DE19921986B4

DE19921986B4 - Widerstandserfassungsvorrichtung für Luft/Kraftstoffverhältnissensor

Info

Publication number: DE19921986B4
Application number: DE19921986A
Authority: DE
Inventors: Keiichiro Toyota Aoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-11
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2019-05-13
Also published as: DE19921986A1; US6382015B1

Abstract

Vorrichtung (100) zur Erfassung eines Widerstandes eines Luft-/Kraftstoffverhältnissensors (101), der ein durch eine Heizeinrichtung (104) zu aktivierendes Sensorelement (102) umfasst, durch das ein Strom fließt, der proportional zu einer Sauerstoffkonzentration eines über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoffgemisches ist, wobei die Vorrichtung (100) folgendes umfasst:
– eine Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses des über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoff-Gemisches, durch Anlegen einer ersten Spannung an das Sensorelement (102);
– eine Widerstandserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Widerstandes des Sensorelementes (102) durch Anlegen einer zweiten Spannung an das Sensorelement (102); und
– eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand einem Durchsatz (ga) oder einem Absolutdruck (PM) des über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoffgemisches und zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand dem von der Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfassten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Widerstands eines Luft/Kraftstoffverhältnissensors wie beispielsweise eines die Sauerstoffkonzentration erfassenden Sensorelements, das zur Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses eines Abgases verwendet wird.
Damit ein im Abgassystem eines Motors angeordneter Katalysator eine größtmögliche Menge an Schadstoffen (wie beispielsweise Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxiden (NO_x) und dergleichen), wie sie bei Abgasemissionen auftreten, entfernen kann, verwenden derzeitige Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerungstechnologien einen in dem Abgassystem angeordneten Luft/Kraftstoffverhältnissensor und führen eine derartige Regelung durch, dass das durch den Luft/Kraftstoffverhältnissensor erfasste Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu einem Luft/Kraftstoff-Sollverhältnis wie zum Beispiel dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältniswert wird. Ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor, wie er bei diesen Technologien normalerweise zum Einsatz kommt, stellt ein Sensorelement einer Grenzstrombauart dar, das einen Grenzstrom ausgibt, der zu der Sauerstoffkonzentration in dem vom Motor kommenden Abgas proportional ist. Das Sensorelement der Grenzstrombauart ermöglicht es, das Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases beruhend auf der erfassten Sauerstoffkonzentration über einen großen Bereich linear zu erfassen. Das Sensorelement der Grenzstrombauart ist daher nützlich, um die Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerungsgenauigkeit zu verbessern oder um eine Magerverbrennungssteuerung durchzuführen.
Bei dem Sensorelement ist es erforderlich, dass das Element in einem aktiven Zustand gehalten wird, um eine hochpräzise Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses aufrechtzuerhalten. Wenn der Motor gestartet wird, wird das Element typischerweise sofort durch Elektrifizierung einer an dem Element angebrachten Heizeinrichtung erwärmt, damit das Element schnell aktiviert wird. Die Elektrifizierung der Heizeinrichtung wird dann gesteuert, um so den aktiven Zustand des Elements aufrechtzuerhalten.
27 zeigt eine grafische Darstellung, die die Wechselbeziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand von Sensorelementen wiedergibt. Die Temperatur und der Widerstand eines Sensorelements zeigen normalerweise eine Wechselbeziehung, wie sie durch die Linie A in 27 gekennzeichnet ist, d. h. einen Zusammenhang, bei dem mit einem Anstieg der Elementtemperatur der Elementwiderstand sinkt. Auf diesem Zusammenhang beruhend erfasst die vorstehend genannte Heizeinrichtungs-Elektrifizierungssteuerung den Elementwiderstand und leitet daraus eine Elementtemperatur her, wobei derart eine Regelung erfolgt, dass die hergeleitete Elementtemperatur zu einer gewünschten Aktivierungstemperatur von beispielsweise 700°C wird. Falls der Elementwiderstand Zac beispielsweise größer oder gleich 30 Ω ist (Zac ≥ 30), d. h. größer oder gleich dem Elementwiderstand ist, der der anfänglichen Steuerungselementtemperatur von 700°C entspricht, falls also die Elementtemperatur wie durch die Linie A in 27 gekennzeichnet kleiner oder gleich 700°C ist, wird die Heizeinrichtung elektrifiziert. Falls Zac kleiner als 30 Ω ist (Zac < 30), falls also die Elementtemperatur höher als 700°C liegt, wird die Elektrifizierung der Heizeinrichtung unterbrochen. Durch diese Steuerung wird die Elementtemperatur auf größer oder gleich 700°C, d. h. der Aktivierungstemperatur des Elements, gehalten, so dass der aktive Zustand des Elements aufrechterhalten wird. Während der Elektrifizierung der Heizeinrichtung wird die Energiezuführungsmenge bestimmt, die zur Beseitigung der Abweichung des Elementwiderstands von dem Sollwert (d. h. Zac – 30) benötigt wird, wobei eine Auslastungsteuerung erfolgt, damit der Heizeinrichtung diese Energiemenge zugeführt wird.
Ein Verfahren zur Erfassung der Temperatur eines Sauerstoffkonzentrationssensors ist zum Beispiel in der JP-A-09-292364 offenbart, wonach der Widerstand des Sensorelements erfasst wird, indem an das Element eine zur Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses dienende Gleichspannung zusammen mit einer überlagernden Wechselspannung angelegt wird, die eine zur Erfassung der Elementtemperatur geeignete Frequenz von beispielsweise 5 kHz aufweist, und nach der Wechselspannungsüberlagerung der durch das Element hindurchgehende Strom gemessen wird. Anhand der überlagerten Anlegespannung und des gemessenen Stroms wird ein Elementwiderstand erfasst.
Jedoch treten in Hinblick auf den Elementwiderstand, der durch das vorstehend genannte Verfahren zur Erfassung des Widerstands eines Sensorelements erfasst wird, die folgenden Probleme auf. Ein in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordneter Sauerstoffkonzentrationssensor unterliegt infolge von Abgaswärme oder einer Ablagerung an Innenteilen oder Oberflächen der Elektroden des Elements in Bezug auf Elektrodenabschnitte des Elements einer Alterungsschädigung, so dass sich die Wechselbeziehung zwischen dem Element und der Elementtemperatur wie durch die Linie B in 27 gekennzeichnet ändert. Das heißt, dass mit einer Schädigung des Sensorelements eine Abweichung der erfassten Elementwiderstandswerte auftritt. Darüber hinaus kommt es bei in Abgaswegen angeordneten Sauerstoffkonzentrationssensoren auch infolge der sich ändernden Abgasbedingungen, die von dem Ansaugluftstrom, dem Belastungszustand des Motors, dem Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases und dergleichen abhängen, zu Abweichungen bei den erfassten Widerstandswerten.
Die wie vorstehend beschriebenen Abweichungen der erfassten Widerstandswerte verursachen natürlich unerwünschte Ereignisse. Falls der Sollwiderstand zum Beispiel 30 Ω beträgt und der vorliegende wahre Elementwiderstand 30 Ω beträgt, kann der Elementwiderstand infolge einer wie vorstehend erwähnten Abweichung falsch mit 20 Ω erfasst werden, so dass die Elementtemperatur mit 800°C bestimmt wird. In diesem Fall wird die Heizeinrichtung derart gesteuert, dass die Elementtemperatur abnimmt. Falls diese Steuerung fortgesetzt wird, wird das Sensorelement auf eine Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur von 700°C abgekühlt, wodurch versäumt wird, den aktiven Zustand aufrechtzuerhalten. Dadurch verschlechtern sich die Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerungsgenauigkeit und die Abgasemissionen.
Aufgrund einer wie vorstehend erwähnten Abweichung kann der Elementwiderstand des weiteren, falls der Sollwiderstand 30 Ω beträgt und der vorliegende wahre Elementwiderstand 30 Ω ist, falsch mit 90 Ω erfasst werden, so dass die Elementtemperatur mit 600°C bestimmt wird. In diesem Fall wird die Heizeinrichtung derart gesteuert, dass die Elementtemperatur zunimmt. Falls diese Steuerung fortgesetzt wird, überschreitet die Sensorelementtemperatur die Aktivierungstemperatur von 700°C, d. h. das Sensorelement wird überhitzt. Dadurch beschleunigt sich die Schädigung des Sensorelements und verkürzt sich seine Betriebslebensdauer.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung bereitzustellen, durch die eine Schädigung des Sensorelements infolge einer Überhitzung des Sensorelements und eine Schädigung eines Heizeinrichtungswiderstands infolge einer übermäßigen Energiezuführung zu dem Heizeinrichtungswiderstand selbst dann verhindert werden, wenn das Sensorelement mit der Zeit geschädigt wird oder wenn sich der Zustand eines Erfassungsobjektgases ändert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung bereitzustellen, die bestimmt, ob der Luft/Kraftstoffverhältnissensor ausgefallen bzw. defekt ist.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 gelöst.
Diese Vorrichtung kann den Widerstand des Sensorelements erfassen, indem an das Sensorelement eine Spannung angelegt wird, die durch Überlagerung einer Gleichspannung mit einer Wechselspannung erhalten wird. In diesem Fall kann der Widerstand des Sensorelements innerhalb kurzer Zeit erfasst werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der gleiche Bezugszahlen gleichen Elementen entsprechen, näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors und der Heizeinrichtung, die in 1 gezeigt sind;
3A die Wellenform einer an das Sensorelement angelegten Eingangsspannung;
3B die Wellenform eines erfassten Ausgangsstroms von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor;
4A eine Schnittansicht eines Sensorelements;
4B eine ausgebrochene Vergrößerungsansicht eines Elektrolytabschnitts des Sensorelements;
5 ein Ersatzschaltbild des Sensorelements;
6 ein Diagramm, das die Widerstandskennwerte des Sensorelements wiedergibt;
7 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Widerstand und der Frequenz einer Eingangswechselspannung wiedergibt;
8 ein Diagramm der Spannung-Strom-Kennlinien des Luft/Kraftstoffverhältnissensors;
9 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer Sensorelement-Widerstandsberechnungsroutine;
10 ein Ablaufdiagramm einer Frequenzüberlagerungsoperation innerhalb der Sensorelement-Widerstandsberechnungsroutine;
11 ein Ablaufdiagramm einer ersten Unterbrechungsroutine, die zur Durchführung der Frequenzüberlagerungsoperation benötigt wird;
12 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Unterbrechungsroutine, die zur Durchführung Frequenzüberlagerungsoperation benötigt wird;
13 ein Zeitdiagramm einer Heizeinrichtungssteuerungsoperation;
14 ein Ablaufdiagramm einer Heizeinrichtungssteuerungssroutine;
15 ein Ablaufdiagramm einer Sensorelement-Temperaturregelungsroutine;
16 ein Ablaufdiagramm einer Sollwiderstandsberechnungsroutine;
17 eine Tabelle zur Herleitung eines Widerstandskorrekturbetrags anhand des Ansaugluftstroms;
18 eine Tabelle zur Herleitung eines Widerstandskorrekturbetrags anhand des Motorbelastungszustands;
19 eine Tabelle zur Herleitung eines Widerstandskorrekturbetrags anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses des Motors;
20 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer beim Start des Motors ausgeführten Elementschädigungskorrekturroutine;
21 ein Ablaufdiagramm des nachfolgenden Abschnitts der Elementschädigungskorrekturroutine;
22 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer Leerlauf-Elementschädigungskorrekturroutine;
23 ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer Fahrbetrieb-Elementschädigungskorrekturroutine;
24 ein Ablaufdiagramm einer Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Ausfallbestimmungsroutine;
25 ein Ablaufdiagramm einer Elementtemperatursteuerungs-Solllernwertberechnungsroutine;
26 eine Tabelle zur Herleitung eines Korrekturbetrags für den Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert anhand einer der Heizeinrichtung zugeführten mittleren elektrischen Energiemenge; und
27 eine grafische Darstellung, die eine Wechselbeziehung zwischen der Temperatur und dem Widerstand eines Sensorelements wiedergibt.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung.
Gemäß 1 weist ein Motor 1 einen Kolben 2, einen Zylinderkopf 3, eine Verbrennungskammer 4, einen Ansaugkrümmer 5 und einen Auspuffkrümmer 6 auf. Der Ansaugkrümmer 5 ist über einen Druckausgleichsbehälter 7, einen Ansaugkanal 8 und eine Luftstrommesseinrichtung 9 mit einem Luftreiniger 10 verbunden. In dem Ansaugkanal 8 ist eine Drosselklappe 11 angeordnet. An dem Ansaugkrümmer 5 ist ein Kraftstoffeinspritzventil 12 befestigt und zu einer Einlassöffnung 13 hin gerichtet. Der Auspuffkrümmer 6 ist mit einem Auspuffrohr 14 verbunden. In dem Auspuffrohr 14 ist ein Katalysator 15 angeordnet, der eine Dreiwege-Katalyseeinrichtung enthält, die gleichzeitig die Anteile an drei Abgaskomponenten, d. h. HC, CO und NO_x, senken und außerdem darin Sauerstoff speichern kann.
Eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) 100 wird von einem Digitalcomputer gebildet, der einen Festspeicher (ROM) 42, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 43, einen Sicherungsspeicher mit wahlfreiem Zugriff (B.RAM) 44, eine Zentraleinheit (CPU) 45, einen Eingabebaustein 46 und einen Ausgabebaustein 47 aufweist, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 41 verbunden sind. Die Luftstrommesseinrichtung 9 erzeugt eine zu dem Ansaugluftstrom proportionale Ausgangsspannung. Das Ausgangsspannungssignal wird über einen A/D-Wandler 48 in den Eingabebaustein 46 eingegeben. In einem stromaufwärts liegenden Abschnitt des Auspuffkrümmers 6 ist ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 angeordnet. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 erfasst die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas. Ein von dem Luft/Kraft stoffverhältnissensor 101 ausgegebenes Signal wird über den A/D-Wandler 48 in den Eingabebaustein 46 eingegeben.
Die Öffnung der in dem Ansaugkanal 8 angeordneten Drosselklappe 11 wird gemäß der Betätigung eines (nicht gezeigten) Gaspedals geändert. Die Drosselklappe 11 ist mit einem Drosselklappen-Positionssensors 18 versehen, der einen Leerlaufschalter zur Erfassung eines vollständig geschlossenen Zustands der Drosselklappenöffnung aufweist. Der Drosselklappen-Positionssensor 18 ist an die ECU 100 angeschlossen. Ein Ein-Aus-Signal XIDLE von dem Leerlaufschalter des Drosselklappen-Positionssensors 18 wird in den Eingabebaustein 46 der ECU 100 eingegeben. Über den A/D-Wandler 48 wird in den Eingabebaustein 46 ein zu der Drosselklappenöffnung proportionales Analogspannungssignal eingegeben.
Der Druckausgleichsbehälter 7 ist mit einem Drucksensor 19 zur Erfassung des Absolutdrucks im Ansaugkanal 8 versehen. Der Drucksensor 19 gibt über den A/D-Wandler 48 an den Ausgabebaustein 46 ein zu dem Ansaugluftdruck proportionales Analogspannungssignal aus.
Der Zylinderkopf 3 ist mit einem Wassertemperatursensor 20 zur Erfassung der Motorkühlungswassertemperatur in einem Wassermantel versehen. Der Wassertemperatursensor 20 gibt über den A/D-Wandler 48 an den Eingabebaustein 46 ein zu der Kühlwassertemperatur des Motors 1 proportionales Analogspannungssignal aus.
An die ECU 100 ist eine Batterie 105 angeschlossen. Die Spannung von der Batterie 105 wird über den A/D-Wandler 48 in der ECU 100 in den Eingabebaustein 46 eingegeben. Außerdem ist an die ECU 100 ein Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 21 zur Erfassung der Geschwindigkeit eines Fahr zeugs, in dem der Motor 1 eingebaut ist, angeschlossen. Über den A/D-Wandler 48 in der ECU 100 wird in den Eingabebaustein 46 ein Analogspannungsausgangssignal des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 21 eingegeben.
Ein Verteiler 16 ist mit zwei Kurbelwinkelsensoren 33, 34 versehen. Der Kurbelwinkelsensor 33 erfasst jeweils bei einem Kurbelwinkel von 720° eine Bezugsposition und erzeugt dementsprechend ein Ausgangsimpulssignal. Der Kurbelwinkelsensor 34 erfasst jeweils bei einem Kurbelwinkel von 30° eine Position und erzeugt dementsprechend ein Ausgangsimpulssignal. Die Ausgangsimpulssignale von den Kurbelwinkelsensoren 33, 34 werden in den Eingabebaustein 46 eingegeben. Die Ausgangsimpulssignale von dem Kurbelwinkelsensor 34 werden außerdem in einen Unterbrechungsanschluss der CPU 45 eingegeben. Beruhend auf den Ausgangsimpulssignalen von den Kurbelwinkelsensoren 33, 34 berechnet die CPU 45 beispielsweise eine Drehzahl des Motors 1.
Der Ausgabebaustein 47 der ECU 100 ist über eine Ansteuerungsschaltung 49 an das Kraftstoffeinspritzventil 12 angeschlossen. Die von dem Kraftstoffeinspritzventil 12 aus in einen Einlasskanal 17 zu einer Einlassöffnung 13 hin eingespritzte Kraftstoffmenge wird gesteuert, indem die Ventilöffnungsdauer des durch die Ansteuerungsschaltung 49 geöffneten Kraftstoffeinspritzventils 12 geändert wird, so dass das Luft/Kraftstoffverhältnis gleich einem Luft/Kraftstoff-Sollverhältnis wie beispielsweise dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird. Der Ausgabebaustein 47 ist über die Ansteuerungsschaltung 49 außerdem an einer Alarmeinrichtung 22 angeschlossen. Die Alarmeinrichtung 22 wird ausgelöst, wenn bestimmt wird, dass ein Sensorelement 102 oder eine Heizeinrichtung 104 des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 übermäßig geschädigt wurden.
Eine Unterbrechung der CPU 45 findet statt, wenn eine A/D-Umwandlungsoperation durch den A/D-Wandler 48 endet oder wenn ein Ausgangsimpulssignal von dem Kurbelwinkelsensor 34 empfangen wird. Über den A/D-Wandler 48 in den Eingabebaustein 46 eingegebene Digitaldaten werden unmittelbar nach der A/D-Umwandlung der Daten gelesen. Die gelesenen Daten werden in dem RAM 43 gespeichert. Jedes Mal, wenn in den Unterbrechungsanschluss der CPU 45 ein Ausgangsimpulssignal von dem Kurbelwinkelsensor 34 eingegeben wird, wird außerdem die Drehzahl NE des Motors 1 berechnet. Die berechnete Motordrehzahl NE wird im RAM 43 gespeichert. Das heißt, dass die in dem RAM 43 gespeicherten Daten in Bezug auf den Motor 1 ständig aktualisiert werden.
Die Heizeinrichtung 104 ist bereitgestellt, um das Sensorelement 102 des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 zu aktivieren. Bei einer nachstehend beschriebenen Operation werden von dem Ausgabebaustein 47 aus von der CPU 45 berechnete Digitaldaten zu einem D/A-Wandler 50 ausgegeben, wodurch die Daten in eine Analogspannung umgewandelt werden. Daher wird der Heizeinrichtung 104 über eine Heizeinrichtungsschaltung 106 elektrische Energie zugeführt.
2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 und der Heizeinrichtung 104, die in 1 gezeigt sind. Der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 zur Erfassung des Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgases in dem Abgassystem des in 1 gezeigten Motors 1 besteht im Wesentlichen aus dem Sensorelement 102 und einer Sensorschaltung 103.
Die Sensorschaltung 103 legt an das Sensorelement 102 eine Spannung an. Die Sensorschaltung 103 empfängt eine Analogspannung von der ECU 100 und legt an das Sensorelement 102 eine Spannung gemäß der empfangenen Spannung an. Die ECU 100 wandelt durch eine nachstehend beschriebene Operation berechnete Digitaldaten unter Verwendung des in der ECU 100 bereitgestellten D/A-Wandlers 50 in eine Analogspannung um und gibt die Analogspannung zu der Sensorschaltung 103 aus. Bei der Anlegung der Spannung erfasst die ECU 100 den Strom durch das Sensorelement 102, der sich proportional zu der Sauerstoffkonzentration in einem Erfassungsobjektgas, d. h. einem Abgas, ändert. Um den Strom zu erfassen, empfängt die ECU 100 über den A/D-Wandler 48 von der Sensorschaltung 103 eine Analogspannung, die dem Strom durch das Sensorelement 102 entspricht. Die ECU 100 wandelt dann die Analogspannung in Digitaldaten um und verwendet die Digitaldaten bei der nachstehend beschriebenen Operation.
Das Ausgangssignal von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 kann nicht zur Luft/Kraftstoffverhältnissteuerung verwendet werden, solange sich das Sensorelement 102 nicht in einem aktiven Zustand befindet. Wenn der Motor 1 gestartet wird, führt die ECU 100 daher der Heizeinrichtung 104 Energie von der Batterie 105 zu, um die Heizeinrichtung 104 unter Strom zu setzen, damit das Sensorelement 102 schnell aktiviert wird. Nach der Aktivierung des Sensorelements 102 führt die ECU 100 der Heizeinrichtung 104 Energie zu, um den aktiven Zustand des Sensorelements 102 aufrechtzuerhalten. Die Sensorschaltung 103 umfasst eine integrierte Schaltung, so dass Rechteckimpulse, die von der ECU 100 in die Sensorschaltung 103 eingegeben werden, in sinuswellenförmige Impulsspannungen umgewandelt werden, wobei die sinuswellenförmigen Impulsspannungen an das Sensorelement 102 angelegt werden. Daher können Fehler bei der Erfassung des Ausgangsstroms des Sensorelements infolge hochfrequenter Störsignale verhindert werde.
Da der Widerstand des Sensorelements 102 von der Temperatur des Sensorelements 102 abhängt und im Einzelnen der Widerstand des Sensorelements 102, wie in 27 wiedergegeben ist, mit einem Anstieg der Sensorelementtemperatur sinkt, führt die ECU 100 derart eine Steuerung durch, dass die Temperatur des Sensorelements 102 bei einer Solltemperatur von beispielsweise 700°C gehalten wird. Dies geschieht, indem der Heizeinrichtung 104 Energie zugeführt wird, so dass der Widerstand des Sensorelements 102 gleich einem Widerstandswert von beispielsweise 30 Ω wird, der einer Temperatur entspricht, bei der der aktive Zustand des Sensorelements 102 aufrechterhalten wird. Unter Verwendung des in der ECU 100 bereitgestellten A/D-Wandlers 48 empfängt die ECU 100 darüber hinaus von der Heizeinrichtungsschaltung 106 die Spannung über der Heizeinrichtung 104 und eine dem Strom durch die Heizeinrichtung 104 entsprechende Analogspannung und wandelt die Spannungen in Digitaldaten um, wobei die Digitaldaten für die nachstehend beschriebenen Operationen verwendet werden. Die ECU 100 berechnet beispielsweise einen Widerstandswert der Heizeinrichtung 104 und führt, auf dem Widerstandswert beruhend, der Heizeinrichtung 104 gemäß dem Motorbetriebszustand eine Energiemenge zu, wobei sie die Temperatur der Heizeinrichtung 104 steuert, um eine Überhitzung der Heizeinrichtung 104 zu verhindern.
3A und 3B zeigen Darstellungen, die in den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 eingegebene und von diesem ausgegebene Signale wiedergeben. 3A zeigt die Wellenform einer an das Sensorelement 102 angelegten Eingangsspannung. 3B zeigt die Wellenform eines erfassten Ausgangsstroms von dem Luft/Kraftstoffverhältnis sensor 101. In den Darstellungen gemäß 3A und 3B gibt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Spannung oder den Strom an. Wie in 3A gezeigt ist, wird an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 als Eingangsspannung Vm eine Gleichspannung von 0,3 V angelegt. Um den Widerstand des Sensorelements 102 zu messen, legt die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 unter Ausführung einer nachstehend beschriebenen Routine eine Impulsspannung von ±0,2 V mit einer ersten Frequenz (von beispielsweise 5 kHz) an, die der Gleichspannung von 0,3 V überlagert wird. Wie in 3B angegeben ist, zeigt der erfasste Ausgangsstrom Im von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101, während an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 nur die Gleichspannung von 0,3 V angelegt ist, einen Wert gemäß der vorliegenden Sauerstoffkonzentration des Erfassungsobjektgases. Allerdings ändert sich der Ausgangsstrom Im, wenn der dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 zugeführten Gleichspannung von 0,3 V die Impulsspannung von ±0,2 V überlagert wird. Die ECU 100 erfasst die Änderung des Ausgangsstroms von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 und berechnet auf der erfassten Änderung beruhend den Widerstand des Sensorelements 102.
Nachstehend sind der Aufbau des Sensorelements 102, dessen Ersatzschaltung und die Widerstandskennwerte des Elements beschrieben.
4A und 4B veranschaulichen den Aufbau des Sensorelements 102. 4A zeigt eine Schnittansicht davon. 4B stellt eine ausgebrochene Vergrößerungsansicht eines Elektrolytabschnitts des Sensorelements 102 dar.
5 zeigt ein Ersatzschaltbild des Sensorelements 102, wobei R1 den Bulk- bzw. Volumenwiderstand des aus beispielsweise Zirkoniumoxid bestehenden Elektrolyten (entsprechend einem in 4B gezeigten Kornabschnitt), R2 den Korngrenzenwiderstand des Elektrolyten (entsprechend einem in 4B gezeigten Korngrenzenabschnitt) und R3 den Grenzflächenwiderstand einer aus beispielsweise Platin ausgebildeten Elektrode darstellt. C2 stellt die Kapazitätskomponente in der Korngrenze, C3 die Kapazitätskomponente in der Elektrodengrenzfläche und Z(w) den Widerstandsanteil (Warburg-Impedanz) dar, der durch periodische Änderungen der Grenzflächenkonzentration bedingt ist, die mit der Wechselstrompolarisation verbunden sind.
6 zeigt ein Diagramm, das die Widerstandskennwerte des Sensorelements 102 wiedergibt, wobei die horizontale Achse den Realanteil Z' des Widerstands Z und die vertikale Achse den Imaginäranteil Z'' davon angibt. Der Widerstand Z des Sensorelements 102 ist durch Z' + jZ'' ausgedrückt. Das Diagramm gemäß 6 gibt an, dass der Elektrodengrenzflächenwiderstand R3 gegen 0 konvergiert, wenn sich die Frequenz 1–10 kHz nähert. Die gestrichelte Kurve in dem Diagramm kennzeichnet den Elementwiderstand, der auftritt, wenn von dem Sensorelement 102 ein Gaszustand mit hoher Sauerstoffkonzentration erfasst wird. Die Strichpunktlinie kennzeichnet den Elementwiderstand, der auftritt, wenn von dem Sensorelement 102 ein Gaszustand mit niedriger Sauerstoffkonzentration erfasst wird. Anhand der Widerstandskennwerte, die durch die gestrichelte Linie und die Strichpunktlinie gekennzeichnet sind, ist zu erkennen, dass insbesondere in einem Abschnitt R3 eine große Änderung auftritt.
7 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Widerstand und der Frequenz einer Wechselstromeingangsspannung wiedergibt. Das Diagramm gemäß 7 wird durch eine Konvertierung des Diagramms gemäß 6 erhalten, d. h. durch eine Konvertierung der horizontalen Achse zu einer Frequenz f und der vertikalen Achse zu einem Widerstand Zac. Das Diagramm gemäß 7 gibt an, dass der Widerstand Zac in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 MHz gegen einen vorbestimmten Wert (R1 + R2) konvergiert und dass der Widerstand Zac bei einer Frequenz von mehr als 10 MHz abnimmt und gegen R1 konvergiert. Anhand dessen lässt sich verstehen, dass Frequenzen in und um den Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, in dem der Widerstand Zac ungeachtet der Frequenzen im wesentlichen konstant bleibt, gewünscht sind, um den Widerstand Zac in einem stabilen Zustand zu erfassen. In 7 entsprechen die gestrichelte Linie und die Strichpunktlinie den in 6 angegebenen Widerstandskennwerten.
8 zeigt ein Diagramm der Spannung-Strom-Kennlinie des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101, wobei die horizontale Achse die an den Sensor angelegte Spannung V und die vertikale Achse den Ausgangsstrom I des Sensors angibt. Wie durch das Diagramm gemäß 8 wiedergegeben wird, weisen die angelegte Spannung V und der Ausgangsstrom I einen im wesentlichen proportionalen Zusammenhang auf, wobei sich der Stromwert zu einer positiven Seite ändert, wenn sich das Luft/Kraftstoffverhältnis zu einer mageren Seite hin ändert, und sich der Stromwert zu einem negativen Bereich ändert, wenn sich das Luft/Kraftstoffverhältnis zu einer fetten Seite hin ändert (siehe Kennlinie L1 in 8). Das heißt, dass der Grenzstrom bei Änderungen des Luft/Kraftstoffverhältnisses zur magereren Seite hin steigt und bei Änderungen des Luft/Kraftstoffverhältnisses zur fetteren Seite hin sinkt. Wenn der Ausgangsstrom I 0 mA beträgt, entspricht das Luft/Kraftstoffverhältnis dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis (von etwa 14,5). Das Spannung-Strom-Verhalten hängt von der Elementtemperatur ab, d. h. der Gradient der Linie L1 nimmt mit steigender Elementtemperatur zu. Im Gegensatz dazu wird der Grenzstromwert durch die Elementtemperatur nicht stark beeinflusst, d. h. der Grenzstrom nimmt ungeachtet von Änderungen der Elementtemperatur einen im Wesentlichen konstanten Wert ein, falls das Luft/Kraftstoffverhältnis konstant bleibt.
Nachstehend wird nun ausführlich eine Sensorelement-Widerstandsberechnungsroutine beschrieben, die von der ECU 100 ausgeführt wird.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts der Sensorelement-Widerstandsberechnungsroutine. 10 zeigt ein Ablaufdiagramm des nachfolgenden Abschnitts der Routine. Genauer veranschaulicht das Ablaufdiagramm gemäß 10 eine Frequenzüberlagerungsoperation innerhalb der Sensorelement-Widerstandsberechnungsroutine. 11 und 12 zeigen Ablaufdiagramme von Unterbrechungsroutinen, die zur Durchführung der Frequenzüberlagerungsoperation benötigt werden. Die in 9 und 10 dargestellte Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 1 ms ausgeführt. In Schritt 901 der in 9 dargestellten Widerstandsberechnungsroutine bestimmt die ECU 100, ob ein (nicht gezeigter) Zündungsschalter IGSW ein- oder ausgeschaltet ist. Falls der Zündungsschalter IGSW eingeschaltet ist, setzt die Operation mit Schritt 902 fort. Falls der Zündungsschalter IGSW ausgeschaltet ist, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 902 bestimmt die ECU 100, ob an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 bereits eine Gleichspannung Vm (= 0,3 V) angelegt ist. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 903 fort. Falls die Bestimmung in Schritt 902 negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 904 fort. In Schritt 904 legt die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 die Gleichspannung von 0,3 V an.
In Schritt 903 bestimmt die ECU 100 auf der Grundlage von beispielsweise einer Zähleinrichtung, ob nach der Anlegung der Gleichspannung von 0,3 V in Schritt 904 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 4 ms verstrichen sind (dabei handelt es sich um im wesentlichen genau 4 ms) und/oder ob im Anschluss an das Lesen des Stroms Ims des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 in dem vorausgehenden Zyklus der Routine 4 ms verstrichen sind (dabei handelt es sich um im wesentlichen genau 4 ms). Falls eines der Bestimmungsergebnisse positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 905 fort. Falls beide Bestimmungsergebnisse negativ sind, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 905 liest die ECU 100 den Strom Ims des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 und geht zu Schritt 1001 in 10. Unter Bezugnahme auf die Ablaufdiagramme gemäß 10 bis 12 wird nun die Frequenzüberlagerungsoperation innerhalb der Sensorelement-Widerstandsberechnungsroutine beschrieben. Die folgende Beschreibung erfolgt unter der Annahme, dass eine spezifische Frequenz von 5 kHz verwendet wird. In Schritt 1001 bestimmt die ECU 100 unter Verwendung beispielsweise einer Zähleinrichtung, ob nach dem Start der Routine bei dem derzeitigen Zyklus K × 64 ms (K = 1, 2, 3, ...) verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, d. h. falls bei dem derzeitigen Operationszyklus entweder 64 ms, 128 ms, 192 ms, ... verstrichen sind, setzt die Operation mit Schritt 1002 fort. Falls die Bestimmung in Schritt 1001 negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 1002 überlagert die ECU 100 der an dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 angelegten Spannung Vm (= 0,3 V) eine Impulsspannung von –0,2 V, so dass die zu diesem Zeitpunkt an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 angelegte Spannung zu 0,1 V wird. In Schritt 1002 wird eine erste Zeitgeberunterbrechung eingeleitet, die in 11 dargestellt ist.
Die erste Zeitgeberunterbrechungsoperation wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm gemäß 11 beschrieben. In Schritt 1101 bestimmt die ECU 100, ob nach Einleitung der ersten Zeitgeberunterbrechung 85 μs verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1102 fort, in dem die ECU 100 den Ausgangsstrom Im1 des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 liest. Falls die Bestimmung in Schritt 1101 negativ ausfällt, kehrt die Operation zu Schritt 1101 zurück (Schritt 1101 wird wiederholt).
In Schritt 1103 bestimmt die ECU 100, ob nach Einleitung der ersten Zeitgeberunterbrechung 100 μs verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1104 fort, in dem die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 eine Spannung von Vm (= 0,5 V) anlegt. Falls die Bestimmung in Schritt 1103 negativ ausfällt, kehrt die Operation zu Schritt 1101 zurück. In Schritt 1104 wird eine zweite Zeitgeberunterbrechung eingeleitet, die in 12 dargestellt ist.
Die zweite Zeitgeberunterbrechungsoperation wird unter Bezugnahme auf 12 beschrieben. In Schritt 1201 bestimmt die ECU 100, ob nach Einleitung der zweiten Zeitgeberunterbrechung 100 μs verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1202 fort, in der die ECU 100 an den Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 eine Spannung von Vm (= 0,3 V) anlegt, wodurch der Sensor in einen Normalzustand zur Luft/Kraftstofferfassung zurückgesetzt wird. Falls die Bestimmung in Schritt 1201 negativ ausfällt, kehrt die Operation zu Schritt 1201 zurück (Schritt 1201 wird wiederholt).
Zurück in 10 bestimmt die ECU 100 in Schritt 1003, ob bei dem derzeitigen Operationszyklus seit dem Start dieser Routine (K × 64 + 4) ms (K = 1, 2, 3, ...) verstrichen sind. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 1004 fort. Falls die Bestimmung in Schritt 1003 negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine.
In Schritt 1004 berechnet die ECU 100 anhand der Gleichung (1) einen Widerstand Zac für den Zeitpunkt der Anlegung einer Spannung spezifischer Frequenz: Zac = ΔVm/ΔIm = 0,2/(Im – Ims) (1)
In Schritt 1005 führt die ECU 100 eine Zac-Ausblendoperation durch, derart dass der Widerstand Zac innerhalb des Bereichs zwischen einem unteren Ausblendwert KREL und einem oberen Ausblendwert KREH liegt, d. h. KREL ≤ Zac ≤ KREH ist. Genauer wird der vorliegende Widerstand Zac beibehalten, falls sich dieser Widerstand Zac innerhalb des Bereichs von KREL ≤ Zac ≤ KREH befindet. Falls Zac < KREL ist, dann wird der Widerstand zu der Untergrenze KREL geändert, d. h. Zac = KREL = 1 (Ω). Falls KREH < Zac ist, dann wird Zac zu der Obergrenze KREH geändert, d. h. Zac = KREH = 200 (Ω). Normalerweise wird die Ausblendoperation durchgeführt, um Daten zu übergehen, die durch eine äußere Störung, einen A/D-Umwandlungsfehler oder dergleichen hervorgerufen werden.
13 zeigt ein Zeitdiagramm einer Heizeinrichtungssteuerungsoperation. In 13 gibt die horizontale Achse die Zeit an, wobei die vertikale Achse im oberen Teil des Diagramms das Auslastungsverhältnis in Bezug auf eine der Heizeinrichtung 104 zugeführte Energie, im mittleren Teil des Diagramms die Heizeinrichtungstemperatur und in im unteren Teil des Diagramms den Elementwiderstand angibt. Wenn der Motor 1 gestartet wird, wird zwischen einem Zeitpunkt t0, bei dem die Heizeinrichtungselektrifizierung beginnt, und einem Zeitpunkt t1, bei dem die Heizeinrichtungstemperatur eine Solltemperatur (Obergrenze) von beispielsweise 1200°C erreicht, eine Vollelektrifizierungssteuerung mit einem Auslastungsgrad von 100% durchgeführt. In einer Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2, in der der Sensorelementwiderstand 30 Ω erreicht, was einer Elementtemperatur von 700°C entspricht, bei der das Sensorelement aktiviert ist, wird eine Heizeinrichtungstemperaturregelung durchgeführt, um die Heizeinrichtung 104 auf der Solltemperatur zu halten. Nach dem Zeitpunkt t2 wird eine Elementtemperaturregelung durchgeführt, um die Sensorelementtemperatur bei der Elementaktivierungstemperatur von 700°C zu halten. Diese Heizeinrichtungssteuerungsroutine ist nachstehend unter Bezugnahme auf Ablaufdiagramme erläutert.
14 zeigt ein Ablaufdiagramm der Heizeinrichtungssteuerungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 100 ms ausgeführt. In Schritt 1401 bestimmt die ECU 100, ob der (nicht gezeigte) Zündungsschalter ein- oder ausgeschaltet ist. Falls der Zündungsschalter eingeschaltet ist, setzt die Operation mit Schritt 1402 fort. Falls der Zündungsschalter ausgeschaltet ist, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 1402 berechnet die ECU 100 anhand der an die Heizeinrichtung 104 angelegten Spannung und dem durch die Heizeinrichtung 104 fließenden Strom einen Heizeinrichtungswiderstand RH. In Schritt 1403 vergleicht die ECU 100 anschließend den in Schritt 1402 berechneten Heizeinrichtungswiderstand RH mit einem Heizeinrichtungswiderstandslernwert RHG. Falls RH ≥ RHG ist (JA in Schritt 1403), dann setzt die Operation mit Schritt 1404 fort. Falls RH < RHG ist, dann setzt die Operation mit Schritt 1405 fort. Der „Heizeinrichtungswiderstandslernwert RHG” ist ein Wert, der anhand von Heizeinrichtungswiderstandswerten gelernt wird, die auftreten, wenn die Heizeinrichtungstemperatur gleich der Solltemperatur (1200°C) ist, so dass durch den Lernwert das Problem von Widerstandsschwankungen infolge individueller Produktunterschiede, Alterungsveränderungen oder dergleichen umgangen wird.
In Schritt 1404 liest die ECU 100 einen Elementwiderstand Zac. In Schritt 1406 vergleicht die ECU 100 anschließend den in Schritt 1404 gelesenen Widerstand Zac mit 30 Ω, d. h. mit dem der Sensorelement-Aktivierungstemperatur entsprechenden Widerstandswert. Falls Zac ≤ 30 ist, wird angenommen, dass sich das Sensorelement 102 im aktiven Zustand befindet, wobei die Operation mit Schritt 1408 fortfährt. Falls Zac > 30 (NEIN in Schritt 1406) ist, wird angenommen, dass sich das Sensorelement 102 im inaktiven Zustand befindet, wobei die Operation mit Schritt 1407 fortfährt. In Schritt 1405 führt die ECU 100 die Vollelektrifizierungssteuerung (100% Auslastung) durch. In Schritt 1407 führt die ECU 100 die Heizeinrichtungstemperaturregelung durch. In Schritt 1408 führt die ECU 100 die Elementtemperaturregelung durch. Nachstehend ist nun die Elementtemperaturregelungsroutine beschrieben, durch die auf der Grundlage des Widerstands Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101, die durch Anlegen der spezifischen Frequenz an den Sensor erfasst wird, die Temperatur des Sensorelements 102 auf Aktivierungstemperatur gehalten wird.
15 zeigt ein Ablaufdiagramm der Elementtemperaturregelungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms durchgeführt. Bei dieser Routine erfolgt die PID-Steuerung des Heizeinrichtungselektrifizierungsauslastungsgrads auf der Grundlage der Abweichung Zacerr des der spezifischen Frequenz von 5 kHz entsprechenden Widerstands Zac des Luft/Kraftstoffverhälnissensors 101 von einem Sollwiderstand Zactg (Zecerr = Zactg – Zac). In Schritt 1500 führt die ECU 100 eine Sollwiderstandsberechnungsroutine aus, die nachstehend beschrieben ist.
In Schritt 1501 berechnet die ECU 100 anschließend wie in Gleichung (2) angegeben eine Proportionale KP: KP = Zacerr × K1 (K1: Konstante) (2)
In Schritt 1502 berechnet die ECU 100 anschließend wie in Gleichung (3) angegeben einen Integrationsterm KD: KI = ΣZacerr × K2 (K2: Konstante) (3)
In Schritt 1503 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (4) angegeben einen Differentiationsterm KD: KD = (ΔZacerr/Δt) × K3 (K3: Konstante) (4)
In Schritt 1504 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (5) angegeben einen PID-Verstärkungsfaktor KPID: KPID = KP + KI + KD (5)
In Schritt 1505 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (6) angegeben einen Ausgabeauslastungsgrad: DUTY(i) = DUTY(i – 1) × KPID (6)
In Schritt 1506 führt die ECU 100 derart eine Ausblendoperation für den Ausgabeauslastungsgrad DUTY(i) durch, dass der Auslastungsgrad DUTY(i) innerhalb des Bereichs zwischen einem unteren Grenzwert KDUTYL und einem oberen Grenzwert KDUTYH fällt, d. h. KDUTYL ≤ DUTY(i) ≤ KDUTYH ist. Genauer wird der Auslastungsgrad DUTY(i) beibehalten, wenn sich der Auslastungsgrad DUTY(i) innerhalb des Bereichs befindet, d. h. wenn KDUTYL ≤ DUTY(i) ≤ KDUTYH ist. Falls DUTY(i) < KDUTYL ist, dann wird der Auslastungsgrad DUTY(i) zu der Untergrenze, d. h. DUTY(i) = KDUTYL, geändert. Falls KDUTYH < DUTY(i) ist, dann wird DUTY(i) zu der Obergrenze, d. h. DUTY(i) = KDUTYH, geändert.
Bei der in 13 und 14 dargestellten Heizeinrichtungssteuerung führt die erfindungsgemäße Widerstandserfassungsvorrichtung eine wie nachstehend beschriebene Operation durch, um Übertemperaturen der Heizeinrichtung 104 und des Sensorelements 102 zu verhindern. Und zwar bestimmt die Widerstandserfassungsvorrichtung, ob der Widerstand Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 im Ansprechen auf die spezifische Frequenz von 5 kHz kleiner oder gleich einem Wert ist, der durch Subtraktion eines vorbestimmten Werts von beispielsweise 5 Ω von einem nach der Schädigungskorrektur bereitgestellten Sollwiderstand Zactg erhalten wird (Zac ≤ Zactg – 5 (Ω)). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, wird angenommen, dass die Heizeinrichtungstemperatur und die Sensorelementtemperatur normal sind, d. h. die Heizeinrichtung 104 und das Sensorelement 102 keine Übertemperaturen aufweisen. Dann wird die in 14 dargestellte Heizeinrichtungssteuerungsroutine durchgeführt. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, wird angenommen, dass die Heizeinrichtungstemperatur oder die Elementtemperatur anormal sind, d. h. die Heizeinrichtung und das Sensorelement Übertemperaturen aufweisen. Dann wird eine Operation ausgeführt, bei der DUTY(i) = 0 eingestellt wird.
Als nächstes wird eine Routine zur Berechnung eines Sollwiderstands Zactg auf der Grundlage eines durch Schätzen und Lernen der Alterungsveränderung des Sensorelements 102 erhaltenen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactgg und gemäß durch das Sensorelement 102 erfassten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases beschrieben.
16 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Sollwiderstandsberechnungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 100 ms ausgeführt. In Schritt 1601 lernt die ECU 100 die Schädigung des Sensorelements 102 und berechnet dementsprechend einen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactgg, wobei der Lernwert in dem Sicherungs-RAM 44 gespeichert wird. Der Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactgg kann zum Beispiel berechnet werden, indem wie nachstehend beschrieben der Mittelwert einer der Heizeinrichtung 104 des Sensorelements 102 zugeführten elektrischen Energiemenge berechnet wird. Dieser Lernwert wird durch die Anfangseinstellung, die bei Start des Motors durchgeführt wird, in den Sicherungs-RAM 44 gelesen.
In Schritt 1602 berechnet die ECU 100 anschließend anhand eines von der Luftstrommesseinrichtung 9 gelesenen Ansaugluftstroms ga (g/s) auf der Grundlage einer (in 17 gezeigten) Tabelle zur Herleitung eines Widerstandskorrekturbetrags KLD anhand des Ansaugluftstroms ga einen Widerstandskorrekturbetrag KLD. Wie aus der in 17 gezeigten Tabelle hervorgeht, ist der Korrekturbetrag KLD für einen vorbestimmten Wert (20 g/s) des Ansaugluftstroms auf null eingestellt, wobei der Korrekturbetrag KLD für kleinere Ansaugluftströme als dem vorbestimmten Wert auf abnehmende (negative) Korrekturwerte und für größere Ansaugluftströme auf zunehmende (positive) Korrekturwerte eingestellt ist. Die Tabelle ist auf diese Weise festgelegt, da der Sensorelement-Elektrodengrenzflächenwiderstand mit Zunahme des Ansaugluftstroms ansteigt und sich daher der Elementwiderstand erhöht.
Der Widerstandskorrekturbetrag KLD kann in Schritt 1602 auch auf der Grundlage einer (in 18 gezeigten) Tabelle zur Herleitung eines Widerstandskorrekturbetrags KLD anhand des Motorbelastungszustands berechnet werden. Wie aus der in 18 gezeigten Tabelle ersichtlich ist, wird ein Motorbelastungszustand anhand der Motordrehzahl NE (U/min), die auf Erfassungssignalen von Kurbelwinkelsensoren 33, 34 beruhend berechnet wurde, und anhand eines von dem Ansaugluftdrucksensor 19 erfassten Ansaugrohrunterdrucks (mmHg) geschätzt. Der Korrekturbetrag KLD ist bei mittleren Belastungszuständen auf null eingestellt und nimmt bei Zuständen mit niedriger Belastung und niedriger Geschwindigkeit abnehmende (negative) Korrekturwerte und bei Zuständen mit hoher Belastung und hoher Geschwindigkeit zunehmende (positive) Korrekturwerte ein. Die Tabelle ist auf diese Weise festgelegt, da der Ansaugluftstrom bei einem sich zu einer Seite mit hoher Belastung und hoher Geschwindigkeit hin verschiebenden Zustand zunimmt, so dass der Sensorelement-Elektrodengrenzflächenwiderstand steigt und sich daher der Elementwiderstand erhöht.
In Hinblick auf die Motorbelastung kann ersatzweise auch ein Wert ga/NE verwendet werden, der anhand einer Drehzahl NE (U/min) und eines durch die Luftstrommesseinrichtung 9 erfassten Ansaugluftstroms ga (g/s) berechnet wird.
In Schritt 1603 berechnet die ECU 100 anschließend auf der Grundlage einer (in 19 gezeigten Tabelle) zur Herleitung eines Korrekturbetrags KAF anhand des Luft/Kraftstoffverhältnisses (A/F) des Motors 1 ausgehend von einem von dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 gelesenen Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) einen Widerstandskorrekturbetrag KAF. Wie in der Tabelle gemäß 19 gezeigt ist, ist der Korrekturbetrag KAF für das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) von 14,5 auf null eingestellt, wobei er für niedrigere Luft/Kraftstoffverhältnisse als dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis auf zunehmende (positive) Korrekturwerte und für höhere Luft/Kraftstoffverhältnisse auf abnehmende (negative) Korrekturwerte eingestellt ist. Die Tabelle ist auf diese Weise festgelegt, da sich die Sauerstoffmenge bei steigendem Luft/Kraftstoffverhältnis verringert, so dass der Sensorelement-Elektrodengrenzflächenwiderstand abnimmt und daher der Elementwiderstand sinkt.
In Schritt 1604 berechnet die ECU 100 anschließend anhand des Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactgg, des auf dem Ansaugluftstrom oder der Belastung beruhenden Korrekturbetrags KLD und des auf dem Luft/Kraftstoffverhältnis beruhenden Korrekturbetrags KAF, die in den Schritten 1601 bis 1603 berechnet wurden, wie in Gleichung (7) angegeben einen Sollwiderstand Zactg: Zactg = Zactgg + KLD + KAF (7)
Indem der Sollwiderstand auf die vorstehend beschriebene Weise geändert wird, kann eine Überhitzung des Heiz einrichtungswiderstands und des Sensorelements 102 verhindert werden.
Als nächstes wird eine Routine zur Berechnung einer der Heizeinrichtung 104 während einer vorbestimmten Zeitdauer zugeführten kumulativen elektrischen Energiemenge und zur auf der berechneten kumulativen elektrischen Energiemenge beruhenden Bestimmung eines Schädigungsgrads des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 sowie zur Berechnung eines Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactgg des Widerstands des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 beschrieben.
20 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts einer beim Start des Motors 1 durchgeführten Elementschädigungskorrekturroutine. 21 zeigt ein Ablaufdiagramm des nachfolgenden Abschnitts der Elementschädigungskorrekturroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 20001 liest die ECU 100 den derzeitigen Strom HTIi durch den Heizeinrichtungswiderstand, die an den Heizeinrichtungswiderstand angelegte Spannung HTVi und den Auslastungsgrad DUTYi der Heizeinrichtungsenergiezuführung und berechnet eine Energie HTWi (HTWi = HTIi × HTVi × DUTYi), die dem Heizeinrichtungswiderstand zugeführt wird. In Schritt 2002 überprüft die ECU 100 anschließend, ob ein Lernabschlussflag XZACGE ausgeschaltet oder ob ein Lernsperrflag XZACGI ausgeschaltet ist. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2003 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine.
In Schritt 2003 bestimmt die ECU 100, ob sich bei Start des Motors eine Bedingung zum Lernen eingestellt hat. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2004 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2005 fort.
Es wird angenommen, dass sich die Motorstartzeitlernbedingung eingestellt hat, falls die nachstehend aufgeführten Bedingungen erfüllt sind, wobei die Bedingungen angeben, dass sich der Motor 1 in einem stabilen Kaltleerlaufzustand befindet.

– Die Wassertemperatur THWst nach Start des Motors befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (THW1 ≤ THWst ≤ THW2).
– Die Batteriespannung BATst nach Start des Motors ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (KBA ≤ BATst).
– Der Widerstand Zacst (Ω) des Luft/Kraftstoffverhältnissensors nach Start des Motors ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (Kzac ≤ Zacst).
– Die Motordrehzahl NE (U/min) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (NE ≤ KNE).
– Der Motoransaugdruck PM (mmHg) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (PM ≤ KPM).
– Die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD (km/h) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (SPD ≤ KSPD).
– Der Motorleerlaufschalter ist eingeschaltet.

In Schritt 2004, der auf die positive Bestimmung in Schritt 2003 folgt, schaltet die ECU 100 ein Lernbedingungseinstellungsflag XZACG ein. In Schritt 2005, der auf die negative Bestimmung in Schritt 2003 folgt, überprüft die ECU 100 dagegen, ob ein Lernbedingungsersteinstellungsflag XZACGF eingeschaltet ist, der die Ersteinstellung der Lernbedingung nach Start des Motors angibt. Falls das Flag eingeschaltet ist (XZACGF = 1), setzt die Operation mit Schritt 2012 fort. Falls das Flag ausgeschaltet ist (XZACGF = 0), endet dieser Zyklus der Routine.
In Schritt 2006, der dem Schritt 2004 folgt, überprüft die ECU 100, ob das Lernbedingungsseinstellungsflag XZACG bei dem vorausgehenden Operationszyklus eingeschaltet war. Falls das Flag bei dem vorausgehenden Zyklus ausgeschaltet war (XZACG = 0), setzt die Operation mit Schritt 2007 fort. Falls das Flag eingeschaltet war (XZACG = 1), setzt die Operation mit Schritt 2008 fort. In Schritt 2007 schaltet die ECU 100 das Lernbedingungsersteinstellungsflag XZACGF ein.
In Schritt 2008 bestimmt die ECU 100, ob sich der Elementwiderstand Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet (KZacG1 ≤ Zac ≤ KZacG2, wobei KzacG1 einen unteren Grenzwert, d. h. einen einer Elementtemperatur von 600°C entsprechenden Elementwiderstand, und KZacG2 einen oberen Grenzwert, d. h. einen einer Elementtemperatur von 400°C entsprechenden Elementwiderstand, darstellt). Falls die Bestimmung in Schritt 2008 positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2009 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2010 fort. In Schritt 2009 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (8) angegeben bis zu dem derzeitigen Operationszyklus eine kumulative elektrische Energiemenge ΣHTWi: ΣHTWi = ΣHTWi – 1 + HTWi (8)
In Gleichung (8) stellt ΣHTWi – 1 eine kumulative elektrische Energiemenge bis zu dem vorausgehenden Operationszyklus dar. Der Wert ΣHTWi – 1 wird unmittelbar nach dem Motorstart auf null eingestellt, wenn der Zündungsschalter eingeschaltet wird. Nach Schritt 2009 setzt die Operation mit Schritt 2001 in 21 fort.
In Schritt 2010, der auf die negative Bestimmung in Schritt 2008 folgt, bestimmt die ECU 100, ob der Widerstand Zac des Luft/Kraftstoffverhältnissensors 101 kleiner oder gleich dem vorbestimmten Wert KZacG1 ist (Zac ≤ KZacG1). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2011 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2101 in 21 fort. In Schritt 2011 schaltet die ECU 100 das Lernabschlussflag XZACGE ein.
In Schritt 2101 überprüft die ECU 100, ob das Lernabschlussflag XZACGE eingeschaltet ist. Falls das Lernabschlussflag eingeschaltet ist (XZACGE = 1), setzt die Operation mit Schritt 2102 fort. Falls das Lernabschlussflag ausgeschaltet ist (XZACGE = 0), endet dieser Operationszyklus der Routine. In Schritt 2102 bestimmt die ECU 100, ob der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 einen Schaden bzw. Defekt aufweist. Das heißt, dass die ECU 100 bestimmt, ob die bei dem derzeitigen Operationszyklus berechnete kumulative Energiemenge ΣHTWi größer oder gleich einem vorbestimmten Wert KΣHTW ist (ΣHTWi ≥ KΣHTW). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, bestimmt die ECU 100, dass der Luft/Kraftstoffverhältnissensor 101 einen Schaden aufweist und geht zu Schritt 2103. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, geht die ECU 100 zu Schritt 2104. In Schritt 2103 schaltet die ECU 100 ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Fehlerflag XAFSF ein. Anschließend endet dieser Zyklus der Routine.
In Schritt 2104 führt die ECU 100 wie nachstehend unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 25 beschrieben eine Routine zur Berechnung eines Elementtemperatur steuerungs-Solllernwerts Zactgg anhand einer kumulativen elektrischen Heizeinrichtungs-Energiemenge ΣHTWi aus. In Schritt 2105 schaltet die ECU 100 anschließend das Lernabschlussflag XZACGE aus. Nachstehend ist eine Routine zur Korrektur der Elementschädigung während des Motorleerlaufs beschrieben.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts der Leerlauf-Elementschädigungskorrekturroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 2201 liest die ECU 100 den derzeitigen Strom HTIi durch den Heizeinrichtungswiderstand, die an den Heizeinrichtungswiderstand angelegte Spannung HTVi und den Auslastungsgrad DUTYi der Heizeinrichtungsenergiezuführung und berechnet eine Energie HTWi (HTWi = HTIi × HTVi × DUTYi), die dem Heizeinrichtungswiderstand zugeführt wird.
In Schritt 2202 bestimmt die ECU 100 anschließend, ob sich während des Motorleerlaufs eine Bedingung zum Lernen eingestellt hat. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2203 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine.
Es wird angenommen, dass sich die Leerlauflernbedingung eingestellt hat, falls die nachstehend aufgeführten Bedingungen erfüllt sind, wobei die Bedingungen angeben, dass sich der Motor 1 in einem vollständig aufgewärmten stabilen Leerlaufzustand befindet.

– Die Wassertemperatur THWst nach Start des Motors befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (THW1 ≤ THWst ≤ THW2).
– Die Batteriespannung BAT ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (KBA ≤ BAT).
– Der Widerstand Zac (Ω) des Luft/Kraftstoffverhältnissensors liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Kzac1 ≤ Zac ≤ Kzac2).
– Die Motordrehzahl NE (U/min) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (NE ≤ KNE).
– Der Motoransaugdruck PM (mmHg) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (PM ≤ KPM).
– Die Fahrzeuggeschwindigkeit SPD (km/h) ist kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert (SPD ≤ KSPD).
– Der Motorleerlaufschalter ist eingeschaltet.

In Schritt 2203, der auf die positive Bestimmung in Schritt 2202 folgt, bestimmt die ECU 100 anschließend, ob nach Einstellung der Lernbedingung eine vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist. Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2204 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 2204 schaltet die ECU 100 das Lernbedingungseinstellungsflag XZACG ein.
In Schritt 2206 überprüft die ECU 100 anschließend, ob das Lernbedingungseinstellungsflag XZACG bei dem vorausgehenden Operationszyklus ausgeschaltet war. Falls das Flag ausgeschaltet war (XZACG = 0), setzt die Operation mit Schritt 2207 fort. Falls das Flag eingeschaltet war (XZACG = 1), setzt die Operation mit Schritt 2208 fort. Im Schritt 2207 löscht die ECU 100 die kumulative elektrische Energiemenge ΣHTWi auf null und löscht einen Zähler für die im Lernbereich verstrichene Zeit CZACGT auf ”0”.
In Schritt 2208, der auf die negative Bestimmung in Schritt 2206 folgt, erhöht die ECU 100 den Zähler für die im Lernbereich verstrichene Zeit CZACGT (CZACGT = CZACGT + 1).
In Schritt 2209 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (9) angegeben bis zum derzeitigen Operationszyklus eine kumulative elektrische Energiemenge ΣHTWi: ΣHTWi = ΣHTWi – 1 + HTWi (9)
In Gleichung (9) stellt ΣHTWi – 1 die kumulative elektrische Energiemenge bis zu dem vorausgehenden Operationszyklus dar. Der Wert ΣHTWi – 1 wird unmittelbar, nachdem der Motor durch Einschalten des Zündungsschalters gestartet wurde, auf null gelöscht.
In Schritt 2210 bestimmt die ECU 100 anschließend, ob der Wert des Zählers für die im Lernbereich verstrichene Zeit CZACGT größer oder gleich einem vorbestimmten Wert KCZACGT ist (CZACGT ≥ KCZACGT). Falls die Bestimmung positiv ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2211 fort. Falls die Bestimmung negativ ausfällt, setzt die Operation mit Schritt 2101 in 21 fort. In Schritt 2211 schaltet die ECU 100 das Lernabschlussflag XZACGE ein.
Nachstehend ist eine Routine zur Korrektur der Elementschädigung während des Fahrzeugfahrbetriebs beschrieben.
23 zeigt ein Ablaufdiagramm eines vorausgehenden Abschnitts der Fahrbetrieb-Elementschädigungskorrekturroutine.
Die in 23 dargestellte Fahrbetrieb-Elementschädigungskorrekturroutine ist im wesentlichen die gleiche wie die in 22 dargestellte Leerlauf-Elementschädigungskorrekturroutine. Davon ausgenommen ist, dass in 23 in Schritt 2302 bestimmt wird, ob sich eine Fahrbetriebslernbedingung eingestellt hat, während in 22 in Schritt 2202 bestimmt wird, ob sich die Leerlauflernbedingung eingestellt hat. Die Bedingung zum Lernen während des Fahrbetriebs in Schritt 2302 ist nachstehend erläutert, während die anderen Schritte nicht nochmals beschrieben sind.
Von der Fahrbetriebslernbedingung wird angenommen, dass sie sich eingestellt hat, falls die nachstehend aufgeführten Bedingungen erfüllt sind, wobei die Bedingungen angeben, dass sich der Motor in einem vollständig aufgewärmten stabilen Fahrzustand befindet.

– Die Wassertemperatur THWst nach Start des Motors befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (THW1 ≤ THWst ≤ THW2).
– Die Batteriespannung BAT ist größer oder gleich einem vorbestimmten Wert (KBA ≤ BAT).
– Der Widerstand Zac (Ω) des Luft/Kraftstoffverhältnissensors liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Kzac1 ≤ Zac ≤ Kzac2).
– Die Motordrehzahl NE (U/min) liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (KNE1L ≤ NE ≤ KNE1H).
– Der Motorbelastungsfaktor-Glättungswert KLSM (%) befindet sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs KKLSM1L ≤ KLSM ≤ KKLSM1H).

Auch wenn bezüglich der Elementschädigungskorrekturroutine drei Betriebsarten, d. h. bei Start des Motors, während des Leerlaufs und während des Fahrbetriebs, erläutert wurden, ist es nicht notwendig, sämtliche der drei Betriebsarten auszuführen. Erfindungsgemäß kann also eine Elementschädigungskorrektur auf nur einer oder auf einer beliebigen Kombination der drei Betriebsarten beruhend durchgeführt werden.
Als nächstes wird eine Operation beschrieben, die nach der Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Ausfallbestimmung durchgeführt wird.
24 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Ausfallbestimmungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 2401 bestimmt die ECU 100, ob ein Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Ausfallbestimmungsflag XFAFS eingeschaltet ist. Falls das Flag eingeschaltet ist (XFAFS = 1), setzt die Operation mit Schritt 2402 fort. Falls das Flag ausgeschaltet ist (XFAFS = 0), endet dieser Zyklus der Routine. In Schritt 2402 beendet die ECU 100 die Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelungsoperation zur Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgases des Motors 1 auf ein Luft/Kraftstoff-Sollverhältnis wie beispielsweise das theoretische Luft/Kraftstoffverhältnis. In Schritt 2403 unterbricht die ECU 100 anschließend die Elektrifizierung der Heizeinrichtung 104, um ein Überhitzen der Heizeinrichtung 104 zu verhindern. In Schritt 2404 schaltet die ECU 100 anschließend eine (nicht gezeigte) Alarmlampe ein, um den Fahrer über das Auftreten des Ausfalls bzw. Schadens des Luft/Kraftstoffverhältnissensor zu informieren. Nachstehend ist die Operation in Schritt 2104 in 21 beschrieben, d. h. eine Routine zur auf der kumulativen elektrischen Heizeinrichtungs-Energiemenge ΣHTWi beruhenden Korrektur des Sollwiderstands Zactg.
25 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Elementtemperatursteuerungs-Solllernwertberechnungsroutine. Diese Routine wird in einem vorbestimmten Zyklus von beispielsweise jeweils 128 ms ausgeführt. In Schritt 2501 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (10) angegeben anhand der kumulativen elektrischen Heizeinrichtungs-Energiemenge ΣHTWi eine mittlere Energie HTWAV: HTWAV = ΣHTWi/Anzahl der Aufsummierungen (10)
In Schritt 2502 berechnet die ECU 100 anhand der mittleren Energie HTWAV (W·h) auf der Grundlage einer in 26 angegebenen Tabelle einen Korrekturbetrag ZACOT (Ω) für den Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactgg zur Schätzung der Schädigung des Sensorelements 102. In Schritt 2503 berechnet die ECU 100 wie in Gleichung (11) angegeben einen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert Zactggi für den derzeitigen Operationszyklus: Zactggi = Zactggi – 1 + ZACOT (11)
In Gleichung (11) stellt Zactggi – 1 den in dem vorausgehenden Operationszyklus verwendeten Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert dar. In Schritt 2504 führt die ECU 100 anschließend wie in Gleichung (12) angegeben bezüglich des derzeitig erhaltenen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactggi eine Aktualisierungsoperation durch und speichert diesen in einem batteriegesicherten statischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (SRAM).
Zactggb = Zactggi (12)
Wie aus 26 hervorgeht, ist die Tabelle derart festgelegt, dass sich der Korrekturbetrag ZACOT mit einer Zunahme der mittleren Energie HTWAV erhöht. Diese Festlegung wurde aus den folgenden Gründen gewählt. Wenn der Luft/Kraftstoffverhältnissensor geschädigt wird, ändert sich das Widerstandsverhalten des Sensorelements. Im Ansprechen darauf wird die Steuerung zur Erhöhung der Sensorelementtemperatur, d. h. die Steuerung zur Senkung des Elementtemperatursteuerungs-Solllernwerts Zactggi, durchgeführt, so dass die der Heizeinrichtung zugeführte elektrische Energie zunimmt. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Überhitzung des Sensorelements und des Heizeinrichtungswiderstands verhindert, indem eine der Heizeinrichtung zuzuführende mittlere Energie berechnet wird und derart eine Steuerung durchgeführt wird, dass der Elementwiderstand heraufgesetzt wird, wenn die berechnete mittlere Energie zunimmt. Indem eine Überhitzung des Sensorelements und des Heizeinrichtungswiderstands verhindert werden, können eine vorzeitige Schädigung des Sensorelements und des Heizeinrichtungswiderstands verhindert und kann deren Betriebslebensdauer verlängert werden.
Obwohl bei dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel als spezifische Frequenz eine Frequenz von 5 kHz verwendet wurde, schränkt dies die Erfindung nicht ein. Es kann eine beliebige geeignete spezifische Frequenz ausgewählt werden, sofern bei dem Luft/Kraftstoffverhältnissensor das Elektrodenmaterial, der Elektrolyt und dergleichen, das Verhalten der Sensorschaltung, die angelegte Spannung, die Betriebstemperatur und dergleichen berücksichtigt werden. Falls eine spezifische Frequenz ausgewählt wird, die eine Widerstandserfassung bis zu der in 5 und 6 dargestellten Summe aus R1 (Bulk- bzw. Volumenwiderstand des Elektrolyten) + R2 (Korngrenzenwiderstand des Elektrolyten) + R3 (Elektrodengrenzflächenwiderstand) erlaubt, ergibt sich die Möglichkeit, Änderungen der Gaszustands des Erfassungsobjektgases deutlicher und genauer als in dem Fall zu überwachen, dass eine Frequenz gewählt ist, die eine nur bis R1 + R2 gehende Widerstandserfassung ermöglicht.
Die Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung gemäß dem vorstehenden Ausführungsbeispiel berechnet als einen Schädigungsparameter, der mit Alterungsveränderungen des Sensorelements verbunden ist, eine der Heizeinrichtung zur Erwärmung des Sensorelements zugeführte kumulative elektrische Heizeinrichtungs-Energiemenge, sie bestimmt beruhend auf der berechneten kumulativen Heizeinrichtungs-Energiemenge eine mittlere Energie für die Heizeinrichtung, und sie berechnet anhand der mittleren Energie unter Verwendung der Berechnungseinrichtung für die elektrische Energie einen Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert. Anschließend berechnet die Vorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß den durch das Sensorelement erfassten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases und genauer gemäß dem Luftstrom oder der Belastung sowie dem Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F-Verhältnis) einen Korrekturbetrag für den Sensorsollwiderstand. Beruhend auf dem demgemäß berechneten Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert und dem Korrekturbetrag korrigiert die Vorrichtung den Widerstand des Sensorelements und korrigiert dadurch den Sensorsollwiderstand. Das heißt, dass die Vorrichtung einen Sollwiderstand berechnet, indem der Elementtemperatursteuerungs-Solllernwert gemäß den durch das Sensorelement erfassten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases auf der Grundlage der der Heizeinrichtung zugeführten kumulativen elektrischen Energiemenge, die den durch Alterungsveränderungen hervorgerufenen Schädigungsgrad des Sensorelements angibt, korrigiert wird. Dann führt die Vorrichtung derart eine Steuerung durch, dass die Sensorelementtemperatur zu dem berechneten Sollwiderstand wird. Daher kann die Vorrichtung eine Überhitzung des Sensorelements und der Heizeinrichtung verhindern.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass die erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung den Widerstand des Sensorelements und daher den Elementsollwiderstand gemäß durch das Sensorelement erfassten Gaszuständen des Erfassungsobjektgases korrigiert. Daher kann die Vorrichtung eine korrekte Steuerung des Sollwiderstands gemäß den Gaszuständen vornehmen, um so eine Überhitzung des Sensorelements und der Heizeinrichtung zu verhindern.
Darüber hinaus korrigiert die erfindungsgemäße Luft/Kraftstoffverhältnissensor-Widerstandserfassungsvorrichtung den Widerstand des Sensorelements und daher den Sollwiderstand gemäß der der Heizeinrichtung zugeführten Energiemenge. Daher kann die Vorrichtung eine korrekte Steuerung des Sollwiderstands gemäß der der Heizeinrichtung zugeführten Energiemenge vornehmen, um so eine Überhitzung des Sensorelements und der Heizeinrichtung zu verhindern.
Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf der Grundlage der elektrischen Energiemenge, die der Heizeinrichtung innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne zugeführt wird, bestimmen, ob das Sensorelement einen Schaden aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann den Widerstand des Sensorelements zudem innerhalb einer kurzen Zeitdauer erfassen, indem an das Sensorelement eine Spannung angelegt wird, die durch Überlagerung einer Gleichspannung mit einer Wechselspannung erhalten wird.

Claims

Vorrichtung (100) zur Erfassung eines Widerstandes eines Luft-/Kraftstoffverhältnissensors (101), der ein durch eine Heizeinrichtung (104) zu aktivierendes Sensorelement (102) umfasst, durch das ein Strom fließt, der proportional zu einer Sauerstoffkonzentration eines über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoffgemisches ist, wobei die Vorrichtung (100) folgendes umfasst: – eine Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Luft-/Kraftstoff-Verhältnisses des über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoff-Gemisches, durch Anlegen einer ersten Spannung an das Sensorelement (102); – eine Widerstandserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Widerstandes des Sensorelementes (102) durch Anlegen einer zweiten Spannung an das Sensorelement (102); und – eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand einem Durchsatz (ga) oder einem Absolutdruck (PM) des über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoffgemisches und zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand dem von der Luft-/Kraftstoff-Verhältnis-Erfassungseinrichtung erfassten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis.
Vorrichtung (100) zur Erfassung eines Widerstandes eines Luft-/Kraftstoffverhältnissensors (101), der ein durch eine Heizeinrichtung (104) zu aktivierendes Sensorelement (102) umfasst, durch das ein Strom fließt, der proportional zu einer Sauerstoffkonzentration eines über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoffgemisches ist und der durch Anlegen einer ersten Spannung an das Sensorelement (102) erfasst wird, um ein Luft-/Kraftstoff-Verhältnis zu ermitteln, wobei die Vorrichtung (100) folgendes umfasst: – eine Widerstandserfassungseinrichtung zur Erfassung eines Widerstandes des Sensorelementes (102) durch Anlegen einer zweiten Spannung an das Sensorelement (102) – eine Energieberechnungseinrichtung zur Berechnung einer mittleren elektrischen Energiemenge (HTWAV), die der Heizeinrichtung (104) während einer vorbestimmten Zeitspanne bei Motorstart und/oder im Leerlaufbetrieb und/oder im Fahrbetrieb zugeführt wird; und – eine Korrektureinrichtung zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand der berechneten mittleren elektrischen Energiemenge (HTWAV).
Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer Schadensbestimmungseinrichtung zur Bestimmung, ob das Sensorelement (102) einen Schaden hat, auf der Grundlage der durch die Energieberechnungseinrichtung berechneten mittleren elektrischen Energiemenge (HTWAV).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3 mit einer Korrektureinrichtung zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand einem Durchsatz (ga) oder einem Absolutdruck (PM) des über das Sensorelement (102) strömenden Luft-/Kraftstoffgemisches und zur Korrektur des durch die Widerstandserfassungseinrichtung erfassten Widerstandes anhand dem ermittelten Luft-/Kraftstoff-Verhältnis.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Spannung erhalten wird, indem der ersten Spannung, die eine Gleichspannung ist, eine Wechselspannung überlagert wird.