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    • 专利摘要:
    Bei einem Gaskonzentrationsmessgerät für eine Brennkraftmaschine finden eine in Bezug auf Sauerstoff empfindliche Überwachungszelle und eine in Bezug auf Sauerstoff sowie NOx empfindliche Sensorzelle zur Bestimmung der NOx-Konzentration aus der Differenz der von den beiden Zellen erhaltenen Messwerte Verwendung. Hierbei wird ein zulässiger Bereich der Messwerte der Überwachungszelle in einem Normalzustand auf der Basis von bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine abgeschätzt. Wenn der erhaltene Messwert des Überwachungszellenstroms außerhalb dieses Bereichs liegt, wird die Feststellung getroffen, dass ein Störzustand in dem die Überwachungszelle und deren zugehörige Messschaltung umfassenden Messsystem vorliegt, woraufhin der fehlerhafte Messwert der Überwachungszelle durch einen innerhalb des zulässigen Bereichs liegenden vorgegebenen Referenzwert ersetzt wird, sodass sich die erforderlichen Werte für die Regelung der Brennkraftmaschine ergeben.
    公开号:DE102004007651A1
    申请号:DE200410007651
    申请日:2004-02-17
    公开日:2004-09-23
    发明作者:Daisuke Kariya Kojima；Eiichi Kariya Kurokawa；Eiji Kariya Takemoto
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01N27-419
    专利说明:
    [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einGaskonzentrationsmessgerätfür Brennkraftmaschinen.Gassensoren werden fürverschiedene Anwendungszwecke eingesetzt, wobei z.B. bei einer Brennkraftmaschineein Sensor im Abgasrohr zur Messung von Gaskonzentrationen wie derSauerstoffkonzentration der Abgase angeordnet ist. Die Ausgangssignaledieses Sensors dienen dann zur Steuerung verschiedener Bereicheder Brennkraftmaschine.
    [0002] Im allgemeinen umfassen Gassensorenfür BrennkraftmaschinenZirkondioxid-Festelektrolytelemente mit Sauerstoffionen-Leitfähigkeit.Der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 2002-202 285 ist z.B.eine Gassensor-Struktur mit einer Kammer zur Hindurchführung vonSauerstoff zwischen dem Innenraum des Sensors und seinem Außenbereich entnehmbar,in dem sich das zu überwachendeGas befindet. Hierbei wird durch Anbringung von zwei Elektrodenan einem Festelektrolyten eine Zelle zum Pumpen von Sauerstoff vonder Kammer durch den Elektrolyten gebildet. Über mit den Elektroden verbundeneSignalleitungen wird eine Spannung angelegt, um durch Herbeiführung einerDiffusion von Sauerstoffionen oder Ladungsträgern in den Elektrolyten Sauerstoffmoleküle abzupumpen.Ein hierbei zwischen den Elektroden fließender Grenzstrom gibt dieSauerstoffkonzentration in der Kammer an. Einige Gassensoren umfassenmehrere dieser Zellen, um auch die NOx-Konzentration oder die CO-Konzentrationmessen zu können.Bei solchen Sensoren sind die Elektroden von einer von zwei, inder Kammer befindlichen Zellen in Bezug auf NOx oder CO reaktionsfähig, während diesfür dieanderen Elektroden nicht zutrifft, wodurch sich eine Differenz indem Grenzstrom ergibt, die der an der Elektrodenoberfläche verbrauchtenoder erzeugten Sauerstoffmenge entspricht. Die andere Zelle (Überwachungszelle), diein Bezug auf zu messende Gasbestandteile wie NOx nicht reaktionsfähig ist,dient zur Beseitigung des Einflusses von in der Kammer verbleibendem Restsauerstoffauf die von der in Bezug auf diesen Gasbestandteil reaktionsfähigen Zelle(Sensorzelle) abgegebenen Signale, wodurch eine höhere Messgenauigkeiterzielbar ist. Ein Beispiel fürdie Verwendung von Informationen bezüglich der Konzentrationswertevon anderen Gasen als Sauerstoff stellt die Regelung einer Abgasrückführung aufder Basis der gemessenen NOx-Konzentrationdar.
    [0003] Eine Fehlfunktion bzw. Störung inder Überwachungszelleoder ihrer zugehörigenMessschaltung führtallerdings zu einem ungewöhnlichen,nicht normalen Messwert der NOx-Konzentration,der sich aus der Ausgangssignaldifferenz bei den beiden Zellen ergibt.In einem solchen Falle lässtsich somit keine zweckmäßige Regelungder Abgasrückführung erzielen.Wenn ungewöhnlicheSensor-Ausgangssignale auf die Notwendigkeit einer Reparatur hinweisen,ist allerdings zwischenzeitlich eine zwar nicht vollständig genaue,jedoch angemessene Regelung der Abgasemissionen und des Kraftstoffverbrauchs einerBrennkraftmaschine erwünscht,bis die Reparatur durchgeführtist.
    [0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabezu Grunde, ein Gaskonzentrationsmessgerät für eine Brennkraftmaschine anzugeben,mit dessen Hilfe eine angemessene Regelgenauigkeit bei einer Brennkraftmaschineauch bei Vorliegen von ungewöhnlichenMesswerten einer Überwachungszelle aufrechterhalten werden kann.
    [0005] Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch1 angegebenen Mitteln gelöst.
    [0006] In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungender Erfindung angegeben.
    [0007] Erfindungsgemäß wird somit ein Gaskonzentrationsmessgerät für eine Brennkraftmaschine zurMessung der Konzentration eines Gasbestandteils in den Abgasen derBrennkraftmaschine mit einem Gassensor angegeben, der eine in Bezugauf Sauerstoff und einen Messgasbestandteil in den Abgasen empfindlicheSensorzelle, die ein der Konzentration von Sauerstoff und dem Messgasbestandteil inden Abgasen proportionales Sensorsignal abgibt, sowie eine in Bezugauf Sauerstoff empfindliche, jedoch in Bezug auf den Messgasbestandteilunempfindliche Überwachungszelleaufweist, die daraufhin ein der Sauerstoffkonzentration in den Abgasenproportionales Sensorsignal abgibt. Das Gaskonzentrationsmessgerät umfasstaußerdemeine Einrichtung zur Bestimmung, ob der Messwert der Überwachungszelleaußerhalbeines in einem Normalzustand zulässigenMesswertbereiches der Überwachungszelleliegt, der auf der Basis von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschineabgeschätzt wird,sowie eine Einrichtung zur Abgabe eines vorgegebenen Referenzwertesanstelle des Messwertes der Überwachungszelle,wenn durch die Bestimmungseinrichtung die Feststellung erfolgt,dass der Messwert außerhalbdes zulässigenMesswertbereiches liegt.
    [0008] Da sich die Sauerstoffkonzentrationin den Abgasen in Abhängigkeitvon jeweiligen Betriebszuständender Brennkraftmaschine wie der Ansaugluftmenge und der Brennstoffeinspritzmengeverändert, kannaus diesen Betriebsbedingungen ein Standardbereich von Sauerstoffkonzentrationswertenin einem gewissen Ausmaß abgeschätzt werden.Wenn der Messwert der Überwachungszelleaus diesem Bereich herausfällt,liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Störzustand bei der Überwachungszelleoder ihrer zugehörigenMessschaltung vor. In einem solchen Fall gibt ein vorgegebener Referenzwert,der innerhalb des Normalbereichs liegt, die tatsächliche Sauerstoffkonzentrationgenauer wieder. Durch Regelung der Brennkraftmaschine auf der Basisdieses Referenzwertes lässtsich somit eine angemessene Regelgenauigkeit in Bezug auf Abgasemissionen undBrennstoffverbrauch erzielen.
    [0009] Das Gaskonzentrationsmessgerät kann außerdem eineRecheneinrichtung zur Berechnung eines Referenzwerts aufweisen,die einen repräsentativenWert der Messwerte der Überwachungszelleim Normalzustand auf der Basis von Betriebszuständen der Brennkraftmaschineabschätztund diesen repräsentativenWert als Referenzwert vorgibt.
    [0010] Auf diese Weise kann der Referenzwert zweckmäßiger vorgegebenwerden, da er in Abhängigkeitvon den Betriebszuständender Brennkraftmaschine bestimmt wird. Das Gaskonzentrationsmessgerät kann außerdem eineEinrichtung zur Herbeiführungeiner derartigen Rückstellungdes Referenzwertes aufweisen, dass eine Abweichung zwischen demReferenzwert und einem in einem vorgegebenen Betriebszustand derBrennkraftmaschine erhaltenen Messwert der Überwachungszelle verringertwird.
    [0011] Hierbei erfolgt in einem vorgegebenenBetriebszustand der Brennkraftmaschine wie dem Leerlaufzustand,bei dem stabile Messwerte der Überwachungszellevorliegen, eine derartige Rückstellung desReferenzwertes, dass Veränderungender Eigenschaften oder Kennwerte des Gassensors oder (herstellungsbedingte)Schwankungen der Eigenschaften von Sensoren kompensiert werden undauf diese Weise eine zweckmäßigere Einstellungdes Referenzwertes erhalten wird. Im übrigen können die Überwachungszelle und die Sensorzelleden gleichen Aufbau aufweisen und sich lediglich hinsichtlich derEmpfindlichkeit in Bezug auf den Messgasbestandteil unterscheiden,wobei in diesem Falle die Konzentration des Messgasbestandteilsaus der Differenz zwischen den Messwerten der Überwachungszelle und der Sensorzelleerhalten wird. Wenn ein Störzustandbei der Überwachungszellevorliegt, wird die Gaskonzentration aus der Differenz zwischen demReferenzwert und dem Ausgangssignal der Sensorzelle anstatt ausder Differenz zwischen dem tatsächlichenAusgangssignal der Überwachungszelleund dem Ausgangssignal der Sensorzelle ermittelt.
    [0012] Die Erfindung wird nachstehend anhandvon bevorzugten Ausführungsbeispielenunter Bezugnahme auf die zugehörigenZeichnungen näherbeschrieben. Es zeigen:
    [0013] 1 eineschematische Darstellung des Aufbaus einer Brennkraftmaschine, diemit einem Gaskonzentrationsmessgerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispielder Erfindung ausgestattet ist,
    [0014] 2 eineQuerschnittsansicht der wesentlichen Bestandteile eines Gassensorsdes Gaskonzentrationsmessgeräts,
    [0015] 3 eineQuerschnittsansicht entlang der Linie III-III gemäß 2,
    [0016] 4 eineQuerschnittsansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2,
    [0017] 5 einKennlinienfeld zur Veranschaulichung der Steuerung des Gaskonzentrationsmessvorgangsdurch einen in dem Gaskonzentrationsmessgerät angeordneten Mikrocomputer,
    [0018] 6 einAblaufdiagramm einer von dem Mikrocomputer des Gaskonzentrationsmessgeräts durchgeführten Steuerungeines Gaskonzentrationsmessvorgangs,
    [0019] 7 einAblaufdiagramm einer von dem Mikrocomputer eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder Erfindung durchgeführtenSteuerung eines Gaskonzentrationsmessvorgangs,
    [0020] 8 einAblaufdiagramm einer von dem Mikrocomputer durchgeführten Steuerungeines Gaskonzentrationsmessvorgangs gemäß dem zweiten Ausführungsbeispielder Erfindung, und
    [0021] 9 Signalverläufe beidem Gaskonzentrationsmessgerät.
    [0022] 1 zeigtin schematischer Darstellung eine mit einem Gaskonzentrationsmessgerät gemäß einemersten Ausführungsbeispielder Erfindung ausgestattete Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Das dargestellteAusführungsbeispielbezieht sich auf eine Vierzylinder-Dieselbrennkraftmaschine E mit Abgasturboaufladung,die fürdie jeweiligen Zylinder vorgesehene Injektoren 42, einegemeinsame Druckleitung (Common Rail) 41 zur Zuführung vonunter hohem Druck stehendem Kraftstoff zu den Injektoren 42,eine Ansaug-Sammelleitung 31, eine Abgas-Sammelleitung 51 sowieein mit den beiden Sammelleitungen 31 und 51 verbundenesAbgas-Rückführrohr 61 aufweist,das nachstehend vereinfacht als AGR-Rohr 61 bezeichnetist. In einem Abgasrohr 52, durch das die Abgase der Brennkraftmaschinehindurchtreten, sind ein Oxidationskatalysator 54 und stromaufdes Katalysators 54 ein NOx-Absorptions- Reduktionskatalysator 53 angeordnet.In der Abgas-Sammelleitung 51 iststromauf des Abgasrohrs 52 ein Abgas-Kraftstoffeinspritzventil 43 zurZuführungvon HC zur Reduktion des von dem Katalysator 53 absorbiertemNOx angeordnet. Dieses Abgas-Kraftstoffeinspritzventil 43 spritztvon einer Kraftstoffpumpe 44 zugeführten, unter Druck stehendenKraftstoff in die Abgas-Sammelleitung 51 ein.
    [0023] Das Gaskonzentrationsmessgerät S umfasst einenin dem Abgasrohr 52 zwischen den Katalysatoren 53 und 54 angeordnetenGassensor 1, der mit einer im Fahrzeuginnenraum angeordnetenSteuerschaltung 21 übereine Leitung verbunden ist. Die Steuerschaltung 21 bestehtaus einer Ansteuerschaltung fürden Gassensor 1 sowie aus einem Mikrocomputer, der einePumpzellenspannung VP des Gassensors 1 in einer nachstehendnoch näherbeschriebenen Weise einstellt bzw. steuert und Ausgangssignale abgibt,die sich auf einen Pumpzellenstrom IP, einen Überwachungszellenstrom IM undeinen Sensorzellenstrom IS beziehen. Eine elektronische SteuereinheitECU 22 berechnet sodann auf der Basis dieser Signale dieSauerstoffkonzentration und die NOx-Konzentration in den Abgasen(die nachstehend vereinfacht als "Gaskonzentration" bezeichnet werden) und verwendet dieerhaltenen Rechenergebnisse zur Regelung des Abgas-Kraftstoffeinspritzventils 43,eines zur Einstellung der Abgasrückführung dienendenAGR-Ventils 62 und dergleichen.
    [0024] Der Gassensor 1 besitztdie in den 2, 3 und 4 veranschaulichte längliche Form und besteht auseinem Laminat aus Zirkondioxid-Festelektrolytschichten 111, 112,die Sauerstoffionen-Leitfähigkeit aufweisen,und Isolierschichten 113, 114, 115, die z.B.aus Aluminiumoxidplättchenbestehen. Die zwischen den Festelektrolytschichten 111, 112 angeordneteIsolierschicht 114 ist zur Bildung von zwei, über einenzwischen den Schichten 111, 112 ausgebildetenDrosselabschnitt 103 miteinander in Verbindung stehendenKammern 101, 102 in Dickenrichtung teilweise ausgestanzt.Die Kammern 101, 102 sind hierbei Seite an Seitein der Längsrichtungdes Gassensors 1 angeordnet, wobei die zweite Kammer 102 am Basisendedes Sensors doppelt so breit wie die erste Kammer 101 ambeabstandeten Ende ist.
    [0025] An der Oberseite und der Unterseiteder Kammern 101, 102 sowie der Festelektrolytschichten 111, 112 istjeweils ein Luftkanal 104 bzw. 105 ausgebildet,wobei die Schichten 111, 112 teilweise als Kanalwände dienen.Die Luftkanäle 104, 105 stehenam Basisende des Gassensors 1 mit der Atmosphäre bzw.Umgebungsluft in Verbindung. Hierbei verläuft der erste Luftkanal 104 unterder Festelektrolytschicht 112 bis zu der ersten Kammer 101,während derzweite Luftkanal 105 überder Festelektrolytschicht 111 nur gegenüber der zweiten Kammer 102 angeordnetist. Der Gassensor 1 ist im Abgasrohr 52 der Brennkraftmaschinezusammen mit seiner Halterung in der Rohrwandung derart angeordnet,dass die Luftkanäle 104, 105 mitdem Außenbereichdes Abgasrohrs 52 in Verbindung stehen, wodurch eine Referenz-Sauerstoffkonzentrationerhalten wird.
    [0026] Die obere Festelektrolytschicht 111 besitzt einNadelloch 106, das in der in 2 veranschaulichtenWeise in Dickenrichtung bis zu der ersten Kammer 101 verläuft, sodassim Bereich des Gassensors 1 befindliche Abgase in die ersteKammer 101 eintreten können.Die Öffnungdes Nadellochs 106 ist hierbei durch eine poröse Diffusionsschicht 116 ausz.B. porösemAluminiumoxid verschlossen, wodurch das Eindringen von Partikelnin die Kammer 101 verhindert wird.
    [0027] An der Oberseite und der Unterseiteder Festelektrolytschicht 112 sind im Bereich der ersten Kammer 101 zweiElektroden 121, 122 einander gegenüberliegendausgebildet. Die Schicht 112 und die Elektroden 121, 122 bildeneine Pumpzelle 1a. Die in der Kammer 101 angeordneteElektrode 121 besteht aus einer Edelmetalllegierung wieAu-Pt, die nichtzur Aufspaltung bzw. Reduktion von NOx beiträgt. Die in der Kammer 101 angeordneteElektrode 121 wird nachstehend auch als "kammerseitige Pumpelektrode 121'' bezeichnet, während die in dem Luftkanal 104 angeordneteElektrode 122 nachstehend auch als "luftseitige Pumpelektrode 122'' bezeichnet ist.
    [0028] An der Oberseite und Unterseite derFestelektrolytschicht 111 sind im Bereich der zweiten Kammer 102 zweiElektrodenpaare angeordnet, die von Elektroden 123, 125 sowie 124, 125 gebildetwerden. Die im Luftkanal 105 angeordnete Elektrode 125 ist dabeiden anderen beiden Elektroden 123, 124 gemeinsamzugeordnet. Die Festelektrolytschicht 111 bildet mit denElektroden 123, 125 eine Überwachungszelle 1b undmit den Elektroden 124, 125 eine Sensorzelle 1c.Die in der Kammer 102 angeordnete Elektrode 123 der Überwachungszelle 1b besteht auseiner Edelmetalllegierung wie Au-Pt, die nicht zur Aufspaltung bzw.Reduktion von NOx beiträgt,währenddie Elektrode 124 der Sensorzelle 1c aus einem Edelmetallwie Pt besteht, das eine Aufspaltung bzw. Reduktion von NOx herbeiführt. Nachstehendwird die in der Kammer 102 angeordnete Elektrode 123 der Überwachungszelle 1b auchals "kammerseitige Überwachungselektrode 123'' bezeichnet, während die Elektrode 124 derSensorzelle 1c nachstehend auch als "kammerseitige Sensorelektrode 124'' bezeichnet ist. Die der Überwachungszelle 1b undder Sensorzelle 1c gemeinsam zugeordnete Elektrode 125 indem Luftkanal 105 wird nachstehend auch als "luftseitige Sensor/Pumpelektrode 125'' bezeichnet.
    [0029] In die Isolierschicht 115,die zusammen mit der Festelektrolytschicht 112 einen Teilder Kanalwändedes Luftkanals 104 bildet, sind Leitungsmuster aus Pt oderdergleichen eingebettet, die ein Heizelement 13 zur Erwärmung desgesamten Gassensors 1 bilden. Das Heizelement 13 isthierbei ein elektrisches Heizelement, das bei Beaufschlagung mit elektrischemStrom Joul'scheWärme erzeugt.
    [0030] Das Heizelement 13 erzeugtWärme,wenn es von der Steuerschaltung 21 angesteuert bzw. mit Stromversorgt wird, die wiederum die temperaturabhängige Impedanz zwischen denElektroden 121, 122 und anderen Elektroden berechnetund den dem Heizelement 13 zugeführten elektrischen Strom zur Einregelungeines Soll-Impedanzwertessteuert, der der Aktivierungstemperatur der Festelektrolytschichten 111, 112 entspricht.Die Impedanz kann hierbei z.B. ermittelt werden, indem eine an dieZellen 1a bis 1c angelegte Spannung verändert unddie hierbei auftretende Änderungdes elektrischen Stroms gemessen wird.
    [0031] Die Steuerschaltung 21 legteine Spannung an die Elektroden 121, 122 der Pumpzelle 1a an,wobei die luftseitige Pumpelektrode 122 die Kathode bildet.Diese an die Elektroden 121, 122 angelegte Spannungwird nachstehend auch als "PumpzellenspannungVP" bezeichnet.Der zwischen den Elektroden 121, 122 fließende elektrischeStrom (der nachstehend auch als "PumpzellenstromIP" bezeichnet ist)wird hierbei überwacht.Wenn im Bereich des Gassensors 1 befindliche Abgase über die poröse Diffusionsschicht 116 unddas Nadelloch 106 in die erste Kammer 101 strömen, werdenim Abgas enthaltene Sauerstoffmoleküle an der luftseitigen Pumpelektrode 122 dissoziiertund ionisiert und wandern durch die Festelektrolytschicht 111 hindurchin den Luftkanal 104. Der Zufluss von Sauerstoff in die ersteKammer 101 wird hierbei von dem Strömungswiderstand des Nadellochs 106 begrenzt.Die Sauerstoffkonzentration im Abgas lässt sich aus dem PumpzellenstromIP ableiten, indem die Pumpzellenspannung VP in einem Grenzstrombereichgehalten wird, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird. Da diekammerseitige Pumpelektrode 121 nicht zur Aufspaltung vonNOx beiträgt,verbleibt NOx in der ersten Kammer 101.
    [0032] Die angelegte Spannung wird somitauf der Basis des Pumpzellenstroms IP eingestellt. 5 zeigt die elektrische Charakteristikder Pumpzelle 1a in Form eines Kennlinienfeldes. Der Bereich,in dem der Pumpzellenstrom IP nicht von der Pumpzellenspannung VPabhängt,stellt den Grenzstrombereich dar. In der Figur ist die Beziehungzwischen dem Pumpzellenstrom IP und der Pumpzellenspannung VP, diein Form eines Kennfeldes in einem Festspeicher vorgespeichert ist,durch eine strichpunktierte Linie gekennzeichnet. Die Steuerschaltung 21 bestimmtsomit die Pumpzellenspannung VP anhand des Kennfeldes derart, dassdie Pumpzelle stets innerhalb des Grenzstrombereichs betrieben wird.
    [0033] Die Abgase diffundieren von der erstenKammer 101 überden Drosselabschnitt 103 in die zweite Kammer 102.In der zweiten Kammer 102 befinden sich somit Abgase miteiner geringeren Sauerstoffkonzentration, die von der Sauerstoffkonzentration derAbgase im Bereich des Gassensors 1 abhängt, welche sich wiederum inAbhängigkeit vomBetriebszustand der Brennkraftmaschine E verändert. Die Sauerstoffkonzentrationin der zweiten Kammer 102 hängt somit vom Betriebszustandder Brennkraftmaschine E ab.
    [0034] Die Ansteuerschaltung der Steuerschaltung 21 legteine jeweilige Spannung an die Elektroden 123, 125 der Überwachungszelle 1b sowiedie Elektroden 124, 125 der Sensorzelle 1c an,wobei die luftseitige Sensor/Pumpelektrode 125 die Kathodebildet. Die an die Elektroden 123, 125 angelegteSpannung wird nachstehend auch als "ÜberwachungszellenspannungVM" bezeichnet,währenddie an die Elektroden 124, 125 angelegte Spannungnachstehend auch als "SensorzellenspannungVS" bezeichnet wird.Der zwischen den Elektroden 123, 125 fließende elektrischeStrom (der nachstehend als "ÜberwachungszellenstromIM" bezeichnet ist)sowie der zwischen den Elektroden 124, 125 fließende elektrischeStrom (der nachstehend als "Sensorzellenstrom IS" bezeichnet ist)werden überwacht.Durch Anlegen der ÜberwachungszellenspannungVM und der Sensorzellenspannung VS führen die beiden Zellen 1b, 1c inder Kammer 102 befindlichen überschüssigen Sauerstoff in den Luftkanal 105 ab.Hierbei wird eine geeignete Spannung an die Überwachungszelle 1b unddie Sensorzelle 1c derart angelegt, dass in den Zellenein Grenzstrom fließt.Da die in der zweiten Kammer 102 angeordnete kammerseitigeSensorelektrode 124 zur Aufspaltung von NOx beiträgt, fließt ein größerer Strom über diekammerseitige Sensorelektrode 124 als über die Überwachungselektrode 123,wobei die Differenz der durch die Aufspaltung von NOx erzeugtenMenge von Sauerstoffionen entspricht. Die NOx-Konzentration lässt sich somit auf der Basisder Differenz zwischen dem ÜberwachungszellenstromIM und dem Sensorzellenstrom IS bestimmen. Der Pumpzellenstrom IP,der ÜberwachungszellenstromIM und der Sensorzellenstrom IS können hierbei erhalten werden,indem Spannungsabfällean einem Widerstand erfasst werden, der mit der Spannungszuführungsschaltungder Zellen 1a bis 1c in Reihe geschaltet ist.
    [0035] Die NOx-Konzentration wird in dervorstehend beschriebenen Weise im wesentlichen auf der Basis derDifferenz zwischen dem ÜberwachungszellenstromIM und dem Sensorzellenstrom IS bestimmt. Wenn jedoch in dem die Überwachungszelle 1b einschließenden IM-Messkreisein Störzustand wieeine Leitungsunterbrechung vorliegt, gibt die Differenz zwischendem ÜberwachungszellenstromIM und dem Sensorzellenstrom IS nicht die tatsächliche NOx-Konzentration wieder.Nachstehend wird die in einem solchen Falle erfolgende Steuerungnäher beschrieben,die ein kennzeichnendes Merkmal des Gaskonzentrationsmessgeräts S darstellt.
    [0036] 6 zeigtein von dem Mikrocomputer der elektronischen Steuereinheit ECU 22 ausgeführtes Unterprogrammzur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Störzustandsbei dem elektrischen Strom IM der Überwachungszelle 1b.In einem Schritt S101 werden die Drehzahl Ne der Brennkraftmaschine(die nachstehend vereinfacht als Motordrehzahl Ne bezeichnet ist),die Kraftstoffeinspritzmenge Q sowie der Überwachungszellenstrom IMreingelesen. "IMr" bezeichnet hierbeidie vom Mikrocomputer eingelesenen tatsächlichen Messwerte des Überwachungszellenstroms,währendder "ÜberwachungszellenstromIM" einen elektrischenStromwert bezeichnet, der schließlich bei der Berechnung derGaskonzentration Verwendung findet.
    [0037] In einem Schritt S102 werden einoberer Schwellenwert A und ein unterer Schwellenwert C zur Bestimmungeines zulässigenBereiches der ÜberwachungszellenstromwerteIMr auf der Basis der Motordrehzahl Ne und der KraftstoffeinspritzmengeQ gebildet. Nachstehend wird dieser Bereich als "Bereich (C, A)" bezeichnet. Die Berechnung der SchwellenwerteA, C erfolgt unter Bezugnahme auf vorgespeicherte zweidimensionaleKennfelder, die die Beziehungen zwischen der Motordrehzahl Ne sowiedem oberen Schwellenwert A und dem unteren Schwellenwert C und zwischender Kraftstoffeinspritzmenge Q und den Schwellenwerten A, C angeben.
    [0038] Ein Schritt S103 stellt einen Vorgangzur Berechnung eines Referenzwertes dar. Dieser, der erfassten MotordrehzahlNe und der Kraftstoffeinspritzmenge Q entsprechende ReferenzwertB des ÜberwachungszellenstromsIMr wird unter Bezugnahme auf ein vorgespeichertes zweidimensionalesKennfeld berechnet, das die Beziehungen zwischen der MotordrehzahlNe und dem Referenzwert B sowie zwischen der KraftstoffeinspritzmengeQ und dem Referenzwert B angibt und im Festspeicher des Mikrocomputersgespeichert ist. Anstelle dieser Berechnung des Referenzwerts Bunter Verwendung des Kennfeldes kann der Referenzwert B jedoch auchdurch Bildung des Mittelwertes des Bereiches (B = (A + C) /2) bestimmtwerden.
    [0039] Da die Sauerstoffkonzentration inder zweiten Kammer 102 vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschineabhängt,ist auch der ÜberwachungszellenstromIM, der sich in Abhängigkeitvon der Sauerstoffkonzentration in der zweiten Kammer 102 ändert, mitdem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine verknüpft. Dievorstehend beschriebenen Kennfelder werden somit vorher auf der Basisverschiedener Daten der Beziehungen zwischen dem ÜberwachungszellenstromIM und der Motordrehzahl Ne sowie der Kraftstoffeinspritzmenge Qerstellt, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen bei Verwendungeines im Normalzustand befindlichen Gaskonzentrationsmessgeräts erhalten werden.
    [0040] Ein Schritt S104 beinhaltet einenVorgang zur Ermittlung, ob der Messwert in den vorgegebenen Bereichfällt.Hierbei wird der ÜberwachungszellenstromIMr mit dem oberen Schwellenwert A und dem unteren SchwellenwertC verglichen, wobei der Ablauf auf einen Schritt S105 übergeht,wenn entweder IMr ≥ Aoder C ≥ IMrsind, währendder Ablauf zur Beendigung des Unterprogramms auf einen Schritt S106 übergeht,wenn das Ergebnis NEIN erhalten wird. Im Schritt S106, dessen Ausführung erfolgt, wennder ÜberwachungszellenstromIMr innerhalb des Bereichs (C, A) liegt, wird der eingelesene ÜberwachungszellenstromwertIMr als ÜberwachungszellenstromIM bewertet. Der zur Ausgabe eines Referenzwertes dienende SchrittS105 folgt auf den Schritt S104, wenn der Überwachungszellenstrom IMraußerhalbdes Bereiches (C, A) liegt, wobei in diesem Fall der ReferenzwertB anstelle des eingelesenen ÜberwachungszellenstromwertsIMr als ÜberwachungszellenstromIM festgelegt wird.
    [0041] Der eingelesene ÜberwachungszellenstromwertIMr oder der Referenzwert B werden zur Verwendung in einem anderenUnterprogramm ausgegeben, das von der elektronischen Steuereinheit ECU 22 zurBerechnung der NOx-Konzentration auf der Basis der zu dem SensorzellenstromIS bestehenden Differenz ausgeführtwird. Der gemessene ÜberwachungszellenstromIMr wird somit wie bei einem normal arbeitenden Gaskonzentrationsmessgerät abgegeben,solange er in den vorgegebenen Bereich (C, A) fällt, während bei einem außerhalbdes Bereichs (C, A) liegenden Überwachungszellenstrom IMrdie Feststellung getroffen wird, dass ein Störzustand in dem die Überwachungszelle 1b einschließenden Messsystemdes ÜberwachungszellenstromsIM vorliegt und der gemessene Strom IMr durch einen ReferenzwertB ersetzt wird, der auf der Basis des jeweiligen Betriebszustandsder Brennkraftmaschine E ermittelt bzw. abgeschätzt worden ist. Auf diese Weisewird die Regelgenauigkeit auch bei Auftreten von Störzuständen aufeinem praxisnahen Wert gehalten.
    [0042] Im übrigen können außer der Motordrehzahl Ne undder Kraftstoffeinspritzmenge Q auch andere Parameter von Betriebszuständen derBrennkraftmaschine, die sich auf die Sauerstoffkonzentration in denAbgasen beziehen, zur Erzielen einer genaueren Bestimmung des ReferenzwertesB herangezogen werden.
    [0043] Die 7 und 8 veranschaulichen Regelungsablaufdiagrammevon Unterprogrammen, die von der elektronischen Steuereinheit derBrennkraftmaschine gemäß einemzweiten Ausführungsbeispielder Erfindung ausgeführtwerden. Dieses Ausführungsbeispielbesitzt den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel und unterscheidetsich von diesem lediglich in Bezug auf den Ablauf des Unterprogrammsfür dieBestimmung, ob ein Störzustanddes ÜberwachungszellenstromsIM vorliegt oder nicht.
    [0044] Hierbei entsprechen die SchritteS201 bis S203 den Schritten S101, S102 und S104 des vorstehend beschriebenenAusführungsbeispiels.Wenn der gemessene ÜberwachungszellenstromIMr innerhalb des Bereichs (C, A) liegt (Ergebnis NEIN im SchrittS203), geht der Ablauf auf einen Schritt S205 über, bei dem der tatsächlicheStromwert IMr als ÜberwachungszellenstromIM festgelegt wird. Wenn dagegen im Schritt S203 festgestellt wird,dass der tatsächlicheStromwert IMr außerhalbdes Bereichs (C, A) liegt, wird in einem Schritt S204 anstelle des eingelesenen ÜberwachungszellenstromwertIMr ein IM-Lernwert (IMl) als ÜberwachungszellenstromIM festgelegt, was eine Maßnahmezur Bildung bzw. Ausgabe eines Referenzwerts darstellt.
    [0045] Der IM-Lernwert (IMl) ist ein repräsentativer Wertdes Überwachungszellenstromsgemäß dem jeweiligenBetriebszustand, wie dies bei dem Referenzwert B gemäß dem vorstehendbeschriebenen Ausführungsbeispielder Fall ist. Die Bildung des IM-Lernwertes (IMl) erfolgt im Rahmendes Unterprogramms gemäß 8, das in der nachstehendbeschriebenen Weise als Maßnahmezur Rückstellung einesReferenzwerts dient.
    [0046] In einem Schritt S301 wird ermittelt,ob sich die Brennkraftmaschine in einem vorgegebenen Betriebszustandbefindet, der in diesem Fall durch den Leerlaufzustand gegeben ist.Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, werden in einem Schritt S302der ÜberwachungszellenstromIMr und der IM-Lernwert IMl eingelesen. Der IM-Lernwert IMl wird später in einemSchritt S305 zwar aktualisiert, jedoch stellt sein Anfangswert einenStandardwert des Überwachungszellenstromseines normalen Gassensors dar, der vorher experimentell im Leerlaufzustandermittelt worden ist.
    [0047] In einem Schritt S303 wird die Abweichung DIMdes IM-LernwertsIMl vom ÜberwachungszellenstromIMr unter Verwendung folgender Gleichung (1) ermittelt: DIM = IMr – IMl (1)
    [0048] In einem Schritt S304 wird sodannbestimmt, ob die Abweichung DIM gleich einem vorgegebenen zulässigen Grenzwert(|IM| ≤ d)ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird, endetdas Unterprogramm.
    [0049] Wenn die Abweichung DIM den Grenzwert überschreitet,wird der IM-Lernwert IMl in einem Schritt S305 zu seiner Aktualisierungunter Verwendung der nachstehenden Gleichung (2) berechnet: IMl = IMl + DIM/k , (2)wobei mitk ein Filterkoeffizient (k > 1)bezeichnet ist.
    [0050] Da der Anfangswert des IM-LernwertsIMl ein vorab experimentell ermittelter Standardwert des ÜberwachungszellenstromsIM ist, sollten keine großenAbweichungen des gemessenen ÜberwachungszellenstromsIMr von diesem Wert auftreten. Wenn jedoch die Abweichung DIM aufGrund von Schwankungen der Charakteristik der Gassensoren den zulässigen Grenzwertd überschreitet,wird der IM-Lernwert IMl derart zurückgestellt, dass die AbweichungDIM kleiner wird. Auf diese Weise lassen sich Schwankungen der elektrischenCharakteristik der Gassensoren kompensieren und eine genauere Abschätzung des ÜberwachungszellenstromsIM auf der Basis von Betriebszuständen erzielen. Dies trifft auchdann zu, wenn die Abweichung DIM den zulässigen Grenzwert d auf Grunddes Auftretens von permanenten Veränderungen überschreitet, d.h., der IM-LernwertIMl wird auch in diesem Fall dahingehend zurückgestellt, dass die AbweichungDIM kleiner wird, um auf diese Weise die Beeinflussung durch permanenteVeränderungenzu kompensieren und eine genauere Abschätzung des Überwachungszellenstroms IMauf der Basis von Betriebszuständen zuerzielen. Hierdurch wird im Vergleich zum vorstehend beschriebenenAusführungsbeispieleine genauere Messung der NOx-Konzentration erhalten.
    [0051] Die Verwendung des Filterkoeffizientenk ermöglichtein gleichmäßiges Konvergierendes IM-Lernwerts IMl ohne Regelschwingungen, d.h., ohne Nachlauf-oder Pendelerscheinungen der Regelung. 9 veranschaulicht ein Beispiel für den Verlaufdes elektrischen Stroms der Überwachungszellebeim Auftreten einer zeitabhängigenVeränderungdes Stroms IMr im Leerlaufzustand auf Grund einer permanenten Veränderungdes Überwachungszellen-Messkreises. Wiein der Figur veranschaulicht ist, konvergiert der IM-Lernwert IMlallmählichin Richtung des verändertenWertes des ÜberwachungszellenstromsIMr. Der IM-Lernwert IMl konvergiert in gleicher Weise, wenn einegroßeDifferenz zwischen einem Anfangswert und dem Überwachungszellenstrom IMrauf Grund von Schwankungen in der Charakteristik der Gassensorenauftritt. Hierbei sollte der Filterkoeffizient k experimentell in geeigneterWeise bestimmt werden. Der zulässige Grenzwertd der Abweichung DIM zwischen dem Überwachungszellenstrom IMrund dem IM-Lernwert IMlwird in Abhängigkeitvon einer zulässigenFehlertoleranz eingestellt.
    [0052] Der IM-Lernwert IMl im Ablaufdiagrammgemäß 8 ist im Leerlaufzustandbestimmt worden. Bei der Einstellung des IM-Lernwerts im SchrittS204 des zur Bestimmung eines ungewöhnlichen Zustands von IM vorgesehenenUnterprogramms gemäß 7 kann eine in Bezug aufden in dem Unterprogramm im Leerlaufzustand bestimmten IM-Lernwert(IMl) erforderliche Umsetzung oder Korrektur zur Bildung eines derim Schritt S201 eingelesenen Motordrehzahl Ne und KraftstoffeinspritzmengeQ angepassten IM-Lernwertes vorgenommen werden.
    [0053] Bei dem vorstehend beschriebenenGaskonzentrationsmessgerätfür eineBrennkraftmaschine finden somit eine in Bezug auf Sauerstoff empfindliche Überwachungszelleund eine in Bezug auf Sauerstoff sowie NOx empfindliche Sensorzellezur Bestimmung der NOx-Konzentration aus der Differenz der von denbeiden Zellen erhaltenen Messwerte Verwendung. Hierbei wird einzulässigerBereich der Messwerte der Überwachungszellein einem Normalzustand auf der Basis von bestimmten Betriebszuständen derBrennkraftmaschine abgeschätzt.Wenn der erhaltene Messwert des Überwachungszellenstromsaußerhalbdieses Bereichs liegt, wird die Feststellung getroffen, dass einStörzustandin dem die Überwachungszelleund deren zugehörigeMessschaltung umfassenden Messsystem vorliegt, woraufhin der fehlerhafteMesswert der Überwachungszelledurch einen innerhalb des zulässigenBereichs liegenden vorgegebenen Referenzwert ersetzt wird, sodasssich die erforderlichen Werte fürdie Regelung der Brennkraftmaschine ergeben.
    权利要求:
    Claims (4)
    [1] Gaskonzentrationsmessgerät für eine Brennkraftmaschine zurMessung der Konzentration eines Gasbestandteils in den Abgasen derBrennkraftmaschine, mit einem Gassensor, der eine Sensorzelle, diein Bezug auf Sauerstoff und einen Messgasbestandteil der Abgaseempfindlich ist und ein der Konzentration von Sauerstoff und desMessgasbestandteils in den Abgasen proportionales Sensorsignal abgibt,sowie eine Überwachungszelleaufweist, die in Bezug auf Sauerstoff empfindlich, jedoch in Bezug aufden Messgasbestandteil unempfindlich ist und ein der Konzentrationvon Sauerstoff in den Abgasen proportionales Sensorsignal abgibt,gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Bestimmung, ob einMesswert der Überwachungszelleaußerhalbeines in einem Normalzustand der Überwachungszelle zulässigen Messwertbereichsliegt, der auf der Basis von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschineabgeschätztist, und eine Einrichtung zur Ausgabe eines vorgegebenen Referenzwertesanstelle des Messwertes der Überwachungszelle,nachdem durch die Bestimmungseinrichtung die Feststellung erfolgtist, dass der Messwert außerhalbdes zulässigenBereichs liegt.
    [2] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnetdurch eine Recheneinrichtung zur Berechnung des Referenzwertes,die einen repräsentativenWert der Messwerte der Überwachungszelleim Normalzustand auf der Basis von Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschineabschätztund den abgeschätztenRepräsentativwertals den Referenzwert vorgibt.
    [3] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnetdurch eine Einrichtung zur Herbeiführung einer derartigen Rückstellungdes Referenzwertes, dass eine Abweichung zwischen dem Referenzwertund einem in einem vorgegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschineerhaltenen Messwert der Überwachungszelleverringert wird.
    [4] Gaskonzentrationsmessgerät nach zumindest einem derAnsprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungszelle und die Sensorzelleden gleichen Aufbau aufweisen und sich nur hinsichtlich ihrer Empfindlichkeitin Bezug auf den Messgasbestandteil unterscheiden und dass die Konzentrationdes Messgasbestandteils aus der Differenz zwischen den von der Überwachungszelleund der Sensorzelle erhaltenen Messwerten gebildet wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP2004251626A|2004-09-09|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2006-12-14| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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