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    • 专利摘要:
    Bei einem Gaskonzentrationsmessgerät wird eine Spannung an Elektroden eines Sensorelements angelegt. Hierbei wird eine Änderung entweder bei der angelegten Klemmenspannung oder bei einem Elementstrom herbeigeführt. In Abhängigkeit von der herbeigeführten Änderung wird der sich hierbei ergebende Änderungsbetrag eines jeweiligen Stromwertes und Spannungswertes gemessen. Der Widerstandswert des Sensorelements wird dann auf der Basis des Verhältnisses zwischen den Änderungsbeträgen des Stromwertes und des Spannungswertes berechnet. Eine Detektoreinheit ermittelt das Vorliegen eines Störzustands in Bezug auf die Steuerung des Sensors unter Verwendung des Änderungsbetrags des Stromwertes und/oder des Spannungswertes.
    公开号:DE102004015572A1
    申请号:DE200410015572
    申请日:2004-03-30
    公开日:2004-11-18
    发明作者:Satoshi Kariya Hada；Tomoo Kariya Kawase；Eiichi Kariya Kurokawa
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01N27-409
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Gaskonzentrationsmessgerät zur Ermittlung der Konzentrationeines spezifischen Gasbestandteils auf der Basis von über einenGaskonzentrationssensor erhaltenen Messergebnissen und bezieht sichinsbesondere auf Verbesserungen in Bezug auf eine zweckmäßige Ermittlungdes Vorliegens eines Störzustandsbei einem Sensor-Steuersystem.
    [0002] Einsolcher Gaskonzentrationssensor ist z.B. in Form eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsmit Grenzstrombildung bzw. Grenzstromverhalten bekannt, der dieSauerstoffkonzentration (das Luft-Kraftstoff-Verhältnis) inden das Messgas darstellenden Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugsermittelt. Im einzelnen besitzt der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorein Sensorelement, das ein Festelektrolytelement und zwei an diesem Festelektrolytelementangebrachte Elektroden aufweist und in Abhängigkeit von einer angelegten Spannungeinen der vorliegenden Gaskonzentration entsprechenden Elementstromerzeugt. Der Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensormisst hierbei den überdas Sensorelement fließendenElementstrom zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration (des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses).
    [0003] MitHilfe eines solchen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors kann jedoch keinegenaue Messung des Elementstroms oder der Sauerstoffkonzentration (desLuft-Kraftstoff-Verhältnisses)erfolgen, wenn an den Anschlüssendes Sensorelements ein Störzustandwie ein Kurzschluss in der Stromzuführung (Stromversorgungskurzschluss),ein Kurzschluss zu Masse (Masseschluss) und/oder ein Kurzschluss zwischenden Anschlüssen(Kurzschluss von Anschluss zu Anschluss) vorliegt. Bei üblichen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren werdendaher die Spannungen an beiden Anschlüssen des Sensorelements alsA/D-Eingangssignale füreinen Mikrocomputer verwendet und ein Störzustand festgestellt, wenndie A/D-Eingangssignale außerhalbeines vorgegebenen Bereichs liegen. Die Zuführung von Spannungen von beidenAnschlüssendes Sensors zur Gewinnung von A/D-Eingangssignalen erfordert jedoch zusätzlicheAnalog/Digital-Umsetzer entsprechend der Anzahl der Sensoranschlüsse. Diesführt wiederumzu einem sehr komplexen Aufbau, sodass zweckmäßigere Maßnahmen erforderlich sind.
    [0004] Ausder japanischen Patent-Offenlegungsschrift HEI 08 (1996) – 271 475ist es daher z.B. bereits bekannt, den Aktivierungszustand des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorszur Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands des Sensors zu überwachen.Hierbei wird das Vorliegen eines Störzustands des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsfestgestellt, indem ermittelt wird, ob der Elementwiderstand desLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsin einem vorgegebenen Bereich liegt, oder indem ermittelt wird,ob die im Rahmen der Elementaktivierung erfolgende Strom- oder Energiezufuhrzu dem Heizelement in einem vorgegebenen Bereich liegt, d.h., dasVorliegen eines Störzustandsdes Sensors wird ermittelt, indem beurteilt wird, ob ein normalerAktivierungszustand des Sensorelements vorliegt.
    [0005] Beidem aus dieser japanischen Patent-Offenlegungsschrift bekanntenStörzustands-Ermittlungsverfahrenwird jedoch ein Zustand bestimmt, bei dem eine eindeutige Aktivierungdes Sensorelements vorliegen sollte, wobei das Vorliegen eines Störzustandsdes Sensorelements festgestellt wird, wenn das Sensorelement indiesem Zustand nicht aktiviert ist. Dieses Verfahren ermöglicht somiteine genaue Feststellung des Vorliegens eines Störzustands nur in einem Zustand,bei dem das Sensorelement tatsächlichaktiviert ist, oder in einem Zustand, bei dem eine eindeutige Bestimmungder Aktivierung des Sensorelements erfolgen kann, was die Störzustandsermittlungbei dem Sensorelement in erheblichem Maße einschränkt. Bei dem auf der Strom-oder Energiezufuhr des Heizelement basierenden Verfahren zur Ermittlungeines Sensorelement-Störzustandssind dagegen eine Messschaltung zur Messung der Heizelement-Leistungbzw. Analog/Digital-Umsetzeroder dergleichen erforderlich, was eine Vereinfachung des Schaltungsaufbaus erschwert.Zur Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands im Sensor-Steuersystem sindsomit zweckmäßigere Maßnahmenerforderlich.
    [0006] DerErfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Gaskonzentrationsmessgerät anzugeben,das eine zweckmäßige Feststellungdes Vorliegens eines Störzustandsbei verschiedenen Schaltungsanordnungen des Gerätes ohne einen hierdurch bedingtenkomplexeren Schaltungsaufbau ermöglicht.
    [0007] DieseAufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
    [0008] Gemäß einerAusgestaltung der Erfindung umfasst ein Gaskonzentrationsmessgerät einenGaskonzentrationssensor, der ein Sensorelement zur Ermittlung derKonzentration eines zu messenden Gases mit einem Festelektrolytelementund einem oder mehreren, an dem Festelektrolytelement angeordnetenElektrodenpaaren aufweist, eine Steuereinheit, die zur Steuerungeiner an mit den Elektroden des Sensorelements verbundene positiveund/oder negative Anschlüsseangelegten Spannung ausgestaltet ist, eine Messeinheit, die dahingehendausgestaltet ist, dass entweder ein von der angelegten Spannungentsprechend der Konzentration eines spezifischen Bestandteils desGases bewirkter Elementstrom jeweils gemessen wird, wenn das Anlegender Spannung unter Steuerung der angelegten Spannung erfolgt, odereine zwischen den Elektroden des Sensorelements entsprechend derKonzentration des spezifischen Bestandteils des Gases erzeugte Quellenspannunggemessen wird, wenn das Anlegen der Spannung unter Steuerung derangelegten Spannung erfolgt, eine Veränderungseinheit, die zur Herbeiführung einer Änderungentweder der an das Sensorelement angelegten Spannung oder des über dasSensorelement fließendenElementstroms ausgestaltet ist, eine Änderungsbetrags-Messeinheit,die zur Messung eines durch die entweder bei der angelegten Spannungoder dem Elementstrom herbeigeführte Änderungbewirkten Änderungsbetragseines Stromwertes und eines Spannungswertes ausgestaltet ist, eineRecheneinheit, die zur Berechnung des Betrags einer Widerstandskomponentein Bezug auf den durch das Sensorelement fließenden Elementstrom auf derBasis des Verhältnisseszwischen den Änderungsbeträgen desStromwerts und des Spannungswertes ausgestaltet ist, und eineDetektoreinheit, die zur Ermittlung eines Störzustands in Bezug auf dieSteuerung des Sensors durch Verwendung einer auf die Berechnungdes Betrages der von der Recheneinheit berechneten Widerstandskomponentebezogenen Information ausgestaltet ist.
    [0009] BeiVorliegen eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem wie z. B. eines Stromversorgungs-Kurzschlusses,eines Masseschlusses an einem oder mehreren der positiven und negativenAnschlüssedes Sensorelements oder eines Kurzschlusses von Anschluss zu Anschlussan den positiven und negativen Anschlüssen tritt nämlich beider Berechnung des Elementwiderstands während der Änderung der Klemmenspannungdes Sensorelements keine entsprechende Änderung des Elementstroms auf,sodass sich dieses Ausbleiben der Änderung des Elementstroms überwachenlässt.Wenn dagegen eine Änderungdes Elementstroms anstelle der Klemmenspannung herbeigeführt wird,kann bei der Änderungdes Stroms die Änderungder Klemmenspannung ausbleiben, sodass sich dieses Ausbleiben der Änderungder Klemmenspannung überwachenlässt.Durch Ermittlung, ob bei einer Änderungder Klemmenspannung oder des Stroms die entsprechende Stromänderungoder Spannungsänderungausbleibt, kann somit mit Hilfe eines einzigen Verfahrens zur Störzustandsermittlungin zweckmäßiger Weiseein Störzustanddes Sensor-Steuersystems wie ein Stromversorgungs-Kurzschluss, ein Masseschluss,ein Kurzschluss von Anschluss zu Anschluss oder ein Unterbrechungszustandermittelt werden. Bei diesem Störzustands-Ermittlungsverfahrenwird das Vorliegen eines Störzustandsmit Hilfe der bei der Element-Widerstandsberechnungverwendeten Messdaten (Stromänderungoder Spannungsänderung)ermittelt. Fürdie Störzustandsermittlungsind somit keine zusätzlichenAnalog/Digital-Umsetzer (A/D-Eingangssignale für den Mikrocomputer) erforderlich,sodass das Erfordernis fürdie Verwendung eines komplizierten Schaltungsaufbaus nicht länger gegebenist.
    [0010] DieBerechnung des Elementwiderstands mit Hilfe einer der Klemmenspannungoder dem Strom des Sensorelements erteilten Änderung kann durch ein Element-Widerstandsberechnungsverfahrenin Form des sogenannten Ablenkverfahrens erfolgen. Bei diesem Verfahrenwird der Elementwiderstand auf der Basis einer Strom- oder Spannungsänderungberechnet, die durch kurzzeitige Änderung der Klemmenspannungoder des Stroms des Sensorelements herbeigeführt wird. Bei diesem Berechnungsverfahrenist bekanntermaßenkeine Verschiebung der Klemmenspannung des Sensors in den widerstandsbestimmtenBereich einer V-I-Kennlinieerforderlich, wodurch sich die Verzögerungszeit bei der Messungder Gaskonzentration verringert. Die Klemmenspannung oder der Stromdes Sensorelements kann auch alternierend oder kontinuierlich verändert werden,um auf diese Weise der Klemmenspannung oder dem Strom eine Änderunghinzuzufügen.Außerdemkann der Elementwiderstand außerals Elementimpedanz auch in Form der Elementadmittanz berechnetwerden, die den Kehrwert der Elementimpedanz darstellt.
    [0011] Vorzugsweisestellt die auf die Berechnung des Betrages der Widerstandskomponentebezogene Information den Änderungsbetragdes Stromwertes und/oder des Spannungswertes dar, wobei die Detektoreinheiteine Überwachungseinheit,die zur Überwachungdes von der Messeinheit gemessenen Änderungsbetrages entweder desStromwertes oder des Spannungswertes ausgestaltet ist, und eineBestimmungseinheit aufweist, die zur Bestimmung des Vorliegens einesStörzustandsauf der Basis des von der Überwachungseinheit überwachten Änderungsbetragesausgestaltet ist.
    [0012] Vorzugsweiseist die Bestimmungseinheit dahingehend ausgestaltet, dass die Feststellungdes Vorliegens eines Störzustandsgetroffen wird, wenn der Änderungsbetragentweder des Stromwertes oder des Spannungswertes gleich Null istoder einem im wesentlichen als Null zu betrachtenden Wert entspricht.
    [0013] Vorzugsweisestellt die auf die Berechnung des Betrages der Widerstandskomponentebezogene Information den Betrag der Widerstandskomponente selbstdar, wobei die Detektoreinheit zur Ermittlung eines Störzustandsauf der Basis des Betrages der Widerstandskomponente selbst ausgestaltetist.
    [0014] Vorzugsweiseweist die Änderungsbetrags-Messeinheiteine Steuerbetrags-Messeinheit auf, die dahingehend ausgestaltetist, dass ein tatsächlicherSteuerbetrag der angelegten Spannung oder des Sensorstroms gemessenwird, wenn die Änderungentweder bei der angelegten Spannung oder dem Sensorstrom herbeigeführt wird,wobei der tatsächlicheSteuerbetrag als die auf die Berechnung des Betrages der Widerstandskomponentebezogene Information sowie als Änderungsbetragdes Stromwertes oder des Spannungswertes dient und die Detektoreinheitzur Ermittlung eines Störzustands unterBezugnahme auf den tatsächlichenSteuerbetrag ausgestaltet ist.
    [0015] DieWiderstandskomponente in Bezug auf den durch das Sensorelement fließenden Elementstromist hierbei die Impedanz oder die Admittanz des Sensorelements.
    [0016] Gemäß einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät einenGaskonzentrationssensor, der ein Sensorelement zur Ermittlung derKonzentration eines zu messenden Gases mit einem Festelektrolytelementund einem oder mehreren, an dem Festelektrolytelement angeordnetenElektrodenpaaren aufweist, eine Steuereinheit, die zur Steuerungeiner an mit den Elektroden des Sensorelements verbundene positiveund/oder negative Anschlüsseangelegten Spannung ausgestaltet ist, eine Messeinheit, diedahingehend ausgestaltet ist, dass entweder ein von der angelegtenSpannung entsprechend der Konzentration eines spezifischen Bestandteilsdes Gases bewirkter Elementstrom jeweils gemessen wird, wenn das Anlegender Spannung unter Steuerung der angelegten Spannung erfolgt, odereine zwischen den Elektroden des Sensorelements entsprechend derKonzentration des spezifischen Bestandteils des Gases erzeugte Quellenspannunggemessen wird, wenn das Anlegen der Spannung unter Steuerung derangelegten Spannung erfolgt, eine Veränderungseinheit, die zur Herbeiführung einer Änderungentweder der an das Sensorelement angelegten Spannung oder des über dasSensorelement fließendenElementstroms ausgestaltet ist, eine Änderungsbetrags-Erfassungseinheit,die zur Erfassung eines durch die entweder bei der angelegten Spannungoder dem Elementstrom herbeigeführte Änderungbewirkten Änderungsbetragseines Stromwertes und/oder eines Spannungswertes ausgestaltet ist,und eine Detektoreinheit, die zur Ermittlung eines Störzustandsin Bezug auf die Steuerung des Sensors durch Verwendung einer aufden von der Änderungsbetrags-Erfassungseinheiterfassten Änderungsbetragbezogenen Information ausgestaltet ist.
    [0017] Gemäß einembevorzugten Ausführungsbeispielder Erfindung wird die Änderungsbetrags-Erfassungseinheitvon einer Änderungsbetrags-Messeinheitgebildet, die zur Messung des durch die entweder bei der angelegtenSpannung oder dem Elementstrom herbeigeführte Änderung bewirkten Änderungsbetragsdes Stromwertes und/oder Spannungswertes ausgestaltet ist.
    [0018] DieErfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielenunter Bezugnahme auf die zugehörigenZeichnungen näherbeschrieben. Es zeigen:
    [0019] 1 ein Blockschaltbild einerSensor-Steuerschaltunggemäß einemAusführungsbeispielder Erfindung,
    [0020] 2 eine Querschnittsansichtdes Aufbaus eines Sensorelements,
    [0021] 3 Ausgangssignalkennlinieneines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors,
    [0022] 4 ein Ablaufdiagramm einesBerechnungsvorgangs der Elementimpedanz,
    [0023] 5 ein Ablaufdiagramm einesStörzustands-Ermittlungsvorgangs,
    [0024] 6 zeitabhängige Signalverläufe einer Klemmenspannungsumschaltungund der hierdurch herbeigeführten Änderungdes Elementstroms,
    [0025] 7 ein Ablaufdiagramm einesBerechnungsvorgangs der Elementadmittanz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    [0026] 8 ein Ablaufdiagramm einesStörzustands-Ermittlungsvorgangsgemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
    [0027] 9 ein Blockschaltbild einerSensor-Steuerschaltunggemäß einemweiteren Ausführungsbeispiel,
    [0028] 10 ein Blockschaltbild einerSensor-Steuerschaltunggemäß einemweiteren Ausführungsbeispiel,
    [0029] 11 ein Blockschaltbild einerSensor-Steuerschaltunggemäß einemweiteren Ausführungsbeispiel,
    [0030] 12 eine Querschnittsansichtdes Aufbaus eines weiteren Sensorelements,
    [0031] 13 ein Blockschaltbild einerSensor-Steuerschaltunggemäß einemweiteren Ausführungsbeispiel,
    [0032] 14 eine Querschnittsansichtdes Aufbaus eines weiteren Sensorelements, und
    [0033] 15 ein Blockschaltbild einerSensor-Steuerschaltunggemäß einemweiteren Ausführungsbeispiel.
    [0034] Nachstehendwird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 ein erstes Ausführungsbeispielder Erfindung näherbeschrieben.
    [0035] Dieseserste Ausführungsbeispielbezieht sich auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät, das dievon der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgestoßenen Abgase(Verbrennungsgase) als Messgas aufnimmt und die Sauerstoffkonzentration (Luft-Kraftstoff-Verhältnis) misst.
    [0036] DieMessergebnisse in Bezug auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnisfinden bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem mit einer elektronischen Motor-Steuereinheit(ECU) oder dergleichen Verwendung. Dieses Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem führt einegeeignete Regelung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschinewie eine stöchiometrischeVerbrennungsregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissesim Bereich des stöchiometrischen Verhältniswertesund eine Magerregelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnissesin einem vorgegebenen Magerbereich im geschlossenen Regelkreis durch.
    [0037] 1 zeigt den Aufbau des Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgeräts mit einerSensor-Steuerschaltung, während 2 den Aufbau des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorszeigt.
    [0038] Nachstehendwird unter Bezugnahme auf 2 zunächst näher aufden als Gaskonzentrationssensor dienenden Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor eingegangen.
    [0039] DerLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensorumfasst ein Sensorelement 10, das in Form einer laminierten Schichtanordnungaufgebaut ist. 2 zeigteine Querschnittsansicht dieses Sensorelements 10. Das Sensorelement 10 besitzttatsächlicheine längliche Form,die sich senkrecht zur Zeichenebene von 2 erstreckt. Das gesamte Sensorelement 10 ist hierbeiin einem Gehäuseoder einer Elementkappe angeordnet.
    [0040] DasSensorelement 10 umfasst einen Festelektrolyten 11,eine Diffusionswiderstandsschicht 12, eine Abschirmschicht 13 undeine Isolierschicht 14, die in Form der in 2 dargestellten vertikalen Schichtanordnunglaminiert sind. Hierbei ist das Sensorelement 10 von einer(nicht dargestellten) Schutzschicht überzogen. Der als rechteckigesPlättchen ausgebildeteFestelektrolyt 11 (Festelektrolytelement) bildet eine Schichtaus teilweise stabilisiertem Zirkondioxid. An den Seiten des Festelektrolyten 11 sindzwei einander gegenüberliegendeElektroden 15, 16 angeordnet, die aus einem Materialwie Platin (Pt) bestehen. Die Diffusionswiderstandsschicht 12 umfassteine poröseSchicht zur Zuführungdes Abgases zu der Elektrode 15, während die Abschirmschicht 13 einedichte Schicht umfasst, die das Hindurchtreten des Abgases begrenzt.Die Schichten 12 und 13 umfassen jeweils eineSchicht aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid oder Zirkondioxid, diedurch ein Schichtbildungsverfahren erhalten wird. Diese Schichtenweisen auf Grund einer unterschiedlichen durchschnittlichen Porengröße und damiteiner unterschiedlichen Porositäteine unterschiedliche Gasdurchlässigkeitauf.
    [0041] DieIsolierschicht 14 besteht aus einem Keramikmaterial wieAluminiumoxid oder Zirkondioxid und umfasst in einem der Elektrode 16 gegenüberliegendenBereich einen Luftkanal 17. Außerdem umfasst die Isolierschicht 14 eingebetteteHeizelemente 18 aus einem Material wie Platin (Pt), dieeine lineare Heizanordnung bilden, die von der Batteriestromversorgungzur Erwärmungdes gesamten Sensorelements mit elektrischem Strom versorgt wird.Die Elektrode 15 wird im Rahmen der nachstehenden Beschreibungauch als diffusionsschichtseitige Elektrode bezeichnet, während dieElektrode 16 auch als luftseitige Elektrode bezeichnetwird. Bei diesem Ausführungsbeispielwird davon ausgegangen, dass der mit der luftseitigen Elektrode 16 verbundeneAnschluss den positiven Anschluss (+ Anschluss) darstellt, während dermit der diffusionsschichtseitigen Elektrode 15 verbundeneAnschluss eine negative Elektrode (– Anschluss) darstellt.
    [0042] Dasim Bereich des vorstehend beschriebenen Sensorelements 10 befindlicheAbgas tritt seitlich überdie Diffusionswiderstandsschicht 12 ein und erreicht sodanndie diffusionsschichtseitige Elektrode 15. Durch eine andie Elektroden 15 und 16 angelegte Spannung wirdbei einem mageren Abgas der im Gas befindliche Sauerstoff an derdiffusionsschichtseitigen Elektrode 15 aufgespalten undionisiert. Der ionisierte Sauerstoff tritt sodann durch den Festelektrolyten 11 hindurch,bevor er überdie luftseitige Elektrode 16 in den Luftkanal 17 abgeführt wird.Hierbei kann ein Strom (positiver Strom) von der luftseitigen Elektrode 16 inRichtung der diffusionsschichtseitigen Elektrode 15 fließen. Beieinem angereicherten bzw. fetten Abgas wird dagegen der in dem Luftkanal 17 befindlicheSauerstoff durch die Spannung an der luftseitigen Elektrode 16 aufgespaltenund ionisiert. Der ionisierte Sauerstoff tritt dann durch den Festelektrolyten 11 hindurch,bevor er überdie diffusionsschichtseitige Elektrode 15 abgeführt wirdund sodann katalytisch mit unverbrannten Bestandteilen des Abgaseswie HC oder CO reagiert. Hierbei kann ein Strom (negativer Strom)von der diffusionsschichtseitigen Elektrode 15 in Richtungder luftseitigen Elektrode 16 fließen.
    [0043] 3 veranschaulicht die grundlegende Spannungs-Strom-Charakteristik (V-I-Kennlinien) desLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensors.In 3 stellt der parallelzur Spannungsachse (Abszisse) verlaufende flache bzw. ebene Bereicheinen Grenzstrombereich dar, durch den der Elementstrom Ip (Grenzstrom)des Sensorelements 10 gekennzeichnet ist. Der Anstieg undAbfall dieses Elementstroms Ip entspricht hierbei einer Vergrößerung bzw.einer Verkleinerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (dem Abmagerungsgradoder Anreicherungsgrad), d.h., ein im mageren Bereich liegendesLuft-Kraftstoff-Verhältnis führt zu einemhöherenElementstrom Ip, während einim angereicherten Bereich liegendes Luft-Kraftstoff-Verhältnis zueiner Verringerung des Elementstroms Ip führt.
    [0044] Beider "V-I"-Kennlinie stelltder unter dem Grenzstrombereich liegende Spannungsbereich einenwiderstandsbestimmten bzw. widerstandsabhängigen Bereich dar, in demder Innenwirkwiderstand Ri (Gleichstromwiderstand) des Sensorelements 10 die Steigungdes gradlinigen Kennlinienteils erster Ordnung bestimmt. Der InnenwirkwiderstandRi ist temperaturabhängig,d.h., eine niedrigere Elementtemperatur führt zu einem höheren Innenwirkwiderstand Riund damit zu einer geringeren Steigung des gradlinigen Kennlinienteilserster Ordnung (einem Abfallen des gradlinigen Kennlinienteils)in dem widerstandsabhängigenBereich, währendeine höhere Elementtemperaturzu einem niedrigeren Innenwirkwiderstand Ri und damit zu einer größeren Steigung desgradlinigen Kennlinienteils erster Ordnung (einem Anstieg des gradlinigenKennlinienteils) in dem widerstandsabhängigen Bereich führt. In 3 veranschaulicht die KennlinieRG eine Klemmenspannungscharakteristik (Klemmenspannungskennlinie) zurBestimmung der Klemmenspannung Vp des Sensorelements 10.
    [0045] 1 zeigt den Aufbau der Sensor-Steuerschaltung 100 inForm eines elektrischen Schaltbildes. Mit der luftseitigen Elektrode 16 desSensorelements 10 ist ein positiver Anschluss T1 verbunden, derin der in 1 dargestelltenWeise übereinen Operationsverstärker 21 undeinen Strommesswiderstand 22 mit einer Bezugsspannungsquelle 23 verbundenist. Mit der diffusionsschichtseitigen Elektrode 15 desSensorelements 10 ist ein negativer Anschluss T2 verbunden.Eine Klemmenspannungs-Steuerschaltung 30 ist über einenOperationsverstärker 24 undeinen Widerstand 25 mit dem negativen Anschluss T2 verbunden.Die Operationsverstärker 21, 24 stellenhierbei "Rückkopplungsverstärkerschaltungen" dar. Der Punkt Aan einem Ende des Strommesswiderstands 22 wird auf demgleichen Potential wie eine Bezugsspannung Ref 1 gehalten. Über denStrommesswiderstand 22 fließt der Elementstrom Ip, wobeisich die Spannung am Punkt B in Abhängigkeit von dem ElementstromIp verändert. Beieinem mageren Abgas fließtder Elementstrom Ip überdas Sensorelement 10 vom positiven Anschluss T1 zum negativen AnschlussT2, wodurch sich die Spannung am Punkt B erhöht, während bei einem angereichertenbzw. fetten Abgas der Elementstrom Ip über das Sensorelement 10 vomnegativen Anschluss T2 zum positiven Anschluss T1 fließt, wodurchsich die Spannung am Punkt B verringert. Die Spannung am Punkt Bwird dem Mikrocomputer 200 über eine Elementstrom-Ausgabeschaltung 31 als Messergebnisdes Luft-Kraftstoff-Verhältnissesin Form eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignals zugeführt. DerMikrocomputer 200 nimmt sodann eine Analog/Digital-Umsetzungdieses Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignals vor.Die Elementstrom-Ausgabeschaltung 31 umfasst z.B. eineAbtast/Speicherschaltung, die die Spannung am Punkt B bei der Messungdes Luft-Kraftstoff-Verhältnissesabtastet und währendeiner vorgegebenen Ansteuerzeit bzw. Einschaltzeit aufeinanderfolgend aktualisiertund ausgibt. Dieses Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignal kann dann in geeigneterWeise zur Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und dergleichen ineinem geschlossenen Regelkreis Verwendung finden.
    [0046] EineKlemmenspannungs-Steuerschaltung 30 überwacht das Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignal(den Abtast/Speicherwert der Spannung am Punkt B) und bestimmt diean das Sensorelement 10 anzulegende Spannung in Abhängigkeitvon diesem Ausgangssignal. Entsprechend der KlemmenspannungskennlinieRG gemäß 3 steuert die Schaltungsanordnung 30 dieKlemmenspannung grundsätzlichdahingehend, dass die Spannung bei einem Anstieg des ElementstromsIp (d.h., einem Anstieg der Spannung am Punkt B) erhöht wird.
    [0047] Beidem Luft-Kraftstoffverhältnis-Messgerät findetzur Messung der Elementimpedanz des Sensorelements 10 dassogenannte Ablenkverfahren Verwendung. Hierbei führt ein Spannungs-Umschaltkreis 35 inAbhängigkeitvon einem vom Mikrocomputer 200 zugeführten Spannungsumschaltsignalabwechselnd eine Veränderungder an den Sensor angelegten Spannung herbei. Der Mikrocomputer 200 führt diesesSpannungsumschaltsignal dem Spannungs-Umschaltkreis 35 regelmäßig zu,der hierbei z.B. in Abständenvon jeweils 128 ms die Klemmenspannung des Sensors kurzzeitig vonder üblichen Klemmenspannungfür dieLuft-Kraftstoffverhältnis-Messung (der vonder Klemmenspannungs-Steuerschaltung 30 gesteuerten Spannung)auf die Klemmenspannung fürdie Impedanzermittlung umschaltet.
    [0048] Indiesem Fall entspricht der Punkt B einem "Änderungs-Messabschnitt". Die Spannung am PunktB wird dem Mikrocomputer 200 über eine Impedanzmessstrom-Rusgabeschaltung 32 alsImpedanzmessstrom-Ausgangssignal zugeführt. Der Mikrocomputer 200 nimmtsodann eine Analog/Digital-Umsetzung dieses Impedanzmessstrom-Ausgangssignals vor.Die Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 32 umfasst z.B.eine Hochpassfilterschaltung sowie eine Spitzenwert-Zwischenspeicherschaltung,die in Reihe geschaltet sind und die abwechselnde Stromänderungam Punkt B währendeiner vorgegebenen Ansteuerzeit und Durchschaltzeit messen können, dieder Impedanzmesszeit entspricht. Die Spitzenwert-Zwischenspeicherspannung amPunkt B kann dann in jeweiligen Abschalt- oder Sperrzeiten zurückgestelltwerden.
    [0049] DieSpannung am Punkt C gemäß 1 entspricht der Ausgangsspannungder Klemmenspannungs-Steuerschaltung 30 oder des Spannungs-Umschaltkreises 35.Die Spannung am Punkt C wird dem Mikrocomputer 200 über eineSpannungssteuerbetrags-Ausgabeschaltung 36 als Spannungssteuerbetrags-Ausgangssignalzugeführt.Der Mikrocomputer 200 nimmt sodann eine Analog/Digital-Umsetzung diesesSpannungssteuerbetrags-Ausgangssignals vor. Die Spannungssteuerbetrags-Ausgabeschaltung 36 umfasstz.B. eine Hochpassfilterschaltung und eine Spitzenwert- Zwischenspeicherschaltung,die in Reihe geschaltet sind. Der Punkt C entspricht daher einem "Steuerbetrags-Messabschnitt". Der Mikrocomputer 200 erhält und detektiertsomit bei der Impedanzermittlung als Änderung der alternierendenSpannung am Punkt C die von dem Spannungs-Umschaltkreis 35 herbeigeführte Änderung derKlemmenspannung des Sensors (d.h., den Spannungssteuerbetrag ΔV als tatsächlich herbeigeführten Steuerbetrag).
    [0050] DerMikrocomputer 200 berechnet sodann die Elementimpedanzauf der Basis der bei der Impedanzermittlung alternierenden Spannungsänderung undder hierdurch herbeigeführten Änderungdes Elementstroms Ip. Hierbei steuert der Mikrocomputer 200 dieden Heizelementen 18 zugeführte elektrische Leistung dahingehend,dass die Elementimpedanz auf einem vorgegebenen gewünschtenWert gehalten wird. Auf diese Weise kann die Temperatur des Sensorelements 10 aufeinem bestimmten gewünschtenTemperaturwert (von z.B. 750°C)gehalten werden.
    [0051] Beidiesem Ausführungsbeispielwird das Vorliegen eines Störzustandsdes Sensor-Steuersystems auf der Basis der Stromänderung, des Spannungssteuerbetragesoder dergleichen festgestellt, die bei der Ermittlung der Elementimpedanzauftreten. Nachstehend wird dieser Störzustands-Ermittlungsablauf näher beschrieben. Ein Störzustanddes Sensor-Steuersystems kann einen Stromversorgungs-Kurzschluss oderMasseschluss am positiven Anschluss T1 oder am negativen AnschlussT2 des Sensorelements 10, einen Kurzschluss von Anschlusszu Anschluss zwischen dem positiven Anschluss T1 und dem negativenAnschluss T2 und eine Unterbrechung bzw. einen Kontaktausfall umfassen.Mit Hilfe des bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgenden Verfahrenszur Störzustandsermittlung kannjeder dieser Störzustände festgestelltwerden.
    [0052] Nachstehendwird unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme gemäß den 4 und 5 der Ablauf der vom Mikrocomputer 200 durchgeführten Elementimpedanzberechnungund Störzustandsermittlungnäher beschrieben. 4 zeigt hierbei ein Ablaufdiagrammdes Elementimpedanz-Berechnungsvorgangsbzw. -Ablaufs. Der Mikrocomputer führt diesen Ablauf in vorgegebenenZeitabständen (vonz.B. jeweils 128 ms) durch.
    [0053] Gemäß 4 wird in einem SchrittS101 dem Spannungs-Umschaltkreis 35 derSensor-Steuerschaltung 100 ein Spannungsumschaltsignalzugeführt.Nach dem Empfang dieses Spannungsumschaltsignals schaltet die Sensor-Steuerschaltung 100 dieKlemmenspannung des Sensors alternierend bzw. abwechselnd von derbei der Luft-Kraftstoffverhältnis-Messungverwendeten Spannung auf die bei der Impedanzermittlung verwendeteSpannung um. Die Wechselfrequenz für die Umschaltung der Klemmenspannungliegt z.B. im Bereich von 1 kHz bis 20 kHz. Im Schritt S102 wirdsodann der bei der Umschaltung der Klemmenspannung auftretende Spannungssteuerbetrag ΔV ermittelt.Im nächstenSchritt S103 wird die durch die Klemmenspannungsumschaltung herbeigeführte Elementstromänderung ΔI ermittelt.
    [0054] Hierbeiwird in der in 6 veranschaulichtenWeise die abwechselnd auftretende bzw. alternierende Änderungder Klemmenspannung des Sensors hinzugefügt, wobei sich der Elementstromentsprechend dieser alternierenden Spannungsänderung verändert. Im vorstehend beschriebenenSchritt S102 wird der Spannungssteuerbetrag ΔV auf der Basis der Spannungam Punkt C (Spannungssteuerbetrags-Ausgangssignal) ermittelt, die dem Mikrocomputer 200 über dieSpannungssteuerbetrags-Ausgabeschaltung 36 gemäß 1 zugeführt wird. Im vorstehend beschriebenenSchritt S103 wird die Stromänderung ΔI auf derBasis der Spannung am Punkt B (Impedanzmessstrom-Ausgangssignal) ermittelt,die dem Mikrocomputer 200 über die Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 32 inder in 1 veranschaulichtenWeise zugeführtwird.
    [0055] Ineinem Schritt S104 wird sodann die in dem vorstehend beschriebenenSchritt S103 ermittelte Stromänderung ΔI in einemSpeicher wie einem Direktzugriffsspeicher (RAM) als Datenwert für die Störzustandsermittlunggespeichert. In einem Schritt S105 wird die Elementimpedanz ausdem in der vorstehend beschriebenen Weise erhaltenen Spannungssteuerbetrag ΔV und derStromänderung ΔI berechnet(Elementimpedanz = ΔV/ΔI). Da derSpannungs-Umschaltkreis 35 als Umschalt-Befehlseinrichtungeine vorgegebene Spannungsänderunganordnet bzw. herbeiführt,kann diese, von dem Spannungs-Umschaltkreis 35 angeordneteSpannungsänderungauch den Spannungssteuerbetrag ΔVzur Berechnung der Elementimpedanz ersetzen. Außerdem kann anstelle der Elementimpedanzauch die Elementadmittanz, die den Kehrwert der Elementimpedanzdarstellt, als Elementwiderstand berechnet werden.
    [0056] 5 zeigt ein Ablaufdiagrammdes Störzustands-Ermittlungsvorgangsbzw. -Ablaufs. Der Mikrocomputer 200 führt diesen Ablauf aufeinanderfolgendnach dem Ablauf gemäß 4 aus.
    [0057] Gemäß 5 liest der Mikrocomputer 200 in einemSchritt S201 die als Datenwert fürdie Störzustandsermittlungim vorstehend beschriebenen Schritt S104 gemäß 4 gespeicherte Stromänderung ΔI ein. In einem Schritt S202ermittelt der Mikrocomputer 200 sodann das Vorliegen oder Nichtvorliegeneines Störzustandsin dem Sensor-Steuersystemauf der Basis dieser eingelesenen Stromänderung ΔI. Wenn die Stromänderung ΔI in einemvorgegebenen Bereich liegt, wird die Feststellung getroffen, dasssich das Sensor-Steuersystem im Normalzustand befindet (SchrittS203). Liegt die Stromänderung ΔI jedochnicht innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, wird das Vorliegeneines Störzustandsdes Sensor-Steuersystemsfestgestellt (Schritt S204). Wenn hierbei z.B. die Stromänderung ΔI Null oder annähernd Nullist, wird die Feststellung getroffen, dass ein Störzustanddes Sensor-Steuersystems vorliegt.
    [0058] Wennhierbei im einzelnen z.B. der positive Anschluss T1 des Sensorelements 10 mitder Stromversorgung kurzgeschlossen ist, versetzt der von der Batterie-Stromversorgung zumOperationsverstärker 21 fließende Stromden Operationsverstärker 21 in einenStromsättigungszustand.Hierdurch wird der überden Strommesswiderstand 22 fließende Elementstrom zu einemfesten Strom, der lediglich schaltungsbedingt begrenzt ist. Diealternierende Änderungder Klemmenspannung des Sensors führt somit zu keiner entsprechenden Änderungder Spannung am Punkt B. Die Stromänderung ΔI ist daher annähernd Null,was die Feststellung eines Störzustandsermöglicht.Der schaltungsbedingt begrenzte feste Strom stellt einen Strom dar,der durch die Ausgangsbegrenzerfunktion des Ausgangsverstärkers 21 begrenztist. Außerdemkann zur Ausgangssignalbegrenzung auch eine zusätzliche Strombegrenzerschaltungoder die Ausgangsleistung eines Ausgangselements (z.B. eines Transistors)herangezogen werden. Darüberhinaus führtauch die einfache Einfügungeines Widerstands zu einer Ausgangssignalbegrenzung.
    [0059] Beieinem Masseschluss des positiven Anschlusses T1 des Sensorelements 10 wirdder über denStrommesswiderstand 22 fließende Elementstrom ebenfallszu einem festen Strom. Die alternierende Änderung der Klemmenspannungdes Sensors kann somit auch in diesem Falle keine entsprechende Änderungder Spannung am Punkt B herbeiführen.Die Stromänderung ΔI ist hierbeisomit ebenfalls annäherndNull, was die Feststellung des Vorliegens eines Störzustandsermöglicht.Durch die alternierende Änderungder Klemmenspannung des Sensors wird ebenfalls keine entsprechende Änderung derSpannung am Punkt B hervorgerufen, wenn der negative Anschluss T2des Sensorelements 10 mit der Stromversorgung oder mitMasse kurzgeschlossen ist, ein Kurzschluss zwischen dem positivenAnschluss T1 und dem negativen Anschluss T2 vorliegt oder die Zuleitungenzu dem Anschluss T1 und/oder dem Anschluss T2 unterbrochen sind.Auch in diesen Fällenist die Stromänderung ΔI annähernd Null,was die Feststellung des Vorliegens eines Störzustands ermöglicht.In jedem der vorstehend beschriebenen Fälle kann somit das Vorliegeneines Störzustandsin dem Sensor-Steuersystemfestgestellt werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dassauch ein Störzustandim Sensorelement 10 selbst festgestellt werden kann.
    [0060] Beidem vorstehend im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiel wird somit mitHilfe der zur Elementimpedanzermittlung verwendeten Messdaten (Stromänderung)eine Störzustandsermittlung imSensor-Steuersystemermöglicht,sodass bei dieser Störzustandsermittlungkeine zusätzlichenAnalog/Digital-Umsetzer(A/D-Eingangssignale fürden Mikrocomputer) erforderlich sind und auf diese Weise eine Verkomplizierungdes Schaltungsaufbaus vermieden wird. Außerdem kann die Störzustandsermittlungunabhängigvom Aktivierungszustand des Sensorelements 10 erfolgen,sodass sie unmittelbar nach dem Einschalten des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorsvor der Aktivierung des Sensorelements 10 einsetzen kann.Ein gewisser Bereitschaftszustand (der nach einer Wartezeit vonhöchstenseinigen Sekunden erreicht wird) ermöglicht bereits die Messungder Elementimpedanz, sodass eine beträchtliche Verringerung der Wartezeitvor dem Beginn der Störzustandsermittlungerzielbar ist.
    [0061] Nachstehendwird unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ein zweites Ausführungsbeispielder Erfindung näherbeschrieben.
    [0062] DieBeschreibung dieses zweiten Ausführungsbeispielsder Erfindung erfolgt im wesentlichen durch Hervorhebung der inBezug auf das vorstehend beschriebene erste Ausführungsbeispiel bestehendenUnterschiede. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die beider Umschaltung der Klemmenspannung des Sensors entstehende Stromänderung ΔI (Impedanzmessstrom-Ausgangssignal)als Datenwert fürdie Störzustandsermittlungverwendet.
    [0063] Demgegenüber wirdbei dem zweiten Ausführungsbeispielder berechnete Wert der Elementadmittanz (Elementadmittanz = ΔI/ΔV) als Datenwert für die Zustandsermittlungverwendet. Wenn nämlich imSensor-Steuersystem ein Störzustandwie ein Stromversorgungs-Kurzschluss oder Masseschluss am positivenund/oder negativen Anschluss des Sensorelements 10 oderein Kurzschluss zwischen dem positiven und dem negativen Anschlussvorliegt, erfolgt bei einer Klemmenspannungsänderung kein entsprechendesAnsprechen des Stroms oder bei der Ermittlung der Elementadmittanzwird kein normaler Rechenwert der Elementadmittanz erhalten. DieserUmstand kann somit zur Ermittlung eines Störzustands im Sensor-Steuersystemherangezogen werden, d.h., da bei Vorliegen eines Störzustandsdie Stromänderung ΔI Null oderannähernd Nullist, kann ein übereinem vorgegebenen Wert liegender Rechenwert der Elementadmittanzzur Feststellung eines Vorliegens eines Störzustands herangezogen werden.
    [0064] Wennz.B. der positive und/oder negative Anschluss des Sensorelements 10 einenKurzschluss mit der Stromversorgung aufweist, besitzt der Spannungssteuerbetrag ΔV einen ungewöhnlichenWert (von Null oder annäherndNull). Die direkte Verwendung dieses ungewöhnlichen Wertes kann die Berechnungder Elementadmittanz unmöglich machenoder zu einem zu hohen Rechenwert führen. Wenn der von der Spannungssteuerbetrags-Ausgabeschaltung 36 abgegebeneSpannungssteuerbetrag ΔVeinen ungewöhnlichenWert aufweist, wird daher bei diesem Ausführungsbeispiel der Spannungssteuerbetrag ΔV durch einenvorgegebenen Wert (ungleich Null) ersetzt, um die Berechnung der Elementadmittanzzu ermöglichen.Auf der Basis des berechneten Wertes der Elementadmittanz wird dann dasVorliegen eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem ermittelt, d.h., wenn der Spannungssteuerbetrag ΔV durch einenvorgegebenen Wert ersetzt wird, besitzt der Spannungssteuerbetrag ΔV einen ungewöhnlichenWert, sodass der Störzustandals Stromversorgungs-Kurzschluss oder Masseschluss an dem positivenAnschluss T1 und/oder dem negativen Anschluss T2 des Sensorelements 10 bestimmtwerden kann.
    [0065] 7 zeigt ein Ablaufdiagrammdes bei diesem Ausführungsbeispielerfolgenden Element-Admittanzberechnungsablaufs,der den Element-Impedanzberechnungsablaufgemäß 4 ersetzt.
    [0066] Wieim Falle der vorstehend beschriebenen Schritte S101 bis S103 gemäß 4 ermöglichen auch die Vorgänge in denSchritten S301 bis S303 gemäß 7 die Abgabe des Spannungsumschaltsignals,die Ermittlung des Spannungssteuerbetrags ΔV während der Umschaltung der Klemmenspannungsowie die Ermittlung der Elementstromänderung ΔI in Abhängigkeit von der Klemmenspannungsumschaltung.
    [0067] Ineinem Schritt S304 wird sodann ermittelt, ob der in dem vorstehendbeschriebenen Schritt S302 ermittelte Spannungssteuerbetrag ΔV über einemvorgegebenen Schwellenwert Vth liegt oder nicht. Der SchwellenwertVth wird auf der Basis einer Spannungsänderung eingestellt, die während der Klemmenspannungseinstellungursprünglicherhalten werden soll. Hierbei kann der Schwellenwert Vth ungefähr auf denWert "ursprünglicheSpannungsänderung × 0,9" eingestellt werden.Wenn die Ungleichung ΔV ≥ Vth erfüllt ist,wird von normalen Spannungsverhältnissenausgegangen und auf einen Schritt S306 übergegangen. Im Schritt S306wird sodann die Elementadmittanz aus dem Spannungssteuerbetrag ΔV und derStromänderung ΔI berechnet(Elementadmittanz = ΔI/ΔV).
    [0068] Wenndagegen im vorstehend beschriebenen Schritt S304 die Ungleichung ΔV < Vth erfüllt ist, wirddavon ausgegangen, dass ein ungewöhnlicher Wert des Spannungssteuerbetragsvorliegt. In einem Schritt S305 wird dann ein Sicherungsvorgangin Bezug auf den Spannungssteuerbetrag ΔV ausgeführt, bei dem der Spannungssteuerbetrag ΔV durch "Vth" ersetzt wird. Ineinem Schritt S306 wird sodann die Elementadmittanz berechnet, woraufhinin einem Schritt S307 die in der vorstehend beschriebenen Weiseberechnete Elementadmittanz in einem Speicher wie einem Direktzugriffsspeicher(RAM) als Datenwert fürdie Störzustandsermittlungabgespeichert wird.
    [0069] 8 zeigt ein Ablaufdiagrammdes Störzustandsermittlungsablaufs,der den Ablauf gemäß 5 ersetzt.
    [0070] ImSchritt S401 gemäß 8 wird die in der in 7 veranschaulichten Weiseberechnete Elementadmittanz als Datenwert für die Störzustandsermittlung eingelesen.In einem Schritt S402 wird sodann das Vorliegen oder Nichtvorliegeneines Störzustandesim Sensor-Steuersystem auf der Basis dieser eingelesenen Elementadmittanzermittelt. Wenn hierbei die Elementadmittanz in einem vorgegebenenBereich liegt, wird die Feststellung getroffen, dass ein Normalzustanddes Sensor-Steuersystems vorliegt (Schritt S403).
    [0071] Liegtdie Elementadmittanz jedoch nicht in dem vorgegebenen Bereich, wirddie Feststellung getroffen, dass ein Störzustand des Sensor-Steuersystemsvorliegt (Schritt S404). Wenn z.B. die Elementadmittanz 0 oder annähernd 0ist, wird von einem Störzustanddes Sensor-Steuersystems ausgegangen. In einem Schritt S405 wirdsodann bestimmt, ob der Spannungssteuerbetrag ΔV einen ungewöhnlichenWert aufweist, d.h., ob der Spannungssteuerbetrag ΔV während derAdmittanzberechnung durch den Schwellenwert Vth ersetzt worden istoder nicht. Bei Vorliegen eines ungewöhnlichen Wertes des Spannungssteuerbetrages ΔV wird ineinem Schritt S406 der Störzustandsodann als Kurzschluss in Form eines Stromversorgungs-Kurzschlussesoder Masseschlusses an den Anschlüssen des Sensorelements 10 beurteilt.Bei Vorliegen eines Stromversorgungs-Kurzschlusses, Masseschlussesoder Anschluss-Kurzschlusses bei den Anschlüssen T1 und T2 des Sensorelements 10 istnämlichdie alternierende Umschaltung der Klemmenspannung des Sensors nichtmöglichund demzufolge die Stromänderung ΔI gleichNull. Mit Hilfe des zweiten Ausführungsbeispielskann somit in der vorstehend beschriebenen Weise eine zweckmäßige Ermittlung desVorliegens eines Kurzschluss-Störzustandsbei dem Sensorelement 10 erfolgen.
    [0072] DieErfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielebeschränkt,sondern kann auch in Form anderer Ausführungsbeispiele ausgeführt sein,worauf nachstehend nähereingegangen wird.
    [0073] Beidem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird das Vorliegeneines Störzustandsim Sensor-Steuersystemauf der Basis der Stromänderung ΔI während derImpedanzermittlung festgestellt. Alternativ kann das Vorliegen einesStörzustandsim Sensor-Steuersystem auch auf der Basis des am Ausgang des Operationsverstärkers 21 gemessenenElementstroms ermittelt werden. Hierbei wird das Vorliegen einesStörzustandsim Sensor-Steuersystem festgestellt, wenn der am Ausgang des Operationsverstärkers 21 gemesseneElementstrom auf dem Grenzwert oder in der Nähe des Grenzwertes des Betriebsbereichesdes Operationsverstärkers 21 festgehaltenwird (der bei einem mit 5 V betriebenen Verstärker 5 V entspricht oder inder Nähevon 5 V liegt).
    [0074] DerAufbau des Sensor-Steuersystems 100 kann dann in der inden 9 und 10 veranschaulichten Weisemodifiziert werden. Die Schaltungsanordnung gemäß 9 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnunggemäß 1 dahingehend, dass aufder Seite des positiven Anschlusses T1 des Sensorelements 10 dieKlemmenspannungs-Steuerschaltung 30 und der Spannungs-Umschaltkreis 35 undauf der Seite des negativen Anschlusses T2 die Bezugsspannungsquelle 23 vorgesehensind. Auf der Seite des positiven Anschlusses T1 sind die Elementstrom-Ausgabeschaltung 41 unddie Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 42, die z.B. einenDifferenzverstärkeraufweisen, mit den AnschlüssenA und B des Strommesswiderstands 22 verbunden. Die Ausgangssignaleder Elementstrom-Ausgabeschaltung 41 und der Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 42 stellendas Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignalund das Impedanzmessstrom-Ausgangssignal dar. Der Spannungssteuerbetrags-Ausgabeschaltung 43 wirddie am Punkt A anstehende Spannung zugeführt. Das Ausgangssignal derSchaltung 43 stellt das Spannungssteuerbetrags-Ausgangssignal dar.Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Aufbaus lässt sich ebenfalls das Vorliegeneines Störzustandsim Sensor-Steuersystem auf der Basis des Impedanzmessstrom-Ausgangssignalsermitteln.
    [0075] DieSchaltungsanordnung gemäß 10 unterscheidet sich vonder Schaltungsanordnung gemäß 1 dahingehend, dass aufder Seite des positiven Anschlusses T1 des Sensorelements 10 die Klemmenspannungs-Steuerschaltung 30 vorgesehenist. Außerdemist auf der Seite des positiven Anschlusses T1 die Elementstrom-Ausgabeschaltung 41 zwischendie AnschlüsseA und B des Strommesswiderstands 22 geschaltet. Das Ausgangssignalder Elementstrom-Ausgabeschaltung 41 stellt dasLuft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignal dar.Auf der Seite des negativen Anschlusses T2 des Sensorelements 10 sinddie Bezugsspannungsquelle 23 und der Spannungs-Umschaltkreis 35 angeordnet. Außerdem istauf der Seite des negativen Anschlusses T2 die Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 42 zwischendie AnschlüsseC und D des Strommesswiderstands 25 geschaltet. Das Ausgangssignalder Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 42 stellt das Impedanzmessstrom-Ausgangssignaldar. Der Spannungssteuerbetrags-Ausgabeschaltung 43 wirddie am Punkt C anstehende Spannung zugeführt. Das Ausgangssignal derSchaltung 43 stellt das Spannungssteuerbetrags-Ausgangssignal dar.Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbaus lässt sichebenfalls das Vorliegen eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem auf der Basis des Impedanzmessstrom-Ausgangssignalsermitteln.
    [0076] Beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden alsDaten fürdie Störzustandsermittlungdie durch die Umschaltung der Klemmenspannung des Sensors herbeigeführte Stromänderung ΔI (Impedanzmessstrom-Ausgangssignal) oderder ermittelte Wert der Elementadmittanz verwendet. Alternativ kannder währendder Ermittlung der Elementimpedanz gemessene Spannungssteuerbetrag ΔV als Datenwertfür dieStörzustandsermittlungVerwendung finden. Wenn im Sensor-Steuersystem ein Störzustand wie ein Stromversorgungs-Kurzschluss oderMasseschluss an dem positiven und/oder negativen Anschluss des Sensorelements 10 oderein Anschluss-Kurzschluss zwischen dem positiven und dem negativenAnschluss vorliegt, kann keine normale alternierende Änderung derKlemmenspannung des Sensors oder keine normale Messung des Spannungssteuerbetrags ΔV bei derErmittlung der Elementimpedanz erhalten werden. Dieser Umstand kannzur Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands im Sensor-Steuersystem herangezogenwerden. Die Feststellung des Vorliegens eines Störzustands im Sensor-Steuersystem kannhierbei vorzugsweise erfolgen, wenn der Spannungssteuerbetrag ΔV Null oderannäherndNull ist, jedoch kann die Feststellung des Vorliegens eines Störzustandsvorzugsweise auch dann erfolgen, wenn der Spannungssteuerbetrag ΔV kleinerals die von dem Spannungs-Umschaltkreis 35 ausgegebene Änderungist. Alternativ kann die Feststellung des Vorliegens eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem vorzugsweise dann erfolgen, wenn die am Ausgangder Rückkopplungsverstärkerschaltung(z.B. des Operationsverstärkers 21)währendder Umschaltung der Klemmenspannung des Sensors gemessene Spannungauf dem Grenzwert in der Nähe desGrenzwertes des Betriebsbereiches der Rückkopplungsverstärkerschaltungfestgehalten wird.
    [0077] Obwohlbei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die Berechnungder Elementimpedanz (oder Elementadmittanz) durch alternierendebzw. abwechselnde Änderungder Klemmenspannung des Sensors und Messung der hierdurch herbeigeführten Stromänderungerfolgt, kann diese Berechnung auch alternativ durch alternierendebzw. abwechselnde Änderungdes Sensorelementstroms und Messung der hierdurch herbeigeführten Spannungsänderungerfolgen.
    [0078] Nachstehendwird eine hierfürgeeignete Schaltungsanordnung unter Bezugnahme auf 11 näherbeschrieben. Die Schaltungsanordnung gemäß 11 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnunggemäß 1 dahingehend, dass eine Schalteranordnung 53 mitdem positiven Anschluss T1 des Sensorelements 10 verbundenist, wobei der Strommesswiderstand 22 mit einem der Schalteranschlüsse derSchalteranordnung 53 und ein Strom-Umschaltkreis 51 mitdem anderen Schalteranschluss verbunden sind. Der Strom-Umschaltkreis 51 ändert während derBerechnung der Elementimpedanz alternierend den Elementstrom aufder Basis eines vom Mikrocomputer oder dergleichen abgegebenen Strom-Umschaltsignals.Eine Impedanzmessspannungs-Ausgabeschaltung 52 istmit dem Punkt C verbunden. Das Ausgangssignal dieser Impedanzmessspannungs-Ausgabeschaltung 52 stelltein Impedanzmessspannungs-Ausgangssignaldar. Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnungwird die durch die StromänderungherbeigeführteSpannungsänderung(Impedanzmessspannungs-Ausgangssignal) überwacht,die währendder Berechnung der Elementimpedanz gemessen wird.
    [0079] Die überwachteSpannungsänderungkann dann als Basis fürdie Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands im Sensor-Steuersystem dienen. Wennnämlichim Sensor-Steuersystem ein Störzustandwie ein Stromversorgungs-Kurzschluss oder Masseschluss an dem positivenund/oder negativen Anschluss des Sensorelements 10 oderein Anschluss-Kurzschluss zwischen dem positiven und dem negativenAnschluss vorliegt, erfolgt bei der Ermittlung der Elementimpedanzwährendder Stromänderungkeine entsprechende Spannungsänderung.Dieser Umstand kann zur Ermittlung des Vorliegens eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem herangezogen werden. Außerdem ermöglicht auch der berechneteWert der Elementimpedanz oder der bei der alternierenden Änderungdes Sensorelementstroms erhaltene Messwert des Elementstroms die Ermittlungdes Vorliegens eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem.
    [0080] Wennein Kurzschluss-Störzustandvorliegt, ändertsich z.B. auch das Ausgangssignal der Impedanzmessstrom-Ausgabeschaltung 32 gemäß 1 nicht mehr, sodass sichauch die A/D-Eingangssignale des Mikrocomputers 220 nichtmehr ändern.Das Vorliegen von unverändertenA/D-Eingangssignalen ermöglicht ebenfallsdie Ermittlung des Vorliegens eines Störzustands im Sensor-Steuersystem.
    [0081] Dievorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielebeziehen sich zwar auf einen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor mit der Sensorelementstruktur gemäß 2, jedoch kann die Erfindungauch bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor mit anderen SensorelementstrukturenVerwendung finden. So kann z.B. die Erfindung außer bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensormit einer einzigen Schicht eines Festelektrolytelements auch beieinem zwei oder drei Schichten des Festelektrolytelements aufweisendenLuft-Kraftstoffverhältnis-SensorVerwendung finden. Ferner kann die Erfindung außer bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einerLaminatstruktur auch bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einer becherförmigen Strukturverwendet werden. Die Erfindung bezieht sich außerdem auch auf einen sogenanntenO2-Sensor, der in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentrationin den Abgasen zwischen den Sensorelement-Elektroden eine Quellenspannung(EMK) erzeugt.
    [0082] Nachstehendwerden Ausführungsbeispiele für andereSensoren näherbeschrieben. 12 zeigteinen Sensor 60, der in zwei Schichten angeordnete Festelektrolyten 61, 62 aufweist.Ein Festelektrolyt 61 umfasst zwei Elektroden 63, 64,die an seinen Seiten einander gegenüberliegend angeordnet sind,währendder andere Festelektrolyt 62 zwei Elektroden 65 und 66 aufweist,die an seinen Seiten einander gegenüberliegend angeordnet sind.Die Elektroden 63 bis 65 sind in 12 in zwei Bereichen symmetrisch zueinanderverlaufend dargestellt, wobei jedoch jeweils zwei symmetrische Elektrodenin einem senkrecht zur Zeichenebene von 12 angeordneten beliebigen Bereich zurBildung einer einzigen Elektrode miteinander verbunden sind. Bei demSensorelement 60 umfasst eine Pumpzelle 71 denFestelektrolyten 61 und die Elektroden 63, 64, während eineSauerstoff-Messzelle 72 den Festelektrolyten 62 unddie Elektroden 65 und 66 umfasst. Die Elektroden 63 bis 66 sindjeweils mit einer Sensor-Steuerschaltung 80 verbunden.Das Sensorelement 60 ist wie das vorstehend beschriebeneSensorelement 10 in Form einer laminierten Schichtanordnungaufgebaut. In 12 bezeichnendie Bezugszahl 67 eine Gas-Einlassöffnung, die Bezugszahl 68 eineporöseDiffusionsschicht, die Bezugszahl 69 einen Luftkanal unddie Bezugszahl 70 ein Heizelement. Die Sauerstoff-Messzelle 72 wirdallgemein auch als EMK-Zelle oder als Sauerstoffkonzentrations-Messzellebezeichnet.
    [0083] BeiLuft-Kraftstoffverhältnis-Sensorenmit dem vorstehend beschriebenen Sensorelementaufbau erzeugt dieSauerstoff-Messzelle 72 inAbhängigkeitvom Vorliegen von in Bezug auf den stöchiometrischen Wert magerenoder angereicherten bzw. fetten Abgasen ein Quellenspannungs-Ausgangssignalmit zwei Werten (0 V oder 0,9 V). Bei mageren Abgasen erzeugt dieSauerstoff-Messzelle 72 z.B. ein niedrigeres Quellenspannungs-Ausgangssignal, während beifetten bzw. angereicherten Abgasen ein höheres Quellenspannungs-Ausgangssignal erzeugt wird.Hierbei steuert die Sensor-Steuerschaltung 80 diean die Pumpzelle 71 angelegte Klemmenspannung dahingehend,dass die Sauerstoff-Messzelle 72 die Quellenspannung für den stöchiometrischenWert (0,45 V) erzeugt.
    [0084] 13 zeigt den Aufbau einesAusführungsbeispielsder Sensor-Steuerschaltung 80, mit dessen Hilfe der durchdie Sauerstoff-Messzelle 72 fließende Strom sowohl in den positivenals auch in den negativen Bereich hinein gesteuert werden kann.Die Klemmenspannung der Pumpzelle 71 und der Sauerstoff-Messzelle 72 ermöglicht hierbeidie jeweilige Berechnung der Elementimpedanz der Pumpzelle 71 undder Sauerstoff-Messzelle 72.
    [0085] Beider Schaltungsanordnung gemäß 13 ist mit einem der Anschlüsse (derElektrode 63 gemäß 12) der Pumpzelle 71 einOperationsverstärker 81 verbunden,mit dem wiederum ein Bezugsspannungs-Generatorabschnitt 82 zurErzeugung einer Bezugsspannung sowie ein Quellenspannungs- Messabschnitt 83 zurMessung der Quellenspannung der Sauerstoff-Messzelle 72 verbunden sind.Hierbei steuert die Sensor-Steuerschaltung 80 den über diePumpzelle 71 fließendenStrom (Pumpzellenstrom) zur Erzeugung einer konstanten Quellenspannung(von 0,45 V) der Sauerstoff-Messzelle 72.Der Pumpzellenstrom verändertdie Spannung an einem. Punkt A gemäß 13, die als Luft-Kraftstoffverhältnis-Messwert abgegeben wird.Auf diese Weise kann ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignal erhaltenwerden, das der jeweiligen Sauerstoffkonzentration in den Abgasen(dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis)entspricht.
    [0086] EinOperationsverstärker 84 bildetzusammen mit einem Kondensator 85 eine Abtast/Speicherschaltung,die die Quellenspannung der Sauerstoff-Messzelle 72 direktvor der Ermittlung der Impedanz der Sauerstoff-Messzelle 72 speichernund festhalten kann. Übereine Schalteranordnung 86 erfolgt eine Umschaltung derSteuerschaltung zwischen dem normalen Betriebszustand, bei dem dieSauerstoffkonzentration gemessen wird, und dem Betriebszustand,bei dem die Elementimpedanz gemessen wird. Durch. Umschaltung aufden Punkt B gemäß 13 kann die Quellenspannungder Sauerstoff-Messzelle 72 zur Bildung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Ausgangssignalsgemessen werden, das der Sauerstoffkonzentration in den Abgasenin der vorstehend beschriebenen Weise entspricht. Durch Umschaltungauf den Punkt C kann die Sauerstoff-Messzelle 72 mit einemalternierend sich änderndenStrom beaufschlagt werden, der von einem Strom-Umschaltkreis 87 abgegebenwird. Der Strom-Umschaltkreis 87 kann hierbei einen Konstantstrommit sowohl positiver als auch negativer Polarität abgeben und den Strom miteiner Frequenz von einigen Kilo-Hertz alternierend umschalten. Dervon dem Strom-Umschaltkreis 87 herbeigeführte Stromsteuerbetragwird dann als Stromsteuerbetrags-Ausgangssignal detektiert.
    [0087] Wenndie Schalteranordnung 86 auf den Punkt C umgeschaltet ist,wird die Klemmenspannung der Pumpzelle 71 als Pumpzellenimpedanz-Ausgangssignalund die Klemmenspannung der Sauerstoff-Messzelle 72 alsSauerstoffmesszellenimpedanz-Ausgangssignal erfasst. Die Klemmenspannungder Pumpzelle 71 und der Stromsteuerbetrag des Strom-Umschaltkreises 87 ermöglichen danndie Berechnung der Elementimpedanz der Pumpzelle 71, während dieKlemmenspannung der Sauerstoff-Messzelle 72 und der Stromsteuerbetrag desStrom-Umschaltkreises 87 die Berechnung der Elementimpedanzder Sauerstoff-Messzelle 72 ermöglichen.
    [0088] Wennbei der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung z.B. ein Stromversorgungs-Kurzschlussan einem Anschluss oder beiden Anschlüssen der Pumpzelle 71 oderder Sauerstoff-Messzelle 72 auftritt, wird keine Änderungder Klemmenspannung mehr erhalten, da die Stromversorgung einengrößeren Stromabgibt als der Strom-Umschaltkreis 87 bewältigen kann.In diesem Falle wird der Stromsteuerbetrag modifiziert und auf einenvorgegebenen Wert festgelegt, wobei dieser modifizierte Wert zurBerechnung der Elementimpedanz verwendet wird. Die auf diese Weiseberechnete Elementimpedanz nimmt hierbei einen Wert an, der deutlichunter dem üblichenWert liegt. Dieser Rechenwert ermöglicht die Bestimmung des Vorliegens einesStörzustandsim Sensor-Steuersystem. Der auf den vorgegebenen Wert festgelegteStromsteuerbetrag ermöglichtwiederum die Bestimmung, dass es sich bei dem Störzustand um einen Kurzschluss-Störzustandhandelt. Außerdemkann das Vorliegen eines Störzustandsauch ermittelt werden, wenn an einem Anschluss oder beiden Anschlüssen derPumpzelle 71 oder der Sauerstoff-Messzelle 72 einMasseschluss oder ein Kurzschluss von Anschluss zu Anschluss auftritt.
    [0089] Wievorstehend beschrieben, kann auch mit Hilfe der Ausgestaltung desSensorelements gemäß 12 und der Ausgestaltungder Sensor-Steuerschaltung gemäß 13 eine geeignete Ermittlung desVorliegens eines Kurzschluss-Störzustandsan jedem Anschluss des Sensorelements erfolgen.
    [0090] Fernerkann das Sensorelement auch den in 14 veranschaulichtenAufbau aufweisen. 14 zeigtein Sensorelement 90, das drei Schichten aus Festelektrolyten 101, 102 und 103 aufweist.Der Festelektrolyt 101 umfasst zwei Elektroden 104 und 105, diean seinen Seiten einander gegenüberliegendangeordnet sind, währendder Festelektrolyt 102 zwei Elektroden 106 und 107 umfasst,die an seinen Seiten einander gegenüberliegend angeordnet sind.Bei dem Sensorelement 90 umfasst eine Pumpzelle 111 denFestelektrolyten 101 und die Elektroden 104 und 105,währendeine Sauerstoff-Messzelle 112 den Festelektrolyten 102 unddie Elektroden 106 und 107 umfasst. Der Festelektrolyt 103 bildetdas Wandmaterial füreine Sauerstoff-Referenzkammer 108. Das Sensorelement 90 istwie das vorstehend beschriebene Sensorelement 10 oder dergleichenin Form einer laminierten Schichtanordnung aufgebaut. In 14 bezeichnet die Bezugszahl 109 eineporöse Diffusionsschicht,währenddie Bezugszahl 110 eine Gasmesskammer bezeichnet. Die Sauerstoff-Messzelle 112 wirdwie die vorstehend beschriebene Sauerstoff-Messzelle 72 gemäß 12 allgemein auch als EMK-Zelleoder Sauerstoffkonzentrations-Messzelle bezeichnet. Die Schaltungsanordnungfür das Sensorelement 90 entsprichtim wesentlichen der Schaltungsanordnung gemäß 13, sodass sich eine Beschreibung erübrigt.
    [0091] 15 zeigt ein Ausführungsbeispieleiner Sensor-Steuerschaltung,bei der die alternierende Spannung an das Sensorelement zur Impedanzermittlungkontinuierlich angelegt wird. Mit dem Sensorelement 10 isteine Reihenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle 131,einer Wechselspannungsquelle 132 und einem Widerstand 133 verbunden.Die beiden Anschlüssedes Widerstands 133 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 134 verbunden.Der Ausgang des Differenzverstärkers 134 istmit einem Tiefpassfilter (TPF) 135 und einem Hochpassfilter(HPF) 137 verbunden. Das Tiefpassfilter 135 unterdrückt denWechselstrom- oder Wechselspannungsanteil in dem am Widerstand 133 abfallendenMesssignal. Auf diese Weise bildet das Tiefpassfilter 135 dieder Sauerstoffkonzentration in den Abgasen (dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis) entsprechendeSignalkomponente und führtdieses Signal einer Luft-Kraftstoffverhältnis-Messschaltung 136 zu, die sodanndie Sauerstoffkonzentration aus dem von dem Tiefpassfilter 135 abgegebenenSignal ermittelt. Das Hochpassfilter 137 filtert nur denWechselstrom- oder Wechselspannungsanteil aus dem am Widerstand 133 abfallendenMesssignal heraus und führtdieses ausgefilterte Signal einer Impedanz-Messschaltung 138 zu, die sodanndie Elementimpedanz aus dem von dem Hochpassfilter 137 abgegebenenSignal ermittelt.
    [0092] MitHilfe der in der in 15 veranschaulichtenWeise aufgebauten Sensor-Steuerschaltung kann ebenfalls eine geeigneteErmittlung eines Kurzschluss-Störzustandsbei jedem Anschluss des Sensorelements durch Überwachung der spannungssteuerseitigen Änderungund der sich dabei ergebenden ansprechseitigen Änderung erfolgen.
    [0093] DerO2-Sensor umfasst hierbei z.B. einen Klemmenspannungs-Umschaltkreis (oder Strom-Umschaltkreis)auf der Seite eines Anschlusses des Sensorelements. Außerdem umfasstder Sensor auf der Seite des anderen Anschlusses eine Messschaltungfür dievon der Klemmenspannungsumschaltung (oder Stromumschaltung) herbeigeführte Stromänderung(oder Spannungsänderung).Vorzugsweise kann dann die Berechnung der Elementimpedanz und dieErmittlung des Vorliegens eines Störzustands im Sensor-Steuersystemmit Hilfe des Steuersignals fürdie Klemmenspannung (oder den Strom) und des sich ergebenden Ansprechsignalserfolgen.
    [0094] Außer beieinem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorzur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration kann die Erfindung auchbei Gaskonzentrationssensoren zur Messung der Konzentration vonanderen Gasbestandteilen Verwendung finden. Ein Mehrfach-Gaskonzentrationssensorumfasst z.B. eine Vielzahl von Zellen aus Festelektrolytelementen.Von diesen Zellen misst eine erste Zelle (Pumpzelle) die Sauerstoffkonzentration,wobei sie Sauerstoff aus dem Messgas abführt oder in das Messgas einleitet, während einezweite Zelle (Sensorzelle) die Konzentration eines spezifischenGasbestandteils in dem sauerstoffarmen Gas ermittelt. Dieser Gassensor kannz.B. in Form eines NOx-Sensorszur Messung der NOx-Konzentration im Abgas eingesetzt werden. DieErfindung bezieht sich demzufolge auch auf eine zweckmäßige Ermittlungdes Vorliegens eines Störzustandsim Sensor-Steuersystem eines solchen NOx-Sensors. In diesem Falle kann die Elementimpedanzvorzugsweise bei einer beliebigen Zelle wie der ersten Zelle und/oderder zweiten Zelle ermittelt werden. Der Gaskonzentrationssensorkann im übrigeneine Vielzahl von Zellen aufweisen, die zusätzlich zu der vorstehend beschriebenenersten und zweiten Zelle eine dritte Zelle (Überwachungszelle oder zweitePumpzelle) zur Ermittlung der verbleibenden Konzentration von Restsauerstoffin dem sauerstoffarmen Gas umfasst.
    [0095] Außer beieinem Gaskonzentrationssensor zur Ermittlung der NOx-Konzentrationkann die Erfindung auch bei Gaskonzentrationssensoren Anwendungfinden, mit deren Hilfe sich die Konzentration von anderen spezifischenGasbestandteilen wie eine HC-Konzentration oder eine CO-Konzentration messenlässt.In diesem Falle führtdie Pumpzelle überschüssigen Sauerstoffin dem Messgas ab, während dieSensorzelle HC oder CO in dem von dem überschüssigen Sauerstoff befreitenGas zur Messung der HC-Konzentrationoder CO-Konzentration aufspaltet. Darüber hinaus kann die Erfindungnicht nur bei Gaskonzentrationsmessgeräten für Kraftfahrzeuge, sondern auchbei Gaskonzentrationsmessgerätenanderer Art zur Messung anderer Gase als der Abgase eines KraftfahrzeugsVerwendung finden.
    [0096] ImRahmen der vorstehenden Beschreibung wird auf die Offenbarung derjapanischen Patentanmeldungen 2003-96 375 vom 31. März 2003und 2004-39 566 vom 17. Februar 2004 in ihrer Gesamtheit Bezug genommen.
    [0097] Beidem vorstehend beschriebenen Gaskonzentrationsmessgerät wird somiteine Spannung an Elektroden eines Sensorelements angelegt. Hierbei wirdeine Änderungentweder bei der angelegten Klemmenspannung oder bei einem Elementstrom herbeigeführt. InAbhängigkeitvon der herbeigeführten Änderungwird der sich hierbei ergebende Änderungsbetrageines jeweiligen Stromwertes und Spannungswertes gemessen. Der Widerstandswertdes Sensorelements wird dann auf der Basis des Verhältnisseszwischen den Änderungsbeträgen desStromwertes und des Spannungswertes berechnet. Eine Detektoreinheitermittelt das Vorliegen eines Störzustands inBezug auf die Steuerung des Sensors unter Verwendung des Änderungsbetragsdes Stromwertes und/oder des Spannungswerts.
    权利要求:
    Claims (18)
    [1] Gaskonzentrationsmessgerät mit einem Gaskonzentrationssensor,der ein Sensorelement zur Ermittlung der Konzentration eines zumessenden Gases mit einem Festelektrolytelement und einem oder mehreren,an dem Festelektrolytelement angeordneten Elektrodenpaaren aufweist,gekennzeichnet durch eine Steuereinheit, die zur Steuerungeiner an mit den Elektroden des Sensorelements verbundene positiveund/oder negative Anschlüsseangelegten Spannung ausgestaltet ist, eine Messeinheit, diedahingehend ausgestaltet ist, dass entweder ein von der angelegtenSpannung entsprechend der Konzentration eines spezifischen Bestandteilsdes Gases bewirkter Elementstrom jeweils gemessen wird, wenn dasAnlegen der Spannung unter Steuerung der angelegten Spannung erfolgt,oder eine zwischen den Elektroden des Sensorelements entsprechendder Konzentration des spezifischen Bestandteils des Gases erzeugteQuellenspannung gemessen wird, wenn das Anlegen der Spannung unterSteuerung der angelegten Spannung erfolgt, eine Veränderungseinheit,die zur Herbeiführungeiner Änderungentweder der an das Sensorelement angelegten Spannung oder des über dasSensorelement fließendenElementstroms ausgestaltet ist, eine Änderungsbetrags-Messeinheit,die zur Messung eines durch die entweder bei der angelegten Spannungoder dem Elementstrom herbeigeführte Änderungbewirkten Änderungsbetragseines Stromwertes und eines Spannungswertes ausgestaltet ist, eineRecheneinheit, die zur Berechnung des Betrags einer Widerstandskomponentein Bezug auf den durch das Sensorelement fließenden Elementstrom auf derBasis des Verhältnisseszwischen den Änderungsbeträgen desStromwerts und des Spannungswertes ausgestaltet ist, und eineDetektoreinheit, die zur Ermittlung eines Störzustands in Bezug auf dieSteuerung des Sensors durch Verwendung einer auf die Berechnungdes Betrages der von der Recheneinheit berechneten Widerstandskomponentebezogenen Information ausgestaltet ist.
    [2] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die auf die Berechnung des Betrages der Widerstandskomponentebezogene Information den Änderungsbetragdes Stromwertes und/oder des Spannungswertes darstellt und dieDetektoreinheit eine Überwachungseinheit,die zur Überwachungdes von der Messeinheit gemessenen Änderungsbetrages entweder desStromwertes oder des Spannungswertes ausgestaltet ist, und eineBestimmungseinheit aufweist, die zur Bestimmung des Vorliegens einesStörzustandsauf der Basis des von der Überwachungseinheit überwachten Änderungsbetragesausgestaltet ist.
    [3] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Bestimmungseinheit dahingehend ausgestaltetist, dass die Feststellung des Vorliegens eines Störzustandsgetroffen wird, wenn der Änderungsbetragentweder des Stromwertes oder des Spannungswertes gleich Null istoder einem im wesentlichen als Null zu betrachtenden Wert entspricht.
    [4] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine mit dem positivenund dem negativen Anschluss des Sensorelements verbundene Rückkopplungsverstärkerschaltungaufweist, über diedie Spannung an das Sensorelement angelegt wird, die Messeinheitzur Messung entweder des Stromwertes oder des Spannungswertes inAbhängigkeit vonder entweder bei der angelegten Spannung oder dem Elementstrom herbeigeführten Änderungin einem ausgangsseitigen Bereich der Rückkopplungsverstärkerschaltungausgestaltet ist, und die Bestimmungseinheit dahingehend ausgestaltet ist,dass die Feststellung des Vorliegens eines Störzustands getroffen wird, wennder in dem ausgangsseitigen Bereich der Rückkopplungsverstärkerschaltunggemessene Stromwert oder Spannungswert auf einem Grenzwert oderdergleichen des Betriebsbereichs der Rückkopplungsverstärkerschaltungfestgehalten wird.
    [5] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 4, dadurchgekennzeichnet, dass die Rückkopplungsverstärkerschaltungdahingehend ausgeschaltet ist, dass ihr Ausgangssignal auf einenvorgegebenen Bereich begrenzt ist.
    [6] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass die Änderungsbetrags-Messeinheiteine Steuerbetrags-Messeinheit aufweist, die dahingehend ausgestaltetist, dass ein tatsächlicherSteuerbetrag der angelegten Spannung oder des Sensorstroms gemessenwird, wenn die Änderungentweder bei der angelegten Spannung oder dem Sensorstrom herbeigeführt wird,und die Bestimmungseinheit dahingehend ausgestaltet ist, dassdie Feststellung des Vorliegens eines Störzustands auf der Basis desvon der Überwachungseinheit überwachten Änderungsbetragesentweder des Stromwertes oder des Spannungswertes und des von derSteuerbetrags-Messeinheit gemessenen tatsächlichen Steuerbetrags entwederdes Sensorstroms oder der angelegten Spannung getroffen wird.
    [7] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die auf die Berechnung des Betrages der Widerstandskomponentebezogene Information den Betrag der Widerstandskomponente selbstdarstellt und dass die Detektoreinheit zur Ermittlung eines Störzustandsauf der Basis des Betrages der Widerstandskomponente selbst ausgestaltetist.
    [8] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 7, dadurchgekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine mit dem positivenund dem negativen Anschluss des Sensorelements verbundene Rückkopplungsverstärkerschaltungaufweist, über diedie Spannung an das Sensorelement angelegt wird, die Messeinheitzur Messung entweder des Stromwertes oder des Spannungswertes inAbhängigkeit vonder entweder bei der angelegten Spannung oder dem Elementstrom herbeigeführten Änderungin einem ausgangsseitigen Bereich der Rückkopplungsverstärkerschaltungausgestaltet ist, und die Rückkopplungsverstärkerschaltungdahingehend ausgeschaltet ist, dass ihr Ausgangssignal auf einen vorgegebenenBereich begrenzt ist.
    [9] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 7, dadurchgekennzeichnet, dass die Änderungsbetrags-Messeinheiteine Steuerbetrags-Messeinheit aufweist,die dahingehend ausgestaltet ist, dass ein tatsächlicher Steuerbetrag der angelegtenSpannung oder des Sensorstroms gemessen wird, wenn die Änderungentweder bei der angelegten Spannung oder dem Sensorstrom herbeigeführt wird,und die Detektoreinheit eine Bestimmungseinheit, die zur Durchführung einerBeurteilung dahingehend ausgestaltet ist, ob ein ungewöhnlicherWert des tatsächlichenSteuerbetrages vorliegt oder nicht, und eine Verarbeitungseinheitaufweist, die zur Abänderungdes tatsächlichenSteuerbetrages auf einen vorgegebenen Wert, Berechnung eines Betragesder Widerstandskomponente durch Verwendung des vorgegebenen Wertesdes tatsächlichenSteuerbetrages und Ermittlung eines Störzustands in Bezug auf dieSteuerung des Sensors auf der Basis des sich aus dem vorgegebenenWert des tatsächlichenSteuerbetrages ergebenden Betrages der Widerstandskomponente ausgestaltetist.
    [10] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 9, dadurchgekennzeichnet, dass die Bestimmungseinheit eine Einheit aufweist,die zur Feststellung des Vorliegens eines ungewöhnlichen Wertes des tatsächlichenSteuerbetrages bei einem unter einem vorgegebenen Schwellenwertliegenden tatsächlichenSteuerbetrag ausgestaltet ist, und die Verarbeitungseinheiteine Einheit aufweist, die zur Abänderung des tatsächlichenSteuerbetrages auf den vorgegebenen Wert in Fällen, bei denen die Bestimmungseinheiteinen ungewöhnlichenWert des tatsächlichenSteuerbetrages feststellt, ausgestaltet ist.
    [11] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 10, gekennzeichnetdurch eine Einheit, die dahingehend ausgestaltet ist, dass das Vorliegeneines einen Kurzschluss in den Anschlüssen des Sensorelements betreffendenStörzustandsfestgestellt wird, wenn ein Störzustandin Bezug auf die Steuerung des Sensors ermittelt wird und ein ungewöhnlicher Wertdes tatsächlichenSteuerbetrags vorliegt.
    [12] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 9, dadurchgekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine mit dem positivenund dem negativen Anschluss des Sensorelements verbundene Rückkopplungsverstärkerschaltungaufweist, über diedie Spannung an das Sensorelement angelegt wird, die Messeinheitzur Messung entweder des Stromwertes oder des Spannungswertes inAbhängigkeit vonder entweder bei der angelegten Spannung oder dem Elementstrom herbeigeführten Änderungin einem ausgangsseitigen Bereich der Rückkopplungsverstärkerschaltungausgestaltet ist, und die Rückkopplungsverstärkerschaltungdahingehend ausgeschaltet ist, dass ihr Ausgangssignal auf einen vorgegebenenBereich begrenzt ist.
    [13] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die Änderungsbetrags-Messeinheiteine Steuerbetrags-Messeinheitaufweist, die dahingehend ausgestaltet ist, dass ein tatsächlicherSteuerbetrag der angelegten Spannung oder des Sensorstroms gemessenwird, wenn die Änderungentweder bei der angelegten Spannung oder dem Sensorstrom herbeigeführt wird,wobei der tatsächlicheSteuerbetrag als die auf die Berechnung des Betrages der Widerstandskomponentebezogene Information sowie als Änderungsbetragdes Stromwertes oder des Spannungswertes dient, und die Detektoreinheitzur Ermittlung eines Störzustandsunter Bezugnahme auf den tatsächlichenSteuerbetrag ausgestaltet ist.
    [14] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 13, dadurchgekennzeichnet, dass die Detektoreinheit eine Bestimmungseinheitaufweist, die dahingehend ausgestaltet ist, dass das Vorliegen einesStörzustandsfestgestellt wird, wenn der tatsächliche SteuerbetragNull ist oder einem Wert entspricht, der im wesentlichen als Nullbetrachtet werden kann.
    [15] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 13, dadurchgekennzeichnet, dass die Steuereinheit eine mit dem positivenund dem negativen Anschluss des Sensorelements verbundene Rückkopplungsverstärkerschaltungaufweist, über diedie Spannung an das Sensorelement angelegt wird, die Messeinheitzur Messung entweder des Stromwertes oder des Spannungswertes inAbhängigkeit vonder entweder bei der angelegten Spannung oder dem Elementstrom herbeigeführten Änderungin einem ausgangsseitigen Bereich der Rückkopplungsverstärkerschaltungausgestaltet ist, und die Bestimmungseinheit dahingehend ausgestaltet ist,dass die Feststellung des Vorliegens eines Störzustands getroffen wird, wennder in dem ausgangsseitigen Bereich der Rückkopplungsverstärkerschaltunggemessene Stromwert oder Spannungswert auf einem Grenzwert oderdergleichen des Betriebsbereichs der Rückkopplungsverstärkerschaltungfestgehalten wird.
    [16] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass die Widerstandskomponente in Bezug auf dendurch das Sensorelement fließendenElementstrom die Impedanz oder die Admittanz des Sensorelementsist.
    [17] Gaskonzentrationsmessgerät mit einem Gaskonzentrationssensor,der ein Sensorelement zur Ermittlung der Konzentration eines zumessenden Gases mit einem Festelektrolytelement und einem oder mehreren,an dem Festelektrolytelement angeordneten Elektrodenpaaren aufweist,gekennzeichnet durch eine Steuereinheit, die zur Steuerungeiner an mit den Elektroden des Sensorelements verbundene positiveund/oder negative Anschlüsseangelegten Spannung ausgestaltet ist, eine Messeinheit, diedahingehend ausgestaltet ist, dass entweder ein von der angelegtenSpannung entsprechend der Konzentration eines spezifischen Bestandteilsdes Gases bewirkter Elementstrom jeweils gemessen wird, wenn dasAnlegen der Spannung unter Steuerung der angelegten Spannung erfolgt,oder eine zwischen den Elektroden des Sensorelements entsprechendder Konzentration des spezifischen Bestandteils des Gases erzeugteQuellenspannung gemessen wird, wenn das Anlegen der Spannung unterSteuerung der angelegten Spannung erfolgt, eine Veränderungseinheit,die zur Herbeiführungeiner Änderungentweder der an das Sensorelement angelegten Spannung oder des über dasSensorelement fließendenElementstroms ausgestaltet ist, eine Änderungsbetrags-Erfassungseinheit,die zur Erfassung eines durch die entweder bei der angelegten Spannungoder dem Elementstrom herbeigeführte Änderungbewirkten Änderungsbetragseines Stromwertes und/oder eines Spannungswertes ausgestaltet ist,und eine Detektoreinheit, die zur Ermittlung eines Störzustandsin Bezug auf die Steuerung des Sensors durch Verwendung einer aufden von der Änderungsbetrags-Erfassungseinheiterfassten Änderungsbetragbezogenen Information ausgestaltet ist.
    [18] Gaskonzentrationsmessgerät nach Anspruch 17, dadurchgekennzeichnet, dass die Änderungsbetrags-Erfassungseinheitvon einer Änderungsbetrags-Messeinheitgebildet wird, die zur Messung des durch die entweder bei der angelegtenSpannung oder dem Elementstrom herbeigeführte Änderung bewirkten Änderungsbetragsdes Stromwertes und/oder Spannungswertes ausgestaltet ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP4093190B2|2008-06-04|
    US20040217001A1|2004-11-04|
    JP2004317488A|2004-11-11|
    US7445698B2|2008-11-04|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-01-20| 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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