DE102004007652A1

DE102004007652A1 - Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004007652A1
Application number: DE102004007652A
Authority: DE
Inventors: Eiji Takemoto; Tomoo Kawase; Daisuke Kojima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2004-08-26
Also published as: JP2004251627A

Abstract

Mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit ECU (22) eines bei einer Brennkraftmaschine (E) vorgesehenen Gaskonzentrationsdetektors (S) wird in einem geeigneten Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Verringerung der zwischen einem tatsächlichen Messwert eines Gassensors (1) und einem Referenz-Messwert bestehenden Differenz herbeigeführt. Der Referenz-Messwert stellt die Konzentration eines zu messenden Gasbestandteils in den Abgasen dar, bei der davon ausgegangen wird, dass sie in dem geeigneten Betriebszustand einen normalen Wert aufweist. Der geeignete Betriebszustand stellt einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine dar, der in einer geeigneten Beziehung zu dem Gasbestandteil steht. Auf diese Weise lässt sich ein Messfehler kompensieren, der auf alterungsbedingten Veränderungen der Eigenschaften des Gassensors und individuellen Differenzen zu anderen Gassensoren beruht, sodass eine höhere Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration erzielbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine.
Ein mit einem Gassensor ausgestatteter Gaskonzentrationsdetektor hat bereits in verschiedenen Bereichen Anwendung gefunden. So ist z.B. ein Gaskonzentrationsdetektor üblicherweise im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet, um die O₂-Konzentration (Sauerstoffmolekül-Konzentration) der Abgase zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Gemischverhältnisses zu messen. Darüber hinaus dient ein Gaskonzentrationsdetektor in jüngerer Zeit auch zur Bewältigung von Abgas-Emissionsauflagen, d.h., der Gaskonzentrationsdetektor ist bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Rückführungssystem vorgesehen, bei dem der Rückführungsbetrag der Abgase durch Messung der NOx-Konzentration in den Abgasen geregelt wird. Weiterhin wird der Gaskonzentrationsdetektor auch bei einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgasrohr angeordneten NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator mit NOx-Speicherfähigkeit zur Regelung der Zeitdauer der Speicherung oder Reduktion der Stickoxide (NOx) eingesetzt.

Bei dem Gassensor eines solchen Gaskonzentrationsdetektors für eine Brennkraftmaschine findet üblicherweise ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement aus Zirkondioxid usw. Verwendung. Das Festelektrolytelement dient hierbei z.B. zur Bildung einer Zelle, bei der zwei Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytelements angeordnet bzw. ausgebildet sind. Die Zelle kann hierbei in Bezug auf O₂ einen Pumpvorgang innerhalb einer Kammer ausführen, die der Zelle gegenüberliegt. Über die Zelle kann somit ein Austausch von O₂ zwischen dem Innenraum des Gassensors und seinem Außenbereich erfolgen, in dem sich ein Messgas befindet. Der O₂-Pumpvorgang wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden über mit den Elektroden verbundene Signalleitungen erzielt, wodurch Sauerstoffionen als Ladungsträger innerhalb des Festelektrolytelements bewegt bzw. übertragen werden. Hierbei können zwei Zellen dieser Art zur genauen Messung einer NOx-Konzentration dienen, wobei eine der Kammer einer ersten Zelle gegenüberliegende Elektrode in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist, während eine Elektrode einer zweiten Zelle in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich eine Differenz zwischen den an den Oberflächen der Elektroden der beiden Zellen erzeugten Sauerstoffmengen in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration, d.h., durch die in Bezug auf NOx inaktive bzw. nicht reaktionsfähige erste Zelle (Überwachungszelle) wird die Beeinflussung der Messsignale der zweiten Zelle (Sensorzelle) durch in der Kammer verbleibenden Restsauerstoff unterdrückt, wodurch sich eine höhere Messgenauigkeit bei der NOx-Messung ergibt. Dieser Stand der Technik ist aus der JP-A-2002-202 285 bekannt.

Auch ein solcher Gassensor, bei dem ein zu einer hohen Messgenauigkeit führendes Messprinzip Verwendung findet, weist jedoch individuelle Unterschiede in Bezug auf andere Gassensoren auf, was zu Messfehlern führen kann. Diese individuellen Differenzen werden daher durch entsprechende Einstellung einer Ausgangssignalcharakteristik einer zusammen mit dem Gassensor eingebauten Steuerschaltung kompensiert. Der den Gassensor und diese Steuerschaltung umfassende Gaskonzentrationsdetektor wird daher in einem Zustand versandt, bei dem sich diese unterschiedlichen Eigenschaften der Gassensoren nicht länger bemerkbar machen.

Dieses Verfahren gewährleistet zwar die Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration, erfordert jedoch gleichzeitig, dass ein Gassensor und seine zugehörige Steuerschaltung gemeinsam in das gleiche Kraftfahrzeug zuverlässig eingebaut werden. Allerdings wird hierbei der Gassensor in das Abgasrohr einer Brennkraftmaschine eingebaut, während der Einbau der Steuerschaltung im Fahrzeuginnenraum eines Kraftfahrzeugs erfolgt. Dies kann zur Folge haben, dass der Gassensor und seine zugehörige Steuerschaltung an einem Montageband nicht in das gleiche Kraftfahrzeug eingebaut werden. Die Verhinderung einer solchen versehentlichen Fehlmontage erfordert jedoch eine verstärkte Aufmerksamkeit der am Montageband beschäftigten Arbeiter oder zusätzliche Maßnahmen zur Sicherstellung der Zuordnung eines jeweiligen Gassensors zu einer bestimmten Steuerschaltung.

Wenn ferner ein Gassensor auf Grund einer Fehlfunktion ausgetauscht wird, muss gleichzeitig auch die zusammen mit dem Gassensor eingebaute Steuerschaltung ausgetauscht werden, was zu hohen Reparaturkosten führt. Außerdem wird hierdurch die Ersatzteil-Verfügbarkeit erschwert, da der Gassensor und die zugehörige Steuerschaltung in einer Werkstatt bzw. einem Ersatzteillager als zusammengehöriger Satz gelagert werden müssen.

Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass der Gassensor im Abgasrohr auf Grund der mit hohen Temperaturen vorbeiströmenden Abgase extremen Betriebsbedingungen ausgesetzt ist. Auch wenn zum Zeitpunkt des Versands eine geeignete Anpassung zwischen einem Gassensor und seiner zugehörigen Steuerschaltung besteht bzw. herbeigeführt worden ist, können Abweichungen bzw. Unverträglichkeiten zwischen dem Gassensor und der Steuerschaltung auf Grund von alterungsbedingten Schwankungen der Charakteristik bzw. Kennwerte des Gassensors auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem durch Kompensation von alterungsbedingten Veränderungen eine hohe Genauigkeit bei der Gaskonzentrationsmessung gewährleistet werden kann, sodass der Einbau eines Gassensors und einer Steuerschaltung durchführbar ist, ohne dass an einem Montageband zusätzliche Arbeitsvorgänge oder das Vorliegen einer Konsistenz zwischen dem Gassensor und der Steuerschaltung erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Der erfindungsgemäße Gaskonzentrationsdetektor umfasst einen Gassensor, der ein Messsignal in Abhängigkeit von der Konzentration eines Gasbestandteils in den Abgasen einer Brennkraftmaschine abgibt. Ein Korrekturkoeffizient wird zur Korrektur eines in einem gegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erhaltenen tatsächlichen Messwertes des Gassensors eingestellt. Hierdurch wird eine zwischen dem tatsächlichen Messwert des Gassensors und einem Referenz-Messwert des Gassensors bestehende Differenz verringert. Der Referenz-Messwert ist hierbei vorgespeichert und dient als angemessener Messwert, wenn der jeweilige Betriebszustand der Brennkraftmaschine dem vorgegebenen Betriebszustand entspricht.

Die Konzentration des Gasbestandteils in den Abgasen hängt vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine ab, der z.B. durch Betriebsparameter wie die Ansaugluftmenge oder die Kraftstoffeinspritzmenge gegeben ist, sodass sich die Gaskonzentration auf der Basis des Betriebszustands in einem gewissen Ausmaß abschätzen lässt. Auf der Basis eines Betriebszustands, bei dem eine angemessene oder geeignete Korrespondenzbeziehung mit der Gaskonzentration besteht, lässt sich somit ein Referenz-Messwert abschätzen. Ein Vergleich zwischen diesem Referenz-Messwert und dem tatsächlichen Messwert führt dann zur Ermittlung individueller Differenzen in der Ausgangssignalcharakteristik des Gassensors, d.h., ein Korrekturkoeffizient wird auf der Basis des Referenz-Messwertes und des tatsächlichen Messwertes zur Korrektur des tatsächlichen Messwertes festgelegt bzw. eingestellt. Auf diese Weise eignet sich die Steuerschaltung für einen jeweiligen Gassensor, ohne dass vorher eine paarweise Zuordnung von Gassensor und Steuerschaltung getroffen werden muss.

Der Gassensor und die Steuerschaltung können somit separat in einem jeweiligen geeigneten Vorgang eingebaut werden, sodass die am Montageband tätigen Personen dem Einbau des Gassensors und der Steuerschaltung keine besondere Beachtung schenken müssen.

Darüber hinaus lassen sich auch bei Auftreten von alterungsbedingten Schwankungen der Ausgangssignalcharakteristik eines Gassensors diese alterungsbedingten Veränderungen durch Aktualisieren eines Korrekturkoeffizienten kompensieren, wenn sich die Brennkraftmaschine in dem vorgegebenen Betriebszustand befindet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Gesamtaufbaus einer Brennkraftmaschine, die mit einem Gaskonzentrationsdetektor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist,

2 eine Schnittansicht des Hauptbereichs eines Gassensors des Gaskonzentrationsdetektors,

3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III gemäß 2,

4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2,

5 ein Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gassensors,

6 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung einer von einem Mikrocomputer des Gaskonzentrationsdetektors ausgeführten Gaskonzentrations-Korrekturverarbeitung,

7 ein Steuerdiagramm zur Veranschaulichung von Betrieb und Wirkungsweise des Gaskonzentrationsdetektors,

8 ein in dem Mikrocomputer des Gaskonzentrationsdetektors gespeichertes Kennfeld von Beziehungen,

9 eine schematische Darstellung eines Steuerverfahrens des Gassensors,

10 eine schematische Darstellung eines weiteren Steuerverfahrens des Gassensors,

11 eine Schnittansicht des Hauptbereichs eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensors, und

12 eine Schnittansicht des Hauptbereichs eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensors.

1 zeigt eine mit einem erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsdetektor S ausgestattete Brennkraftmaschine E in Form einer Vierzylinder-Dieselbrennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung. Die Brennkraftmaschine E umfasst Injektoren 42, die jeweils einzeln einem jeweiligen Zylinder zugeordnet sind, eine gemeinsame Druckleitung (Common Rail) 41 zur Zuführung von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff, eine Abgas-Sammelleitung 51, eine Ansaug-Sammelleitung 31 und eine Abgas-Rückführungsleitung (AGR-Leitung) 61, die eine Verbindung zwischen der Abgas-Sammelleitung 51 und der Ansaug-Sammelleitung 31 herstellt. Die von den Zylindern der Brennkraftmaschine E ausgestoßenen Abgase strömen durch ein Abgasrohr 52 hindurch, in dem ein Oxidationskatalysator 54 zur Oxidation der Abgase und stromauf des Katalysators 52 ein NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 angeordnet sind. Die Abgas-Sammelleitung 51 ist stromauf des Abgasrohrs 52 angeordnet und enthält ein Abgas-Kraftstoffeinspritzventil 43, das von einer Kraftstoffpumpe 44 zugeführten Kraftstoff in die Abgas-Sammelleitung 51 zur Zuführung von HC zwecks Verringerung des in dem NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 gespeicherten NOx einspritzt.
Der Gaskonzentrationsdetektor S gemäß 1 umfasst einen Gassensor 1, der in dem Abgasrohr 52 zwischen dem NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 und dem Oxidationskatalysator 54 angeordnet ist. Der Gassensor 1 ist über eine Verbindungsleitung mit einer im Fahrzeuginnenraum angeordneten Steuerschaltung 21 verbunden. Ein Mikrocomputer der Steuerschaltung 21 berechnet auf der Basis der vom Gassensor 1 abgegebenen Signale die O₂-Konzentrationswerte und NOx-Konzentrationswerte der Abgase und führt sie einer elektronischen Steuereinheit ECU 22 zu. Die berechneten Gaskonzentrationswerte werden dann von der elektronischen Steuereinheit ECU 22 zur Ausführung verschiedener Regelvorgänge, wie der Regelung eines Abgas-Rückführventils (AGR-Ventils) 62 zur Einstellung der Abgas-Rückführmenge und der Regelung des Abgas-Kraftstoffeinspritzventils 43 verwendet.
Der Gassensor 1 besitzt eine in den 2, 3 und 4 veranschaulichte mehrschichtige Struktur, die Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 aus einem Sauerstoffionen leitenden Material wie Zirkondioxid sowie Isolierschichten 113, 114, 115 aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid umfasst. Die zwischen den Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 angeordnete Isolierschicht 114 ist zur Bildung von zwei, über eine Durchgangsöffnung 103 miteinander in Strömungsverbindung stehenden Kammern 101, 102 in Dickenrichtung teilweise ausgestanzt. Die Kammern 101, 102 sind in Längsrichtung des Sensorelements 1 ausgerichtet, wobei die Kammer 101 näher an dem Messende des Gassensors 1 als die Kammer 102 angeordnet ist. Wie 3 zu entnehmen ist, ist die Kammer 102 annähernd doppelt so breit wie die Kammer 101.
Die beiden Kammern 101, 102 sind über die Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 gegenüber Luftkanälen 104, 105 angeordnet. Die Luftkanäle 104, 105 stehen über ein Anschlussende des Gassensors 1 mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung. Hierbei ist der Luftkanal 105 über die Festelektrolyt-Elementschicht 111 gegenüber der Kammer 102 angeordnet, während der Luftkanal 104 über die Festelektrolyt-Elementschicht 112 nicht nur gegenüber der Kammer 102, sondern auch gegenüber der Kammer 101 angeordnet ist. Die Luftkanäle 104, 105 bilden somit Zwischenräume, die eine O₂-Referenzkonzentration enthalten.
Die obere Festelektrolyt-Elementschicht 111 besitzt ein Nadelloch 106, das in Dickenrichtung durch die Festelektrolyt-Elementschicht 111 hindurch bis zu der ersten Kammer 101 verläuft. Über dieses Nadelloch 106 gelangen die den Gassensor 1 umgebenden Abgase in die erste Kammer 101. Das Nadelloch 106 ist hierbei durch eine poröse Diffusionsschicht 116 aus z.B. porösem Aluminiumoxid verschlossen, wodurch sich das Eindringen von Abgaspartikeln in die Kammer 101 verhindern lässt.
In der Nähe der ersten Kammer 101 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 112 zwei einander gegenüberliegende Elektroden 121, 122 zur Bildung einer Pumpzelle 1a angeordnet. Die der Kammer 101 gegenüberliegende Elektrode 121 besteht hierbei aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion) von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
In der Nähe der zweiten Kammer 102 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 111 zwei Elektroden 123, 125 sowie zwei Elektroden 124, 125 jeweils einander gegenüberliegend angeordnet. Hierbei findet die dem Luftkanal 104 gegenüberliegende Elektrode 125 in der in 4 veranschaulichten Weise als sowohl der Elektrode 123 als auch der Elektrode 124 gegenüberliegende, gemeinsame Elektrode Verwendung. Auf diese Weise wird von der Festelektrolyt-Elementschicht 111 und den Elektroden 123, 125 eine Überwachungszelle 1b gebildet, während von der Festelektrolyt-Elementschicht 111 und den Elektroden 124, 125 eine Sensorzelle 1c gebildet wird. Bei der Überwachungszelle 1b besteht die der Kammer 102 gegenüberliegende Elektrode 123 aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Demgegenüber besteht bei der Sensorzelle 1c die der Kammer 102 gegenüberliegende Elektrode 124 aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Nachstehend werden die jeweiligen Elektroden unter Verwendung einer Kombination der Begriffe kammerseitig/atmosphäreseitig und Überwachungs-/Sensor-/Pump- bezeichnet, d.h., als kammerseitige Pumpelektrode 121, als kammerseitige Sensorelektrode 124 und als atmosphäreseitige Sensor-/Überwachungselektrode 125.
Die Isolierschicht 115, die zusammen mit der Festelektrolyt-Elementschicht 112 die Kanalwände des Luftkanals 104 bildet, enthält ein Leitungsmuster aus einem Metall wie Pt, das ein Heizelement 13 zur Erwärmung des gesamten Gassensors 1 bildet. Das Heizelement 13 ist hierbei ein elektrisches Bauelement, das Joul'sche Wärme durch Stromführung erzeugt.
Das Heizelement 13 wird durch Zuführung eines elektrischen Stroms von der Steuerschaltung 21 aufgeheizt. Hierbei wird von der Steuerschaltung 21 z.B. die temperaturabhängige Admittanz zwischen den Elektroden 121, 122 berechnet, wobei die Steuerschaltung 21 durch Steuerung der Stromzufuhr zu dem Heizelement 13 das Erreichen eines Soll-Admittanzwertes der berechneten Admittanz herbeiführt, der einem aktiven Temperaturbereich der Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 entspricht. Die Steuerung des Heizelements 13 erfolgt z.B. durch Pulsdauermodulation (PDM) eines Strom-Impulssignals bzw. Strom-Einschaltsignals. Die jeweilige Admittanz kann z.B. dadurch berechnet werden, dass bei einer Änderung der Klemmenspannung der Zellen 1a, 1b, 1c zur Erzeugung von Stromänderungen die Admittanz dann durch Teilung der erhaltenen Stromänderungen durch die Klemmenspannungsänderungen berechnet wird.
Die Steuerschaltung 21 legt eine Spannung ("Pumpzellenspannung VP") an die Elektroden 121, 122 der Pumpzelle 1a an, wobei die atmosphäreseitige Pumpelektrode 122 an positivem Potential liegt. Außerdem misst die Steuerschaltung 21 den zwischen den Elektroden 121, 122 fließenden elektrischen Strom ("Pumpzellenstrom IP").
Wenn die im Bereich des Gassensors 1 vorbeiströmenden Abgase über die poröse Diffusionsschicht 116 und das Nadelloch 106 in die erste Kammer 101 eintreten, wird O₂ in den Abgasen aufgespalten und an der kammerseitigen Pumpelektrode 122 ionisiert. Der ionisierte Sauerstoff tritt durch die Festelektrolyt-Elementschicht 112 hindurch und wird in den Luftkanal 104 abgeführt. Die in die Kammer 101 gelangende Menge an O₂ wird vom Strömungswiderstand des Nadellochs 106 bestimmt. Wenn hierbei die Pumpzellenspannung VP in einem nachstehend noch näher beschriebenen Grenzstrombereich liegt, lässt sich die O₂-Konzentration der Abgase aus dem Pumpzellenstrom IP ableiten. Das in den Abgasen enthaltene NOx verbleibt in der ersten Kammer 101, da die kammerseitige Pumpelektrode 121 in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
Die Klemmenspannung VP wird in Abhängigkeit von dem Pumpzellenstrom IP gesteuert. Das in 5 dargestellte Kennlinienfeld der Pumpzelle 1a zeigt auch einen Grenzstrombereich, in dem der Pumpzellenstrom IP nicht von der Klemmenspannung VP abhängt. In einem Festspeicher der Steuerschaltung 21 ist eine in 5 durch eine strichpunktierte Linie dargestellte Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom IP und der Pumpzellenspannung VP vorgespeichert. Die Steuerschaltung 21 stellt somit die Pumpzellenspannung VP derart ein, dass der Pumpzellenstrom IP im Grenzstrombereich liegt.
Da die Abgase von der ersten Kammer 101 über die Durchgangsöffnung 103 in die zweite Kammer 102 diffundieren, enthält die zweite Kammer 102 Abgase mit einer niedrigen O₂-Konzentration als Messgas.
Die Steuerschaltung 21 legt an die Elektroden 123, 125 der Überwachungszelle 1b eine Spannung ("Überwachungszellenspannung VM") an, wobei die atmosphäreseitige Sensor-/Überwachungselektrode 125 an positivem Potential liegt, und beaufschlagt auch die Elektroden 124, 125 der Sensorzelle 1c mit einer Spannung ("Sensorzellenspannung VS"). Ferner misst die Steuerschaltung 21 den zwischen den Elektroden 123, 125 fließenden elektrischen Strom ("Überwachungszellenstrom IM") sowie den zwischen den Elektroden 124, 125 fließenden elektrischen Strom ("Sensorzellenstrom IS").
Durch Anlegen der Überwachungszellenspannung VM an die Überwachungszelle 1b und der Sensorzellenspannung VS an die Sensorzelle 1c wird das in der Kammer 102 befindliche restliche O₂ in den Luftkanal 105 abgeführt. Eine entsprechende Einstellung der Überwachungszellenspannung VM und der Sensorzellenspannung VS führt hierbei in den Zellen 1b, 1c zur Erzeugung des Grenzstroms. Bei den der zweiten Kammer 102 gegenüberliegenden Elektroden 123, 124 führt nur die kammerseitige Sensorelektrode 124 eine Aufspaltung von NOx herbei, was eine Vergrößerung der ionisierten Sauerstoffmenge an der kammerseitige Sensorelektrode 124 zur Folge hat. Der Sensorzellenstrom IS ist daher größer als der Überwachungszellenstrom IM. Die NOx-Konzentration in den Abgasen lässt sich somit auf der Basis der Differenz zwischen dem Überwachungszellenstrom IM und dem Sensorzellenstrom IS erhalten. Hierbei werden der Pumpzellenstrom IP, der Überwachungszellenstrom IM und der Sensorzellenstrom IS jeweils als Spannungsabfälle an Widerständen gemessen, die in den Klemmenspannungsschaltungen der jeweiligen Zellen 1a, 1b und 1c in Reihe geschaltet sind.
Weiterhin ist im Abgasrohr 52 direkt stromab des NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators 53 ein Abgas-Temperatursensor 4 in der in 1 veranschaulichten Weise angeordnet, über den die Temperaturwerte der Abgase erfasst und der elektronischen Steuereinheit ECU 22 zugeführt werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung ergibt sich die NOx-Konzentration aus der Differenz zwischen dem Überwachungszellenstrom IM und dem Sensorzellenstrom IS. Auch bei der gleichen NOx-Konzentration kann jedoch die Differenz zwischen dem Überwachungszellenstrom IM und dem Sensorzellenstrom IS auf Grund von Differenzen zwischen den verwendeten Gassensoren oder alterungsbedingten Veränderungen der Eigenschaften unterschiedlich ausfallen und auf diese Weise ein Messfehler entstehen. Die elektronische Steuereinheit ECU 22 nimmt daher eine Korrektur der von der Steuerschaltung 21 zugeführten NOx-Konzentrationswerte (oder NOx-Sensorausgangssignale) zur Verringerung dieses Messfehlers vor.
Nachstehend wird diese Korrekturverarbeitung unter Bezugnahme auf ein in 6 dargestelltes Ablaufdiagramm eines von der elektronischen Steuereinheit ECU 22 ausgeführten Lernprogramms näher beschrieben. Bei diesem Unterprogramm dient die in den Schritten 101 bis 103 erfolgende Verarbeitung der Bestimmung, ob ein Korrekturkoeffizient kNOx gebildet und aktualisiert worden ist. Hierbei wird im Schritt 101 ermittelt, ob ein Leerlaufzustand vorliegt. In dem Schritt 102 wird ermittelt, ob die Abgastemperatur nicht über einem vorgegebenen Schwellenwert toff liegt, während im Schritt 103 ermittelt wird, ob der derzeitige Zeitpunkt direkt vor einem Schwefelablagerungs-Aufbereitungsregelvorgang bzw. Regenerierungsregelvorgang liegt.
Bei dieser Schwefelablagerungs-Aufbereitungsregelung bzw. Regenerierungsregelung wird über das Abgas-Kraftstoffeinspritzventil 43 den Abgasen kontinuierlich Kraftstoff hinzugefügt. Hierdurch wird die O₂-Konzentration des dem NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 zugeführten Kraftstoffgemisches annähernd auf den stöchiometrischen Wert verringert, um Schwefel (S) abzubauen, der sich in dem NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 angesammelt bzw. abgelagert hat. Auf diese Weise kann die NOx-Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 53 wieder hergestellt werden. Diese Regenerierungsregelung wird zu einem Zeitpunkt ausgeführt, bei dem die Kraftstoffverbrauchsmenge einen vorgegebenen Wert erreicht hat. Der Betrag an Schwefelablagerung erhöht sich nämlich mit steigender Kraftstoffverbrauchsmenge. Die Kraftstoffverbrauchsmenge wird daher ausgehend von einem Zeitpunkt berechnet, bei dem die Schwefelablagerung abgebaut worden ist, d.h., nachdem die vorherige Regenerierungsregelung erfolgt ist. Hierbei kann die Kraftstoffverbrauchsmenge durch Integration von Befehlswerten der Kraftstoffeinspritzmengen bei den jeweiligen Einspritzvorgängen erhalten werden.
Wenn in den Schritten 101 bis 103 jeweils ein positives Ergebnis erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 104 und die weiteren Schritte über, bei denen eine Korrekturverarbeitung der ermittelten NOx-Konzentrationswerte in Verbindung mit einer Aktualisierung der Lernwerte erfolgt.
Nachstehend wird näher auf den Schritt 104 und die folgenden Schritte eingegangen. Im Schritt 104 wird die Abgasrückführung unterbrochen. In den Schritten 105 bis 107 erfolgt eine Korrekturkoeffizienten-Einstellungsverarbeitung. Hierbei wird im Schritt 105 ein NOx-Sollausgangswert Noxtrg unter Verwendung der nachstehend wiedergegebenen Gleichung (1) berechnet: NOxtrg = NOxin × (1 – kNOxcat) (1)
Hierbei ist mit NOxin ein NOx-Sensormesswert NOxs bezeichnet, der vorher experimentell durch Anordnung eines Referenz-Gassensors direkt stromab der Abgas-Sammelleitung 51 unter den in den Schritten 101 bis 103 bestätigten Bedingungen erhalten worden ist. Der Wert NOxin ist z.B. bei sämtlichen Gaskonzentrationsdetektoren gespeichert, die dem gleichen Typ einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind. Mit kNOxcat ist das Verhältnis des im NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 gespeicherten und nicht abgeführten NOx zu dem über die Abgas-Sammelleitung 51 ausgestoßenen gesamten NOx bezeichnet. Hierbei wird kNOxcat vorher auf einen Wert von z.B. 0,1 eingestellt, da die Aktualisierung des Lernwertes auf den Zeitpunkt direkt vor einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung beschränkt ist (JA im Schritt 103).
Im Schritt 106 wird ein NOx-Sensormesswert NOxs von der Steuerschaltung 21 eingelesen. Im Schritt 107 wird ein Korrekturkoeffizient kNOx unter Verwendung der nachstehend wiedergegebenen Gleichung (2) berechnet: kNOx = NOxtrg/NOxs (2)
In einem Schritt 110 wird dann auf der Basis des NOx-Sensormesswertes NOxs und des Korrekturkoeffizienten kNOx ein korrigierter NOx-Sensormesswert NOxsr unter Verwendung der nachstehend wiedergegebenen Gleichung (3) berechnet: NOxsr = kNOx × NOxs (3)
In einem Schritt 111 wird sodann der berechnete Korrekturkoeffizient kNOx in einem Speicher als kNOxold abgespeichert. Ein Anfangswert von kNOxold wird z.B. auf den Wert 1 gesetzt. Hiermit endet das Lernprogramm.
Wenn dagegen bei zumindest einem der Schritte 101 bis 103 ein negatives Ergebnis erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 108 und die folgenden Schritte über, bei denen die Korrekturverarbeitung der NOx-Sensormesswerte NOxs ohne Aktualisierung der Lernwerte erfolgt. Hierbei wird im Schritt 108 ein NOx-Sensormesswert NOxs von der Steuerschaltung 21 eingelesen, woraufhin in einem Schritt 109 der Korrekturkoeffizient kNOx auf den im Speicher gespeicherten Wert kNOxold gesetzt wird und der Ablauf sodann auf den Schritt 110 übergeht.
Die NOx-Konzentration in den Abgasen hängt von Betriebszuständen ab, die durch Betriebsparameter wie der Ansaugluftmenge oder der Kraftstoffeinspritzmenge gegeben sind, sodass die NOx-Konzentration auf der Basis des Betriebszustands in einem gewissen Ausmaß abgeschätzt werden kann. Der NOx-Sollausgangswert NOxtrg, der einen Referenz-Messwert darstellt, lässt sich daher auf der Basis eines Betriebszustands abschätzen, der in einer geeigneten Korrespondenzbeziehung zu der NOx-Konzentration steht. Aus einem Vergleich zwischen dem NOx-Sollausgangswert NOxtrg und dem den tatsächlichen Messwert darstellenden NOx-Sensormesswert NOxs ergibt sich dann die jeweilige individuelle Differenz in der Ausgangssignalcharakteristik des Gassensors 1, d.h., ein Korrekturkoeffizient kNOx wird auf der Basis des NOx-Sollausgangswerts NOxtrg und eines NOx-Sensormesswerts NOxs derart eingestellt, dass die Differenz zwischen einem NOx-Sollausgangswert NOxtrg und einem nach der Korrektur erhaltenen NOx-Sensormesswert NOxsr kompensiert bzw. korrigiert wird. Auf der Basis dieses eingestellten Korrekturkoeffizienten kNOx erfolgt sodann die Korrektur des NOx-Sensorausgangssignals bzw. NOx-Sensormesswertes NOxs. Die Steuerschaltung 21 und die elektronische Steuereinheit ECU 22 können daher bei einem Gassensor 1 in geeigneter Weise Verwendung finden, ohne dass eine vorherige Anpassung (paarweise Zuordnung) zwischen dem Gassensor 1, der Steuerschaltung 21 und der elektronischen Steuereinheit ECU 22 vorgenommen wird.
Der Gassensor 1, die Steuerschaltung 21 und die elektronische Steuereinheit ECU 22 können daher separat in jeweiligen geeigneten Schritten eingebaut werden, ohne dass die am Montageband beschäftigten Personen diesem Einbau besondere Aufmerksamkeit schenken müssen.
Darüber hinaus lassen sich beim Auftreten von alterungsbedingten Veränderungen der Ausgangssignalcharakteristik des Gassensors 1 diese alterungsbedingten Veränderungen durch Aktualisierung des Korrekturkoeffizienten kNOx bei Vorliegen der Beurteilungsbedingungen gemäß den Schritten 101 bis 103 bei der Brennkraftmaschine E kompensieren.
Nachstehend wird näher auf die Beurteilungsbedingungen für die Aktualisierung des Korrekturkoeffizienten kNOx gemäß den Schritten 101 bis 103 eingegangen. Gemäß dem Schritt 101 ist es erforderlich, dass sich die Brennkraftmaschine E im Leerlaufzustand befindet, da im Leerlaufzustand eine ausreichend konstante Kraftstoffeinspritzung stattfindet, um Abweichungen des NOx-Sensormesswertes NOxs zu verhindern.
Gemäß dem Schritt 102 ist es erforderlich, dass die Abgastemperatur einen Schwellenwert toff nicht überschreitet. Bei einer niedrigen Abgastemperatur besitzt nämlich der Speicher-/Reduktionskatalysator 53 eine geringe NOx-Speicherkapazität, sodass sich in diesem Betriebszustand Abweichungen des NOx-Sensormesswertes NOxs auf Grund der Speicherung von NOx in dem Speicher-/Reduktionskatalysator 53 vermeiden lassen.
Gemäß dem Schritt 103 ist das Vorliegen eines Zeitpunktes direkt vor einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung erforderlich. Direkt vor einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung kann nämlich von einem Sättigungszustand ausgegangen werden, bei dem keine nennenswerte NOx-Speicherkapazität des Speicher-/Reduktionskatalysators 53 mehr vorhanden ist, sodass auch keine Abweichungen des NOx-Sensormesswertes NOxs auf Grund der Speicherung von NOx in dem Speicher-/Reduktionskatalysator 53 mehr auftreten.
Im Schritt 104 wird die Abgasrückführung (AGR) unterbrochen, wenn sämtliche Beurteilungsbedingungen der Schritte 101 bis 103 erfüllt sind. Durch diese Unterbrechung bzw. Abschaltung der Abgasrückführung werden Schwankungen der über die Abgas-Sammelleitung 51 abgeführten NOx-Konzentration auf Grund der Einwirkung der Abgasrückführung verhindert, sodass sich auf diese Weise auch Abweichungen eines tatsächlichen Messwertes verhindern lassen.
Im übrigen sind nicht sämtliche Bedingungen gemäß den Schritten 101 bis 104 zwangsläufig erforderlich, sondern in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit des Korrekturkoeffizienten können auch eine oder mehrere der Bedingungen zur Aktualisierung des Korrekturkoeffizienten ausgewählt werden.
Wie vorstehend beschrieben, stellt der Wert kNOxcat das Verhältnis des in dem NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 gespeicherten und nicht abgeführten NOx zu dem über die Abgas-Sammelleitung 51 abgeführten gesamten NOx dar. Hierbei wird kNOxcat auf 0,1 eingestellt, da ein Zeitpunkt direkt vor der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung in Betracht gezogen ist (Ergebnis JA im Schritt 103), jedoch können auch andere Werte Verwendung finden. So ist z.B. die NOx-Speicherkapazität auch direkt nach einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung in ähnlicher Weise wie zu einem Zeitpunkt direkt vor einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung konstant. Der Anteil des nicht in den stromab gelegenen Bereich des Gassensors 1 abgeführten NOx ist ebenfalls konstant, sodass hierbei keine nennenswerte Abweichung des tatsächlichen Messwertes des Gassensors 1 auftritt. Da in diesem Falle eine hohe NOx-Katalysatorspeicherkapazität vorliegt, wird ein hoher Anteil des NOx nicht in den stromab gelegenen Bereich abgeführt, sodass der Korrekturkoeffizient z.B. auf den Wert 0,9 eingestellt werden kann. In diesem Fall wird die im Schritt 103 erfolgende Beurteilung des Vorliegens eines Zeitpunkts direkt vor einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung durch eine Beurteilung des Vorliegens eines Zeitpunkts direkt nach einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung ersetzt.
Außerdem kann die im Schritt 103 erfolgende Beurteilung dahingehend ausgestaltet werden, dass auf den Schritt 104 übergegangen wird, wenn der beurteilte Zeitpunkt entweder vor oder nach einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung liegt. Vor dem Schritt 105, bei dem der NOx-Sollausgangswert NOxtrg berechnet wird, kann der Wert kNOxcat entsprechend der Bedingung "vor" oder "nach" entweder auf 0,1 oder auf 0,9 eingestellt werden, wodurch sich eine bessere Aktualisierung des Wertes kNOxcat und damit eine weitere Steigerung der Messgenauigkeit bei der Ermittlung der NOx-Konzentration erzielen lässt.
Da der tatsächliche Messwert eines Gassensors 1 von der NOx-Katalysatorspeicherkapazität abhängt, kann die Aktualisierung des Korrekturkoeffizienten kNOx auch in Abhängigkeit von einer Änderung der NOx-Katalysatorspeicherkapazität erfolgen, wenn diese Veränderung vorher bekannt ist. Auf diese Weise lässt sich eine sehr hohe Messgenauigkeit erzielen, da in diesem Fall der Korrekturkoeffizient kNOx unabhängig von einem Zeitpunkt vor oder einem Zeitpunkt nach einer Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung zu beliebigen Zeiten aktualisiert werden kann. In dem Steuerdiagramm gemäß 7 sind über der akkumulierten Kraftstoff-Verbrauchsmenge die Speicherkapazität des NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators 53, die Brennstoffverbrauchsmenge nach einer jeweils vorhergehenden Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung, die Frequenz bzw. Häufigkeit der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgänge sowie die akkumulierte Schwefelmenge aufgetragen. Wie vorstehend beschrieben, steigt nach einer Entfernung der Schwefelablagerung durch einen Schwefelablagerungs- Regenerierungsregelvorgang die akkumulierte Schwefelmenge mit steigender Kraftstoffverbrauchsmenge an, während die NOx-Speicherkapazität mit steigender Kraftstoffverbrauchsmenge abnimmt. Die akkumulierte Schwefelmenge und die NOx-Speicherkapazität stehen daher miteinander in einer Wechselbeziehung. Die NOx-Speicherkapazität zeigt zwar auf Grund der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelung einen sägezahnartigen Verlauf über der Zeit, jedoch nimmt sie direkt nach einem Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgang auf Grund der alterungsbedingten Verschlechterung der Eigenschaften des NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators 53 allmählich ab.
Bei der Verschlechterung der NOx-Speicherkapazität wird davon ausgegangen, dass sie sich mit steigender Akkumulierungsmenge der durch den NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator 53 hindurchtretenden Abgase entwickelt. Die Aktualisierung des Korrekturkoeffizienten kNOxcat kann daher nicht nur auf der Basis der Kraftstoffverbrauchsmenge nach einem jeweiligen Regenerierungsregelvorgang, sondern auch auf der Basis der Frequenz bzw. Häufigkeit der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgänge erfolgen. Dies lässt sich unter Verwendung eines zweidimensionalen Kennfeldes durchführen, bei dem kNOxcat der Kraftstoffverbrauchsmenge nach einem jeweiligen Regenerierungsregelvorgang sowie der Frequenz bzw. Häufigkeit der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgänge entspricht. Da die NOx-Speicherkapazität mit steigender Kraftstoffverbrauchsmenge abnimmt, führt dies zu einer Verringerung des Anteils an NOx, der nicht in den stromab gelegenen Bereich abgeführt wird, in dem der Gassensor 1 angeordnet ist. Wie in dem Kennfeld gemäß 8 veranschaulicht ist, wird der Korrekturkoeffizient kNOxcat mit steigender akkumulierter Kraftstoffverbrauchsmenge nach einem jeweils vorhergehenden Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgang und mit steigender Frequenz bzw. Häufigkeit der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgänge verringert.
Die elektronische Steuereinheit ECU 22 berechnet die Kraftstoffverbrauchsmenge nach einem jeweils vorhergehenden Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgang durch Aufaddieren der Einspritzbefehlswerte bei den jeweiligen Kraftstoffeinspritzvorgängen. Außerdem nimmt die elektronische Steuereinheit ECU 22 eine Hochzählung der Frequenz bzw. Häufigkeit der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgänge vom Zeitpunkt des Vorliegens eines neuen NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators 53 bei jeder Ausführung eines Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgangs vor. Der Korrekturkoeffizient kNOx wird auf der Basis des vorstehend beschriebenen Kennfeldes während des Lernprogramms gebildet. Hierbei entfällt der Schritt 103 gemäß 6, während die akkumulierte Kraftstoffverbrauchsmenge nach einem jeweils vorhergehenden Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgang und die Frequenz bzw. Häufigkeit der Schwefelablagerungs-Regenerierungsregelvorgänge sodann vor dem Schritt 104 eingelesen werden, wodurch die Einstellung des Korrekturkoeffizienten kNOxcat erfolgt.
Nachstehend wird auf weitere modifizierte Ausführungsbeispiele näher eingegangen. Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Pumpzellenspannung VP unter Verwendung eines Klemmenspannungs-Kennfeldes auf der Basis des Pumpzellenstroms IP eingestellt, was einem Steuer- oder Regelverfahren entspricht, wie es in 9 dargestellt ist. Es kann jedoch auch ein in 10 veranschaulichtes anderes Regelverfahren in Betracht gezogen werden. Hierbei wird die Pumpzellenspannung VP durch Rückkopplung derart geregelt, dass der Überwachungszellenstrom IM einen gegebenen Wert annimmt. Bei diesem Regelverfahren wird die NOx-Konzentration über den Sensorstrom (IS – IM) erhalten, während die O₂-Konzentration über den Pumpzellenstrom IP erhalten wird.
Ein weiterer Aufbau eines Gassensors kann z.B. in der in 11 veranschaulichten Weise erhalten werden. Der in 11 dargestellte Gassensor 1A umfasst Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153, die von z.B. aus Zirkondioxid bestehenden Festelektrolytelementen gebildet werden, eine aus einem Isoliermaterial wie porösem Aluminiumoxid bestehende Diffusionsraten-Steuerschicht 154 sowie eine aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid bestehende Isolierschicht 155. Diese Schichten sind in Dickenrichtung übereinander angeordnet und bilden ein vielschichtiges Laminat, das in Bezug auf die Schichtflächen Rechteckform aufweist.
Die Festelektrolyt-Elementschicht 152 und die Diffusionsraten-Steuerschicht 154, die in Längsrichtung des Gassensors 1A beide in der gleichen Schicht angeordnet sind, befinden sich zwischen den Festelektrolyt-Elementschichten 151 und 153. Die Diffusionsraten-Steuerschicht 154 ist hierbei auf der Seite des Messendes des Gassensors 1A angeordnet, während sich die Festelektrolyt-Elementschicht 152 auf der Seite des Anschlussendes befindet. Die Festelektrolyt-Elementschicht 152 und die Diffusionsraten-Steuerschicht 154 sind teilweise ausgestanzt und bilden in Dickenrichtung zwischen den Festelektrolyt-Elementschichten 151 und 153 zwei miteinander in Strömungsverbindung stehende Kammern 141 und 142. Über die Diffusionsraten-Steuerschicht 154 treten im Außenbereich befindliche Gase als Messgase in die erste Kammer 141 am Messende des Gassensors 1A ein, wobei durch diese Schicht gleichzeitig eine Strömungs- oder Diffusionsverbindung zwischen der ersten Kammer 141 und der zweiten Kammer 142 hergestellt wird.
Die beiden Kammern 141 und 142 sind über die Festelektrolyt-Elementschicht 153 gegenüber dem Luftkanal 143 angeordnet. Der Luftkanal 143 steht am Anschlussende des Gassensors 1A mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung.
In der Nähe der ersten Kammer 141 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 151 zwei Elektroden 161 und 162 zur Bildung einer Pumpzelle 1d einander gegenüberliegend angeordnet. Die der Kammer 141 gegenüberliegende Elektrode 161 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
In der Nähe des Bereiches, in dem die erste Kammer 141 dem Luftkanal 143 gegenüberliegt, sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 153 zwei Elektroden 163 und 165 zur Bildung einer Überwachungszelle 1e einander gegenüberliegend angeordnet. Die der Kammer 141 gegenüberliegende Elektrode 163 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Hierbei ist die dem Luftkanal 143 gegenüberliegende Elektrode 165 länger als die Elektrode 163 und verläuft bis zu der zweiten Kammer 142, wobei sie eine gemeinsame Elektrode für eine Sensorzelle 1f und eine weitere Pumpzelle 1g bildet.
In der Nähe der zweiten Kammer 142 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 153 die Elektrode 165 und eine weitere Elektrode 164 zur Bildung der Sensorzelle 1f einander gegenüberliegend angeordnet.
Außerdem ist an der Festelektrolyt-Elementschicht 151 eine der zweiten Kammer 142 gegenüberliegende Elektrode 166 ausgebildet. Die weitere Pumpzelle 1g wird somit von den Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153 sowie den Elektroden 166 und 165 gebildet. Hierbei liegt bei der weiteren Pumpzelle 1g die Elektrode 166 des Elektrodenpaars 166, 165 der zweiten Kammer 142 gegenüber, während die Elektrode 165 des Elektrodenpaars 166, 165 dem Luftkanal 143 gegenüberliegt.
Von den der zweiten Kammer 142 gegenüberliegenden Elektroden 164, 166 besteht die Elektrode 164 der Sensorzelle 1f aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Demgegenüber besteht die Elektrode 166 der weiteren Pumpzelle 1g aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
Die Isolierschicht 155, die zusammen mit der Festelektrolyt-Elementschicht 153 die Kanalwände des Luftkanals 143 bildet, enthält in ähnlicher Weise die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Leitungsmuster aus einem Metall wie Pt, das ein Heizelement 17 zur Erwärmung des gesamten Gassensors 1A bildet.
Bei dem Gassensor 1A wird die Klemmenspannung der Pumpzelle 1d durch Rückkopplung auf der Basis einer von der Überwachungszelle 1e erzeugten EMK bzw. Quellenspannung VM1 ("Überwachungszellen-Quellenspannung") geregelt. Die Überwachungszellen-Quellenspannung VM1 konvergiert hierbei zu einer Referenzspannung, d.h., die O₂-Konzentration in der ersten Kammer 141 nimmt einen niedrigen und konstanten Konzentrationswert an. Der Sauerstoff in der ersten Kammer 141 wird hierdurch abgeführt, was auch für den Sauerstoff in der mit der ersten Kammer 141 in einer Strömungs- oder Diffusionsverbindung stehenden zweiten Kammer 142 zutrifft, sodass deren O₂-Konzentration einen ähnlichen Wert wie die O₂-Konzentration in der ersten Kammer 141 annimmt.
Die in der zweiten Kammer 142 verbleibende restliche O₂-Konzentration wird sodann von der Pumpzelle 1g abgepumpt. In der Sensorzelle 1f wird der Strom IS in Abhängigkeit von der Aufspaltung von NOx an der der zweiten Kammer 142 gegenüberliegenden Elektrode 164 entsprechend der NOx-Konzentration in der zweiten Kammer 142 erzeugt. In der Pumpzelle 1g wird der Strom IP2 entsprechend der O₂-Konzentration in der zweiten Kammer 142 erzeugt.
Bei diesem Aufbau des Gassensors 1A wird die NOx-Konzentration über den Sensorstrom IS (IS – IP2) erhalten, während die O₂-Konzentration über den Pumpzellenstrom IP1 der Pumpzelle 1d erhalten wird. In ähnlicher Weise wie bei dem Gassensor 1 ist auch bei dem Gassensor 1A eine Verringerung eines auf alterungsbedingten Veränderungen des Gassensors und individuellen Differenzen zu anderen Gassensoren beruhenden Messfehlers erzielbar, indem ein Korrekturkoeffizient für einen tatsächlichen Messwert des Gassensors 1A derart eingestellt wird, dass hierdurch die Differenz zu einem Referenz-Messwert verringert wird, bei dem davon ausgegangen wird, dass er einen geeigneten Messwert darstellt, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine einem gegebenen Betriebszustand entspricht.
Außerdem kann die Erfindung auch in Form des in 12 dargestellten Gassensors 1B Verwendung finden. Der Aufbau des Gassensors 1B entspricht mit Ausnahme der Elektrodenanordnung dem Gassensor 1A gemäß 11. Die Elektrode 163 gemäß 11 ist nämlich bei der Anordnung gemäß 12 nicht mehr vorhanden. Eine erste Pumpzelle 1d wird von der Festelektrolyt-Elementschicht 151 und den an der Schicht 151 einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 161 und 162 gebildet. Eine erste Überwachungszelle 1h wird von den Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153 sowie den Elektroden 162, 165 gebildet. Hierbei wird die Klemmenspannung der ersten Pumpzelle 1d zwischen den Elektroden 161, 162 durch Rückkopplung auf der Basis einer von der ersten Überwachungszelle 1h erzeugten EMK bzw. Quellenspannung VM1 ("Überwachungszellen-Quellenspannung") geregelt. Die Überwachungszellen-Quellenspannung konvergiert auf diese Weise zu einer Referenzspannung, d.h., die O₂-Konzentration in der ersten Kammer 141 nimmt einen niedrigen und konstanten Konzentrationswert an. Auf diese Weise wird der in der ersten Kammer 141 befindliche Sauerstoff abgeführt.
Eine zweite Pumpzelle 1i wird von der Festelektrolyt-Elementschicht 151 und den an der Schicht 151 einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 166 und 162 gebildet. Eine zweite Überwachungszelle 1j wird von den Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153 und den Elektroden 166, 165 gebildet. Hierbei wird die Klemmenspannung der zweiten Pumpzelle 1i zwischen den Elektroden 166, 162 durch Rückkopplung auf der Basis einer von der zweiten Überwachungszelle 1j erzeugten EMK bzw. Quellenspannung VM2 ("Überwachungszellen-Quellenspannung") geregelt. Die Überwachungszellen-Quellenspannung VM2 konvergiert auf diese Weise zu einer Referenzspannung, d. h., die O₂-Konzentration in der zweiten Kammer 142 nimmt einen niedrigen und konstanten Konzentrationswert an. Auf diese Weise wird der in der zweiten Kammer 142 befindliche Sauerstoff abgeführt.
Weiterhin wird eine Sensorzelle 1f von der Festelektrolyt-Elementschicht 153 und den an der Schicht 153 einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 164, 165 gebildet. Bei der Sensorzelle 1f wird der Strom IS in Abhängigkeit von der Aufspaltung von NOx an der der zweiten Kammer 142 gegenüberliegenden Elektrode 164 entsprechend der NOx-Konzentration in der zweiten Kammer 142 erzeugt.
Bei diesem Aufbau des Gassensors 1B wird die NOx-Konzentration über den Sensorzellenstrom IS erhalten, während die O₂-Konzentration über den Pumpzellenstrom IP1 erhalten wird. In ähnlicher Weise wie bei den Gassensoren 1 und 1A ist auch bei dem Gassensor 1B eine Verringerung eines auf alterungsbedingten Veränderungen des Gassensors und individuellen Differenzen zu anderen Gassensoren beruhenden Messfehlers erzielbar, indem ein Korrekturkoeffizient für einen tatsächlichen Messwert des Gassensors 1B derart eingestellt wird, dass die Differenz zu einem Referenz-Messwert verringert wird, bei dem davon ausgegangen wird, dass er einen geeigneten Messwert darstellt, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine einem vorgegebenen Betriebszustand entspricht.
Wie vorstehend beschrieben, wird somit mit Hilfe der elektronischen Steuereinheit ECU (22) eines bei einer Brennkraftmaschine (E) vorgesehenen Gaskonzentrationsdetektors (S) in einem geeigneten Betriebszustand der Brennkraftmaschine eine Verringerung der zwischen einem tatsächlichen Messwert eines Gassensors (1) und einem Referenz-Messwert bestehenden Differenz herbeigeführt. Der Referenz-Messwert stellt die Konzentration eines zu messenden Gasbestandteils in den Abgasen dar, bei der davon ausgegangen wird, dass sie in dem geeigneten Betriebszustand einen normalen Wert aufweist. Der geeignete Betriebszustand stellt einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine dar, der in einer geeigneten Beziehung zu dem Gasbestandteil steht. Auf diese Weise lässt sich ein Messfehler kompensieren, der auf alterungsbedingten Veränderungen der Eigenschaften des Gassensors und individuellen Differenzen zu anderen Gassensoren beruht, sodass eine höhere Messgenauigkeit bei der Ermittlung der Gaskonzentration erzielbar ist.

Claims

Gaskonzentrationsdetektor (S) zur Messung der Konzentration eines Gasbestandteils in den Abgasen einer Brennkraftmaschine (E), mit einem Gassensor (1), der ein Messsignal in Abhängigkeit von der Konzentration des Gasbestandteils abgibt, gekennzeichnet, durch eine Korrekturkoeffizienten-Einstelleinrichtung (22), durch die ein Korrekturkoeffizient zur Korrektur eines tatsächlichen Messwertes des Gassensors in einem vorgegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine derart korrigiert wird, dass eine zwischen dem tatsächlichen Messwert des Gassensors und einem Referenz-Messwert des Gassensors bestehende Differenz verringert wird, wobei der Referenz-Messwert vorgespeichert ist und davon ausgegangen wird, dass er einen angemessenen Messwert darstellt, wenn der Betriebszustand der Brennkraftmaschine dem vorgegebenen Betriebszustand entspricht.
Gaskonzentrationsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Betriebszustand den Leerlaufzustand umfasst.
Gaskonzentrationsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbestandteil NOx umfasst, dass in einem Abgasrohr (52) der Brennkraftmaschine ein NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator (53) angeordnet ist, durch den das stromauf des Gassensors befindliche NOx speicherbar ist, und dass der vorgegebene Betriebszustand einen Betriebszustand umfasst, bei dem die Abgastemperatur einen vorher eingestellten, vorgegebenen Temperaturwert nicht überschreitet.
Gaskonzentrationsdetektor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbestandteil NOx umfasst, dass in einem Abgasrohr (52) der Brennkraftmaschine ein NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator (53) angeordnet ist, durch den das stromauf des Gassensors befindliche NOx speicherbar ist, und dass der vorgegebene Betriebszustand einen Betriebszustand direkt vor oder direkt nach einer Regenerierungsregelung des NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators umfasst.
Gaskonzentrationsdetektor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine ein Abgasrückführsystem umfasst, durch das eine Rückführung von Abgasen erfolgt, dass der gegebene Betriebszustand eine Vielzahl von Betriebszuständen umfasst, die einen bestimmten Betriebszustand einschließen, bei dem keine Abgasrückführung erfolgt, und dass eine Einrichtung (22) zur Unterbrechung der Abgasrückführung vorgesehen ist, wenn die Vielzahl von Betriebszuständen mit Ausnahme des bestimmten Betriebszustands vorliegt.
Gaskonzentrationsdetektor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbestandteil NOx umfasst, dass in einem Abgasrohr (52) der Brennkraftmaschine ein NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator (53) angeordnet ist, durch den das stromauf des Gassensors befindliche NOx speicherbar ist, dass die Speicherkapazität des NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators durch eine Regenerierungsregelung während eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine wiederherstellbar ist, und dass eine Einrichtung (22) zur erneuten Einstellung des Referenz-Messwertes vorgesehen ist, die den Referenz-Messwert erhöht, wenn die akkumulierte Verbrauchsmenge der Kraftstoffeinspritzung der Brennkraftmaschine nach einer vorhergehenden Regenerierungsregelung ansteigt.
Gaskonzentrationsdetektor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasbestandteil NOx umfasst, dass in einem Abgasrohr (52) der Brennkraftmaschine ein NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator (53) angeordnet ist, durch den das stromauf des Gassensors befindliche NOx speicherbar ist, dass die Speicherkapazität des NOx-Speicher-/Reduktionskatalysators durch eine Regenerierungsregelung während eines Betriebszustands der Brennkraftmaschine wiederherstellbar ist, und dass eine Einrichtung (22) zur erneuten Einstellung des Referenz-Messwertes vorgesehen ist, die den Referenz-Messwert erhöht, wenn die Frequenz oder Häufigkeit der Regenerierungsregelvorgänge ansteigt.