KDUTYL ≤ DUTY(i) ≤ KDUTYH ist. Wenn hierbei KDUTYL ≤ DUTY(i) ≤ KDUTYH vorliegt, erfolgt keine Veränderung, während bei Vorliegen von DUTY(i) < KDUTYL für die Verarbeitung DUTY(i) = KDUTYL und bei Vorliegen von KDUTYH < DUTY(i) für die Verarbeitung DUTY(i) = KDUTYH festgelegt werden.
  • Bei der in 18 veranschaulichten erfindungsgemäßen Regelung der Heizeinrichtung wird zur Verhinderung einer übermäßigen Temperatur der Heizeinrichtung 4 und des Sensorelements 2 ermittelt, ob die Impedanz Zac1 des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors bei der hohen Frequenz den Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg nach einer Verschlechterungs- oder Alterungskorrektur um einen vorgegebenen Wert von z.B. 5 Ω (Zac1 ≤ Zactg – 5 Ω) überschreitet oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, wird das Vorliegen eines Normalzustands festgestellt, d.h., die jeweilige Temperatur der Heizeinrichtung 4 und des Sensorelements 2 ist nicht auf einen übermäßigen Temperaturwert angestiegen. Sodann wird das Unterprogramm für die Regelung der Heizeinrichtung gemäß dem Ablaufdiagramm nach 18 ausgeführt. Wenn dagegen ein negatives Ergebnis erhalten wird, wird das Vorliegen eines nicht normalen Zustands festgestellt, d.h., die jeweilige Temperatur der Heizeinrichtung 4 und des Sensorelements 2 ist auf einen übermäßig hohen Temperaturwert angestiegen. In diesem Fall wird eine Verarbeitung zur Einstellung von DUTY(i) = 0 ausgeführt. Hierbei wird der Elementtemperatur-Regelsollwert Zactg aus der Differenz Zac3 (= Zac2 – Zac1) zwischen der bei der einen Frequenz und der bei der anderen Frequenz erhaltenen Elementimpedanz berechnet.
  • Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die erste Frequenz 5 kHz und die zweite Frequenz 500 kHz betragen, ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern diese Frequenzen können in geeigneter Weise unter Berücksichtigung des Elektrolyten des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors, des Materials der Elektroden und dergleichen, der Charakteristik der Sensorschaltung, der angelegten Spannung und der Umgebungstemperatur gewählt werden. Für die erste Frequenz kann hierbei eine z.B. im Bereich von ungefähr 1 kHz bis 10 kHz liegende Frequenz gewählt werden, die die Bildung der Wechselstromimpedanz von R1 (Bahn- bzw. Volumenwiderstand des Elektrolyten) + R2 (Korngrenzenwiderstand des Elektrolyten) gemäß 21 ermöglicht, während als zweite Frequenz eine beliebige Frequenz Verwendung finden kann, soweit sie unter der ersten Frequenz liegt und die Messung einer Impedanz bis zu R1 + R2 + R3 (Elektroden-Übergangswiderstand bzw. Elektroden-Grenzflächenwiderstand) ermöglicht.
  • Obwohl bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen nur die Verwendung von zwei Frequenzen in Betracht gezogen ist, kann auch das Anlegen von Wechselspannungen mit einer Vielzahl von z.B. 3 oder mehr Frequenzen und die Ermittlung einer Impedanz aus der Vielzahl von Sensor-Ausgangsspannungen und Sensor-Stromwerten in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus kann natürlich auch ein Verfahren Verwendung finden, bei dem zwei optimale Impedanzen aus einer Vielzahl von Impedanzen ausgewählt werden, oder ein auf einer Vielzahl von Impedanzen basierendes statistisches Verfahren, bei dem z.B. eine Impedanz aus einem Mittelwert berechnet wird.
  • Nachstehend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen beschrieben, bei dem die Tiefpass-Filterkonstante zwischen einer ersten (hohen) Frequenz und einer zweiten (niedrigen) Frequenz umgeschaltet wird.
  • 24 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsteuereinheit gemäß 1. Die Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsteuereinheit gemäß 24 unterscheidet sich von der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsteuereinheit gemäß 1 dadurch, dass anstelle des Tiefpassfilters 7 gemäß 1 ein Tiefpassfilter (TPF) 17, dessen Filterkonstante umschaltbar ist, sowie ein Mikrocomputer 11 vorgesehen sind, der zur Ausführung einer nachstehend näher beschriebenen Verarbeitung zur Ermittlung einer Impedanz mit hoher Genauigkeit aus der Spannung und dem Strom des Sensorelements in Abhängigkeit von der Umschaltung der Filterkonstanten dient. Weiterhin ist die Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 10 (A/FCU 10) in einem Zustand dargestellt, bei dem interne Digital/Analog-Umsetzer und Analog/Digital-Umsetzer für die Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorschaltung 3 und die Heizsteuerschaltung 6 vorgesehen sind, während bei der hier vorgesehenen Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 20 (A/FCU 20) ein Zustand veranschaulicht ist, bei dem der Mikrocomputer 11, ein Digital/Analog-Umsetzer 12 sowie Analog/Digital-Umsetzer 13 bis 16 separat vorgesehen sind.
  • 25 zeigt eine erläuternde Darstellung der Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit 20 gemäß 24, die den Mikrocomputer 11, den Digital/Analog-Umsetzer 12 und die Analog/Digital-Umsetzer 13 bis 16 umfasst und nachstehend unter Bezugnahme auf die 24 und 25 näher beschrieben wird. Der Mikrocomputer 11 umfasst eine Zentraleinheit CPU 22, einen Festspeicher ROM 23, einen Direktzugriffsspeicher RAM 24, einen batteriegespeisten Sicherungs-Direktzugriffsspeicher B-RAM 25, eine Eingabeschnittstelle 26 sowie eine Ausgabeschnittstelle 27, die über eine Zweirichtungs-Sammelleitung 21 miteinander verbunden sind, um den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor in einer nachstehend noch näher beschriebenen Weise zu steuern bzw. zu regeln. Hierbei ist der Digital/Analog-Umsetzer 12 mit dem Ausgabekanal 27 verbunden, um von der Zentraleinheit CPU 22 berechnete digitale Daten in eine analoge Spannung umzusetzen. Die Analog/Digital-Umsetzer 13 und 14 sind mit der Eingabeschnittstelle 26 verbunden, um die der Sensorschaltung 3 zugeführte Analogspannung und eine dem von der Strommessschaltung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors gemessenen Strom entsprechende Analogspannung jeweils in digitale Daten umzusetzen. In ähnlicher Weise setzen die Analog/Digital-Umsetzer 15 und 16 über die Heizsteuerschaltung 6 die Spannung und den Strom der Heizeinrichtung 4 in digitale Daten um. Die Zentraleinheit CPU 22 liest diese digitalen Daten als jeweilige Spannungs- und Stromwerte des Sensorelements 2 und der Heizeinrichtung 4 ein. Außerdem wird über die Ausgabeschnittstelle 27 dem Tiefpassfilter 17 (TPF 17) ein Signal zur Umschaltung der Filterkonstanten zugeführt. Ferner wird der Heizsteuerschaltung 6 über die Ausgabeschnittstelle 27 ein Signal DUTY zur Steuerung der Energiezufuhr der Heizeinrichtung 4 zugeführt.
  • 26 zeigt ein erläuterndes Schaltbild des Tiefpassfilters 17 (TPF 17) gemäß 24. Bei Zuführung einer Instruktion zur Änderung der Klemmenspannung der Sensorschaltung 3 von dem Mikrocomputer 11 der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Steuereinheit 20 wird von dem Digital/Analog-Umsetzer 12 ein Rechteckimpuls abgegeben, der dem Tiefpassfilter 17 zugeführt wird, das eine unverarbeitete Signalspannung für die Sensorschaltung 3 abgibt, bei der der Hochfrequenzanteil unterdrückt ist. Das Tiefpassfilter 17 umfasst Widerstände 31, 32, Kondensatoren 33, 34, 35, einen Operationsverstärker 36 sowie einen Feldeffekttransistor 37. Dem Feldeffekttransistor 37 wird von dem Mikrocomputer 11 ein Durchschaltsignal mit einer niedrigen Frequenz und ein Abschalt- oder Sperrsignal mit einer hohen Frequenz zugeführt. Auf diese Weise wird die Filterkonstante des Tiefpassfilters 17 derart umgeschaltet, dass bei Zuführung einer ersten (hochfrequenten) Wechselspannung eine kleine Zeitkonstante und bei Zuführung einer zweiten (niederfrequenten) Wechselspannung eine große Zeitkonstante erhalten wird.
  • 27 zeigt ein erläuterndes Schaltbild der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorschaltung 3 gemäß 24, die eine Bezugsspannungsschaltung 41, eine erste Spannungszuführungsschaltung 42, eine zweite Spannungszuführungsschaltung 43 sowie eine Strommessschaltung 44 umfasst. Die Bezugsspannungsschaltung 41 bildet durch Teilung einer Konstantspannung VDc durch Widerstände 45, 46 eine Spannung Va von z.B. 0,6 V als Bezugsspannung. Die erste Spannungszuführungsschaltung 42 ist in Form einer Spannungsfolgerschaltung aufgebaut und führt die Bezugsspannung Va einem Anschluss 47 des Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 zu. Die mit dem Tiefpassfilter 17 verbundene zweite Spannungszuführungsschaltung 43 ist wie die erste Spannungszuführungsschaltung 42 ebenfalls als Spannungsfolgerschaltung aufgebaut und führt einem anderen Anschluss 48 des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 eine Ausgangsspannung Vc (0,3 V ± 0,2 V) zu. Obwohl die Ausgangsspannung Vc des Tiefpassfilters 17 normalerweise 0,3 V beträgt, werden bei der Messung der Elementimpedanz des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors durch den Mikrocomputer 11 ± 0,2 V dieser Spannung von 0,3 V überlagert und abgegeben, sodass eine Spannung im Bereich von 0,1 V bis 0,5 V dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor zugeführt wird. Die Strommessschaltung 44 wird von einem Widerstand 49 gebildet und misst den über den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 fließenden Strom durch Einlesen der an den beiden Enden des Widerstands 49 auftretenden Spannung (Vb – Va1) über den Analog/Digital-Umsetzer 13.
  • Nachstehend wird das Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement bei der Luft-Kraftstoffverhältnis-Steuereinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung nach 24 näher beschrieben.
  • 28 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Hälfte des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, während die 29 bis 34 Ablaufdiagramme der zweiten Hälfte dieses Programms zeigen. Hierbei zeigt 29 ein Ablaufdiagramm einer ersten Frequenzüberlagerungsverarbeitung in dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement, während die 30 und 31 Ablaufdiagramme eines zur Durchführung der ersten Frequenzüberlagerungsverarbeitung erforderlichen Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, 32 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Frequenzüberlagerungsverarbeitung in dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement, und die 33 und 34 Ablaufdiagramme eines zur Durchführung der zweiten Frequenzüberlagerungsverarbeitung erforderlichen Unterbrechungsverarbeitungsprogramms zeigen. Die Unterprogramme gemäß den 28, 29 und 32 werden jeweils in einem vorgegebenen Zyklus von z.B. jeweils 100 μs ausgeführt.
  • 35 zeigt Signalverläufe zur Veranschaulichung des Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei veranschaulicht der obere Signalverlauf die Klemmenspannung des Sensorelements 2, während der untere Signalverlauf den EIN/AUS-Zustand des Tiefpassfilter-Wählsignals zur Umschaltung der Einstellung der Filterkonstanten des Tiefpassfilters 17 veranschaulicht, wobei über der Abszisse die Zeit aufgetragen ist. Die Änderung des über das Sensorelement 2 fließenden Stroms entspricht im wesentlichen der Änderung der angelegten Klemmenspannung. Die durch die Signalverläufe gemäß 35 veranschaulichte Berechnung der Impedanz des Sensorelements 2 erfolgt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in der nachstehend näher beschriebenen Weise. Normalerweise werden die Elektroden des Sensorelements 2 mit einer Gleichspannung von 0,3 V beaufschlagt. Die erste (hohe) Frequenz in Form z.B. eines hochfrequenten Impulses mit einer Frequenz von 2,5 kHz wird an das Sensorelement 2 jeweils in Abständen von 128 ms angelegt, während die zweite (niedrige) Frequenz z.B. in Form eines niederfrequenten Impulses mit einer Frequenz von 500 Hz an das Sensorelement 2 jeweils nach Ablauf von 64 ms nach dem Anlegen des hochfrequenten Impulses angelegt wird. Bei der ersten (hochfrequenten) Impedanz Zac1 wird ein in dem Sensorelement 2 nach dem Anlegen des hochfrequenten Impulses fließender Strom Im1 z.B. während einer Dauer von 85 μs gemessen, um die nachstehende Berechnung entsprechend dem Spannungsinkrement Vm (0,3 V – 0,1 V = 0,2 V) der Sensorelement-Klemmenspannung und dem Strominkrement Im (Im – Ims) durchzuführen, wobei mit Ims ein in Abständen von jeweils 4 ms gemessener Grenzstrom des Sensorelements bezeichnet ist: Zac1 = Vm/Im = 0,2/(Im1 – Ims)
  • Bei der zweiten (niederfrequenten) Impedanz Zac2 wird ein in dem Sensorelement nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses fließender Strom Im2 z.B. während einer Dauer von 0,95 ms gemessen, um die nachstehende Berechnung gemäß dem Spannungsinkrement Vm (0,3 V – 0,1 V = 0,2 V) der Sensorelement-Klemmenspannung und dem Strominkrement Im (Im2 – Ims) durchzuführen: Zac2 = Vm/Im = 0,2/(Im2 – Ims)
  • Die zeitliche EIN/AUS-Steuerung des Tiefpassfilter-Wählsignals erfolgt dahingehend, dass das Signal nach dem Anlegen des hochfrequenten Impulses für eine Dauer von z.B. 500 μs eingeschaltet und nach Ablauf von 3 ms nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses abgeschaltet wird, das 64 ms nach Anlegen des hochfrequenten Impulses erfolgt. Während des eine Periode von 2 ms des niederfrequenten Impulses umfassenden Intervalls des Anliegens des niederfrequenten Impulses und der anschließenden Konvergenzzeit von 1 ms nimmt die Filterkonstante einen hohen Wert an.
  • Nachstehend wird das auf den vorstehend beschriebenen Signalverläufen beruhende Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement unter Bezugnahme auf die 28 bis 34 näher beschrieben.
  • Bei dem Ablaufdiagramm gemäß 28 entsprechen die Schritte 2801, 2802, 2804, 2806 und 2807 bis 2810 im wesentlichen den Schritten 401, 402, 403, 404 und 405 bis 408 des Ablaufdiagramms gemäß 4, sodass in ihnen die gleiche Verarbeitung erfolgt. Eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt sich somit, sodass nachstehend nur auf die im Vergleich zu dem Ablaufdiagramm gemäß 4 zusätzlich vorhandenen Schritte 2803 und 2805 näher eingegangen wird.
  • Im Schritt 2803 wird ermittelt, ob nach dem Anlegen von Vm 500 μs vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf den Schritt 2805 über, während im gegenteiligen Falle der Ablauf auf den Schritt 2806 übergeht. Im Schritt 2805 wird dem Tiefpassfilter 17 vom Mikrocomputer 11 ein Wählsignal zur Vergrößerung der Filterkonstanten zugeführt.
  • Die Ablaufdiagramme gemäß den 29 und 30 beziehen sich auf eine Verarbeitung, durch die das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 in dem Dynamikbereich gemäß 3 gehalten wird. Indem durch diese Verarbeitung das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors in diesem Dynamikbereich gehalten wird, ist gewährleistet, dass stets der Grenzstrom des Sensorelements gemessen werden kann. Das Anlegen der dem Sensorelement 2 in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis der Brennkraftmaschine zuzuführenden Spannung erfolgt daher bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der negativen Seite (Schritt 2905) zur positiven Seite (Schritt 3007) und bei einem stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der positiven Seite (Schritt 2904) zur negativen Seite (Schritt 3006). Nachstehend wird getrennt auf die Ablaufdiagramme gemäß den 29 und 30 näher eingegangen.
  • Bei dem Ablaufdiagramm gemäß 29 entsprechen der Schritt 2901 sowie die Schritte 2906 bis 2908 im wesentlichen dem Schritt 501 sowie den Schritten 503 bis 505 des Ablaufdiagramms gemäß 5, sodass in diesen Schritten die gleiche Verarbeitung erfolgt. Da sich somit eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt, wird nachstehend nur auf die im Vergleich zu dem Ablaufdiagramm gemäß 5 zusätzlich vorgesehenen Schritte 2902 bis 2904 sowie auf den modifizierten Schritt 2905 näher eingegangen.
  • Im Schritt 2902 wird in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 beurteilt, ob ein mageres (stöchiometrisches oder fettes) Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) vorliegt oder nicht. Wenn hierbei das Vorliegen eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses ermittelt wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 2903 über, in dem ein Magerzustandszeichen LFLG auf 1 gesetzt wird, woraufhin der Ablauf auf den Schritt 2905 übergeht. Wenn im Schritt 2902 dagegen festgestellt wird, dass ein stöchiometrisches oder fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis vorliegt, geht der Ablauf auf einen Schritt 2904 über, bei dem die Spannung Vm1' an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt wird. Im Schritt 2905 wird die Spannung Vm1 = 0,1 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt.
  • Bei dem Ablaufdiagramm gemäß 30 entsprechen die Schritte 3001 bis 3003 sowie der Schritt 3007 im wesentlichen den Schritten 601 bis 603 sowie dem Schritt 604 des Ablaufdiagramms gemäß 6, sodass in diesen Schritten die gleiche Verarbeitung erfolgt. Da sich demzufolge eine erneute Beschreibung erübrigt, werden lediglich die im Vergleich zu dem Ablaufdiagramm gemäß 6 zusätzlich vorgesehenen Schritte 3004 bis 3006 näher beschrieben.
  • Im Schritt 3004 wird ermittelt, ob im Schritt 2903 gemäß 29 das Magerzustandszeichen LFLG gesetzt worden ist oder nicht. Wenn hierbei LFLG = 1 festgestellt wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 3005 über, bei dem das Magerzustandszeichen LFLG auf 0 zurückgesetzt wird, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 3007 übergeht. Wenn dagegen im Schritt 3004 LFLG = 0 ermittelt wird, geht der Ablauf auf den Schritt 3006 über, bei dem die Spannung Vm2' = 0,1 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt wird. Im Schritt 3007 wird die Spannung Vm2 = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt.
  • Das Ablaufdiagramm gemäß 31 entspricht im wesentlichen dem Ablaufdiagramm gemäß 7, da die Schritte 701 und 702 gemäß 7 den Schritten 3101 und 3102 gemäß 31 entsprechen, sodass in diesen Schritten die gleiche Verarbeitung erfolgt. Eine erneute Beschreibung erübrigt sich somit.
  • Die Ablaufdiagramme gemäß den 32 und 33 beziehen sich auf eine Verarbeitung, durch die das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 in dem Dynamikbereich gemäß 3 gehalten wird. Durch diese Verarbeitung soll die Messung des Grenzstroms des Sensorelements 2 ermöglicht werden, indem das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 in diesem Dynamikbereich gehalten wird. Das Anlegen der dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 in Abhängigkeit von dem Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis der Brennkraftmaschine zuzuführenden Spannung erfolgt somit bei einem mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnis von der negativen Seite (Schritt 3205) zur positiven Seite (Schritt 3307), während bei einem stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis das Anlegen der Spannung von der positiven Seite (Schritt 3204) zur negativen Seite (Schritt 3306) erfolgt.
  • Nachstehend wird getrennt auf die Ablaufdiagramme gemäß den 32 und 33 näher eingegangen.
  • Bei dem Ablaufdiagramm gemäß 32 entsprechen die Schritte 3201, 3205, 3208 und 3209 im wesentlichen den Schritten 801, 802, 804 und 805 des Ablaufdiagramms gemäß 8, sodass in ihnen die gleiche Verarbeitung erfolgt. Da sich eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt, werden nachstehend lediglich die im Vergleich zu dem Ablaufdiagramm gemäß 8 zusätzlich vorgesehenen Schritte 3202, 3204, 3206 und 3207 näher beschrieben.
  • Im Schritt 3202 wird in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 festgestellt, ob ein mageres (stöchiometrisches oder fettes) Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) vorliegt oder nicht. Wenn das Vorliegen eines mageren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses festgestellt wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 3203 über, bei dem das Magerzustandszeichen LFLG auf 1 gesetzt wird, woraufhin der Ablauf auf den Schritt 3205 übergeht. Wenn dagegen im Schritt 3202 das Vorliegen eines stöchiometrischen oder fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses festgestellt wird, geht der Ablauf auf den Schritt 3204 über, bei dem eine Spannung Vm1' = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird. Im Schritt 3205 wird die Spannung Vm1 = 0,1 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt.
  • Im Schritt 3206 wird sodann ermittelt, ob seit Beginn dieses Unterprogramms in diesem Verarbeitungszyklus (k × 64 + 4) ms (k: gradzahliger Wert 2, 4, 6...) vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf den Schritt 3207 über, während im gegenteiligen Fall das Unterprogramm beendet wird. Die in 35 veranschaulichte Zeitdauer von 3 ms stellt die Zeit dar, die durch Addition einer Impulskonvergenzzeit von 1 ms zu der niederfrequenten Impulsperiode von 2 ms erhalten wird, die kürzer als die Leseperiode des Stroms Ims des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors von 4 ms ist.
  • Im Schritt 3207 wird das im Schritt 2805 gemäß 28 von dem Mikrocomputer 11 umgeschaltete Tiefpassfilter-Wählsignal abgeschaltet und dem Tiefpassfilter 17 ein Wählsignal zur Wiedereinstellung der Filterkonstanten für die Messung der hochfrequenten Impedanz zugeführt.
  • Bei dem Ablaufdiagramm gemäß 33 entsprechen die Schritte 3301, 3303 und 3307 im wesentlichen den Schritten 901, 903 und 904 des Ablaufdiagramms gemäß 9, sodass in diesen Schritten die gleiche Verarbeitung erfolgt. Da sich eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt, werden nachstehend lediglich die im Vergleich zu dem Ablaufdiagramm gemäß 9 zusätzlich vorgesehenen Schritte 3304 bis 3306 näher beschrieben.
  • Im Schritt 3304 wird ermittelt, ob im Schritt 3203 gemäß 32 das Magerzustandszeichen LFLG gesetzt worden ist oder nicht. Wenn hierbei LFLG = 1 ermittelt wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 3305 über, bei dem das Magerzustandszeichen LFLG auf 0 gesetzt wird, woraufhin der Ablauf auf einen Schritt 3307 übergeht. Wenn dagegen im Schritt 3304 LFLG = 0 festgestellt wird, geht der Ablauf auf den Schritt 3306 über, in dem die Spannung Vm2' an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt wird. Im Schritt 3307 wird die Spannung Vm2 = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt.
  • Das Ablaufdiagramm gemäß 34 entspricht im wesentlichen dem Ablaufdiagramm gemäß 10, da die Schritte 1001 und 1002 gemäß 10 den Schritten 3401 und 3402 gemäß 34 entsprechen, sodass in diesen Schritten die gleiche Verarbeitung erfolgt. Eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt sich somit.
  • Der Grund für das bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgende Anlegen des niederfrequenten Impulses zwischen dem nach jeweils 128 ms erfolgenden Anlegen des hochfrequenten Impulses besteht in dem hierdurch erzielbaren Ausgleich der Belastung der Zentraleinheit CPU. Als weiteres Ausführungsbeispiel kann in Betracht gezogen werden, den niederfrequenten Impuls nach Ablauf von z.B. jeweils 4 ms für die niederfrequente Impulsmessung anzulegen. Weiterhin kann der Messvorgang der zweiten (niederfrequenten) Impedanz nach jeweils 10 Messvorgängen der ersten (hochfrequenten) Impedanz durchgeführt werden. Darüber hinaus kann der Messvorgang der niederfrequenten Impedanz nur dann durchgeführt werden, wenn stabile Umgebungsbedingungen des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 vorliegen, was z.B. im Leerlauf der Brennkraftmaschine und dergleichen der Fall ist.
  • Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses mit Hilfe des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 in einem jeweiligen Intervall von 4 ms unterbrochen bzw, gesperrt, da dann der niederfrequente Impuls zur Ermittlung der niederfrequenten Impedanz angelegt wird. Dies ist auch aus dem Umstand ersichtlich, dass das Einlesen des Grenzstroms Ims des Sensorelements 2 im Schritt 2807 gemäß 28 in der durch den Schritt 2806 veranschaulichten Weise nach jeweils 4 ms erfolgt. Bei der Messung der niederfrequenten Impedanz bestätigte sich durch Versuche, dass ein stabileres Ausgangssignal erhalten werden kann, wenn ein in der Nähe einer Gleichspannung liegender niederfrequenter Impuls mit einer noch geringeren Frequenz verwendet wird. Es ist daher anzustreben, die Frequenz von 500 Hz des bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendeten niederfrequenten Impulses auf z.B. 25 Hz zu verringern. Zusätzlich zu einer Zykluszeit von 20 ms vergrößert sich jedoch auch die Konvergenzzeit um z.B. 8 ms auf Grund der elektrostatischen Kapazität der Elektroden-Grenzfläche des Sensorelements 2, sodass das Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors während einer Gesamtdauer von 28 ms zur Messung der niederfrequenten Impedanz dient. Dieses Zeitintervall muss somit als Unterbrechungszeit oder Sperrzeit bei der Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses betrachtet werden. Wenn daher in diesem Zeitintervall der während der Zuführung des niederfrequenten Impulses erhaltene Messwert aufrecht erhalten und zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verwendet wird, führt dies zu einer ungenauen Einstellung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, was eine höhere Abgas-Schadstoffemission der Brennkraftmaschine zur Folge haben kann.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 36 bis 38 sowie 39 und 40 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben, das sich auf eine Verarbeitung zur Lösung dieses Problems bezieht, nämlich auf die Messung der niederfrequenten Impedanz des Sensorelements 2 durch Anlegen eines niederfrequenten Impulses mit einer Frequenz von z.B. 25 Hz an das Sensorelement 2 bei gleichzeitiger Verringerung der niederfrequenten Impedanz-Messzeit des Sensorelements 2, d.h., auf eine Verarbeitung zur Verringerung der Unterbrechungs- oder Sperrzeit bei der Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses durch den Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensor während der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
  • 36 veranschaulicht den Ausgangssignalverlauf des Sensorelements bei der niederfrequenten Impedanzmessung gemäß dem 1-Punkt-Messverfahren, wobei 36A die Klemmenspannung des Sensorelements zeigt, während in 36B der Strom des Sensorelements dargestellt ist. Wie in 36 veranschaulicht ist, wird dem Sensorelement 2 über das Tiefpassfilter 17 zur Zeit t1 der positive Teil des niederfrequenten Impulses mit einer Frequenz von 25 Hz zugeführt, während sodann nach Ablauf von 1 ms zur Zeit t2 der Strom des Sensorelements 2 gemessen wird. Nach Ablauf von 1,5 ms nach der Zeit t1 wird zur Zeit t3 der negative Teil des niederfrequenten Impulses dem Sensorelement 2 über das Tiefpassfilter 17 zugeführt, wobei nach Ablauf von 3 ms nach der Zeit t1 die Zuführung des negativen Teils des niederfrequenten Impulses über das Tiefpassfilter 17 zur Zeit t4 beendet wird. Die Klemmenspannung des Sensorelements 2 konvergiert nach der Zeit t4 innerhalb von ungefähr 1 ms.
  • Wenn nach der zur Zeit t1 über das Tiefpassfilter 17 erfolgenden Zuführung des positiven Teils des niederfrequenten Impulses zu dem Sensorelement 2 der negative Teil des niederfrequenten Impulses zur Zeit t3 nicht angelegt wird, konvergiert die Klemmenspannung des Sensorelements 2 auf der positiven Seite der Impulsdauer zur Zeit t10 nach Ablauf von 20 ms nach der Zeit t1 bei einem Wert von 0,5 V, der erhalten wird, indem die Inkrementspannung V (0,2 V) zu der zum Zeitpunkt t1 vorliegenden Klemmenspannung von 0,3 V hinzuaddiert wird. Die niederfrequente Impedanz Zac2 wird im Schritt 3208 in Abhängigkeit von dem zur Zeit t2 gemessenen Stromwert und der zur Zeit t2 gemessenen Klemmenspannung des Sensorelements 2 berechnet. Obwohl bei diesem 1-Punkt-Messverfahren eine große Zeitkonstante des angelegten niederfrequenten Impulses vorliegt, kann die Messzeit für die niederfrequente Impedanz des Sensorelements 2 verringert werden, indem das Anlegen des niederfrequenten Impulses zur Zeit t4 beendet wird. Der Stromwert des Sensorelements 2 wird jedoch zur Zeit t2 vor der Konvergenzzeit t10 des angelegten niederfrequenten Impulses gemessen, was zu einer instabilen Messung und einer unzureichenden Messgenauigkeit der niederfrequenten Impedanz führt. Zur Lösung dieses Problems ist daher ein Verfahren zur Berechnung des Stromwerts des Sensorelements 2 zum Zeitpunkt der Konvergenz des angelegten niederfrequenten Impulses anzustreben, worauf im Rahmen des nachstehend beschriebenen 2-Punkt-Messverfahrens näher eingegangen wird.
  • 37 zeigt den Ausgangssignalverlauf des Sensorelements bei einer auf dem 2-Punkt-Messverfahren beruhenden niederfrequenten Impedanzmessung, wobei 37A die Klemmenspannung des Sensorelements zeigt, während in 37B der Strom des Sensorelements dargestellt ist. 38 zeigt eine vergrößerte Darstellung von 37B. Wie in den 37 und 38 dargestellt ist, wird vor der Zeit t1 der Strom AF11 des Sensorelements 2 bei jeweils 4 ms gemessen. So wird z.B. der Strom AF11 des Sensorelements 2 zur Zeit t0 gemessen, während zur Zeit t1 der positive Teil des niederfrequenten Impulses mit einer Frequenz von 25 Hz über das Tiefpassfilter 17 dem Sensorelement 2 zugeführt wird, woraufhin zu den Zeiten t2 und t3, wenn jeweils 1 ms bzw. 2 ms vergangen sind, die Ströme AF12 und AF13 des Sensorelements gemessen werden. Zur Zeit t4, bei der 2,5 ms seit der Zeit t1 vergangen sind, wird der negative Teil des niederfrequenten Impulses über das Tiefpassfilter 17 dem Sensorelements 2 zugeführt, während zur Zeit t5, bei der nach der Zeit t1 5 ms vergangen sind, die über das Tiefpassfilter 17 erfolgende Zuführung des negativen Teils des niederfrequenten Impulses beendet wird. Die Klemmenspannung des Sensorelements 2 konvergiert dann nach der Zeit t5 innerhalb von ungefähr 1 ms.
  • Wenn nach dem zur Zeit t1 über das Tiefpassfilter 17 erfolgenden Anlegen des positiven Teils des niederfrequenten Impulses mit der Frequenz von 25 Hz an das Sensorelement 2 das Anlegen des negativen Teils des niederfrequenten Impulses zur Zeit t4 nicht erfolgt, konvergiert die Klemmenspannung des Sensorelements 2 zur positiven Seite der Impulsdauer des niederfrequenten Impulses nach Ablauf von 20 ms nach der Zeit t1 zur Zeit t10 bei einem Wert von 0,5 V, der durch Addition der Inkrementspannung V (0,2 V) zu der zum Zeitpunkt t1 vorliegenden Klemmenspannung von 0,3 V erhalten wird. Obwohl auch bei diesem 2-Punkt-Messverfahren eine große Zeitkonstante des angelegten niederfrequenten Impulses vorliegt, kann die Messzeit für die niederfrequente Impedanz des Sensorelements 2 verringert werden, indem das Anlegen des niederfrequenten Impulses bei der Zeit t5 beendet wird. Durch Verwendung der zu den Zeiten t0, t2 und t3 lange vor der Konvergenzzeit t10 des angelegten niederfrequenten Impulses gemessenen Stromwerte AFI1 (AF11), AFI2 (AF12) und AFI3 (AF13) des Sensorelements 2 lässt sich der zur Zeit t10 konvergierende Stromwert AFIs des Sensorelements 2 in der nachstehend beschriebenen Weise berechnen. Der über das Sensorelement 2 nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses an das Sensorelement 2 fließende Strom lässt sich durch folgende Gleichung ausdrücken: i = I0 + (Is – I0)e(–t/T) wobei i den Elementstromwert nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses, I0 den Anfangsphasen-Stromwert vor dem Anlegen des niederfrequenten Impulses, Is den Konvergenzstromwert, t die nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses vergangene Zeit und T die Zeitkonstante CR des Tiefpassfilters bezeichnen. Wenn die Stromwerte AFI1, AFI2 und AFI3 des Sensorelements 2 in die vorstehende Gleichung eingesetzt werden, lassen sich folgende zusammengehörigen Gleichungen erhalten: AFI2 = AFI1 + (Is – AFI1)e(–t1/T) AFI3 = AFI1 + (Is – AFI1)e(–t2/T)
  • Durch Lösen der vorstehenden zusammengehörigen Gleichungen kann dann der Konvergenzstromwert Is erhalten werden. Die niederfrequente Impedanz Zac2 wird sodann in der vorstehend in Verbindung mit dem Schritt 3208 gemäß 32 beschriebenen Weise in Abhängigkeit von dem Stromwert Is des Sensorelements 2 und dem Inkrement V der Klemmenspannung berechnet. Bei Verwendung dieses 2-Punkt-Messverfahrens ergibt sich eine höhere Messgenauigkeit für die niederfrequente Impedanz.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 39, 40 und 41 bis 44 eine Verarbeitung zur Verringerung der Konvergenzzeit t1P des Sensorelementstroms nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses näher beschrieben.
  • 39 zeigt hierbei einen Sensorstromverlauf bei Anliegen des niederfrequenten Impulses, während 40 einen Sensorstromverlauf veranschaulicht, der sich ergibt, wenn direkt nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses ein hochfrequenter Impuls angelegt wird. Wie 40 zu entnehmen ist, ist offensichtlich die Zeit tHP, während der der Strom des Sensorelements 2 nach der Umschaltung vom Anlegen des niederfrequenten Impulses auf das Anlegen des hochfrequenten Impulses konvergiert, kürzer als die in 39 veranschaulichte Zeit tLP, während der der Strom des Sensorelements 2 nach der Beendigung des Anlegens des niederfrequenten Impulses konvergiert. Es ist somit ersichtlich, dass durch erneute Durchführung der ersten (hohen) Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der zweiten (niedrigen) Frequenz-Überlagerungsverarbeitung die Konvergenzzeit tLP des Sensorelementstroms nach dem Anlegen des niederfrequenten Impulses verringert werden kann. Nachstehend wird diese Verarbeitung näher beschrieben.
  • 41 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement, die zur erneuten Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist. Das Ablaufdiagramm gemäß 41 entspricht dem Ablaufdiagramm gemäß 32 mit Ausnahme des Schrittes 3207. Hierbei entsprechen die Schritte 4101, 4106, 4107 und 4108 gemäß 41 den Schritten 3201 bis 3206, 3208 und 3209 gemäß 32, in denen die gleiche Verarbeitung erfolgt. Eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt sich somit.
  • 42 zeigt ein Ablaufdiagramm eines dritten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, das zur erneuten Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist. Das Ablaufdiagramm gemäß 42 entspricht dem Ablaufdiagramm gemäß 33 mit Ausnahme des Schrittes 3305. Hierbei entsprechen die Schritte 4201 bis 4204, 4205 und 4206 gemäß 42 den Schritten 3301 bis 3304, 3307 und 3306 gemäß 33, in denen die gleiche Verarbeitung erfolgt. Eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt sich somit.
  • 43 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vierten Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, das zur Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist. Hierbei entsprechen die Schritte 4301 und 4302 gemäß 43 den Schritten 3401 und 3402 gemäß 34, in denen die gleiche Verarbeitung erfolgt. Eine erneute Beschreibung dieser Schritte erübrigt sich somit.
  • 44 zeigt ein Ablaufdiagramm eines fünften Unterbrechungsverarbeitungsprogramms, das zur Ausführung der ersten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung direkt nach der Ausführung der zweiten Frequenz-Überlagerungsverarbeitung erforderlich ist. Zunächst wird in einem Schritt 4401 ermittelt, ob seit Beginn der vierten Zeitgeber-Unterbrechung 2 ms vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 4402 über, während im gegenteiligen Fall der Ablauf zum Schritt 4401 zurückgeführt wird.
  • Im Schritt 4402 wird ermittelt, ob im Schritt 4103 gemäß 41 das Magerzustandszeichen LFLG gesetzt worden ist oder nicht. Wenn hierbei LFLG = 1 festgestellt wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 4403 über, bei dem Vm1 = 0,1 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt wird. Wenn im Schritt 4402 dagegen LFLG = 0 ermittelt wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 4404 über, in dem Vm1' = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor 1 angelegt wird.
  • Sodann wird in einem Schritt 4405 das Magerzustandszeichen LFLG auf 0 zurückgesetzt, während in einem Schritt 4406 das Tiefpassfilter-Wählsignal abgeschaltet wird und der Ablauf sodann auf einen Schritt 4407 übergeht. Im Schritt 4407 wird ermittelt, ob seit Beginn der vierten Zeitgeber-Unterbrechung 3 ms vergangen sind oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 4408 über, bei dem eine Spannung von Vm2 = 0,5 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird, während im gegenteiligen Falle der Ablauf auf einen Schritt 4409 übergeht, bei dem eine Spannung Vm2' = 0,1 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird. Sodann geht der Ablauf auf einen Schritt 4410 über, bei dem eine Spannung Vm = 0,3 V an den Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor angelegt wird, um zum normalen Messzustand des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zurückzukehren.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 45 ein Ablaufdiagramm für ein Programm zur Einstellung der Regelverstärkung für die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses näher beschrieben. Da bei niedrigen Temperaturen des Sensorelements 2 ein verzögertes Ansprechverhalten des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors 1 bei der Abgabe des Ausgangssignals auftritt, wird bei diesem Programm bei Ausführung der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Basis der niederfrequenten Impedanz (bei dem Ergebnis JA im Schritt 4501) die jeweilige Verstärkung des Proportionalanteils P, des Integralanteils I und des Differentialanteils D bei der PID-Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Schritt 4502 auf den Verstärkungswert "L" (niedrig) eingestellt. Wenn das Zustandszeichen XLMTAF gesetzt ist, das angibt, dass eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der Basis des Grenzstroms nach der Aktivierung des Sensorelements erfolgt (wenn im Schritt 4501 das Ergebnis NEIN und im Schritt 4503 das Ergebnis JA erhalten wird), werden dagegen die jeweiligen Verstärkungsfaktoren der vorstehend beschriebenen PID-Regelung im Schritt 4504 auf den Verstärkungswert "H" (hoch) gesetzt. Das im Schritt 4501 angegebene Zustandszeichen XIMPAF wird gesetzt, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit Hilfe der niederfrequenten Impedanz Zac2 des Sensorelements 2 berechnet wird. Wenn im Schritt 4501 und im Schritt 4503 jeweils das Ergebnis NEIN erhalten wird, liegt die Sensorelementtemperatur unter 500°C, sodass keine Messung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erfolgen kann. In diesem Fall wird somit in einem Schritt 4505 ein Regelsperrzeichen XPHAF zur Verhinderung einer Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf den Wert "1" gesetzt. Nachdem die Regelverstärkung für die Luft-Kraftstoff-Verhältnisregelung im Schritt 4502 auf "L" oder im Schritt 4504 auf "H" gesetzt worden ist, wird das eine Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verhindernde Regelsperrzeichen XPHAF in einem Schritt 4506 auf 0 zurückgesetzt.
  • Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 46 und 47 ein Impedanzberechnungsprogramm gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben, bei dem die Berechnung der niederfrequenten Impedanz auf einen vorgegebenen Betriebszustand wie eine Leerlaufzeit begrenzt ist, um die Unterbrechungszeit der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf Grund der Verarbeitung der niederfrequenten Impedanzberechnung minimal zu halten und die Belastung der Zentraleinheit CPU zu verringern.
  • 46 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Hälfte dieses Impedanzberechnungsprogramms für das Sensorelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei der Bezeichnung der Schritte gemäß 46 sind nur die ersten beiden Ziffern 28 der Schrittzahlen gemäß 28 durch 46 ersetzt worden, wobei lediglich der Schritt 4603A gemäß 46 zwischen die Schritte 2803 und 2805 gemäß 28 eingefügt worden ist. Der Schritt 4603A wird zur Durchführung der Bestimmung ausgeführt, ob eine Berechnung der niederfrequenten Impedanz erfolgt ist oder nicht. Hierbei hängt diese Bestimmung davon ab, ob die Verschlechterungskorrekturbedingung für das Sensorelement 2 vorliegt oder nicht. Das Vorliegen dieser Verschlechterungskorrekturbedingung wird in Abhängigkeit von der Erfüllung oder Nichterfüllung sämtlicher nachstehender Bedingungen 1 bis 5 bestimmt, die sich auf das Erreichen eines Warmlaufzustands der Brennkraftmaschine und eine verringerte Änderung der Abgas-Geschwindigkeit beziehen, wobei der Ablauf bei dem Ergebnis JA auf einen Schritt 4605 übergeht, während im gegenteiligen Falle der Ablauf auf einen Schritt 4606 übergeht:
    • 1. Drehzahl der Brennkraftmaschine NE < 1000 min–1
    • 2. Fahrzeuggeschwindigkeit VS ≤ 3 Km/h
    • 3. Leerlaufschalter EIN
    • 4. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F liegt bei der Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im geschlossenen Regelkreis in der Nähe des Werts 14,5
    • 5. Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine THW ≥ 85°C (Warmlaufzustand der Brennkraftmaschine)
  • Die Ausführung dieses ersten (hohen) Frequenzimpedanzberechnungsprogramms erfolgt nach dem Schritt 4601 entsprechend den 29 bis 31.
  • 47 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten (niedrigen) Frequenz-Überlagerungsverarbeitung bei dem Impedanzberechnungsprogramm für das Sensorelement gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei den Schrittzahlen gemäß 47 sind nur die ersten beiden Ziffern 32 der Schrittzahlen gemäß 32 durch 47 ersetzt, wobei lediglich der Schritt 4700 gemäß 47 vor dem Schritt 3201 gemäß 32 und dem Schritt 2901 gemäß 29 eingefügt ist. Der Schritt 4700 dient der Bestimmung, ob die Berechnung der niederfrequenten Impedanz erfolgt ist oder nicht, wobei diese Bestimmung in Abhängigkeit vom Vorliegen oder Nichtvorliegen der Verschlechterungskorrekturbedingung des Sensorelements 2 wie im Falle des Schritts 4603A gemäß 46 erfolgt. Im Schritt 4700 wird somit ermittelt, ob sämtliche Verschlechterungskorrekturbedingungen erfüllt sind oder nicht. Wenn das Ergebnis dieser Bestimmung JA lautet, geht der Ablauf auf den Schritt 4701 über, während im gegenteiligen Falle dieses Unterprogramm beendet wird.
  • Die vorstehende Beschreibung stellt keine Beschränkung der beanspruchten Erfindung dar, wobei die beschriebene Kombination von Merkmalen zur Lösung der der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgabe nicht unbedingt erforderlich sein muss.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor (1) wird somit bei einem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) ein der Konzentration von Sauerstoff in einem Gas entsprechender Strom gemessen, indem eine Spannung an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) angelegt wird. Die Steuereinrichtung ermittelt eine einer jeweiligen Frequenz entsprechende Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) durch Anlegen von Wechselspannungen mit einer Vielzahl von Frequenzen an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) und analysiert die von einer Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) ermittelten jeweiligen Wechselstromimpedanzen zur Berechnung eines eine Änderung der Charakteristik des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) angebenden Parameters, um auf diese Weise eine Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors (1) durchzuführen.

Claims (21)

  1. Steuereinrichtung für einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor (1), bei dem ein Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) einen der Konzentration von Sauerstoff in einem Gas entsprechenden Strom erzeugt, wenn eine Spannung an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) angelegt wird, mit einer Einrichtung (10, 20) zur Ermittlung einer Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2), die einer jeweiligen Frequenz aus einer Vielzahl von Frequenzen entspricht, mit denen das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) beaufschlagt wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Analysieren der ermittelten Wechselstromimpedanz entsprechend der Vielzahl von Frequenzen zur Berechnung eines Parameters, der eine Änderungszeit einer Charakteristik des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) bezeichnet.
  2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 20) zur Bestimmung eines Störzustands des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) in Abhängigkeit von dem von der Parameter-Recheneinrichtung (10, 20) berechneten Parameter.
  3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 20) zur Berechnung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des Gases auf der Basis des Stroms und des Parameters.
  4. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 20), die in Abhängigkeit von dem Paramter bestimmt, ob sich das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) in einem aktivierten Zustand befindet.
  5. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 20) zur Steuerung der Temperatur des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) durch Zuführung von Energie zu einer in dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) angeordneten Heizeinrichtung in Abhängigkeit von dem Parameter.
  6. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) Wechselspannungen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen anlegt, die aus der Vielzahl der Frequenzen ausgewählt sind.
  7. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen der Wechselspannungen an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) durch die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) kurzzeitig erfolgt.
  8. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter-Recheneinrichtung (10, 20) den Parameter auf der Basis einer Differenz zwischen den Wechselstromimpedanzwerten des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) berechnet, die zwei unterschiedlichen Frequenzen entspricht, die aus der Vielzahl von Frequenzen ausgewählt sind.
  9. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Frequenz der beiden Frequenzen aus einem Frequenzbereich ausgewählt wird, in dem der Widerstandswert der elektrolytischen Beschaffenheit des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) ermittelt wird, und dass eine zweite Frequenz der beiden Frequenzen aus einem Frequenzbereich ausgewählt wird, in dem eine einen Elektroden-Übergangswiderstand des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) umfassende Impedanz ermittelt wird.
  10. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) mit der Vielzahl von Frequenzen in einer vorgegebenen Reihenfolge beaufschlagt.
  11. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) die Wechselspannungen über ein Filter mit einer variablen Filterkonstanten anlegt.
  12. Steuereinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) während eines Zeitintervalls vom Anlegen einer Spannung mit einer vorgegebenen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) bis zur Beendigung des Anlegens der Spannung und bis zum Vorliegen einer Konvergenz eines bei dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) ermittelten Stromwertes eine Filterkonstante des Filters auf der Basis dieser Frequenz einstellt.
  13. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) während eines Zeitintervalls vom Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) bis zur Beendigung des Anlegens der Spannung und bis zum Vorliegen einer Konvergenz eines bei dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) ermittelten Stromwertes eine Umschaltung auf eine Wechselspannung mit einer in Bezug auf die vorgegebene Frequenz unterschiedlichen Frequenz verhindert.
  14. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) während eines Zeitintervalls vom Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) bis zur Beendigung des Anlegens der Spannung und bis zum Vorliegen einer Konvergenz eines bei dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) ermittelten Stromwertes eine Berechnung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses des Gases verhindert.
  15. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft-Kraftstoffverhältnis-Recheneinrichtung (10, 20) das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis eines Wertes der Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) berechnet, der einer höchsten Frequenz aus der Vielzahl von Frequenzen entspricht.
  16. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungs-Bestimmungseinrichtung (10, 20) auf der Basis einer der höchsten Frequenz entsprechenden Wechselstromimpedanz des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) bestimmt, ob ein Aktivierungszustand des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) vorliegt.
  17. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6, 8, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) beim Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz über eine einzige Periode an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) während einer ersten Halbperiode der Wechselspannung auf eine zweite Halbperiode umschaltet, das Anlegen der Wechselspannung während der zweiten Halbperiode beendet und zur Berechnung der Wechselstromimpedanz die in der ersten Halbperiode an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) angelegte Spannung und den in dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) fließenden Strom misst.
  18. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6, 8, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) beim Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz über eine einzige Periode an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) während einer ersten Halbperiode der Wechselspannung auf eine zweite Halbperiode umschaltet, das Anlegen der Wechselspannung während der zweiten Halbperiode beendet und einen in dem Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) fließenden Strom in der ersten Halbperiode zumindest zweimal misst, um einen durch das Anlegen der Wechselspannung hervorgerufenen konvergierenden Stromwert des Sauerstoffkonzentrations-Messelements (2) zur Berechnung einer Wechselstromimpedanz aus der Wechselspannung und dem konvergierenden Stromwert zu berechnen.
  19. Steuereinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6, 8, 11, 12, 13, 14, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) unmittelbar nach dem über eine einzige Periode erfolgenden Anlegen einer Wechselspannung mit einer niedrigen Frequenz an das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) eine Wechselspannung mit einer höheren Frequenz als die niedrige Frequenz über eine einzige Periode anlegt.
  20. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzermittlungseinrichtung (10, 20) nur dann eine Impedanzermittlung bei einer niedrigen Frequenz vornimmt, wenn die Gas-Umgebungsbedingungen, in denen sich das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) befindet, stabilisiert sind.
  21. Steuereinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zustand, bei dem stabilisierte Gas-Umgebungsbedingungen für das Sauerstoffkonzentrations-Messelement (2) vorliegen, auf einen Zustand bezieht, bei dem eine Brennkraftmaschine, bei der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis unter Verwendung des Sauerstoffkonzentrations-Messelements gesteuert wird, warmgelaufen ist, so dass nur geringe Veränderungen der Abgas-Geschwindigkeit auftreten.
DE69918608T 1998-05-27 1999-05-12 Steuerapparat für Luft-Kraftstoffverhältnissensor Expired - Lifetime DE69918608T2 (de)

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JP37454398A JP3587073B2 (ja) 1998-05-27 1998-12-28 空燃比センサの制御装置

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