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Dokumentenidentifikation DE102006055613A1 31.05.2007
Titel Mischungsverhältniserfassungsgerät
Anmelder NGK Spark Plug Co., Ltd., Nagoya, Aichi, JP
Erfinder Hiraiwa, Masamichi, Nagoya, Aichi, JP;
Kawai, Takeshi, Nagoya, Aichi, JP;
Teramoto, Satoshi, Nagoya, Aichi, JP;
Mori, Shigeki, Nagoya, Aichi, JP;
Inagaki, Hiroshi, Nagoya, Aichi, JP
Vertreter Zimmermann & Partner, 80331 München
DE-Anmeldedatum 24.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006055613
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/407(2006.01)A, F, I, 20061124, B, H, DE
Zusammenfassung Unter Verwendung einer Gaserfassungsspannung Vs, die von einem Anschluss CU ausgegeben ist, wird eine Bestimmung vorgenommen, ob nach Inbetriebnahme eines Mischungsverhältniserfassungsgeräts (1) ein Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor (10) einen halbaktivierten Zustand erreicht hat, in dem eine Bestimmung auf Basis einer Veränderung eines Gaserfassungssignals Vic vorgenommen werden kann, ob das Mischungsverhältnis fett oder mager ist. Nach der Bestimmung, dass der Sensor (10) den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wird das Signal Vic mit einem Schwellwert verglichen, um zu bestimmen, ob das Mischungsverhältnis fett oder mager ist. Im Mischungsverhältniserfassungsgerät (1) wird die Potenzialdifferenz zwischen einer äußeren Pumpelektrode, einer Pumpzelle (14) und einer Referenzelektrode (28) einer Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) über eine erste Differenzialverstärkerschaltung (53) als das Gaserfassungssignal Vic gewonnen, wobei das Signal Vic hoch ansprechend auf eine Veränderung im Mischungsverhältnis des Abgases ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mischungsverhältniserfassungsgerät zum Nachweis, über einen großen Bereich, des Mischungsverhältnisses (Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Englisch air-fuel ratio) eines Abgases, das von einer Verbrennungseinrichtung, wie beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, abgegeben wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Mischungsverhältniserfassungsgerät, welches eine schnelle und korrekte Mischungsverhältnisrückkoppelungsregelung der Verbrennungseinrichtung nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgerätes ermöglicht.

Für die Mischungsverhältnisregelung einer Verbrennungskraftmaschine ist ein Mischungsverhältniserfassungsgerät bekannt, das einen Gassensor zum Erfassen des Mischungsverhältnisses eines von einer Verbrennungskraftmaschine ausgestoßenen Abgases umfasst. Bekannte Gassensoren für solch einen Zweck umfassen einen Sensor (&lgr;-Sensor, Lambdasensor), der einen von zwei Pegelwerte in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Abgas ausgibt (in Abhängigkeit davon, ob das Mischungsverhältnis fett oder mager ist), sowie einen Sensor (genannt Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor, linearer Mischungsverhältnissensor oder ähnlich; im Folgenden als „linearer Sensor" bezeichnet), der ein Nachweissignal über einen weiten Sauerstoffkonzentrationsbereich (Mischungsverhältnis) unter Beibehaltung der Linearität abgibt. Um den verschärften Emissionsvorschriften gerecht zu werden, welche eine Reduktion der Emission von gefährlichen Gasen vorschreiben, sind in den letzten Jahren Forderungen nach Regelung über einen weiten Bereich des Mischungsverhältnisses (d.h. Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis) eines Luft-Kraftstoff-Gemisches, das einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, erhoben worden. Im Hinblick darauf wurde eine Technik realisiert, bei welcher ein linearer Sensor anstelle eines Lambdasensors verwendet wird, wobei eine Mischungsverhältnisrückkoppelungsregelung auf der Basis eines Ausgangs des linearen Sensors vorgenommen wird.

Im Übrigen verwendet ein Gassensor von jedem der oben beschriebenen Typen im Wesentlichen eine Struktur, bei der ein Paar von Elektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen eines Festelektrolyten vorgesehen ist, um dadurch eine Zelle zu bilden. Der Gassensor erfasst die Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis) über eine elektromotorische Kraft, die infolge eines Unterschieds in der Sauerstoffkonzentration zwischen Luftgemischen (Englisch: atmospheres), denen gegenüberliegende Oberflächen des Festelektrolyten ausgesetzt sind, erzeugt wird, oder durch Bewegung von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten, wenn ein Strom zwischen den Elektroden fließt. Diese Phänomene treten nicht auf, sofern der Festelektrolyt nicht bis auf eine bestimmte Temperatur oder höher erhitzt und in einen so genannten aktiven Zustand gebracht ist. Daher wurde erwogen, einen Heizer in einem Mischungsverhältniserfassungsgerät vorzusehen, um einen Gassensor zu heizen und diesen schnell zu aktivieren, um dadurch eine rasche Mischungsverhältnisrückkoppelungsregelung auf Basis des Ausgangs des Gassensors nach Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine vorzunehmen.

Allerdings benötigt ein kürzlich in die Anwendung überführter linearer Sensor eine sehr lange Zeit von 10 Sekunden bis mehreren 10 Sekunden, bevor dessen Zelle ausreichend aktiviert und der Sensor einen stabilen Ausgang als linearer Sensor erzeugt, selbst wenn der lineare Sensor mittels eines Heizers erwärmt ist. Um diesen Nachteil zu überwinden, wurde ein Mischungsverhältniserfassungsgerät vorgeschlagen, das in den offen gelegten japanischen Patentanmeldungen H9-170997 und 2004-69547 beschrieben ist, bei dem ein linearer Sensor verwendet wird und welches die rasche Durchführung einer Mischungsverhältnisrückkoppelungregelung nach Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.

Die vorstehend genannten offengelegten Patentanmeldungen H9-170997 und 2004-69547 beschreiben eine Technik zur Bestimmung, ob ein linearer Sensor einen halbaktivierten Zustand eingenommen hat. Eine Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis ein fettes Mischungsverhältnis oder ein mageres Mischungsverhältnis ist, kann auf Basis des Sensorausgangs in einer Phase durchgeführt werden, bevor der lineare Sensor einen vollaktivierten Zustand (vollständig aktivierten Zustand) nach Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine eingenommen hat. In diesem Zustand gibt der Sensor ein lineares Nachweissignal in Übereinstimmung mit dem Mischungsverhältnis ab. Diese Veröffentlichungen geben an, dass die Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis ein fettes Mischungsverhältnis oder ein mageres Mischungsverhältnis ist, auf Basis eines Nachweissignals durchgeführt wird, das zu einer Zeit ausgegeben ist, bei der bestimmt wurde, dass die Zelle des linearen Sensors den halbaktivierten Zustand eingenommen hat.

Aus einem anderen Aspekt ist zusätzlich zu einem Grenzstromtypsensor mit einer Einzelzelle, wie in der japanischen Patentanmeldung 2004-69547 beschrieben, ein Schichttyp-Gassensor bekannt, bei dem eine Pumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle schichtweise aufgebaut sind und der einen linearen Sensor darstellt, der zur Erfassung eines Mischungsverhältnisses (Sauerstoffkonzentration) über einen weiten Bereich geeignet ist. Konkret ist dieser Schichttyp-Gassensor so konfiguriert, dass die Pump- und Sauerstoffkonzentrationsmesszellen, die jeweils eine Festelektrolytschicht und ein Paar von Elektroden, zwischen denen die Festlelektrolytschicht angeordnet ist, aufweisen, integral schichtweise miteinander verbunden sind. In dieser Anordnung ist eine Elektrode jeder Zelle einer Messgaskammer zugewandt, in welche Abgas über einen Diffusionskontrollabschnitt eingeleitet werden kann.

Für solch einen, eine Vielzahl von Zellen aufweisenden linearen Sensor wurde eine Technik zum schnellen Starten der Mischungsverhältnisrückkoppelungsregelung nach Inbetriebnahme einer Verbrennungskraftmaschine untersucht. Bei dieser Technik erfolgt die Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis ein fettes Mischungsverhältnis oder ein mageres Mischungsverhältnis ist, unter Verwendung eines Ausgangs des Sensors in einer Phase, bevor der Sensor einen vollständig aktivierten Zustand erreicht hat. Ein konkretes Beispiel dafür ist ein Sensorregelungsgerät, welches in der nicht vorveröffentlichten japanischen Patentanmeldung 2005-264879 vorgeschlagen wurde. Der Sensorregelungsapparat bestimmt, ob ein Gassensor (linearer Sensor), der eine Vielzahl von Zellen umfasst, einen halbaktivierten Zustand in einem Zeitpunkt eingenommen hat, bevor der Gassensor einen vollständig aktivierten Zustand erreicht hat. Nach Bestimmung, dass der Gassensor den halbaktivierten Zustand eingenommen hat, bestimmt das Sensorreglungsgerät auf Basis einer zwischen den Elektroden einer der Zellen (beispielsweise der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle) erzeugten Spannung, ob das Mischungsverhältnis fett oder mager ist.

Allerdings haben die Erfinder durch detaillierte Studien herausgefunden, dass, nachdem der eine Vielzahl von Zellen aufweisende Gassensor einen halbaktivierten Zustand erreicht hat, sich die zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle erzeugte Spannung in Bezug auf die eigentliche Änderung des Mischungsverhältnisses mit einer Verzögerung ändert, und daher das Ansprechverhalten des Nachweissignals nicht befriedigend ist. Dieses Phänomen wird darauf zurückgeführt, dass Abgas, welches in die Messgaskammer eingeführt wird, durch einen Diffusionskontrollabschnitt hindurchtreten muss, und dass ein Ersetzen von Gas in der Messgaskammer aufgrund der Anwesenheit des Diffusionskontrollabschnitts nur langsam erfolgt. Daher kann das in der früheren Anmeldung beschriebene Sensorregelungsgerät zwar eine Rückkoppelungsregelung in einer Phase durchführen, bevor der Gassensor einen vollständig aktivierten Zustand nach Inbetriebnahme des Sensorregelungsgeräts eingenommen hat. Um allerdings eine korrekte Mischungsverhältnisrückkoppelungsregelung unter Berücksichtigung der verschärften Emissionskontrollstandards vornehmen zu können, muss das Sensorregelungsgerät ein verbessertes Ansprechverhalten des erzeugten Nachweissignals hinsichtlich Veränderungen im Mischungsverhältnis haben, nachdem der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Probleme fertiggestellt und eine Aufgabe derselben ist es, ein Mischungsverhältniserfassungsgerät bereitzustellen, welches in einem Zeitpunkt, bevor ein Gassensor einen vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, ein auf Veränderungen im Mischungsverhältnis schnell ansprechendes Nachweissignal ermöglicht. Der Gassensor umfasst eine Pumpzelle und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle, die so geschichtet sind, dass eine Elektrode jeder Zelle einer hohlen Messgaskammer zugewandt ist, in welche Abgas über einen Diffusionskontrollabschnitt eingeführt werden kann, d.h. die jeweiligen Elektroden sind dem Abgas ausgesetzt.

Die obige Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch Bereitstellung eines Mischungsverhältniserfassungsgeräts, welches einen Gassensor aufweist. Der Gassensor weist eine Pumpzelle, die eine zwischen einer äußeren Pumpelektrode und einer inneren Pumpelektrode eingelegte bzw. schichtartig angeordnete erste Festelektrolytschicht umfasst, sowie eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle auf, die eine zwischen einer Messelektrode und einer Referenzelektrode eingelegte bzw. schichtartig angeordnete zweite Festelektrolytschicht aufweist. Die Pumpzelle und die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle sind integral schichtweise miteinander verbunden, so dass die innere Pumpelektrode und die Messelektrode einer (hohlen) Messgaskammer zugewandt sind, in welche Abgas über einen Diffusionskontrollabschnitt eingeführt ist bzw. werden kann, d.h. einleitbar ist, wobei die innere Pumpelektrode und die Messelektrode auf gleichem Potenzial gehalten werden, beispielsweise durch eine elektrische Verbindung zwischen der inneren Pumpelektrode und der Messelektrode. Wenn der Gassensor in einem vollständig aktivierten Zustand ist, wird Strom der Pumpzelle zugeführt, um Sauerstoff in die oder aus der Messgaskammer zu pumpen, so dass eine konstante Spannung zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle erzeugt wird. Auf diese Weise kann das Mischungsverhältnis des Abgases über einen weiten Bereich auf der Basis des durch die Pumpzelle fließenden Stroms erfasst werden. Das Mischungsverhältniserfassungsgerät zeichnet sich dadurch aus, dass es aufweist ein Erfassungswertermittlungsmittel zur Ermittlung einer Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode der Pumpzelle und der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationszelle als ein Erfassungswert in einer Phase nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgeräts und bevor der Gassensor einen vollständig aktivierten Zustand erreicht hat; und ein Fett-Mager-Erfassungsmittel zur Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager durch Vergleich des Erfassungswertes mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis-Schwellwert ist.

Im Gassensor, welcher die oben beschriebene Konfiguration hat, wird selbst in einer Phase vor Erreichung des vollaktivierten Zustandes eine elektromotorische Kraft (Spannung) zwischen dem Elektrodenpaar der Pumpzelle und dem Elektrodenpaar der Sauerstoffmesszelle erzeugt. Die elektromotorische Kraft ist proportional zur Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen gegenüberliegenden Oberflächen jeder Zelle, vorausgesetzt, dass der Gassensor auf eine bestimmte Temperatur oder höher erhitzt ist.

Da sowohl die innere Pumpelektrode der Pumpzelle als auch die Messelektrode der Sauerstoffkonzentrationszelle im Mischungsverhältniserfassungsgerät der vorliegenden Erfindung der Messgaskammer zugewandt ist, sind sie dem gleichen Luftgemisch (Atmosphäre) ausgesetzt. Darüber hinaus werden die innere Pumpelektrode und die Messelektrode auf gleichem Potenzial gehalten. Diese Konfiguration kann ein Potenzial (Spannung) erreichen bzw. ermöglicht ein Potenzial (Spannung), welches einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode und der Referenzelektrode entspricht, durch Messung der Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode der Pumpzelle und der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle.

Da die äußere Pumpelektrode auf der Seite der Pumpzelle angeordnet ist, die nicht der Messgaskammer, in welche Abgas über den Diffusionskontrollabschnitt eingeführt ist, zugewandt ist, erreicht außerhalb des Sensors vorhandenes Abgas die äußere Pumpelektrode erheblich leichter als dass es die der Messgaskammer zugewandten Elektroden erreicht. In einigen Fällen kann eine poröse Elektrodenschutzschicht auf der äußeren Pumpelektrode zur Vermeidung einer Vergiftung angeordnet sein. Allerdings erreicht Abgas bei der vorliegenden Erfindung die äußere Pumpelektrode viel leichter es als die der Messgaskammer zugewandten Elektroden erreichen kann, selbst wenn eine Elektrodenschutzschicht vorgesehen ist. Dies liegt daran, dass die Gaspermeabilität der Elektrodenschutzschicht höher gewählt ist als die der Diffusionskontrollschicht unter Berücksichtigung der Konfiguration, bei welcher Sauerstoff in die oder aus der Messgaskammer gepumpt ist, wenn der Gassensor sich in einem vollständig aktivierten Zustand befindet.

Daher kann eine Veränderung im Mischungsverhältnis (Veränderung in der Atmosphäre) viel leichter auf Basis der Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode und der Referenzelektrode erfasst werden, verglichen mit dem Fall, bei dem eine Veränderung des Mischungsverhältnisses auf Basis der Spannung, die zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle erzeugt wird, erfasst wird. Da bei der vorliegenden Erfindung die oben beschriebene Potenzialdifferenz erlangt bzw. gemessen werden kann, kann ein Nachweissignal bereitgestellt werden, das schnell auf Veränderungen im Mischungsverhältnis anspricht. Daher kann die Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist, durch Ermittlung der Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode der Pumpzelle und der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle als ein Erfassungswert genau durchgeführt werden, und damit die Bestimmung auf Basis des Erfassungswertes erfolgen, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist.

Daher kann das Mischungsverhältniserfassungsgerät der vorliegenden Erfindung in einem Zustand, bevor der Gassensor einen vollständig aktivierten Zustand eingenommen hat, genau bestimmen, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder arm ist, und kann eine genaue Mischungsverhältnisrückkoppelungsregelung in einem vorläufigen Zustand durchführen, bevor der Gassensor einen vollständig aktivierten Zustand eingenommen hat.

Nach einem weiteren Aspekt, wenn das Erfassungswertermittlungsmittel die Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode der Pumpzelle und der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle als ein Erfassungswert ermittelt, muss der Gassensor (mit anderen Worten: die Pumpzelle und die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle) auf eine gewisse Temperatur oder höher erhitzt werden, so dass eine elektromotorische Kraft zwischen den Elektroden jeder Zelle erzeugt wird. Daher wird, nachdem eine gewisse Zeitperiode nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgerätes verstrichen ist, angenommen, dass jede Zelle bis zu einem gewissen Ausmaß einen aktivierten Zustand eingenommen hat, so dass der Erfassungswert mittels des Erfassungswertermittlungsmittels ermittelt wird. Allerdings hängt die Geschwindigkeit, mit der der Gassensor den aktivierten Zustand erreicht, von Umweltbedingungen ab, denen der Gassensor ausgesetzt ist, und selbst wenn eine Struktur verwendet wird, bei der der Gassensor mittels eines Heizers erhitzt ist, kann die Geschwindigkeit, mit der der aktivierte Zustand erreicht wird, aufgrund des Einflusses einer Veränderung in der Heizspannungsversorgung variieren.

Im Hinblick auf das Vorstehende weist das Mischungsverhältniserfassungsgerät vorzugsweise (a) Halbaktivierungsbestimmungsmittel zur Bestimmung, ob der Gassensor nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgeräts einen halbaktivierten Zustand erreicht hat, in dem eine Erfassung vorgenommen werden kann, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist, basierend auf einer Veränderung des Erfassungswertes, und (b) Vollaktivierungsbestimmungsmittel zur Erfassung, ob der Gassensor den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, wobei das Erfassungswertermittlungsmittel den Erfassungswert ermittelt, wenn das Halbaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat, und wenn das Vollaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass der Gassensor den vollständig aktivierten Zustand noch nicht erreicht hat.

Gemäß dem Mischungsverhältniserfassungsgerät der vorliegenden Erfindung wird der Erfassungswert mittels des Erfassungswertermittlungsmittels ermittelt, nachdem das Halbaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat sowie bis zu dem Zeitpunkt, bei dem das Vollaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass der Gassensor den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat. Das heißt, die Ermittlung des Erfassungswerts beginnt, nachdem das Halbaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass die Pumpzelle und die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle auf eine bestimmte Temperatur oder höher erhitzt wurden und dass diese Zellen einen aktivierten Zustand eingenommen haben, in dem eine elektromotorische Kraft, die zu einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz korrespondiert, zwischen den Elektroden jeder Zelle erzeugt ist. Daher kann das Fett-Mager-Bestimmungsmittel die Bestimmung unter Verwendung des Erfassungswerts bei halbaktiviertem Zustand, der dem voll aktivierten Zustand vorgelagert ist, zuverlässig durchführen.

Das Halbaktivierungsbestimmungsmittel zur Bestimmung, ob der Gassensor den halbaktivierten Zustand eingenommen hat, kann beispielsweise ein Mittel zum Zuführen von Energie zu einem Heizer, der am Gassensor befestigt, der im Allgemeinen mit der Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgeräts synchronisiert ist, zur Berechnung der kumulativ dem Heizer zugeführten elektrischen Leistung und zur Bestimmung, dass der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wenn die kumulative elektrische Leistung einen vorbestimmten Referenzwert erreicht hat, sein. Allerdings ist die direkte Verwendung der vom Gassensors erhaltenen Ausgaben wünschenswert, um genau bestimmen zu können, ob der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat.

Im Hinblick auf das vorhergehende, weist das Mischungsverhältniserfassungsgerät der vorliegenden Erfindung bevorzugt weiterhin auf: eine Stromquelle, die geeignet ist, einen konstanten Strom eines gewissen Niveaus an die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle zu liefern; eine Konstantstromlieferregeleinheit, die abwechselnd An- und Auszustände in vorbestimmten Intervallen einnimmt, um abwechselnd die Stromquelle zur Lieferung eines konstanten Stroms zu aktivieren bzw. die Stromzufuhr durch die Stromquelle zu deaktivieren; Spannungserfassungsmittel zur Erfassung einer zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode der Sauerstoffmesszelle erzeugten Spannung, wenn die Konstantstromlieferregeleinheit in einem Ein-Zustand und wenn die Konstantstromlieferregeleinheit in einem Aus-Zustand ist; und Spannungsdifferenzerfassungsmittel zur Erfassung einer Spannungsdifferenz, welche die Differenz zwischen der Spannung, die mittels des Spannungserfassungsmittels erfasst ist, wenn die Konstantstromlieferregeleinheit im Ein-Zustand ist, und der Spannung ist, die erfasst ist, wenn die Konstantstromlieferregeleinheit im Aus-Zustand ist, wobei das Halbaktivierungsbestimmungsmittel die Spannungsdifferenz, welche mittels des Spannungsdifferenzerfassungsmittels erfasst ist, mit einem vorgewählten Spannungsbewertungsschwellwert vergleicht sowie bestimmt, dass der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wenn die Spannungsdifferenz geringer als der Spannungsbewertungsschwellwert wird.

Im Mischungsverhältniserfassungsgerät der vorliegenden Erfindung wird die Spannungsdifferenz erfasst, welche die Differenz zwischen der Spannung, die erfasst wird, wenn die Stromquelle an ist, und der Spannung ist, die erfasst wird, wenn die Stromquelle aus ist, und eine Bestimmung, ob der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wird durch Vergleich der Spannungsdifferenz mit dem vorgewählten Spannungsbewertungsschwellwert vorgenommen. Da die Bestimmung, ob der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat, durch direkte Erfassung der Ausgaben des Gassensors (insbesondere der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle) vorgenommen wird, kann der halbaktivierte Zustand, welcher während eines Übergangs des Gassensors vom nicht aktivierten Zustand zum vollständig aktivierten Zustand auftritt, korrekt erfasst werden.

Bevorzugt ist beim oben beschriebenen Mischungsverhältniserfassungsgerät eine Abschirmschicht zum Abschirmen der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle gegenüber Umwelteinflüssen auf einer Seite des Gassensors laminiert, wo die Referenzelektrode vorgesehen ist. Darüber hinaus weist das Mischungsverhältniserfassungsgerät eine Referenzstromquellenerzeugungsregeleinheit zum Bewirken auf, dass der konstante Strom von der Stromquelle zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle in eine Richtung zum Pumpen von Sauerstoff von der Messgaskammer zur Referenzelektrode fließt, um dabei zu bewirken, dass die Referenzelektrode, die mittels der Abschirmschicht abgeschirmt ist, als innere Sauerstoffreferenzquelle wirkt.

Im Mischungsverhältniserfassungsgerät der vorliegenden Erfindung wird eine gemeinsame Stromquelle für zwei Zwecke verwendet, nämlich zur Lieferung eines konstanten Stroms zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle, um so Sauerstoff auf eine vorbestimmte Konzentration an der Referenzelektrode der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle zu akkumulieren, um dabei zu ermöglichen, dass die Referenzelektrode als innere Sauerstoffreferenzelektrode wirkt, und zur Lieferung eines konstanten Stroms zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle, um so zu bestimmen, ob der Gassensor sich in einem halbaktivierten Zustand befindet. Auf diese Weise können die beiden Aufgaben zum Betreiben des Gassensors und zur Bestimmung, ob sich der Sensor in einem halbaktivierten Zustand befindet, ohne die Notwendigkeit der Bereitstellung einer Vielzahl von Stromquellen durchgeführt werden, wodurch die Kosten für das Mischungsverhältniserfassungsgerät reduziert werden können.

Bevorzugt weist das oben beschriebene Mischungsverhältniserfassungsgerät weiterhin Widerstandselementerfassungsmittel zum Erfassen eines internen Widerstands der Pumpzelle oder der Sauerstoffkonzentrationszelle auf, wobei das Vollaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt, dass der Gassensor den voll aktivierten Zustand erreicht hat, wenn der mittels des Widerstandelementerfassungsmittels erfasste innere Widerstand geringer als ein vorgewählter Widerstandsbewertungsschwellwert wird.

Im Fall, dass der innere Widerstand der Pumpzelle oder der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle erfasst ist, kann die Bestimmung, ob der Gassensor den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, korrekt durchgeführt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Allerdings soll die vorliegende Erfindung nicht als darauf beschränkt ausgelegt werden.

1 zeigt ein Blockschaltdiagramm, das schematisch die Konfiguration eines Mischungsverhältniserfassungsgeräts zeigt.

2 ist eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors (Gassensor), der ein Mischungsverhältniserfassungsgerät darstellt.

3 ist ein Flussbild, welches die Einzelheiten der Verarbeitung darstellt, die durch die CPU eines Mikrocomputers durchgeführt werden, der das Mischungsverhältniserfassungsgerät darstellt.

4 ist ein Flussbild, welches die Einzelheiten nach Ablauf der in 3 gezeigten Verarbeitung der Verarbeitung darstellt.

1 zeigt ein Blockschaltdiagramm eines Mischungsverhältniserfassungsgeräts 1, das ausgestattet ist mit einem Zweizellentyp-Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10, der eine Pumpzelle 14 und eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 umfasst.

Wie in 1 dargestellt, umfasst das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1, welches das Mischungsverhältnis (d.h. das Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis) von Abgas erfasst, das von einer Verbrennungskraftmaschine wie beispielsweise einem Vergaserkraftstoffmotor oder einem Dieselmotor ausgestoßen wird, den Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10; eine Sensorregelungsschaltung 20 zum Treiben und Regeln des Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10 und zur Ausgabe eines Ausgangssignals, welches zum Mischungsverhältnis korrespondiert; und einen Mikrocomputer 30 zum Erfassen des Mischungsverhältnisses auf der Basis des Ausgangssignals und zum Regeln der Verbrennungskraftmaschine (insbesondere zur Regelung der Einspritzmenge des Kraftstoffs). Anschlüsse Ip + 1, COM1, Vs + 1 der Sensorregelungsschaltung 20 sind mit dem Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 verbunden. Es wird darauf hingewiesen, dass nachfolgend die Anschlüsse des Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10, mit welchen die oben beschriebenen Anschlüsse der Sensorregelungsschaltung 20 verbunden sind, beschrieben werden. Anschlüsse CA, CB, CC, CI und CU der Sensorregelungsschaltung 20 sind mit Anschlüssen CE, CG, CF, CT und CV des Mikrocomputers 30 verbunden.

Wie in 2 gezeigt, umfasst der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 eine Pumpzelle 14, welche eine erste Festelektrolytschicht 15 aufweist, die zwischen einer äußeren Pumpelektrode 12 und einer inneren Pumpelektrode 16 schichtweise angeordnet ist (in Sandwich-Anordung vorliegt); die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24, welche eine zwischen einer Messelektrode 22 und einer Referenzelektrode 28 eingelegte (schichtartig angeordnete) zweite Festelektrolytschicht 13 umfasst; eine hohle Messgaskammer 21, die zwischen der Pumpzelle 14 und der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 angeordnet und in die Abgas eingeleitet ist bzw. eingeleitet werden kann; eine poröse Diffusionskontrollschicht 18 zum Einführen von Abgas in die Messgaskammer 21; sowie eine Abschirmschicht 31, die mittels einer Isolationsschicht 26 auf eine Oberfläche der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 geschichtet ist, wo die Referenzelektrode 28 bereitgestellt ist, um so eine Sauerstoffreferenzkammer 32 zum Akkumulieren von Sauerstoff zwischen der Abschirmschicht 31 und der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zu formen. Weiterhin ist eine poröse Elektrodenschutzschicht 34 auf der äußeren Oberfläche der Pumpzelle 14 bereitgestellt, um ein Vergiften der äußeren Pumpelektrode 12 zu vermeiden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Porösität und die Dicke der Elektrodenschutzschicht 34 geeignet gewählt sind, so dass die Elektrodenschutzschicht 34 eine höhere Gaspermibilität als die Diffusionskontrollschicht 18 aufweist.

Die innere Pumpelektrode 16 der Pumpzelle 14 sowie die Messelektrode 22 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 sind so angeordnet, dass sie der Messgaskammer 21 zugewandt sind, d.h. sie sind dem Abgas in der Messgaskammer ausgesetzt. Jede der ersten Festelektrolytschicht 15, der zweiten Festelektrolytschicht 13 und der Abschirmschicht 31 ist hauptsächlich aus Zirkoniumoxyd geformt, das teilweise mit Yttrium stabilisiert ist (engl.: zirconia partially stabilised with yttria). Jede der äußeren Pumpelektrode 12, der inneren Pumpelektrode 16, der Messelektrode 22 sowie der Referenzelektrode 28 ist hauptsächlich aus Platin geformt. Die Messgaskammer 21 ist ein Hohlabschnitt, der durch teilweises Entfernen einer hauptsächlich aus Aluminiumoxyd (Englisch: alumina) bestehenden Isolationsschicht (nicht gezeigt) geformt ist, und dere zwischen der Pumpzelle 14 und der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 angeordnet ist. Ein Abschnitt der Isolationsschicht ist abgetrennt und entfernt, um so einen Kanal zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Hohlabschnitt und dem Außenraum herzustellen, wobei die Diffusionskontrollschicht 18, die hauptsächlich aus Aluminiumoxyd geformt ist, im Kanal angeordnet ist.

Die innere Pumpelektrode 16 der Pumpzelle 14 und die Messelektrode 22 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 sind miteinander und mit einem Ausgangsanschluss COM des Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10 verbunden. Das heißt, die innere Pumpelektrode 16 und die Messelektrode 22 nehmen das gleiche Potenzial an. Der Ausgangsanschluss COM ist verbunden mit dem Anschluss COM1 der Sensorregelungsschaltung 20 (siehe 1). Es wird darauf hingewiesen, dass, wie in 1 gezeigt, die innere Pumpelektrode 16 und die Messelektrode 22 nicht nur mit dem Anschluss COM1, sondern auch mit einem Anschluss Vc der Sensorregelungsschaltung 20 über eine gemeinsame Zuleitung verbunden sind. Darüber hinaus ist die äußere Pumpelektrode 12 der Pumpzelle 14 mit einem äußeren Anschluss Ip+ des Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10 verbunden, und die Referenzelektrode 28 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 ist mit einem Ausgangsanschluss Vs+ des Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10 verbunden. Diese Ausgangsanschlüsse Ip+ und Vs+ sind mit Anschlüssen Ip + 1 bzw. Vs + 1 der Sensorregelungsschaltung 20 verbunden.

Wie in 1 gezeigt, umfasst der Mikrocomputer 30 eine erste A/D-Konverter-Schaltung 57, eine zweite A/D-Konverter-Schaltung 58, eine dritte A/D-Konverter-Schaltung 59, eine vierte A/D-Konverter-Schaltung 63 sowie eine CPU 60. Diese A/D-Konverter-Schaltungen 57, 58, 59 und 63 erhalten Ausgangssignale von der Sensorregelungsschaltung 20 über die Anschlüsse CE, CG, CF und CV des Mikrocomputers und geben diese an die CPU 60 nach Umwandlung dieser in digitale Werte aus. Auf Basis der digitalisierten Ausgangssignale der Sensorregelungsschaltung 20 berechnet die CPU 60 ein Mischungsverhältnis oder den inneren Widerstand der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 oder ähnliches. Wie weiter unten beschrieben wird, gibt der Mikrocomputer 30 (insbesondere die CPU 60) ebenso über den Anschluss CT an den Anschluss CI der Sensorregelungsschaltung 20 Schaltsignale zum An– und Ausschalten von Schaltern SW1 bis SW6 aus, die in der Sensorregelungsschaltung 20 enthalten sind.

Nachfolgend werden die Konfiguration und das Betreiben der Sensorregelungsschaltung 20 mit Bezugnahme auf 1 beschrieben. Es soll darauf hingewiesen werden, dass ein Großteil der Sensorregelungsschaltung 20 durch eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (ASIC) realisiert ist.

Die Sensorregelungsschaltung 20 umfasst einen Operationsverstärker 52 zur Zufuhr von Pumpstrom Ip zur Pumpzelle 14; eine PID-Regelungsschaltung 51 zur Verbesserung der Regelungscharakteristik des Pumpstroms Ip; eine erste Stromquelle 41 zur Zufuhr eines sehr kleinen Stroms Icp zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24, um so eine konstante Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode 28 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 aufrecht zu erhalten (mit anderen Worten: die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffreferenzkammer 32); eine Konstantspannungsquelle 61 zum Bereitstellen einer Spannung, die als Regelungsziel zur Regelung des Pumpstroms Ip dient; sowie einen Erfassungswiderstand 50, dessen gegenüberliegende Enden mit den Anschlüssen Vc bzw. Pout verbunden sind, und der den durch die Pumpzelle 14 fließenden Strom Ip in eine Spannung umwandelt. Die Sensorregelungsschaltung 20 umfasst weiterhin eine erste Differenzverstärkerschaltung 53 zur Verstärkung, mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor, einer Spannungsdifferenz, welche die Differenz zwischen dem Potenzial am Anschluss Ip + 1 und dem Potenzial am Anschluss Vs + 1 ist, und zur Ausgabe des Ergebnisses als ein Gaserfassungssignal Vic; und eine zweite Differenzverstärkerschaltung 54 zur Verstärkung, mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor, einer Spannung über dem Erfassungswiderstand 50 (die Differenz zwischen dem Potenzial am Anschluss Vc und dem Potenzial am Anschluss Pout), und zur Ausgabe des Ergebnisses als ein Gaserfassungssignal Vip. Darüber hinaus umfasst die Sensorregelungsschaltung 20 eine vierte Differenzverstärkerschaltung 71 zur Verstärkung, mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor, einer Spannungsdifferenz, bei welcher es sich um die Differenz zwischen dem Potenzial am Anschluss Vs + 1 und dem Potenzial am Anschluss Vc handelt, und zur Ausgabe der zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 erzeugten Spannung Vs. Da die erste Differenzverstärkerschaltung 53, die zweite Differenzverstärkerschaltung 54 und die vierte Differenzverstärkerschaltung 71 jeweils eine bekannte Schaltungskonfiguration aufweisend einen Operationsverstärker und Widerstände haben, sind sie in Form von Blöcken in 1 dargestellt.

Die erste Stromquelle 41, der Schalter SW4, die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 und ein Widerstand 62 sind in dieser Reihenfolge verbunden, um so einen Strompfad zum Zuführen eines sehr kleinen konstanten Stroms Icp (beispielsweise 16 &mgr;A) zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zu formen, wenn der Schalter SW4 an ist. Wenn der sehr kleine Strom Icp durch die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 in eine Richtung fließt, dass Sauerstoff innerhalb der Messgaskammer 21 zur Referenzelektrode 28 hin gepumpt wird, dient die Sauerstoffreferenzkammer 32 als innere Sauerstoffreferenzquelle.

Die PID-Regelungsschaltung 51 hat eine bekannte Konfiguration zusammengesetzt aus einer Vielzahl von Widerständen und Kapazitäten, welche die Regelungscharakteristik der PID-Regelungsschaltung 51, der Operationsverstärker und dergleichen bestimmen. Ein Ende (Eingangsseite) der PID-Regelungsschaltung 51 ist mit dem Anschluss Vs + 1 über eine Differenzialverstärkerschaltung verbunden, die aus einem ersten Puffer 42, dem Schalter SW3, Widerständen 43 und 45, einem zweiten Puffer 46, Widerständen 47 und 48 sowie einem Operationsverstärker 69 zusammengesetzt ist. Das andere Ende (Ausgangsseite) der PID-Regelungsschaltung 51 ist mit dem Anschluss Pout über den Schalter SW1 verbunden. Es soll darauf hingewiesen werden, dass der invertierte Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 69, der in einer Stufe vor der PID-Regelungsschaltung 51 angeordnet und eine Differenzverstärkerschaltung formt, mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 47 und 49 verbunden ist, und dass der nicht invertierte Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 69 mit Anschluss Vc über einen nicht dargestellten Widerstand verbunden ist. Die Konstantspannungsquelle 61 liefert eine Spannung (beispielsweise 450 mV), welche als Regelungsziel zur Regelung des Pumpstroms dient, zum invertierten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 69 über ein drittes Puffer 65 und den Widerstand 49. Weiterhin ist der Ausgang der PID-Regelungsschaltung 51 mit dem invertierten Eingang des Operationsverstärkers 52 über den Erfassungswiderstand 50 verbunden; eine Referenzspannung von 3,6 Volt ist an den nicht invertierten Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 52 angelegt; und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 52 ist über den Schalter SW2 mit dem Anschluss Ip + 1 verbunden.

Der Betrieb der Sensorregelungsschaltung 20 zur Messung der Sauerstoffkonzentration (Mischungsverhältnis) über einen weiten Bereich soll nachfolgend für den Fall beschrieben werden, in welchem der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 in einem vollständig aktivierten Zustand ist.

Sofern der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, sind die Schalter SW1 bis SW4 angeschaltet, so dass ein sehr kleiner Strom Icp von der ersten Stromquelle 41 zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 fließt. Die PID-Regelungsschaltung 51 erhält die Ausgabe vom Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 69 und regelt die Stärke des Pumpstroms Ip mittels der PID-Regelung, so dass die Spannung Vs, die über der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 erzeugt wird, 450 mV ist. Insbesondere berechnet die PID-Regelungsschaltung 51 durch PID-Verarbeitung eine Abweichung &Dgr;Vs der über der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 erzeugten Spannung Vs von der Regelungszielspannung 450 mV, und die Abweichung &Dgr;Vs wird zum Operationsverstärker 52 über den Erfassungswiderstand 50 zurückgekoppelt, wodurch der Pumpstrom Ip zwischen den Elektroden der Pumpzelle 14 fließt und Sauerstoff aus der oder in die Messgaskammer 21 gepumpt wird (siehe 2).

Da sich die Stärke und Flussrichtung des Pumpstroms Ip in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis (Sauerstoffkonzentration) des Abgases verändern, kann die Sauerstoffkonzentration im Abgas über einen weiten Bereich auf Basis des Pumpstroms Ip erfasst werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Pumpstrom Ip sich im Allgemeinen proportional zum Mischungsverhältnis (Sauerstoffkonzentration) des Abgases ändert. Da der Erfassungswiderstand 50 in den Strompfad, durch welchen der Pumpstrom Ip fließt, eingefügt ist, wird insbesondere eine zur Stärke des Pumpstroms Ip korrespondierende Erfassungsspannung zwischen gegenüberliegenden Enden des Erfassungswiderstands 50 erzeugt. Im Hinblick darauf werden Potenziale an gegenüberliegenden Enden des Erfassungswiderstands 50 (insbesondere das Potenzial am Anschluss Vc und das Potenzial am Anschluss Pout) mittels der zweiten Differenzverstärkerschaltung 54 differenzverstärkt, und die verstärkte Potenzialdifferenz wird über den Anschluss CB an den Mikrocomputer 30 als ein Gaserfassungssignal Vip ausgegeben. Das vom Anschluss CB der Sensorregelungsschaltung 20 ausgegebene Gaserfassungssignal Vip wird dem Anschluss CG des Mikrocomputers 30 zugeführt und in einen Digitalwert mittels der zweiten A/D-Konverter-Schaltung 58 umgewandelt. Der Digitalwert wird mittels der CPU 60 verarbeitet und dadurch das Mischungsverhältnis bestimmt. Das durch die CPU 60 erfasste Mischungsverhältnis wird zur Kraftstoffeinspritzgröße zurück gekoppelt, wodurch eine Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung durchgeführt wird.

Die obige Beschreibung gilt für den Fall, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 sich in einem vollständig aktivierten Zustand befindet, das heißt in einem gewöhnlichen Zustand. Tatsächlich kann die oben beschriebene Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung unter Verwendung des Gaserfassungssignals Vip nicht durchgeführt werden, sofern der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 nicht ausreichend geheizt ist. Im Hinblick auf das Vorhergehende und um den Zustand zu beseitigen, in dem die Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung nicht durchgeführt werden kann, umfasst das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Verarbeitungssystem, das zur Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager in Bezug auf ein theoretisches Mischungsverhältnis ist, in einer Phase, bevor der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, geeignet ist. Sofern die Information, ob das Abgas fett oder mager ist, in einer Phase, bevor der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, ermittelt und für die Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung verwendet wird, kann die Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung rasch nach Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine gestartet werden. Es soll darauf hingewiesen werden, dass beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist, auf Basis des Gaserfassungssignals Vic durchgeführt wird, das von der in der Sensorregelungsschaltung 20 vorgesehenen Differenzialverstärkerschaltung 53 ausgegeben und durch Verstärkung der Differenz zwischen dem Potenzial am Anschluss Vs + 1 und dem am Anschluss Ip + 1 mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor erhalten wird. Dies soll nachfolgend ausführlicher beschrieben werden.

Das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst auch ein Verarbeitungssystem zur Messung des inneren Widerstandes der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24.

Wie in 1 gezeigt, formt das zweite Puffer 46 in der Sensorregelungsschaltung 20 einen Abtast- und Haltekreis in Kooperation mit dem Schalter SW3 und einem Kondensator 44. In einem Zustand, in welchem der Schalter SW4 angeschaltet und der sehr kleine Strom Icp durch die Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 fließt, hält der Abtast- und Haltekreis, wenn der Schalter SW3 ausgeschaltet ist, die über der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 erzeugte Spannung Vs unmittelbar vor Zuführung von Strom zur Messung des inneren Widerstands der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24.

Wenn der Schalter SW3 ausgeschaltet ist, sind die Schalter SW5 und SW6 angeschaltet, wodurch Strom einer vorbestimmten Stärke zur Widerstandsmessung von der zweiten Stromquelle 64 und der dritten Stromquelle 73 zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 geliefert wird. Eine dritte Differenzialverstärkerschaltung 55 verstärkt mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor die Differenz zwischen dem Haltewert VSH, der mittels des zweiten Puffers 46 gehalten wird (die Spannung Vs, die über der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24unmittelbar vor Zuführung von Strom zur Widerstandsmessung generiert wird), und einem Potenzial Vs + B, wenn der Strom zur Widerstandsmessung der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zugeführt wird. Da die von der Differenzialverstärkerschaltung 55 ausgegebene verstärkte Spannungsdifferenz proportional zum inneren Widerstand (Volumenwiderstand) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 ist, kann die verstärkte Spannungsdifferenz als ein Widerstandssignal Vrpvs verwendet werden. Die von der dritten Differenzverstärkerschaltung 55 ausgegebene Spannung wird einem Signalhaltekreis 56 zugeführt. Da die dritte Differenzialverstärkerschaltung 55 eine bekannte Schaltungskonfiguration aufbauend auf einem Operationsverstärker und Widerständen aufweist, ist sie in Form eines Rechtecks in 1 angedeutet.

Der Signalhaltekreis 56 hat eine bekannte Schaltungskonfiguration, aufweisend einen Kondensator und einen Schalter. Wenn der im Signalhaltekreis 56 befindliche Schalter angeschaltet ist, beginnt der Signalhaltekreis 56 seinen Betrieb des Haltens des Höchst- oder Spitzenwerts der Spannung, die von der dritten Differenzialverstärkerschaltung 55 ausgegeben wird. Wenn der Schalter nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer nach Anschalten des Schalters ausgeschaltet wird, hält der Signalhaltekreis 56 den Höchstwert der von der dritten Differentialverstärkerschaltung 55 ausgegebenen Spannung als Widerstandssignal Vr und gibt das gehaltene Widerstandssignal Vr an den Anschluss CC.

Das vom Anschluss CC ausgegebene Widerstandssignal Vr wird der dritten A/D-Konverter-Schaltung 59 über den Anschluss CF des Mikrocomputers 30 zugeführt und in einen Digitalwert umgewandelt. Der Digitalwert wird durch die CPU 60 verarbeitet, wodurch der innere Widerstand der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle erfasst bzw. bestimmt und mit einem vorgewählten Widerstandsbewertungsschwellwert verglichen wird, um so zu bestimmen, ob der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat. Weitere Einzelheiten der Verarbeitung im Mikrocomputer 30 sollen nachfolgend beschrieben werden.

Nachfolgend sollen unter Bezugnahme auf 3 und 4 spezifische Schritte eines Verfahrens zur Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager in einer Phase ist, bevor der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, sowie spezifische Schritte eines Verfahrens zur Bestimmung, ob der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, beschrieben werden, wobei die Verfahren im Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durchgeführt werden. Es wird hierbei darauf hingewiesen, dass 3 und 4 den Ablauf der Softwareverarbeitung zeigt, der innerhalb der CPU 60 des Mikrocomputers 30 durchgeführt wird, welcher teilweise das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 bildet Die Verarbeitung durch den Mikrocomputer 30 wird gestartet, wenn die Verbrennungskraftmaschine durch Betätigen des Zündschlüssels gestartet wird.

Wie in 3 gezeigt, gibt die CPU 60 in S1 (S repräsentiert einen Schritt, dies gilt auch für die nachfolgend beschriebenen Schritte) zunächst über den Anschluss CT an den Anschluss CI der Sensorregelungsschaltung 20 Schaltsignale zum Anschalten der Schalter SW4 und zum Ausschalten der Schalter SW1 bis SW3, SW5 und SW6 sowie des Schalters des Haltesignalkreises 56. Im Ergebnis wird ein sehr kleiner Strom IcP von der ersten Stromquelle 41 zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 geführt. In S2 ermittelt die CPU 60 das von der vierten Differenzverstärkerschaltung 71 und dem Anschluss CU ausgegebene Potenzial (das heißt die zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 erzeugte Spannung Vs). Konkret wird die über den Anschluss CV eingegebene Spannung im Mikrocomputer 30 in einen Digitalwert mittels der vierten A/D-Konverter-Schaltung 63 umgewandelt und der Digitalwert wird durch die CPU 60 gelesen. Darüber hinaus wird in S2 die in einen Digitalwert umgewandelte Spannung Vs in einem Speicher (nicht in 1 gezeigt) gehalten.

Nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspannung in S3 (Verstreichen von etwa 50 msec.) im oben beschriebenen Fall einer 10 Hz-Schaltoperation mit einer relativen Einschaltdauer (Englisch: duty ratio von 50 %) schaltet die CPU 60 den Schalter SW4 aus. Die CPU 60 schreitet dann weiter zu S4 und ermittelt die Spannung Vs (d. h. die zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 generierte Spannung Vs), die über die vierte Differenzverstärkerschaltung 71 und den Anschluss CU wie in S2 ausgegeben ist. Weiterhin berechnet die CPU 60 in S5 eine Spannungsdifferenz &Dgr;V zwischen der Spannung Vs, die in oben beschriebenem S2 gehalten wird, und der Spannung Vs, die in S4 erfasst wurde.

Die CPU 60 fährt dann mit S6 fort und vergleicht die in S5 berechnete Spannungsdifferenz &Dgr;V mit einem vorgewählten Spannungsbewertungsschwellwert TH1. Wenn in S6 die Spannungsdifferenz &Dgr;V als nicht kleiner als der Spannungsbewertungsschwellwert TH1 bestimmt ist, schreitet die CPU 60 zu S7 und schaltet den Schalter SW4 nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit (etwa 50 msec.) an, um dadurch den sehr kleinen Strom Icp der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zuzuführen. Danach wiederholt die CPU 60 S2 und die dazu nachfolgenden Schritte.

Wenn dagegen in S6 bestimmt wird, dass die Spannungsdifferenz &Dgr;V kleiner als der Spannungsbewertungsschwellwert TH1 geworden ist, ermittelt die CPU 60, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 einen halbaktivierten Zustand eingenommen hat, in welchem die Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist, auf Basis einer Veränderung des Gaserfassungssignals Vic erfolgen kann, welches von der ersten Differenzialverstärkerschaltung 53 ausgegeben wird. In diesem Fall schreitet die CPU 60 zu S8 und schaltet den Schalter SW4 an, um so den sehr kleinen Strom Icp der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zuzuführen, und schaltet weiterhin den Schalter SW3 an.

Nachfolgend ermittelt die CPU 60 in S9 die von der ersten Differenzverstärkerschaltung 53 ausgegebene Gaserfassungsspannung Vic; das heißt eine Spannung, die als Ergebnis einer mit vorbestimmtem Verstärkungsfaktor vorgenommene Verstärkung der Differenz zwischen dem Potenzial am Anschluss Ip + 1 (das heißt dem Potenzial an der äußeren Pumpelektrode 12 der Pumpzelle 14) und dem Potenzial am Anschluss Vs + 1 (das heißt dem Potenzial an der Referenzelektrode 28 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24) erhalten wird. Konkret wird im Mikrocomputer 30 die über den Anschluss CE eingegebene Spannung mittels der ersten A/D-Konverter-Schaltung 57 in einen Digitalwert umgewandelt und durch die CPU 60 gelesen.

Die CPU 60 schreitet dann zu S10 und vergleicht das ermittelte Gaserfassungssignal Vic mit einem Mischungsverhältnisschwellwert TH2, der zum theoretischen Mischungsverhältnis korrespondiert. Wenn in S10 das Gaserfassungssignal Vic als kleiner als der Mischungsverhältnisschwellwert TH2 bestimmt ist, fährt die CPU 60 mit S11 fort und bestimmt, dass das „Mischungsverhältnis mager ist". Wenn andererseits bestimmt ist, dass das Gaserfassungssignal Vic nicht kleiner als der Mischungsverhältnisschwellwert TH2 ist, schreitet die CPU 60 zu S12 und bestimmt, dass das „Mischungsverhältnis fett ist".

Die CPU 60 geht zu S13 und bestimmt, ob ein Zeitgeber, der im nächsten Schritt 14 erläutert wird, bereits eine Taktoperation gestartet hat. Wenn in S13 die CPU 60 bestimmt hat, dass der Zählwert des Zeitgebers Null ist, und die Taktoperation noch nicht gestartet wurde, startet die CPU 60 in S14 die Taktoperation mittels des Zeitgebers und geht dann zu S15 weiter. Wenn andererseits in S13 die CPU 60 bestimmt hat, dass die Taktoperation bereits gestartet wurde, schreitet die CPU 60 zu S15. In S15 bestimmt die CPU, ob der Zeitgeber eine Messzeit TT (beispielsweise 100 msec. nach Start des Zeitgebers) zur Messung des inneren Widerstands der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 erfasst hat. Wenn die Messzeit TT noch nicht verstrichen ist, kehrt die CPU 60 zu S9 zurück und wiederholt die Verarbeitung von S9 und nachfolgenden Schritten, bis eine positive Bestimmung in S15 vorgenommen wird. Wenn in S15 bestimmt wird, dass der Zeitgeber die Messzeit TT erreicht hat, fährt die CPU 60 mit S16, gezeigt in 4, fort. In S16 schaltet die CPU 60 den Schalter SW3 aus und schaltet den Schalter (nicht in 1 gezeigt) des Signalhaltekreises 56 an. Nachfolgend schaltet die CPU 60 in S17 die Schalter SW5 und SW6 an, um so einen konstanten Strom zur Widerstandsmessung von der zweiten Stromquelle 64 und der dritten Stromquelle 73 zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zu liefern, und schreitet dann mit S18 fort.

In S18 bestimmt die CPU 60, ob eine erste vorbestimmte Zeit (beispielsweise 60 &mgr;sec.) nach Anschalten der Schalter SW5 und SW6 verstrichen ist. Wenn die erste vorbestimmte Zeit noch nicht verstrichen ist, wiederholt die CPU 60 die Verarbeitung von S18. Wenn dagegen die CPU 60 in S18 bestimmt hat, dass die erste vorbestimmte Zeit verstrichen ist, schaltet die CPU 60 in S19 den Schalter des Signalhaltekreises 56 aus. Als ein Ergebnis hält der Signalhaltekreis 56 den Spitzen- bzw. Höchstwert der Spannung, die von der dritten Differenzialverstärkerschaltung 55 zu dieser Zeit ausgegeben wurde (eine Spannung, die als Ergebnis einer mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor vorgenommenen Verstärkung der Differenz zwischen dem Haltewert VSH, der vom zweiten Puffer 46 gehalten wird, und dem Potenzial Vs + B zu der Zeit erhalten wird, wenn der Strom für die Widerstandsmessung der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zugeführt ist).

Nachfolgend bestimmt die CPU 60 in S20, ob eine zweite vorbestimmte Zeit (beispielsweise 100 &mgr;sec.) verstrichen ist, nachdem die Schalter SW5 und SW6 angeschaltet wurden. Wenn die zweite vorbestimmte Zeit noch nicht verstrichen ist, wiederholt die CPU 60 die Verarbeitung von S20. Wenn die CPU 60 in S20 bestimmt hat, dass die zweite vorbestimmte Zeit verstrichen ist, schaltet die CPU 60 die Schalter SW5 und SW6 in S21 aus und fährt dann mit S22 fort. In S22 ermittelt die CPU 60 das Widerstandssignal Vr, welches vom Signalhaltekreis 56 ausgegeben wurde, und berechnet den inneren Widerstand Rpvs der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 auf Basis der Spannung des ermittelten Widerstandsignals Vr und des Stroms, der von der zweiten und dritten Stromquelle 64 und 73 geliefert wird. Danach schreitet die CPU 60 zu S23 und schaltet den Schalter SW3 an.

Die CPU 60 fährt dann mit S24 fort und vergleicht den inneren Widerstand Rpvs, der in S22 erfasst wurde, mit einem vorgewählten Widerstandsbewertungsschwellwert TH3 (beispielsweise 220 Ohm). Wenn in S24 bestimmt wird, dass der innere Widerstand Rpvs kleiner als der Widerstandsbewertungsschwellwert TH3 ist, bestimmt die CPU 60, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, und fährt mit S25 fort. Wenn auf der anderen Seite in S24 bestimmt wird, dass der innere Widerstand Rpvs nicht kleiner als der Widerstandsbewertungsschwellwert TH3 ist, bestimmt die CPU 60, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 noch nicht den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat und fährt mit S26 fort, um die getaktete Zeit des Zeitgebers zurückzusetzen, das heißt, den Zählwert des Zeitgebers auf Null zu setzen, und dann zu S13 (siehe 3) zurückzukehren.

Wenn die CPU 60 mit S25 fortfährt, startet die CPU 60 den oben beschriebenen Normalbetriebszustand für den Fall, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat; das heißt, die Schalter SW1 und SW2 werden angeschaltet. Dadurch wird nach diesem Zeitpunkt das Mischungsverhältnis (Sauerstoffkonzentration) über einen weiten Bereich auf Basis des Gaserfassungssignals Vip erfasst, welches von der zweiten Differenzverstärkerschaltung 54 der Sensorregelungsschaltung 20 ausgegeben wird, und eine vollständige Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung wird auf Basis des erfassten Mischungsverhältnisses durchgeführt. Da die Verarbeitung für den Fall, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, bereits oben im Detail beschrieben wurde, ist dessen Beschreibung in der Beschreibung des vorliegenden Flussbildes weggelassen worden. Die Verarbeitung von S25 wird wiederholt ausgeführt, bis die Verbrennungskraftmaschine mittels des Zündschlüssels gestoppt ist (mit anderen Worten: bis das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 gestoppt ist).

Im Mischungsverhältniserfassungsgerät des vorliegenden Ausführungsbeispiels korrespondieren die erste Differenzverstärkerschaltung 53, die erste A/D-Konverter-Schaltung 57 und die Verarbeitung von S9 in der CPU 60 zum Erfassungswertermittlungsmittel, und die Verarbeitung von S10 bis S12 in der CPU 60 korrespondiert zum Mager-Fett-Erfassungsmittel. Die Verarbeitung von S1 bis S7 in der CPU 60 korrespondiert zum Halbaktivierungsbestimmungsmittel. Weiterhin korrespondiert die Verarbeitung von S1, S3 und S7 in der CPU 60 zur Konstantstromlieferregeleinheit; die vierte Differenzialverstärkerschaltung 71, die vierte A/D-Konverter-Schaltung 63 und die Verarbeitung von S2 und S4 in der CPU 60korrespondieren zum Spannungserfassungsmittel; und die Verarbeitung von S5 korrespondiert zum Spannungsdifferenzerfassungsmittel. Darüber hinaus korrespondiert die Verarbeitung von S8 in der CPU 60 zur Referenzstromquellenerzeugungsregeleinheit; die dritte Differenzialverstärkerschaltung 55, der Signalhaltekreis 56, die dritte A/D-Konverter-Schaltung 59 und die Verarbeitung von S13 bis S23 in der CPU 60 korrespondieren zum Widerstandselementerfassungsmittel; und die Verarbeitung von S24 korrespondiert zum Vollaktivierungsbestimmungsmittel.

Wie vorstehend beschrieben, bestimmt das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 auf der Basis der Spannungsdifferenz &Dgr;V, ob nach Inbetriebnahme des Geräts 1 der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 einen halbaktivierten Zustand erreicht hat, in welchem eine Bestimmung auf Basis einer Veränderung des Gaserfassungssignals Vic vorgenommen werden kann, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist. Sofern bestimmt wurde, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wird das Gaserfassungssignal Vic mit dem vorbestimmten Mischungsverhältnisschwellwert TH2 verglichen, um so zu bestimmen, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist. Auf dieser Grundlage kann eine Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung realisiert werden, bevor der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat.

Darüber hinaus lässt sich beim Mischungsverhältniserfassungsgerät 1, nachdem der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den oben beschriebenen halbaktivierten Zustand erreicht hat, die Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 12 der Pumpzelle 14 und der Referenzelektrode 28 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 als Gaserfassungssignal Vic über die ersten Differenzverstärkerschaltung 53 erhalten. Die äußere Pumpelektrode 12 ist nicht der Messgaskammer zugewandt, in welche Abgas über die Diffusionskontrollschicht 18 eingeführt ist, und die Elektrodenschutzschicht 34, welche auf der äußeren Pumpelektrode 12 angeordnet ist, hat eine höhere Gaspermeabilität als die Diffusionskontrollschicht 18. Daher kann Abgas die äußere Pumpelektrode erheblich leichter erreichen als es die Messgaskammer über die Diffusionskontrollschicht 28 erreichen kann. Daher kann im Vergleich zum Fall, wo eine Veränderung im Mischungsverhältnis auf Basis der zwischen den Elektroden der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 generierten Spannung erfasst wird, eine Veränderung im Mischungsverhältnis (Veränderung in der Atmosphäre) erheblich leichter auf Basis der Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 12 und der Referenzelektrode 28 erfasst werden. Dementsprechend kann, da das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 die oben beschriebene Potenzialdifferenz ermittelt, ein Nachweissignal mit einem hohen Ansprechverhalten hinsichtlich einer Veränderung im Mischungsverhältnis erhalten werden, und die Bestimmung, ob das Mischungsverhältnis fett oder mager ist, kann korrekt durchgeführt werden.

Aufgrund der oben beschriebenen Merkmale und Eigenschaften ermöglicht das Mischungsverhältniserfassungsgerät 1 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, dass die Verbrennungskraftmaschine eine korrekte Mischungsverhältnisrückkopplungsregelung bereits in einer Phase vornehmen kann, bevor der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat.

Obwohl vorstehend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt und kann beliebige Varianten und Veränderungen einnehmen, ohne den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Beispielsweise wird im Ausführungsbeispiel die erste Differenzverstärkerschaltung 53 verwendet, um die Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 12 der Pumpzelle und der Referenzelektrode 28 der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle 24 zu bestimmen. Allerdings kann ebenfalls eine Konfiguration eingesetzt werden, in welcher das Pozential an der äußeren Pumpelektrode 12 (das Potenzial am Anschluss Ip + 1) und das Potenzial an der Referenzelektrode 28 (das Potenzial am Anschluss Vs + 1) jeweils einzeln dem Mikrocomputer 30 zugeführt wird, in welchem die CPU 60 des Mikrocomputers 30 die Differenz zwischen den zwei Potenzialen als Erfassungswert erfasst und den Erfassungswert mit dem Mischungsverhältnisschwellwert TH2 vergleicht.

Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die poröse Diffusionskontrollschicht 18 bereitgestellt, um Abgas in die Messgaskammer 21 des Gesamtbereichsmischungsverhältnissensors 10 bei gleichzeitiger Kontrolle der Flussrate des Abgases einzuleiten. Anstelle der Bereitstellung der Diffusionskontrollschicht 18 kann eine kleine Öffnung in der Isolationsschicht, die zwischen der Pumpzelle 14 und der Sauerstoffkonzentrationszelle 24 angeordnet ist, bereitgestellt werden, um so Abgas in die Messgaskammer 21 unter gleichzeitiger Kontrolle der Flussrate des Abgases einzuleiten.

Ein Heizer ist, obwohl im obigen Ausführungsbeispiel nicht beschrieben, am Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 befestigt, um den Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 rasch zu aktivieren. Das Ausführungsbeispiel kann modifiziert werden, um unter Verwendung des Heizers zu bestimmen, ob der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor 10 im vollständig aktivierten Zustand ist. Insbesondere kann nach Beginn der Zuführung von Spannung zum Heizer die dem Heizer zugeführte kumulative elektrische Leistung erfasst und so, wenn die kumulative elektrische Leistung einen vorgewählten Wert erreicht hat, bestimmt werden, dass der Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der japanischen Patentanmeldung JP2005-342937, eingereicht am 28. November 2005, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig aufgenommen wird.

1
Mischungsverhältniserfassungsgerät
10
Gesamtbereichsmischungsverhältnissensor (Gassensor)
12
Äußere Pumpelektrode
13
Zweite Festelektrolytschicht
14
Pumpzelle
15
Erste Festelektrolytschicht
16
Innere Pumpelektrode
18
Diffusionskontrollschicht
20
Sensorregelungsschaltung
21
Messgaskammer
22
Messelektrode
24
Sauerstoffkonzentrationsmesszelle
28
Referenzelektrode
30
Mikrocomputer
31
Abschirmschicht
32
Sauerstoffreferenzkammer
41
Erste Stromquelle
50
Erfassungswiderstand
51
PID-Regelungsschaltung
53
Erste Differenzverstärkerschaltung
54
Zweite Differenzverstärkerschaltung
55
Dritte Differenzialverstärkerschaltung
56
Signalhaltekreis
57
Erste A/D-Konverter-Schaltung
58
Zweite A/D-Konverter-Schaltung
59
Dritte A/D-Konverter-Schaltung
60
CPU
61
Vs Regelungsziel (450 mV)
63
Vierte A/D-Konverter-Schaltung
71
Vierte Differenzverstärkerschaltung


Anspruch[de]
Ein Mischungsverhältniserfassungsgerät (1) aufweisend einen Gassensor (10) umfassend:

eine Messgaskammer (21), in welche Abgas über einen Diffusionskontrollabschnitt (18) eingeleitet werden kann bzw. eingeleitet ist;

eine Pumpzelle (14), welche eine äußere Pumpelektrode (12), eine der Messgaskammer (21) zugewandte innere Pumpelektrode (16) und eine erste Festelektrolytschicht (15), die zwischen der äußeren Pumpelektrode (12) und der inneren Pumpelektrode (16) eingelegt oder schichtartig angeordnet ist, umfasst;

eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24), die eine Messelektrode (22), welche der Messgaskammer (21) zugewandt und auf gleichem Potenzial wie die innere Pumpelektrode (16) gehalten ist, eine Referenzelektrode (28) und eine zweite Festelektrolytschicht (13), die zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) eingelegt oder schichtartig angeordnet ist, umfasst, wobei die Pumpzelle (14) integral mit der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) laminiert ist; und

Mittel, wenn sich der Gassensor (10) in einem vollständig aktivierten Zustand befindet, zum Zuführen von Strom zur Pumpzelle (14), um so Sauerstoff aus der oder in die Messgaskammer (21) zu pumpen, so dass eine konstante Spannung zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) erzeugt wird und ein Mischungsverhältnis des in die Messgaskammer (21) eingeleiteten bzw. einleitbaren Abgases auf Basis des Stromes, der durch die Pumpzelle (14) fließt, erfassbar ist;

wobei das Mischungsverhältniserfassungsgerät weiterhin aufweist:

Erfassungswertermittlungsmittel zum Erfassen, in einer Phase nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgeräts (1) und bevor der Gassensor (10) den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, eines Erfassungswerts, der eine Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode (12) der Pumpzelle (14) und der Referenzelektrode (28) der Sauerkonzentrationsmesszelle (24) ist; und

Fett-Mager-Bestimmungsmittel zur Bestimmung durch Vergleich des Erfassungswerts mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnisschwellwert, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist.
Mischungsverhältniserfassungsgerät nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend:

Halbaktivierungsbestimmungsmittel zur Bestimmung, ob nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgeräts (1) der Gassensor (10) einen halbaktivierten Zustand erreicht hat, in welchem eine Bestimmung auf Basis einer Veränderung des Erfassungswerts vorgenommen werden kann, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist; und

Vollaktivierungsbestimmungsmittel zur Bestimmung, ob der Gassensor (10) den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat,

wobei das Erfassungswertermittlungsmittel den Erfassungswert ermittelt, wenn das Halbaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass der Gassensor den halbaktivierten Zustand erreicht hat, und wenn das Vollaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt hat, dass der Gassensor noch nicht den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat.
Mischungsverhältniserfassungsgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, weiterhin aufweisend:

eine Stromquelle, die geeignet ist, einen konstanten Strom einer gewissen Stärke der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) zuzuführen;

eine Konstantstromlieferregeleinheit, die abwechselnd einen Ein- und einen Auszustand zu vorbestimmten Intervallen einnimmt oder einnehmen kann, um abwechselnd die Stromquelle zur Lieferung des konstanten Stroms zu aktivieren und die Stromquelle zur Nichtlieferung des konstanten Stroms zu deaktivieren;

Spannungserfassungsmittel zum Erfassen einer Spannung, die zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationszelle (24) erzeugt wird, wenn die Konstantstromlieferregeleinheit im Einzustand und wenn die Konstantstromlieferregeleinheit im Auszustand ist; und

Spannungsdifferenzerfassungsmittel zum Erfassen einer Spannungsdifferenz, welche die Differenz zwischen der mittels des Spannungserfassungsmittels erfassten Spannung, wenn die Konstantstromlieferregeleinheit im Einzustand ist, und der Spannung ist, die erfasst wird, wenn die Konstantstromlieferregeleinheit im Auszustand ist, wobei

das Halbaktivierungsbestimmungsmittel die Spannungsdifferenz, die mittels des Spannungsdifferenzerfassungsmittels erfasst ist, mit einem vorgewählten Spannungsbewertungsschwellwert vergleicht und bestimmt, dass der Gassensor (10) den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wenn die Spannungsdifferenz kleiner als der Spannungsbewertungsschwellwert wird.
Mischungsverhältniserfassungsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin aufweisend:

eine Abschirmschicht (31) außen am Gassensor (10) zum Abschirmen der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24), wobei die Abschirmschicht (31) auf einer Seite des Gassensors (10) aufgeschichtet ist, wo die Referenzelektrode (28) vorgesehen ist; und

eine Referenzstromquellenerzeugungsregeleinheit zum Bewirken, dass der konstante Strom von der Stromquelle (41) zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) in eine Richtung zum Pumpen von Sauerstoff aus der Messgaskammer (21) zur Referenzelektrode (28) fließt, um dabei zu bewirken, dass die Referenzelektrode (28), die mittels der Abschirmschicht (31) abgeschirmt ist, als innere Sauerstoffreferenzquelle wirkt.
Mischungsverhältniserfassungsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin aufweisend:

Widerstandselementerfassungsmittel zum Erfassen eines inneren Widerstands der Pumpzelle (14) oder der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24),

wobei das Vollaktivierungsbestimmungsmittel bestimmt, dass der Gassensor (10) den vollständig aktivierten Zustand erreicht hat, wenn der mittels des Widerstandselementerfassungsmittels erfasste innere Widerstand geringer als ein vorgewählter Widerstandsbewertungsschwellwert wird.
Mischungsverhältniserfassungsgerät aufweisend einen Gassensor umfassend:

Eine Messgaskammer (21), in welche Abgas über eine Diffusionskontrollschicht (18) einführbar ist;

eine Pumpzelle (14), welche eine äußere Pumpelektrode (12), eine der Messgaskammer (21) zugewandte innere Pumpelektrode (16) und eine erste Festelektrolytschicht (15), die zwischen der äußeren Pumpelektrode (12) und der inneren Pumpelektrode (16) eingelegt oder schichtartig angeordnet ist, umfasst, und

eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24), die eine Messelektrode (22), welche der Messgaskammer (21) zugewandt und bei gleichem Potenzial wie die innere Pumpelektrode (16) gehalten ist, eine Referenzelektrode (28) und eine zweite Festelektrolytschicht (13), die zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) eingelegt oder schichtartig angeordnet ist, umfasst, wobei die Pumpzelle (14) integral mit der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) laminiert ist,

so dass, wenn sich der Gassensor (10) in einem vollständig aktivierten Zustand befindet, Strom der Pumpzelle (14) zugeführt wird oder zuführbar ist, um so Sauerstoff in die oder aus der Messgaskammer (21) zu pumpen, so dass eine konstante Spannung zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) erzeugt ist oder erzeugt werden kann, und ein Mischungsverhältnis des in die Messgaskammer (21) eingeleiteten Abgases auf Basis von durch die Pumpzelle (14) fließenden Stroms erfassbar ist, und

Mittel zur Bestimmung, in einem Zustand nach Inbetriebnahme des Mischungsverhältniserfassungsgeräts (1) und bevor der Gassensor (10) den vollständig aktivierten Zustand eingenommen hat, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager durch Vergleich eines Erfassungswerts mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnisschwellwert ist, wobei der Erfassungswert eine Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode (12) der Pumpzelle (14) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Mischungsverhältnisses eines Abgases aufweisend:

Bereitstellen eines Mischungsverhältniserfassungsgerät (1) aufweisend einen Gassensor (10) umfassend:

eine Messgaskammer (21), in welche Abgas über einen Diffusionskontrollabschnitt (18) eingeleitet werden kann bzw. eingeleitet wird;

eine Pumpzelle (14), welche eine äußere Pumpelektrode (12), eine der Messgaskammer (21) zugewandte innere Pumpelektrode (16) und eine erste Festelektrolytschicht (15), die zwischen der äußeren Pumpelektrode (12) und der inneren Pumpelektrode (16) eingelegt oder schichtartig angeordnet ist, umfasst;

eine Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24), die eine Messelektrode (22), welche der Messgaskammer (21) zugewandt und auf gleichem Potenzial wie die innere Pumpelektrode (16) gehalten wird, eine Referenzelektrode (28) und eine zweite Festelektrolytschicht (13), die zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) eingelegt oder schichtartig angeordnet ist, umfasst, wobei die Pumpzelle (14) integral mit der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) laminiert ist; und

Bringen des Gassensor (10) in einen halbaktivierten Zustand;

Bilden eines Erfassungswerts durch Ermittelung einer Potenzialdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode (12) der Pumpzelle (14) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24); und

Bestimmen, ob das Mischungsverhältnis des Abgases fett oder mager ist, durch Vergleich des Erfassungswerts mit einem vorbestimmtem Mischungsverhältnisschwellwert.
Verfahren nach Anspruch 7, umfassend den weiteren Schritt Ermitteln, ob der Gassensor (10) den halbaktiven Zustand erreicht hat. Verfahren nach Anspruch 8, wobei

die Ermittlung des halbaktiven Zustands umfasst:

Zuführen von Energie einem Heizelement zum Heizen des Gassensors (10),

Bestimmen der dem Heizer zugeführten kumulativen elektrischen Leistung und

Vergleichen der kumulativen elektrischen Leistung mit einem vorgewählten Referenzwert wird, wobei der halbaktivierte Zustand erreicht ist, wenn die kumulative elektrische Leistung den Referenzwert erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei

die Ermittlung des halbaktiven Zustands umfasst:

Zuführen eines konstanten Stroms zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) und Detektieren einer ersten Spannung zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24),

Inaktivieren der Konstantstromzufuhr zur Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) und Detektieren einer zweite Spannung zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24),

Vergleichen der Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Spannung mit einem vorgewählten Spannungsbewertungsschwellwert, und

Bestimmen, dass der Gassensor (10) den halbaktivierten Zustand erreicht hat, wenn die Spannungsdifferenz kleiner als der Spannungsbewertungsschwellwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, umfassend die weiteren Schritte

Bringen des Gassensors in einen vollaktivierten Zustand;

Zuführen von Strom zur Pumpzelle (14), um so Sauerstoff aus der oder in die Messgaskammer (21) zu pumpen, so dass eine konstante Spannung zwischen der Messelektrode (22) und der Referenzelektrode (28) der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle (24) erzeugt wird, und

Bestimmen eines Mischungsverhältnisses des Abgases auf Basis des durch die Pumpzelle (14) fließenden Stroms.






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