DE102009001672A1

DE102009001672A1 - Gassensorsteuerungssystem zur Sicherstellung einer erhöhten Messgenauigkeit

Info

Publication number: DE102009001672A1
Application number: DE102009001672A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kariya Hada; Takyuki Nishio Ishikawa; Katsuhide Kariya Akimoto
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-20
Also published as: US8721856B2; US20090236223A1; JP2009229148A; DE102009001672B4; JP4874282B2

Abstract

Bei einem Gassensorsteuersystem für einen Gassensor umfasst dieser eine erste, eine zweite und eine dritte Zelle. Die zweite Zelle erzeugt einen elektrischen Strom einer zweiten Zelle, welcher die Sauerstoffkonzentration im Gas angibt, wobei die Sauerstoffmenge bereits durch die erste Zelle gesteuert worden ist. Die dritte Zelle erzeugt einen elektrischen Strom der dritten Zelle, welcher die Konzentration eines vorausgewählten Bestandteils des Gases angibt, bei dem die Sauerstoffmenge bereits durch die erste Zelle gesteuert worden ist. Eine Schaltung der zweiten Zelle wandelt den elektrischen Strom der zweiten Zelle in eine Spannung als Strominrichtung erzeugt einen Fluss eines Einstellstroms als Funktion des Strommesswertes der zweiten Zelle, so dass eine Schaltung der dritten Zelle den elektrischen Strom der dritten Zelle minus dem Einstellstrom in eine Spannung umwandelt, welche die Konzentration des vorausgewählten Bestandteils des Gases repräsentiert.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Gassensorsteuerungssystem, das zum Abtasten einer Ausgabe eines Gassensors wie etwa eines NOx-Sensors zur genauen Bestimmung einer Gaskonzentration, wie sie durch den Gassensor gemessen wird, entworfen ist.
In jüngster Zeit wurden die Bestimmungen für automobile Emissionen sowie die Brennstoffeffizienzanforderungen verschärft. Es gibt beispielsweise einen steigenden Bedarf für Techniken zur Reduktion der Menge an NOx-Emissionen von Dieselmotoren oder zur Bestimmung einer Nox-Reinigungseinrichtung. Moderne Benzinmotoren werden zur Verbrennung von Brennstoff über einen brennstoffmageren Bereich zur Verbesserung der Brennstoffeffizienz gesteuert, und führen somit zu einem Anstieg bei der Menge von Nox-Emissionen. Techniken zur Steuerung der NOx-Emissionen oder zur Bestimmung einer NOx-Reinigungseinrichtung sind daher erforderlich. Aus diesen Gründen werden NOx-Sensoren verstärkt nachgefragt.
Die NOx-Sensoren weisen typischerweise eine Multizellenstruktur unter Verwendung von einem Festelektrolytkörper aus Zirkonoxid auf. Die NOx-Sensoren sind beispielsweise mit einer Pumpzelle, einer Monitorzelle und einer Sensorzelle ausgerüstet, die aus einem Festkörperelektrolyten ausgebildet sind. Die Pumpzelle arbeitet zur Bewahrung der Sauerstoffkonzentration (O₂) auf einem konstanten Wert, die in einem in eine Gaskammer des NOx-Sensors eingeführten Abgas enthalten ist. Die Monitorzelle arbeitet zur Messung der NOx-Konzentration, die in dem Abgas enthalten ist, aus dem der Sauerstoff durch die Pumpzelle entfernt worden ist. In ähnlicher Weise arbeitet die Sensorzelle zur Messung der NOx-Konzentration, die in dem Abgas enthalten ist, aus dem der Sauerstoff durch die Pumpzelle entfernt worden ist.
Die Druckschrift JP-A-2004-108788 lehrt ein Gassensorsteuerungssystem unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Bauart für einen NOx-Sensor. Das Gassensorsteuerungssystem ist zur Messung eines durch die Sensorzelle fließenden elektrischen Stroms (der nachstehend auch als Sensorzellenstrom Is in Bezug genommen ist) und eines durch die Monitorzelle fließenden elektrischen Stroms (der nachstehend auch als Monitorzellenstrom Im in Bezug genommen ist) unter Verwendung von Messschaltungen, zur Berechnung einer Differenz zwischen dem Sensorzellenstrom Is und dem Monitorzellenstrom Im (d. h. Is – Im), und zur Bestimmung der NOx-Konzentration als Funktion einer derartigen Differenz entworfen. Dies ermöglicht eine Bestimmung der NOx-Konzentration ungeachtet der Sauerstoffkonzentration in dem Gas, das in die Gaskammer des NOx-Sensors eingeführt wird.
Der durch die Sensorzelle der vorstehend beschriebenen Bauart eines NOx-Sensors erzeugte Sensorzellenstrom Is beinhaltet üblicherweise einen Stromanteil, der von der zu messenden NOx-Konzentration stammt, sowie einen Stromanteil, der von der in der Gaskammer des NOx-Sensors verbleibenden Sauerstoffkonzentration stammt, womit eine Verringerung der Auflösung der Messschaltung bei der Messung des Sensorzellenstroms Is um einen Anteil verursacht wird, welcher der in der Gaskammer verbleibenden Sauerstoffkonzentration entspricht. Der Sensorzellenstrom Is, der eine Funktion der NOx-Konzentration ist, weist einen sehr schwachen Pegel in der Größenordnung von nA auf, was zu einem Anstieg im Verhältnis des von der Sauerstoffkonzentration stammenden Stromanteils zu dem von der NOx-Konzentration stammenden Stromanteil führt. Somit verbleibt ein Spielraum zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Messung der NOx-Konzentration.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird ein Gassensorsteuerungssystem bereitgestellt, das zur Sicherstellung einer erhöhten Genauigkeit bei der Messung der Konzentration eines Gasbestandteils wie etwa NOx entworfen ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gassensorsteuerungssystem bereitgestellt, das zur Steuerung der Betriebsweise eines Gassensors wie etwa eines NOx-Sensors entworfen ist, und das mit einer Abtastvorrichtung mit einer ersten Zelle, einer zweiten Zelle und einer dritten Zelle ausgerüstet ist, die jeweils aus einem Festkörperelektrolyten ausgebildet sind, und in denen jeweils eine Gaskammer ausgebildet ist. Die erste Zelle arbeitet zur Steuerung der Sauerstoffmenge, die in einem Gas enthalten ist, welches in die Gaskammer eingelassen wird, um die Sauerstoffkonzentration in dem Gas auf einem vorgegebenen gesteuerten Niveau zu halten. Die zweite Zelle arbeitet zur Erzeugung eines elektrischen Stroms als eine Funktion der in dem Gas enthaltenen Sauerstoffkonzentration, in dem die Sauerstoffmenge bereits durch die erste Zelle gesteuert worden ist. Die dritte Zelle arbeitet zur Erzeugung eines elektrischen Stroms als Funktion der Konzentration eines vorausgewählten Bestandteils des Gases, in dem die Sauerstoffmenge bereits durch die erste Zelle gesteuert worden ist. Das Gassensorsteuerungssystem umfasst: (a) eine Schaltung für die zweite Zelle mit einem Strom/Spannungswandler, der mit der zweiten Zelle verbunden ist, um den durch die zweite Zelle erzeugten elektrischen Strom abzutasten und in eine Spannung umzuwandeln, und die Spannung als Strommesswert für die zweite Zelle auszugeben; (b) eine Schaltung für die dritte Zelle mit einem Strom/Spannungswandler, der mit der dritten Zelle verbunden ist; (c) eine Stromeinstellungseinrichtung, die zur Erzeugung eines Einstellstroms arbeitet, der ein als Funktion des von der Schaltung für die zweite Zelle ausgegebenen Strommesswerts für die zweite Zelle bestimmter elektrischer Strom ist; und (d) einen Verzweigungsschaltungspfad, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Strom/Spannungswandler der Schaltung für die dritte Zelle und der dritten Zelle verbunden ist, und durch den der Einstellstrom zur Eingabe des durch die dritte Zelle erzeugten elektrischen Stroms minus des Einstellstroms in den Strom/Spannungswandler der Schaltung für die dritte Zelle fließt, so dass der Strom/Spannungswandler den elektrischen Strom minus dem Einstellstrom in eine Spannung umwandelt, und die Spannung als Strommesswert der dritten Zelle ausgibt, der die Konzentration des vorausgewählten Bestandteils des Gases repräsentiert.
Im Einzelnen fließen bei der vorstehend beschriebenen Bauart von Gassensoren ein durch Zersetzung des in der Gaskammer verbleibenden Sauerstoffs entwickelter Stromanteil sowie ein durch Zersetzten des vorausgewählten Bestandteils des Gases entwickelter Stromanteil durch die dritte Zelle. Der durch die dritte Zelle erzeugte elektrische Strom enthält somit unerwünschterweise eine Kombination der zwei Stromanteile.
Zur Abmilderung dieses Problems arbeitet die Stromeinstelleinrichtung zur Erzeugung des Einstellstroms als Funktion des Strommesswertes der zweiten Zelle, wie er von der Schaltung für die zweite Zelle ausgegeben wird, und gibt ihn in den Strom/Spannungswandler der Schaltung für die dritte Zelle zusammen mit dem durch die dritte Zelle erzeugten elektrischen Strom ein, so dass der durch die dritte Zelle erzeugte elektrische Strom minus dem Einstellstrom in den Strom/Spannungswandler der Schaltung für die dritte Zelle eingegeben wird. Der Strom/Spannungswandler wandelt daher den elektrischen Strom minus den Einstellstrom in eine Spannung um und gibt diese als den Strommesswert der dritten Zelle aus, welcher die Konzentration des vorausgewählten Gasbestandteils repräsentiert. Genauer fließt ein Strom mit geringerem Pegel als der des durch die dritte Zelle erzeugten Stroms in den Strom/Spannungswandler, wodurch eine erhöhte Auflösung bei der Strom/Spannungsumwandlung in der Schaltung der dritten Zelle verursacht wird, was zu einer verbesserten Genauigkeit bei der Messung der Konzentration des vorausgewählten Gasbestandteils führt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromeinstelleinrichtung mit einem Ausgangsanschluss der Schaltung für die zweite Zelle verbunden und arbeitet zur Bestimmung des Einstellstroms auf der Grundlage des Strommesswerts für die zweite Zelle, wie er von der Schaltung für die zweite Zelle ausgegeben wird, und baut einen Einstellstromfluss durch den Verzweigungsschaltungspfad in eine Richtung auf, in der der Einstellstrom von der Schaltung für die dritte Zelle bezogen wird.
Die Stromeinstelleinrichtung kann den Einstellstrom identisch zu dem durch die zweite Zelle erzeugten elektrischen Strom erzeugen.
Die Stromeinstelleinrichtung ist zur Regulierung einer Differenz zwischen einer Empfindlichkeit der zweiten Zelle zur Erzeugung des elektrischen Stroms in Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration und der Empfindlichkeit der dritten Zelle zur Erzeugung des elektrischen Stroms in Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration entworfen.
Die Stromeinstelleinrichtung kann mit einem Differenzenverstärker ausgerüstet sein, bei dem einer von zwei Eingangsanschlüssen, in den der Strommesswert der zweiten Zelle eingegeben wird, und der andere Eingangsanschluss, in den der Strommesswert der zweiten Zelle eingegeben wird, und außerdem ein Ausgangsanschluss mit dem Verzweigungsschaltungspfad verbundenen sind.
Das Gassensorsteuersystem kann ferner einen Analog/Digital-Wandler aufweisen, in den der Strommesswert der dritten Zelle, der von der Schaltung für die dritte Zelle ausgegeben wird, eingegeben wird, und der den Strommesswert der dritten Zelle in ein Digitalsignal umwandelt, dass die Konzentration des vorausgewählten Gasbestandteils angibt.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung näher beschrieben, was jedoch nicht als Beschränkung auf die spezifischen Ausführungsbeispiele zu verstehen ist, sondern lediglich zur Erläuterung und zum Verständnis angegeben wird. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gassensorsteuerungssystems und eines NOx-Gassensors;
2 ein Blockschaltbild einer in dem Gassensorsteuersystem von 1 installierten NOx-Sensorschaltung;
3 ein Blockschaltbild einer Monitor-/Sensorzellenansteuerungseinrichtung, die in der NOx-Sensorschaltung nach 2 installiert ist;
4 ein Blockschaltbild, das eine Im-Erfassungseinrichtung, eine Stromeinstelleinrichtung sowie eine Is-Erfassungseinrichtung zeigt, die in der NOx-Sensorschaltung nach 2 installiert sind;
5(a) eine Ansicht, welche die Relation der Konzentration von NOx im Abgas zu einem Monitorzellstrom Im und zu einem Sensorzellstrom Is darstellt;
5(b) eine Ansicht, welche die Relation der Konzentration von NOx zu einem Sensorzellstrom Is minus einem Monitorzellstrom Im darstellt;
5(c) eine Ansicht, welche die Relation der in einer zweiten Kammer einer Abtastvorrichtung verbleibenden Konzentration von Sauerstoff zu einem Sensorzellstrom Is und zu einem Monitorzellstrom Im darstellt;
5(d) eine Ansicht, welche die Relation der in einer zweiten Kammer einer Abtastvorrichtung verbleibenden Konzentration von Sauerstoff zu einem Sensorzellstrom Is minus einem Monitorzellstrom Im darstellt; und
6 ein Blockschaltbild, welches Abwandlungen der Im-Erfassungseinrichtung, der Stromeinstelleinrichtung und der Is-Erfassungseinrichtung gemäß den Darstellungen aus 4 zeigt.
Bezugnehmend auf die Zeichnung, bei der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in verschiedenen Ansichten beziehen, insbesondere auf solche aus 1, ist ein erfindungsgemäßes Gassensorsteuersystem gezeigt, das als ein NOx-Konzentrationsmesssystem zum Abtasten einer Ausgabe eines NOx-Sensors entworfen ist, der in einem Abgasrohr eines Automobilverbrennungsmotors zur Bestimmung der in den Abgasemissionen des Motors enthaltenen NOx-Konzentration (Stickoxide) installiert ist. Der vorliegend in Bezug genommene Motor ist ein Dieselmotor. Das NOx-Konzentrationsmesssystem arbeitet zum Abtasten der Ausgabe von dem in dem Abgasrohr installierten NOx-Sensor zur Bestimmung der Betriebsweise eines NOx-Steuerungskatalysators wie etwa eines NOx-Absorptionskatalysators oder einer ammoniakselektiven katalytischen Reduktion (SCR). Der NOx-Sensor ist beispielsweise stromabwärts des NOx-Steuerungskatalysator angeordnet. Die Ausgabe des NOx-Sensors, die eine Funktion der NOx-Konzentration ist, die in dem durch den NOx-Steuerungskatalysator passierenden Abgas enthalten ist, repräsentiert die Befähigung oder das Ausmaß der Verschlechterung des NOx-Steuerungskatalysators. Das NOx-Konzentrationsmesssystem überwacht die Ausgabe des NOx-Sensors und bestimmt, dass der NOx-Steuerungskatalysator gestört ist, wenn die überwachte Ausgabe größer als ein vorgegebener Referenzwert ist.
Der NOx-Sensor ist mit einer Abtastvorrichtung 10 ausgerüstet, wie es in 1 gezeigt ist, die von einer laminierten Bauart ist (was auch ein ebenes Sensorelement genannt wird). Die Abtastvorrichtung 10 weist eine sich lateral in der Zeichnung erstreckende Länge auf. Der rechte Seitabschnitt der Abtastvorrichtung 10 ist vorliegend auch als Basisabschnitt in Bezug genommen, der an dem Abgasrohr des Motors durch ein Gehäuse des NOx-Sensors zu befestigen ist. Der linke Seitabschnitt der Abtastvorrichtung 10 ist auch als oberer Abschnitt in Bezug genommen, der dem Abgas des Motors auszusetzen ist. Die Abtastvorrichtung 10 ist von einer Dreizellenstruktur, welche eine Pumpzelle, eine Sensorzelle, und eine Monitorzelle beinhaltet. Die Monitorzelle arbeitet wie die Pumpzelle zum Pumpen von in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffmolekülen nach außen und wird manchmal eine Sub-Pumpzelle oder zweite Pumpzelle genannt.
Die Abtastvorrichtung 10 beinhaltet Festelektrolytschichten 11 und 12 aus einem sauerstoffionenleitenden Material wie etwa Zirkonoxid sowie einen Abstandshalter 13 aus einem isolierenden Material wie etwa Aluminiumoxid. Die Festelektrolytschichten 11 und 12 sind über eine durch den Abstandshalter 13 definierte gegebene Lücke einander überlappend zur Ausbildung einer ersten Kammer 14 und einer zweiten Kammer 16 gelagert. Die zweite Elektrolytschicht 11 umfasst einen darin ausgebildeten Gaseinlass 11a, durch den das um die Abtastvorrichtung 10 existierende Abgas in die erste Kammer 14 eingelassen wird. Die erste Kammer 14 kommuniziert mit der zweiten Kammer 16 durch eine Öffnung 15. Eine poröse Diffusionsschicht 17 ist an der zweiten Elektrolytschicht 11 zur Erzeugung eines vorgegebenen Ausmaßes an Widerstand angebracht, dem das Abgas unterliegt, während es die Diffusionsschicht 17 passiert. Eine isolierende Schicht 19 ist ebenfalls an der Festelektrolytschicht 11 befestigt, um einen Luftdurchlass 18 zu definieren, der außerhalb der Abtastvorrichtung 10 freigelegt ist.
Eine aus Aluminiumoxid ausgebildete isolierende Schicht 21 ist mit der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 12 befestigt. Die isolierende Schicht 21 umfasst eine darin ausgebildete Kammer, die einen Luftdurchlass 22 zwischen sich selbst und der unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 12 definiert. Ein Heizelement 23 ist in der isolierenden Schicht 21 zum Erwärmen der gesamten Abtastvorrichtung 10 eingebettet, um die Aktivierung der Abtastvorrichtung 10 sicherzustellen. Im Einzelnen wird das Heizelement 23 mit elektrischer Energie von einer (nicht gezeigten) Speicherbatterie versorgt, die in dem Fahrzeug installiert ist, und arbeitet zur Erhöhung der Temperatur der Pumpzelle 31, der Monitorzelle 34 und der Sensorzelle 35 bis zu einem gesteuerten Niveau, um deren Aktivierung zu beschleunigen und sicherzustellen.
Die Festelektrolytschicht 12 umfasst die darin ausgebildete Pumpzelle 31, welche der ersten Kammer 14 zugewandt ist, und zum Pumpen von Sauerstoffmolekülen nach außen oder in die erste Kammer 14 arbeitet, um die Sauerstoffkonzentration (O₂) auf einem gesteuerten Niveau innerhalb der ersten Kammer 14 zu halten. Die Pumpzelle 31 ist mit einer oberen und einer unteren Elektrode 32 und 33 ausgerüstet, die mit gegenüberliegenden Bereichen der Oberflächen der Festelektrolytschicht 12 befestigt sind. Die obere Elektrode 32 ist der ersten Kammer 14 ausgesetzt und aus einem Material ausgebildet, das bezüglich NOx inaktiv ist, das heißt welches NOx kaum zersetzt. Wenn Spannung an die Elektroden 32 und 33 angelegt wird, dissoziiert oder ionisiert die Pumpzelle 31 Sauerstoffmoleküle innerhalb der ersten Kammer 14 und stößt sie durch die Elektrode 33 an den Luftdurchlass 22 aus.
Die Festelektrolytschicht 11 umfasst die darin ausgebildete Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35, welche der zweiten Kammer 16 zugewandt ist. Die Monitorzelle 34 arbeitet zum Pumpen der Sauerstoffmoleküle aus der zweiten Kammer 16. Im Einzelnen ionisiert die Monitorzelle 34 die in dem Abgas verbleibenden Sauerstoffmoleküle, aus dem die Sauerstoffmoleküle bereits durch die Pumpzelle 31 aus der ersten Kammer 14 gepumpt wurden, und stößt sie an den Luftdurchlass 18 aus. Die Monitorzelle 34 kann beispielsweise zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft als Funktion der in der zweiten Kammer 16 verbleibenden Sauerstoffkonzentration entworfen sein, oder einen elektrischen Strom als eine Funktion der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 16 in Rekation auf das Anlegen einer Spannung daran erzeugen. Die Sensorzelle 35 ist zum Erzeugen eines elektrischen Stroms als Funktion der in dem Abgas innerhalb der zweiten Kammer 16 enthaltenen NOx-Konzentration entworfen.
Die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 sind nahe beieinander angeordnet. Die Monitorzelle 34 umfasst eine der zweiten Kammer 16 ausgesetzte Elektrode 36. In ähnlicher Weise umfasst die Sensorzelle 35 eine der zweiten Kammer 16 ausgesetzte Elektrode 37. Die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 umfassen eine dem Luftdurchlass 18 ausgesetzte gemeinsame Elektrode 38. Genauer ist die Monitorzelle 34 durch die Elektroden 36 und 38 und einen Abschnitt der Festelektrolytschicht 11 ausgebildet, durch den die Elektroden 36 und 38 einander gegenüberliegen. Die Sensorzelle 35 ist durch die Elektroden 37 und 38 und einen Abschnitt der Festelektrolytschicht 11 ausgebildet, durch den die Elektroden 37 und 38 einander gegenüberliegen. Die Elektrode 36 der Monitorzelle 34 ist aus einem Edelmetall wie etwa Au-Pt ausgebildet, das gegenüber NOx inaktiv ist. Die Elektrode 37 der Sensorzelle 35 ist aus einem Edelmetall wie etwa Pt (Platin) oder Rh (Rhodium) ausgebildet, das gegenüber NOx inaktiv ist. Zur Vereinfachung sind die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 mit dem Abgasfluss ausgerichtet dargestellt (d. h. in einer lateralen Richtung in der Zeichnung), sind aber in der Praxis in einer Richtung senkrecht zum Abgasfluss zueinander benachbart angeordnet. Die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 sind mit anderen Worten im selben Abstand von der Pumpzelle 31 in der Richtung angeordnet, in der das Abgas fließt.
Die Pumpzelle 31 ist mit der Monitorzelle 34 und der Sensorzelle 35 in der Längsrichtung der Abtastvorrichtung 10 ausgerichtet. Die Pumpzelle 31 ist näher zu der Oberseite der Abtastrichtung 10 angeordnet. Die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 sind näher bei der Basis der Abtastvorrichtung 10 angeordnet, bei der der NOx-Sensor an dem Abgasrohr des Motors befestigt ist.
Das außerhalb des NOx-Sensors fließende Abgas des Motors dringt in die erste Kammer 14 durch die poröse Diffusionsschicht 17 und den Gaseinlass 11a (d. h. durch ein sehr kleines Loch) ein. Das Anlegen einer Spannung Vp an die Pumpzelle 31 durch die Elektroden 32 und 33 verursacht, dass die in dem Abgas enthaltenen Sauerstoffmoleküle eine Dissoziierung oder Ionisierung durchlaufen, so dass der Sauerstoff (O₂) aus der ersten Kammer 14 in den Luftdurchlass 22 gepumpt wird. Falls die Konzentration des Sauerstoffs (O₂) geringer als ein gewünschtes Niveau in der ersten Kammer 14 ist, wird eine Sperrspannung an die Pumpzelle 31 angelegt, um Sauerstoffmoleküle von dem Luftdurchlass 22 in die erste Kammer 14 zu pumpen, so dass die Sauerstoffkonzentration (O₂) innerhalb der ersten Kammer 14 auf dem gewünschten Niveau gehalten wird. Da die der ersten Kammer 14 ausgesetzte Elektrode 32 gemäß vorstehender Beschreibung kaum NOx zersetzt, bleibt das NOx-Gas innerhalb der ersten Kammer 14. Genauer arbeitet die Pumpzelle 3 zur Beibehaltung der Sauerstoffkonzentration (O₂) auf einem gesteuerten niedrigeren Niveau innerhalb der ersten Kammer 14.
Das durch die Pumpzelle 31 passierende Abgas fließt dann in die zweite Kammer 16. Die Monitorzelle 34 erzeugt eine Ausgabe als eine Funktion der in dem Abgas verbleibenden Sauerstoffkonzentration (O₂). Im Einzelnen wird die Spannung Vm durch die Elektroden 36 und 38 an die Monitorzelle 34 angelegt. Die Monitorzelle 34 erzeugt dann eine Ausgabe in der Form eines Monitorzellstroms Im. Die Spannung Vs wird an die Sensorzelle 35 durch die Elektroden 37 und 38 angelegt. Die Sensorzelle 35 zersetzt und reduziert sodann NOx-Gas zur Erzeugung von Sauerstoffelementen, welche wiederum durch die Elektrode 38 an den Luftdurchlass 18 ausgestoßen werden, wodurch eine Ausgabe in der Form eines Sensorzellestroms Is erzeugt wird, der eine Funktion der in dem Abgas enthaltenen NOx-Konzentration ist.
Das NOx-Konzentrationsmesssystem beinhaltet außerdem eine NOx-Sensorschaltung 40, die als eine NOx-Sensorsteuerung dient, welche mit einem Mikrocomputer 41 und einer Steuerschaltung ausgerüstet ist, wie es nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Der Mikrocomputer 41 und die Steuerschaltung arbeiten zur Steuerung der über die Elektroden 32 und 33 der Pumpzelle 31 anzulegenden Pumpzellenspannung Vp, der über die Elektroden 36 und 38 der Monitorzelle 34 anzulegenden Monitorzellspannung Vm und der über die Elektroden 37 und 38 der Sensorzelle anzulegenden Sensorzellspannung Vs auf die vorstehend beschriebene Weise. Der Mikrocomputer 41 tastet den Pumpzellstrom Ip, den Monitorzellstrom Im und den Sensorzellstrom Is ab, um die in dem Abgas enthaltene NOx-Konzentration zu bestimmen.
2 zeigt ein Blockschaltbild, welches eine interne Struktur der NOx-Sensorschaltung 40 zeigt. 2 verzichtet auf die Darstellung einer Heizelementansteuerung, welche in der NOx-Sensorschaltung 40 zur Steuerung der Betriebsweise des Heizelementes 23 installiert ist, um die Darstellung zu vereinfachen.
Die NOx-Sensorschaltung 40 ist mit einem positiven Anschluss PS+ und einem negativen Anschluss PS–, die mit den Elektroden 32 bzw. 33 der Pumpzelle 31 verbunden sind, einem mit der gemeinsamen Elektrode 38 der Monitorzelle 34 und der Sensorzelle 35 verbundenen gemeinsamen Anschluss COM+ und negativen Anschlüssen MS– und SS–, die mit den Elektroden 36 und 37 der Monitorzelle 34 und der Sensorzelle 35 verbunden sind, ausgerüstet.
Die NOx-Sensorschaltung 40 beinhaltet außerdem eine Pumpzellenansteuerungseinrichtung 42, eine Ip-Erfassungseinrichtung 43, eine Monitor-/Sensorzellenansteuerungseinrichtung 44, eine Im-Erfassungseinrichtung 45, eine Is-Erfassungseinrichtung 46 und eine Stromeinstelleinrichtung 47. Die Pumpzellenansteuerungseinrichtung 42 ist mit dem positiven Anschluss PS+ zum Anlegen der Spannung an die Pumpzelle 31 verbunden. Die Ip-Erfassungseinrichtung 43 ist mit dem negativen Anschluss PS– zum Messen des Pumpzellenstroms Ip verbunden, der ein durch die Pumpzelle 31 erzeugter elektrischer Strom ist. Die Pumpzellenansteuerungseinrichtung 42 arbeitet zum Steuern der an die Pumpzelle 31 anzulegenden Spannung als Funktion des Pumpzellenstroms Ip, wie er durch die Ip-Erfassungseinrichtung 43 abgetastet wird. Die Ip-Erfassungseinrichtung 43 überwacht den Pumpzellenstrom Ip und gibt ihn in den Mikrocomputer 41 ein.
Die Sensoransteuerungseinrichtung 44 ist mit dem gemeinsamen positiven Anschluss COM+ zum Anlegen der Spannung an die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 verbunden. Die Im-Erfassungseinrichtung 45 ist mit dem negativen Anschluss MS– zum Abtasten des Monitorzellstroms Im verbunden, der ein durch die Monitorzelle 34 erzeugter elektrischer Strom ist. Die Is-Erfassungseinrichtung 46 ist mit dem negativen Anschluss SS– zum Abtasten des Sensorzellstroms Is verbunden, der ein durch die Sensorzelle 35 erzeugter elektrischer Strom ist. Die Im-Erfassungseinrichtung 45 und die Is-Erfassungseinrichtung 46 sind mit dem Mikrocomputer 41 verbunden, und geben den Monitorzellstrom Im und den Sensorzellstrom Is an den Mikrocomputer 41 als Strommesswerte VM1 und VS1 aus.
Der von der Im-Erfassungseinrichtung 45 ausgegebene Strommesswert VM1 wird außerdem in die Stromeinstelleinrichtung 47 eingegeben. Eine Ausgabe der Stromeinstelleinrichtung 47 wird an die Is-Erfassungseinrichtung 46 eingegeben. Die Stromeinstelleinrichtung 47 arbeitet zur Erzeugung eines Einstellstroms als Funktion des von der Is-Erfassungseinrichtung 45 ausgegebenen Strommesswerts VM1 und erzeugt einen Fluss des Einstellstroms in einer Richtung, in der sie von der Is-Erfassungseinrichtung 46 ausgegeben wird, wodurch die Is-Erfassungseinrichtung 46 veranlasst wird, den Sensorzellstrom Is minus dem Einstellstrom zu erzeugen und dies an den Mikrocomputer 41 als Strommesswert VS1 auszugeben.
Genauer erzeugt die Stromeinstelleinrichtung 47 den Einstellstrom mit einem identischen Amperewert zu einem Momentanwert des Monitorzellstroms Im. Die Is-Erfassungseinrichtung 46 subtrahiert somit den Momentanwert des Monitorzellstroms Im von dem Sensorzellstrom Is und gibt dies (= Is – Im) an den Mikrocomputer 41 aus.
Die Struktur der vorstehend beschriebenen Bestandteile der NOx-Sensorschaltung 40 sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben. Die Pumpzellenansteuerungseinrichtung 42 und die Ip-Erfassungseinrichtung 43 sind im Wesentlichen identisch zu bekannten typischen Bauformen auf deren ausführliche Beschreibung vorliegend verzichtet wird.
3 zeigt eine Schaltungsstruktur der Monitor-/Sensorzellenansteuerungseinrichtung 44. Die Monitor-/Sensorzellenansteuerungseinrichtung 44 beinhaltet einen Spannungsteiler 51, einen Operationsverstärker 52, Schutzwiderstände 54 und 55 und einen Kondensator 56. Der Spannungsteiler 51 ist aus zwei mit einer Konstantspannungsquelle Vcc verbundenen Widerständen ausgebildet, und arbeitet zur Bildung eines Bruchteils einer Ausgabe der Konstantspannungsquelle Vcc, und zu dessen Eingabe als Spannung VX1 in einen (+)-Eingang des Operationsverstärkers 52. Die Ausgabe des Operationsverstärkers 52 ist mit dem gemeinsamen Anschluss COM+ durch den Schutzwiderstand 54 verbunden. Ein negativer Rückkopplungsanschluss des Operationsverstärkers 52 ist mit dem Schutzwiderstand 55 verbunden. Der Kondensator 56 ist mit dem gemeinsamen Anschluss COM+ zur Minimierung der elektrostatischen Entladung (ESD) verbunden.
4 zeigt Schaltungsstrukturen für die Im-Erfassungseinrichtung 45, die Is-Erfassungseinrichtung 46 und die Stromeinstelleinrichtung 47.
Die Im-Erfassungseinrichtung 45 beinhaltet einen Strommesswiderstand 61, einen Differenzenverstärker 62, einen Spannungsteiler 63, einen Schutzwiderstand 64, einen Spannungsfolger 65, einen Differenzenverstärker 66, einen Schutzwiderstand 67, ein Tiefpassfilter 68 und einen Kondensator 69.
Der Strommesswiderstand 61 und der Differenzenverstärker 62 sind mit dem negativen Anschluss MS– für die Monitorzelle 34 in Reihe verbunden. Genauer ist der Strommesswiderstand 61 mit einem Ausgang eines Operationsverstärkers verbunden, der den Differenzenverstärker 62 bildet, und außerhalb eines negativen Rückkopplungsanschlusses des Differenzenverstärkers 62 angeordnet. Der Spannungsteiler 63 ist aus zwei Widerständen ausgebildet, und arbeitet zur Bereitstellung eines Bruchteils einer Ausgabe der Konstantspannungsquelle Vcc an einen (+)-Eingangsanschluss (d. h. einen nicht invertierenden Eingangsanschluss) des Differenzenverstärkers 62. Ein Rückkopplungseingangspfad L1 ist mit einem (–)-Eingangsanschluss (d. h. einem invertierenden Einganganschluss) des Differenzenverstärkers 62 verbunden. Der Strommesswiderstand 61 und der Differenzenverstärker 62 funktionieren als ein Strom/Spannungswandler.
Der Spannungsfolger 65 ist mit einem Verbindungspunkt B1 (d. h. einem sensorseitigen Ende des Strommesswiderstands 61) verbunden, der zu dem negativen Anschluss MS– führt. Der Spannungsfolger 65 ist an seinem Ausgangsanschluss mit einem (+)-Einganganschluss des Differenzenverstärkers 66 verbunden. Der Differenzenverstärker 66 ist mit seinem (–)-Eingangsanschluss durch den Schutzwiderstand 61 mit einem Verbindungspunkt B2 verbunden, der zu einem Ende des Strommesswiderstands 61 führt, das weiter weg von der Abtastvorrichtung 10 liegt. Wenn der Monitorzellstrom Im durch den Strommesswiderstand 61 fließt, verursacht dies eine zwischen den Verbindungspunkten B1 und B2 (d. h. den Enden des Strommesswiderstands 61) zu entwickelnde Potenzialdifferenz als Funktion des Monitorzellstroms Im. Der Differenzenverstärker 66 verstärkt die Potenzialdifferenz mit einem gegebenen Verstärkungsfaktor und gibt sie als den Strommesswert VM1 aus.
Der von dem Differenzenverstärker 66 ausgegebene Strommesswert VM1 wird an dem (–)-Eingangsanschluss des Differenzenverstärkers 62 durch den Rückkopplungseingangspfad L1 eingegeben. Das Tiefpassfilter 68 ist in dem Rückkopplungseingangsanschluss L1 angeordnet. Das Tiefpassfilter 68 wird typischerweise aus einem Widerstand und einem Kondensator gebildet.
Der Kondensator 68 ist mit dem Verbindungspunkt B1 zur Minimierung der elektrostatischen Entladung (ESD) verbunden. Genauer ist der Kondensator 69 mit einem Ende mit dem Strommesswiderstand 61 und dem anderen Ende mit Masse verbunden.
Die Stromeinstelleinrichtung 47 ist mit einem Ausgangsanschluss der Im-Erfassungseinrichtung 45 (d. h. dem Ausgangsanschluss des Differenzenverstärkers 66) verbunden.
Die Stromeinstelleinrichtung 47 beinhaltet einen Differenzenverstärker 71, einen Spannungsteiler 72, ein Tiefpassfilter 73 und einen Widerstand 74. Der Differenzenverstärker 71 ist mit seinem (–)-Eingangsanschluss mit dem Ausgang VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 und mit seinem (+)-Eingangsanschluss mit einer Referenzspannung VX2 verbunden. Im Einzelnen empfängt der Differenzenverstärker 71 an seinem (–)-Eingangsanschluss die Ausgabe VM1 von der Im-Erfassungseinrichtung 4 durch das aus einem Widerstand und einem Kondensator ausgebildete Tiefpassfilter 73 und verbindet an seinem (+)-Eingangsanschluss mit dem Spannungsteiler 72. Der Spannungsteiler 72 ist aus zwei Widerständen ausgebildet, und arbeitet zur Bereitstellung eines Bruchteils der Konstantspannung Vcc an dem (+)-Eingangsanschluss des Differenzenverstärkers 71 als der Bezugspannung VX2.
Ein Strompfad L2 erstreckt sich von einem Ausgangsanschluss des Differenzenverstärkers 71. Der Widerstand 74 ist in dem Strompfad L2 angeordnet. Der Strompfad L2 ist mit einem sensorseitigen Anschluss eines Strommesswiderstandes 81 der Is-Erfassungseinrichtung 46 verbunden und dient als Verzweigungspfad.
Die Stromeinstelleinrichtung 47 ist zur Bestimmung des Einstellstroms Iadj auf der Grundlage der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 entworfen, und baut einen Fluss des Einstellstroms Iadj in dem Strompfad L2 in einer Richtung auf, in der er aus der Is-Erfassungseinrichtung 46 herausgezogen wird. Der Einstellstrom Iadj ändert sich mit einer Änderung in der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45. Wenn im Einzelnen die in der zweiten Kammer 16 der Abtastvorrichtung 10 verbleibende Sauerstoffkonzentration ansteigt, führt dies zu einem Anstieg in der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 (d. h. einem Anstieg im Monitorzellstrom Im), so dass die Ausgabe des Differenzenverstärkers 71 abfällt. Dies verursacht einen Anstieg des Einstellstroms Iadj. Wenn umgekehrt die in der zweiten Kammer 16 der Abtastvorrichtung 10 verbleibende Sauerstoffkonzentration abfällt, führt dies zu einer Verringerung der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 (d. h. einem Abfall im Monitorzellstrom Im), so dass die Ausgabe des Differenzenverstärkers 71 ansteigt. Dies verursacht eine Verringerung des Einstellstroms Iadj. Die Stromeinstelleinrichtung 47 ist zur Erzeugung des Einstellstroms Iadj mit identischem Pegel zu dem Monitorzellstrom Im entworfen.
Die Struktur der Is-Erfassungseinrichtung 46 ist nachstehend beschrieben. Die Is-Erfassungseinrichtung 46 ist im Wesentlichen identisch in der Struktur zu der Im-Erfassungseinrichtung 45.
Die Is-Erfassungeinrichtung 46 beinhaltet einen Strommesswiderstand 81, einen Differenzenverstärker 82, einen Spannungsteiler 83, einen Schutzwiderstand 84, einen Spannungsfolger 85, einen Differenzenverstärker 86, einen Schutzwiderstand 87, ein Tiefpassfilter 88 und einen Kondensator 89.
Der Strommesswiderstand 81 und der Differenzenverstärker 82 sind mit dem negativen Anschluss SS– der Sensorzelle 35 in Reihe verbunden. Im Einzelnen ist der Strommesswiderstand 81 mit einem Ausgang eines Operationsverstärkers verbunden, der den Differenzenverstärker 82 bildet, und außerhalb eines negativen Rückkopplungsanschlusses des Differenzenverstärkers 82 angeordnet. Der Spannungsteiler 83 ist aus zwei Widerständen ausgebildet, und arbeitet zur Bereitstellung eines Bruchteils einer Ausgabe der Konstantspannungsquelle Vcc mit einem (+)-Eingangsanschluss des Differenzenverstärkers 82. Ein Rückkopplungseingangspfad L3 ist mit einem (–)-Eingangsanschluss des Differenzenverstärkers 82 verbunden. Der Strommesswiderstand 81 und der Differenzenverstärker 82 arbeiten als ein Strom/Spannungswandler.
Der Strompfad L2 erstreckt sich von der Stromeinstelleinrichtung 47 zu einem Verbindungspunkt C1 (d.h. einem sensorseitigen Ende des Strommesswiderstandes 81), der zu dem negativen Anschluss SS– führt. Wenn der Sensorzellstrom Is durch den sensorzellenseitigen negativen Anschluss SS– fließt, wird der in einen durch den Strommesswiderstand 81 fließenden ersten Stromanteil (Is – Iadj) und einen durch den Strompfad L2 fließenden zweiten Stromanteil (Iadj) aufgeteilt. Mit anderen Worten fließt der Sensorzellstrom Is minus dem Einstellstrom Iadj (= dem Monitorzellstrom Im) durch den Strommesswiderstand 81.
Der Spannungsfolger 85 ist mit dem Verbindungspunkt C1 durch den Schutzwiderstand 84 verbunden. Der Spannungsfolger 85 ist mit seinem Ausgangsanschluss mit einem (+)-Eingangsanschluss des Differenzenverstärkers 86 verbunden. Der Differenzenverstärker 86 ist an seinem (–)-Eingangsanschluss durch den Schutzwiderstand 87 mit einem Verbindungspunkt C2 verbunden, der zu dem Ende des Strommesswiderstands 81 führt, das weiter weg von der Abtastvorrichtung 10 ist. Wenn der Strom (Is – Iadj) durch den Strommesswiderstand 81 fließt, verursacht dies eine zwischen den Verbindungspunkten C1 und C2 (d. h. den Enden des Strommesswiderstands 81) zu entwickelnde Potenzialdifferenz als Funktion des Stroms (Is – Iadj). Der Differenzenverstärker 86 verstärkt die Potenzialdifferenz mit einem vorgegeben Verstärkungsfaktor und gibt dies als den Strommesswert VS1 aus.
Der von dem Differenzenverstärker 86 ausgegebene Strommesswert VS1 wird in den (–)-Eingangsanschluss des Differenzenverstärkers 82 durch den Rückkopplungseingangspfad L3 eingegeben. Das Tiefpassfilter 88 ist in dem Rückkopplungseingangsanschluss L3 angeordnet. Das Tiefpassfilter 88 ist typischerweise aus einem Widerstand und einem Kondensator ausgebildet.
Der Kondensator 89 ist mit dem Verbindungspunkt C1 zur Minimierung der elektrostatischen Entladung (ESD) verbunden. Genauer ist der Kondensator 89 an einem Ende mit dem Strommesswiderstand 81 und mit dem anderen Ende mit Masse verbunden.
Gemäß 2 empfängt der Mikrocomputer 41 den von der Is-Erfassungseinrichtung 46 ausgegebenen Strommesswert VS1 durch einen A/D-Wandler und verwendet ihn zum Berechnen der Konzentration von NOx, die in dem Abgas des Motors enthalten ist.
Gemäß vorstehender Beschreibung ist der durch den Strommesswiderstand 81 der Is-Erfassungseinrichtung 46 fließende Strom der Sensorzellstrom Is minus dem Einstellstrom Iadj (Is – Iadj = Is – Im). Im Einzelnen misst die Is-Erfassungseinrichtung 46 den Strom, der kleiner als der Sensorzellstrom Is ist, wodurch eine Erhöhung der Auflösung bei der Strom/Spannungsumwandlung ermöglicht wird. Beispielsweise kann der Widerstandswert des Strommesswiderstands 81 und/oder der Signalverstärkungsfaktor erhöht werden.
Der in den Mikrocomputer 41 einzugebende Strommesswert VS1 ist ein Spannungssignal entsprechend dem Sensorzellstrom Is minus dem Einstellstrom Iadj (Is – Iadj = Is – Im), wodurch eine Verringerung des Bereichs des in den Mikrocomputer 41 eingegebenen A/D-umgewandelten Signals ermöglicht wird, um die Auflösung der A/D-Umwandlung zu erhöhen.
Die Beziehung zwischen der Konzentration von NOx und den Ausgaben (d. h. dem Monitorzellstrom Im und dem Sensorzellstrom Is) der Abtastvorrichtung 10 und zwischen der in der zweiten Kammer 16 verbleibenden Konzentration von Sauerstoff (O₂) und den Ausgaben der Abtastvorrichtung 10 sind nachstehend unter Bezugnahme auf die 5(a) bis 5(d) beschrieben.
5(a) zeigt die Relation der NOx-Konzentration in dem Abgas zu dem Monitorzellstrom Im und dem Sensorzellstrom Is. 5(b) zeigt die Relation der Konzentration von NOx zu dem Sensorzellstrom Is minus den Monitorzellstrom Im. 5(c) zeigt die Relation der in der zweiten Kammer 16 verbleibenden Sauerstoffkonzentration zu dem Sensorzellstrom Is und dem Monitorzellstrom Im. 5(d) zeigt die Relation der in der zweiten Kammer 16 verbleibenden Sauerstoffkonzentration zu dem Sensorzellstrom Is minus dem Monitorzellstrom Im. In den 5(a) und 5(c) gibt eine durchgezogene Linie den Sensorzellstrom Is an. Eine gestrichelte Linie gibt den Monitorzellstrom Im an.
5(a) zeigt, dass der Sensorzellstrom Is den Monitorzellstrom Im enthält, und dass ein Anstieg bei der NOx-Konzentration verursachen kann, dass der Sensorzellstrom Is außerhalb eines Analog/Digital-Umwandlungsbereichs (A/D) liegt. 5(b) zeigt, dass selbst wenn die NOx-Konzentration ansteigt, der Sensorzellstrom Is minus dem Monitorzellstrom Im (Is – Im), was in den Mikrocomputer 41 einzugeben ist, innerhalb des A/D-Umwandlungsbereiches A/D-umgewandelt werden kann. 5(c) zeigt, dass ein Anstieg bei der in der zweiten Kammer 16 verbleibenden Sauerstoffkonzentration verursachen kann, dass der Sensorzellstrom Is außerhalb des A/D-Umwandlungsbereichs liegt, wenn die NOx-Konzentration einen bestimmten Wert überschreitet. 5(d) zeigt, dass der Sensorzellstrom Is minus dem Monitorzellstrom Im (Is – Im), was in den Mikrocomputer 41 einzugeben ist, innerhalb des A/D-Umwandlungsbereiches A/D-umgewandelt werden kann.
Wie aus vorstehender Beschreibung ersichtlich ist, weist die NOx-Sensorschaltung 40 die nachstehend aufgeführten Vorteile auf.
Die Nox-Sensorschaltung 40 ist gemäß vorstehender Beschreibung zur Bestimmung des Einstellstroms Iadj basierend auf der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 entworfen, und baut einen Fluss des Einstellstroms Iadj in dem Strompfad L2 auf, der zu einem der Enden des Widerstands 81 der Is-Erfassungseinrichtung 46 führt, das näher an der Abtastvorrichtung 10 liegt, so dass der Strom, welcher der Sensorzellstrom Is minus dem Einstellstrom Iadj ist, durch den Strommesswiderstand 81 fließen kann. Dies verursacht, dass die Is-Erfassungseinrichtung 46 den Strom abtastet, der um den Einstellstrom Iadj kleiner als der Sensorzellstrom Is ist, wodurch ermöglicht wird, dass die Auflösung bei der Strom/Spannungsumwandlung erhöht wird, und außerdem die Auflösung der A/D-Umwandlung in dem Mikrocomputer 41 erhöht wird.
Die Stromeinstelleinrichtung 47 ist zur Auswahl des Einstellstroms Iadj als eine Funktion der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 entworfen, und baut einen Fluss des Einstellstroms Iadj in einer Richtung auf, in der er aus der Is-Erfassungseinrichtung 46 herausgezogen wird. Dies verursacht, dass sich der Einstellstrom Iadj mit einer Änderung in der Ausgabe VM1 der Im-Erfassungseinrichtung 45 ändert. Der Strom, der der Sensorzellstrom Is minus dem Momentanwert des Monitorzellstroms Im ist, wird daher in der Is-Erfassungseinrichtung 46 verarbeitet.
Während die Erfindung vorstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen zum besseren Verständnis beschrieben ist, versteht sich, dass die Erfindung auf verschiedenerlei Weise ausgeführt werden kann, ohne vom Erfindungsprinzip abzuweichen. Daher ist die Erfindung so zu verstehen, dass sie alle möglichen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele beinhaltet, die ausgeführt werden können, ohne von dem in den beigefügten Patentansprüchen definierten Erfindungsprinzip abzuweichen.
Die Im-Erfassungseinrichtung 45 und die Is-Erfassungseinrichtung 46 können mit den in 6 gezeigten Strukturen entworfen werden. Die bereits bei 4 verwendeten selben Bezugszeichen beziehen sich auf dieselben Teile, und auf ihre nähere Beschreibung wird verzichtet.
Im Einzelnen unterscheidet sich die Im-Erfassungseinrichtung 45 von der in 4, dass ein invertierender Verstärker 91 anstelle des Differenzenverstärkers 62 verwendet wird. In ähnlicher Weise unterscheidet sich die Is-Erfassungseinrichtung 46 von der in 4 gezeigten, dass ein invertierender Verstärker 92 anstelle des Differenzenverstärkers 82 verwendet wird. Der Strom, welcher der Sensorzellstrom Is minus den Einstellstrom Iadj ist, fließt durch den Strommesswiderstand 81 in der Is-Erfassungseinrichtung 46, wodurch ein Erhöhen der Auflösung bei der Strom/Spannungsumwandlung ermöglicht wird.
Die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 können eine unterschiedliche Empfindlichkeit des elektrischen Stroms gegenüber der in der zweiten Kammer 16 verbleibenden Sauerstoffkonzentration aufgrund einer Differenz beim Material oder der Fläche oder Größe der Elektroden 36 und 37 aufweisen. Dabei wird die Stromeinstelleinrichtung 47 vorzugsweise zur Kompensation einer Differenz in der Empfindlichkeit gegenüber der Sauerstoffkonzentration zwischen der Monitorzelle 34 und der Sensorzelle 35 entworfen. Dies kann durch Einstellen des Verstärkungsfaktors des Differenzenverstärkers 71 der Stromeinstelleinrichtung 47 erzielt werden, wodurch eine Verbesserung der Genauigkeit beim Messen der NOx-Konzentration herbeigeführt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Einstellstrom Iadj identisch zu dem Monitorzellstrom Im eingestellt, aber sie können auch voneinander verschieden sein, solange der Einstellstrom Iadj eine Funktion des Monitorzellstroms Im ist. Der Einstellstrom Iadj kann beispielsweise gemäß der Gleichung Iadj = Im × a bestimmt werden, wobei a eine vorbestimmte Konstante ist.
Die Monitorzelle 34 und die Sensorzelle 35 teilen den als positiven Anschluss verwendeten gemeinsamen Anschluss COM+, aber der positive Anschluss von entweder der Monitorzelle 34 oder der Sensorzelle 35 kann mit dem negativen Anschluss des jeweils anderen geteilt werden. Dabei sind die Im-Erfassungseinrichtung 45 und die Is-Erfassungseinrichtung 46 mit den Anschlüssen der Monitorzelle 34 und der Sensorzelle 35 verbunden, die nicht miteinander geteilt werden.
Das Gassensorsteuerungssystem kann alternativ zum Messen von in den Abgasemissionen eines Motors enthaltenen Gase HC, CO, oder NH₃ entworfen sein. Dabei arbeitet die Pumpzelle 31 zum Herauspumpen von in den Abgasemissionen enthaltenen Sauerstoffmolekülen. Die Sensorzelle 35 arbeitet zur Zersetzung oder Ionisierung von in den Abgasemissionen enthaltenem HC, CO oder NH₃, von denen Sauerstoffmoleküle ausgestoßen wurden, und gibt ein Signal aus, welches die Konzentration von HC, CO oder NH₃ angibt.
Das Gassensorsteuersystem kann mit einem in einem Einlassrohr eines Dieselmotors oder eines Benzinmotors installierten Gassensor oder einem in einem Abgasrohr des Benzinmotors installierten Gassensor verwendet werden. Das Gassensorsteuersystem kann außerdem mit einem Gassensor verwendet werden, der zur Messung der Konzentration eines Gases entworfen ist, welches etwas anderes als das Abgas des Motors ist, oder von etwas anderem als Automobilmotoren emittiert wird.
Bei einem Gassensorsteuersystem für einen Gassensor umfasst dieser eine erste, eine zweite und eine dritte Zelle. Die zweite Zelle erzeugt einen elektrischen Strom einer zweiten Zelle, welcher die Sauerstoffkonzentration im Gas angibt, wobei die Sauerstoffmenge bereits durch die erste Zelle gesteuert worden ist. Die dritte Zelle erzeugt einen elektrischen Strom der dritten Zelle, welcher die Konzentration eines vorausgewählten Bestandteils des Gases angibt, bei dem die Sauerstoffmenge bereits durch die erste Zelle gesteuert worden ist. Eine Schaltung der zweiten Zelle wandelt den elektrischen Strom der zweiten Zelle in eine Spannung als Strommesswert der zweiten Zelle um. Eine Stromeinstelleinrichtung erzeugt einen Fluss eines Einstellstroms als Funktion des Strommesswertes der zweiten Zelle, so dass eine Schaltung der dritten Zelle den elektrischen Strom der dritten Zelle minus dem Einstellstrom in eine Spannung umwandelt, welche die Konzentration des vorausgewählten Bestandteils des Gases repräsentiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-108788 A [0004]

Claims

Gassensorsteuersystem zum Steuern der Betriebsweise eines Gassensors, der mit einer Abtastvorrichtung ausgerüstet ist, die eine erste Zelle, eine zweite Zelle und eine dritte Zelle umfasst, die jeweils aus einem Festelektrolyt ausgebildet sind, und eine darin ausgebildete Gaskammer aufweisen, die erste Zelle ist zur Steuerung einer Sauerstoffmenge eingerichtet, die in einem in die Gaskammer eingelassenen Gas enthalten ist, um die Sauerstoffkonzentration in dem Gas auf einem gegebenen gesteuerten Niveau zu halten, die zweite Zelle ist zur Erzeugung eines elektrischen Stroms als Funktion einer in dem Gas enthaltenen Sauerstoffkonzentration eingerichtet, bei dem die Sauerstoffmenge durch die erste Zelle gesteuert worden ist, und die dritte Zelle ist zur Erzeugung eines elektrischen Stroms als eine Funktion einer Konzentration eines vorausgewählten Bestandteils des Gases eingerichtet, bei dem die Sauerstoffmenge durch die erste Zelle gesteuert worden ist, mit: einer Schaltung der zweiten Zelle mit einem Strom/Spannungswandler, der mit der zweiten Zelle verbunden ist, um den durch die zweite Zelle erzeugten elektrischen Strom abzutasten und in eine Spannung umzuwandeln, und die Spannung als Strommesswert der zweiten Zelle auszugeben; einer Schaltung der dritten Zelle mit einem Strom/Spannungswandler, der mit der dritten Zelle verbunden ist; einer Stromeinstelleinrichtung, die zur Erzeugung eines Einstellstroms arbeitet, der ein als eine Funktion des von der Schaltung der zweiten Zelle ausgegebenen Strommesswerts der zweiten Zelle bestimmter elektrischer Strom ist; und einem Verzweigungsschaltungspfad, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Strom/Spannungswandler der Schaltung der dritten Zelle und der dritten Zelle verbunden ist, und durch den der Einstellstrom zum Eingeben des durch die dritte Zelle erzeugten elektrischen Stroms minus dem Einstellstrom in den Strom/Spannungswandler der Schaltung der dritten Zelle fließt, so dass der Strom/Spannungswandler den elektrischen Strom minus dem Einstellstrom in eine Spannung umwandelt, und die Spannung als die Konzentration des vorausgewählten Bestandteils des Gases repräsentierender Strommesswert der dritten Zelle ausgibt.
Gassensorsteuersystem nach Anspruch 1, wobei die Stromeinstelleinrichtung mit einem Ausgangsanschluss der Schaltung der zweiten Zelle verbunden ist, und zur Bestimmung des Einstellstroms auf der Grundlage des von der Schaltung der zweiten Zelle ausgegebenen Strommesswerts der zweiten Zelle und zum Aufbau eines Flusses des Einstellstroms durch den Verzweigungsschaltungspfad in einer Richtung eingerichtet ist, in der der Einstellstrom von der Schaltung der dritten Zelle herausgezogen wird.
Gassensorsteuersystem nach Anspruch 2, wobei die Stromeinstelleinrichtung den Einstellstrom identisch zu dem durch die zweite Zelle erzeugten elektrischen Strom erzeugt.
Gassensorsteuersystem nach Anspruch 2, wobei die Stromeinstelleinrichtung zum Regulieren einer Differenz zwischen einer Empfindlichkeit der zweiten Zelle zur Erzeugung des elektrischen Stroms in Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration und einer Empfindlichkeit der dritten Zelle zur Erzeugung des elektrischen Stroms in Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration entworfen ist.
Gassensorsteuersystem nach Anspruch 1, wobei die Stromeinstelleinrichtung mit einem Differenzenverstärker ausgerüstet ist, bei dem einer von zwei Eingangsanschlüssen, in den der Strommesswert der zweiten Zelle eingegeben wird, und der andere Eingangsanschluss, in den der Strommesswert der zweiten Zelle eingegeben wird, und außerdem ein Ausgangsanschluss mit dem Verzweigungsschaltungspfad verbunden sind.
Gassensorsteuersystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Analog/Digital-Wandler, in den der von der Schaltung der dritten Zelle ausgegebene Strommesswert der dritten Zelle eingegeben wird, und der den Strommesswert der dritten Zelle in ein digitales Signal umwandelt, dass die Konzentration des vorausgewählten Bestandteils des Gases angibt.