DE69912077T2

DE69912077T2 - Gassensor mit kurzer Verbindungsleitung zu einem Stecker, der eine Signalverarbeitungsschaltung beherbergt, zur Minimierung von Einstreueffekten

Info

Publication number: DE69912077T2
Application number: DE69912077T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Kariya-city Hada; Eiichi Kariya-city Kurokawa; Tomoo Kariya-city Kawase; Toshiyuki Kariya-city Suzuki; Satoshi Kariya-city Haseda
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-12-04
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2019-12-04
Also published as: DE69912077D1; EP1006351A1; EP1369685A3; EP1369685A2; JP4153113B2; US6849174B2; US20030155238A1; US6547955B1; JP2000171435A; EP1006351B1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gaskonzentrations-Messgerät zur Messung der Konzentration von NOx, HC oder CO, das in einem Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelkreis für Kraftfahrzeuge Verwendung finden kann, und betrifft insbesondere ein Gaskonzentrations-Messgerät, das zur Minimierung einer im Ausgangssignal enthaltenen Messfehlerkomponente ausgestaltet ist.
IN BETRACHT GEZOGENER STAND DER TECHNIK
In jüngerer Zeit sind NOx-Sensoren zur Messung der Konzentration von Stickoxiden (NOx) in den Abgasemissionen von Kraftfahrzeugen entwickelt und in der Praxis eingesetzt worden (wie dies z. B. der EP 849 591 zu entnehmen ist).
In Bezug auf diese NOx-Sensoren ist ein Gassensor bekannt, der zur gleichzeitigen Messung der Konzentrationen von NOx und O₂ in den Abgasen einer Brennkraftmaschine ausgestaltet ist. Bei dieser Art von Gassensoren sind eine Pumpzelle für die Aufspaltung oder Ionisierung von Sauerstoffmolekülen in den Abgasen zur Messung der Konzentration von O₂ sowie eine Sensorzelle zur Aufspaltung von NOx in den sauerstoffionisierten Abgasen zur Messung der Konzentration von NOx vorgesehen. Die Messung der jeweiligen Konzentration von NOx und O₂ wird durch Anlegen einer gegebenen Spannung an die Pumpzelle bzw. die Sensorzelle erzielt, um das Fließen eines Stroms als Funktion der Konzentration von NOx bzw. O₂ herbei zu führen. Dieser Strom wird von dem Gassensor abgegeben und in ein Spannungssignal umgesetzt, das wiederum z. B. einer Motorsteuereinheit des Kraftfahrzeugs zugeführt wird.
Nachteiligerweise ist bei einem solchen Gassensor der Betrag des durch die Sensorzelle als Funktion der Konzentration von NOx fließende Strom jedoch äußerst gering, sodass er leicht von elektrischen Störungen bzw. Störsignalen überlagert werden kann, was eine genaue Messung der Konzentration von NOx verhindert. Wenn z. B. die Konzentration von NOx im Bereich von 0 bis 2000 ppm liegt, nimmt der von der Sensorzelle abgegebene Strom so geringe Werte wie 5 bis 10 μA an. Bei Verwendung des Gassensors im Motorsteuersystem eines Kraftfahrzeugs werden somit Ausgangssignaleinstreuungen von peripheren elektrischen Geräten dem Ausgangssignal des Gassensors als Störsignalanteile hinzugefügt, was einen Messfehler bei der Messung der Konzentration von NOx zur Folge hat.
Aus der WO 9813686 ist ein Gassensor zur Messung der Konzentration von Sauerstoff oder anderen Gasbestandteilen von Interesse in einem Abgaskanal wie einem Schornstein bekannt. Ein Festelektrolytsensor ist über eine Leitung in einem Anschluss mit einem Verbindungsglied verbunden, das eine mit einer Messschaltung, einer Heizschaltung, einem nichtflüchtigen Speicher, einer Taktgeberschaltung und einer Nachrichten- bzw. Signalübertragungsschaltung verbundene vollständige Steuereinrichtung aufweist. Die Steuereinrichtung ist über eine Schnittstelle unter Verwendung eines HART-Protokolls (Warenzeichen) oder Feldsammelleitungsprotokolls mit einer entfernt angeordneten Steuereinheit verbunden.
Weiterhin ist aus der EP 120423 ein Sauerstoffsensor bekannt, der mit einem verschiedene Schaltungsanordnungen wie eine Folgesteuerschaltung, eine Messschaltung und eine Heizelement-Steuerschaltung enthaltenden Verbindungsglied verbunden ist. Dieses Verbindungsglied ist über sein Gegenstück und eine Leitung mit einer entfernt angeordneten elektronischen Zentraleinheit in Form eines Mikroprozessors verbunden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht daher in der Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik.
Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Gaskonzentrations-Messgerät anzugeben, das zur Minimierung einer im Ausgangssignal des Geräts enthaltenen Messfehlerkomponente ausgestaltet ist.
Erfindungsgemäß wird ein Gaskonzentrations-Messgerät zur Verfügung gestellt, wie es im Patentanspruch 1 angegeben ist. Dieses Gaskonzentrations-Messgerät umfasst unter anderem: (a) einen Gaskonzentrationssensor, der ein Signal als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils abgibt, (b) eine Signalverarbeitungsschaltung, die das von dem Gaskonzentrationssensor abgegebene Signal zur Bildung eines die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils angebenden Spannungssignals verarbeitet, und (c) eine Leitung bzw. Leiterbahn, die den Gaskonzentrationssensor und die Signalverarbeitungsschaltung für die Übertragung des Signals elektrisch miteinander verbindet. Die Länge dieser Leitung wird als Funktion des Betrags bzw. Pegels des von dem Gaskonzentrationssensor abgegebenen Signals festgelegt. Je schwächer der Signalpegel ist, umso kürzer ist die Länge der Leitung bzw. Leiterbahn.
Ein Verbindungsglied verbindet den Gaskonzentrationssensor mit einem externen Gerät. In diesem Verbindungsglied ist ein Mikrocomputer angeordnet, der die Signalverarbeitungsschaltung bildet. Vorzugsweise ist eine Impedanzmessschaltung vorgesehen, über die eine Impedanzmessung eines Sensorelements des Gaskonzentrationssensors erfolgt. Die Impedanzmessschaltung bildet zusammen mit der Signalverarbeitungsschaltung eine in integrierter Bauweise ausgeführte Einheit.
Außerdem sind ein Heizelement und eine Heizelement-Steuerschaltung vorgesehen. Das Heizelement erwärmt ein Sensorelement des Gaskonzentrationssensors. Die Heizelement-Steuerschaltung steuert hierbei die Stromversorgung des Heizelements. Die Heizelement-Steuerschaltung bildet ebenfalls zusammen mit der Signalverarbeitungsschaltung eine in integrierter Bauweise ausgeführte Einheit.
Das Gaskonzentrations-Messgerät kann in einem Kraftfahrzeug z. B. zur Messung der Konzentrationen von O₂ und NOx in den Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine zu deren Verwendung im Rahmen einer Luft/Kraftstoffverhältnis-Regelung angeordnet sein. Je schwächer der Pegel des erhaltenen Signals ist, umso kürzer ist der Abstand zwischen dem Gaskonzentrationssensor und der Signalverarbeitungsschaltung, um die Einstreuung von durch elektrische Geräte des Kraftfahrzeugs erzeugten elektrischen Störsignalanteilen in das vom Gaskonzentrationssensor abgegebene Signal minimal zu halten.
Der Gaskonzentrationssensor umfasst eine erste Zelle, die in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung in den Gasen enthaltenen Sauerstoff in den Außenbereich des Gaskonzentrationssensors abführt und einen ersten elektrischen Strom als Funktion der Konzentration des abgeführten Sauerstoffs erzeugt, sowie eine zweite Zelle, die in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung einen zweiten elektrischen Strom als Funktion der Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils erzeugt, der in den Gasen enthalten ist, aus denen der Sauerstoff mit Hilfe der ersten Zelle abgeführt worden ist.
Vorzugsweise umfasst die Signalverarbeitungsschaltung die Funktion einer Kompensation von individuellen, von Einheit zu Einheit auftretenden Abweichungen der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors.
Vorzugsweise korrigiert die Signalverarbeitungsschaltung die Ausgangscharakteristik des Gaskonzentrationssensors dahingehend, dass sie mit einer gewünschten Charakteristik übereinstimmt.
Vorzugsweise besitzt die Impedanzmessschaltung die Funktion einer Kompensation von individuellen, von Einheit zu Einheit auftretenden Abweichungen der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors.
Vorzugsweise erzeugt die Impedanzmessschaltung ein die Impedanz des Sensorelements des Gaskonzentrationssensors angebendes Impedanzsignal und korrigiert das Impedanzsignal zur Unterdrückung von Schwankungen oder Veränderungen des Impedanzsignals, die von individuellen, von Einheit zu Einheit auftretenden Abweichungen der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors verursacht werden.
Die Heizelement-Steuerschaltung ist mit dem Heizelement über eine Stromversorgungsleitung zur Zuführung von Energie zu dem Heizelement verbunden. Hierbei besitzt die Heizelement-Steuerschaltung vorzugsweise die Funktion einer Minimierung einer Messfehlerkomponente, die durch den Widerstandswert der Stromversorgungsleitung hervorgerufen wird.
Die Signalverarbeitungsschaltung, die Impedanzmessschaltung und die Heizelement-Steuerschaltung sind auf einem einzigen Chip ausgebildet, der auf einem Keramiksubstrat angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die im Rahmen der nachstehenden Beschreibung lediglich zur Erläuterung und Veranschaulichung der Erfindung angeführt sind. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gaskonzentrations-Messgeräts,
2 den Aufbau eines Gaskonzentrationssensors und einer Sensor-Steuerschaltung,
3 eine Schnittansicht des inneren Aufbaus eines Gaskonzentrationssensors,
4(a), 4(b) und 4(c) Schnittansichten, die eine Folge von Gasmessvorgängen bei einem Gaskonzentrationssensor veranschaulichen,
5 ein Kennlinienfeld, das die Beziehung zwischen einem von einer Pumpzelle erzeugten Pumpzellenstrom und einer an die Pumpzelle angelegten Spannung veranschaulicht,
6 ein Kennlinienfeld, das die Beziehung zwischen einem durch eine Sensorzelle fließenden Sensorzellenstrom und einer an die Sensorzelle angelegten Spannung veranschaulicht,
7 ein Schaltbild, das den Aufbau einer Sensor-Steuerschaltung und eines Gaskonzentrationssensors veranschaulicht,
8 ein Ablaufdiagramm eines Programms zur Steuerung von an eine Pumpzelle und eine Sensorzelle eines Gaskonzentrationssensors angelegten Spannungen,
9 ein Ablaufdiagramm eines Programms zur Messung der Impedanz eines Sensorelements eines Gaskonzentrationssensors,
10 zeitabhängige Signalverläufe, die die Beziehung zwischen einer Ausgangsspannung Vs, einer Klemmenspannung Vc und einer Klemmenspannung Ve veranschaulichen,
11 eine perspektivische Ansicht eines Gaskonzentrationssensors und eines Verbindungsglieds, in dem die Sensor-Steuerschaltung und eine Heizelement-Steuerschaltung angeordnet sind,
12 eine grafische Darstellung, die die Abhängigkeit der Ausgangssignalpegel der von einem becherförmigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, einem laminierten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor und einem NOx-Sensor abgegebenen Ausgangssignale von der Länge einer zu jedem der Sensoren verlaufenden Ausgangsleitung veranschaulicht,
13 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem tatsächlichen Ausgangssignal eines Gaskonzentrationssensors und einem korrekten Ausgangssignal, und
14 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts, in dem Ausgangssignal-Korrekturschaltungen angeordnet sind.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauteile bzw. Elemente in mehreren Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein erfindungsgemäßes Gaskonzentrations-Messgerät dargestellt, das z. B. in Verbindung mit einem Motorsteuersystem eines Kraftfahrzeugs Verwendung findet, das zur Regelung der in eine Brennkraftmaschine eingespritzten Kraftstoffmenge als Funktion des Ausgangssignals des Gaskonzentrations-Messgeräts durch Rückkopplung im geschlossenen Regelkreis dient, um das Luft/Kraftstoffverhältnis (A/F) auf einen Sollwert einzuregeln und die Verschlechterung der Eigenschaften eines in einem Abgasrohr der Brennkraftmaschine angeordneten Katalysators zu diagnostizieren.
Bei diesem Gaskonzentrations-Messgerät findet ein Composit-Gaskonzentrationssensor 100 Verwendung, der in der Lage ist, gleichzeitig die Konzentrationen von Sauerstoff (O₂) und Stickoxiden (NOx) in den Abgasen einer Mehrzylinder-Viertakt-Brennkraftmaschine zu messen.
Ein Kraftstoff-Injektor 12 ist in einer Ansaugleitung 11 zur Zuführung des Kraftstoffs zu der Brennkraftmaschine 10 angeordnet. Der Gaskonzentrationssensor 100 ist in einem Abgasrohr 13 angeordnet und gibt Sensorsignale ab, die die Konzentration von O₂ und NOx angeben.
Wie in 3 veranschaulicht ist, besitzt der Gaskonzentrationssensor 100 einen zweizelligen Aufbau, der zur gleichzeitigen Messung der Konzentrationen von O₂ und NOx in den Abgasen der Brennkraftmaschine 10 dient. Der Gaskonzentrationssensor 100 besteht aus einem Laminat einer Pumpzelle 110, einer Sensorzelle 120, einer porösen Diffusionsschicht 101, einem Luftkanal 102, einer Isolierschicht 104 sowie einem Heizelement 103. Der Gaskonzentrationssensor 100 ist an seiner rechten Seite gemäß 3 am Abgasrohr 13 der Brennkraftmaschine angebracht, sodass seine Oberseite, Unterseite und linke Seite den Abgasen ausgesetzt sind.
Die Pumpzelle 110 ist auf der porösen Diffusionsschicht 101 derart angeordnet, dass sie den Abgasen ausgesetzt ist. Eine erste Pumpzellenelektrode 111 ist an der Oberseite der Pumpzelle 110 angebracht, während eine zweite Pumpzellenelektrode 112 an der Unterseite der Pumpzelle 110 gegenüber der porösen Diffusionsschicht 101 angebracht ist. Die Sensorzelle 120 ist zwischen der porösen Diffusionsschicht 101 und dem Luftkanal 102 angeordnet. Eine erste Sensorzellenelektrode 121 ist an der Oberseite der Sensorzelle 120 gegenüber der porösen Diffusionsschicht 101 angeordnet, während eine zweite Sensorzellenelektrode 122 an der Unterseite der Sensorzelle 120 gegenüber dem Luftkanal 102 angeordnet ist. Gemäß 3 treten die Abgase in die poröse Diffusionsschicht 101 von deren linker Seite her ein und strömen nach rechts.
Die Pumpzelle 110 und die Sensorzelle 120 bestehen jeweils aus einem Festkörper-Elektrolytlaminat wie einem Sauerstoffionen leitenden gesinterten Oxidelement aus ZrO₂, HfO₂, ThO₂ und Bi₂O₃, in dem CaO, MgO, Y₂O₃ und Yb₂O₃ als Bindemittel gelöst sind. Die poröse Diffusionsschicht 101 besteht aus einem wärmebeständigen anorganischen Material wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliciumdioxid, Spinell und Mulllit.
Die erste Pumpzellenelektrode 111 und die erste und zweite Sensorzellenelektrode 121 und 122 bestehen jeweils aus einem Edelmetall mit einer hohen katalytischen Reaktionsfähigkeit wie Platin (Pt), während die zweite Pumpzellenelektrode 112 aus einem Edelmetall wie Au-Pt besteht, das in Bezug auf NOx inaktiv ist, d. h., NOx nicht nennenswert aufspaltet.
Das Heizelement 103 ist in die Isolierschicht 104 eingebettet. Der Luftkanal 102 ist zwischen der Isolierschicht 104 und der Sensorzelle 120 ausgebildet und dient als Referenzgaskammer, in die Luft eingeführt wird. Die in der Referenzgaskammer befindliche Luft dient hierbei als Referenzgas bei der Messung der Konzentration von O₂. Die Isolierschicht 104 besteht aus Aluminiumoxid. Das Heizelement 103 besteht aus Platin und einem metallkeramischen Verbundwerkstoff (Cermet) wie Aluminiumoxid und wird von einer nachstehend noch näher beschriebenen Heizelement-Steuerschaltung mit Strom versorgt, um Wärme für die Aktivierung des gesamten Gaskonzentrationssensors 100 zu erzeugen.
Wenn im Betrieb O₂, NOx, CO₂ und H₂O enthaltende Abgase in der in 4(a) veranschaulichten Weise in die poröse Diffusionsschicht 101 eintreten und die Pumpzelle 110 passieren, bewirkt das Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle 110 über die Elektroden 111 und 112 eine Aufspaltung der Abgase. Da die zweite Pumpzellenelektrode 112 in der vorstehend beschriebenen Weise aus einem NOx kaum aufspaltenden Edelmetall besteht, werden nur die in den Abgasen enthaltenen O₂-Moleküle von der Pumpzelle 110 aufgespalten oder ionisiert und von der ersten Pumpzellenelektrode 111 wieder zu den Abgasen zurückgeführt, wie dies in 4(b) veranschaulicht ist, wodurch ein (nachstehend auch als Pumpzellenstrom bezeichneter) Grenzstrom erzeugt wird, der durch die Pumpzelle 110 als Funktion der Konzentration von O₂ in den Abgasen fließt.
Die in den Abgasen enthaltenen O₂-Moleküle werden normalerweise von der Pumpzelle 110 nicht vollständig aufgespalten, sodass O₂-Restmoleküle die Sensorzelle 120 erreichen. Wie in 4(c) veranschaulicht ist, bewirkt das Anlegen einer Spannung an die Sensorzelle 120, dass die erste Sensorzellenelektrode 121 die O₂-Moleküle sowie NOx-Moleküle aufspaltet, sodass Sauerstoffionen durch die zweite Sensorzellenelektrode 122 in den Luftkanal 102 abgeführt werden, wodurch ein (nachstehend auch als Sensorzellenstrom oder NOx-Strom bezeichneter) Grenzstrom erzeugt wird, der durch die Sensorzelle 120 als Funktion der Konzentration von NOx fließt.
5 zeigt eine V-I-Beziehung zwischen der an die Pumpzelle 110 angelegten Spannung und dem von der Pumpzelle 110 abgegebenen Pumpzellenstrom (mA). Die parallel zur Abszisse verlaufenden gradlinigen Kennliniensegmente bezeichnen Grenzstrom-Messbereiche, die sich mit steigender Konzentration von O₂ jeweils in positiver Richtung der an die Pumpzelle 110 angelegten Spannung verschieben. Wenn somit bei veränderlicher Konzentration von O₂ die an die Pumpzelle 110 angelegte Spannung konstant gehalten wird, kann die Konzentration von O₂ einen der jeweiligen Grenzstrom-Messbereiche überschreiten, was eine genaue Messung der Konzentration von O₂ erschwert. Außerdem hat dies zur Folge, dass eine große Menge von O₂ die Sensorzelle 120 erreicht, ohne von der Pumpzelle 110 abgeführt zu werden, was zu einer Vergrößerung der in dem NOx-Strom enthaltenen Messfehlerkomponente führt. Zur Vermeidung dieser Erscheinung wird die an die Pumpzelle 110 anzulegende Spannung derart geregelt, dass sie sich mit einer Rate ändert, die der Änderungsrate der Gleichstrom- bzw. Wirkwiderstandskomponente der Pumpzelle 110 entspricht, welche sich als Funktion der an der Pumpzelle 110 anliegenden Spannung ergibt. Hierbei wird die an die Pumpzelle 110 anzulegende Spannung entsprechend der gestrichelten Linie LX1 derart verändert, dass das Ausgangssignal der Pumpzelle 110 unabhängig von der Konzentration von O₂ in den Abgasen immer in einen der Grenzstrom-Messbereiche fällt.
6 zeigt eine V-I-Beziehung zwischen der an die Sensorzelle 120 angelegten Spannung und dem von der Sensorzelle 120 abgegebenen Sensorzellenstrom (mA). In einem Bereich, in dem die Konzentration von NOx 0 ppm beträgt, wird von der Sensorzelle 120 nur der mit A1 bezeichnete und von den über die poröse Diffusionsschicht 101 zu der Sensorzelle 120 fließenden O₂-Restmolekülen erzeugte Strom als Offsetstrom abgegeben. In einem Bereich, in dem die Konzentration von NOx größer als 0 und kleiner als 1 000 ppm ist, wird außerdem ein auf Grund der durch die Sensorzelle 120 erfolgenden Aufspaltung von NOx erzeugter und mit A2 bezeichneter Strom von der Sensorzelle 120 abgegeben. Wenn die der Sensorzelle 120 zugeführte Spannung einen bestimmten oberen Grenzwert überschreitet, führt dies zu einem ebenfalls von der Sensorzelle 120 abgegebenen und mit A3 bezeichneten zusätzlichen Strom, der durch die Aufspaltung von H₂O erzeugt wird. Die parallel zur Abszisse verlaufenden gradlinigen Kennliniensegmente geben jeweilige Grenzstrom-Messbereiche an, in denen die Messung des durch die NOx-Aufspaltung erzeugten Stroms möglich ist, wobei sich diese Grenzstrom-Messbereiche mit steigender Konzentration von NOx in den positiven Bereich der an die Sensorzelle 120 angelegten Spannung verschieben. Die an die Sensorzelle 120 angelegte Spannung wird daher entsprechend der gestrichelten Linie LX2 derart gesteuert, dass das Ausgangssignal der Sensorzelle 120 unabhängig von der Konzentration von NOx in den Abgasen stets in einen der Grenzstrom-Messbereiche fällt.
Gemäß 1 umfasst das Gaskonzentrations-Messgerät außerdem eine elektronische Steuereinheit ECU 20, eine Sensor-Steuerschaltung 510 und eine Heizelement-Steuerschaltung 520.
Der elektronischen Steuereinheit ECU 20 werden das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors 100 sowie von (nicht dargestellten) bekannten Sensoren gemessene Motorbetriebsdaten bezüglich der Motordrehzahl, des Ansaugleitungsdrucks, der Wassertemperatur und der Drosselklappenöffnung zur Steuerung der über den Kraftstoffinjektor 12 zugeführten Kraftstoffmenge und zur über eine Zündanlage 15 erfolgenden zeitlichen Steuerung des Zündzeitpunkts zugeführt. Außerdem führt die Sensor-Steuerschaltung 510 der elektronischen Steuereinheit ECU 20 ein O₂-Konzentrationssignal, das dem Luft/Kraftstoffverhältnis des der Brennkraftmaschine 10 zugeführten Gemischs proportional und nachstehend auch als A/F-Signal bezeichnet ist, sowie ein NOx-Konzentrationssignal zu.
Die Sensor-Steuerschaltung 510 erfasst den Pumpzellenstrom und den Sensorzellenstrom des Gaskonzentrationssensors 100 zur Berechnung der Konzentrationen von O₂ und NOx in den Abgasen und führt der elektronischen Steuereinheit ECU 20 diese Konzentrationen angebende Ausgangssignale zu. Außerdem nimmt die Sensor-Steuerschaltung 510 Daten bezüglich der als Funktion des Sensorelementwiderstands bestimmten und den aktiven Zustand des Gaskonzentrationssensors 100 angebenden Sensorelementtemperatur auf und führt der elektronischen Steuereinheit ECU 20 ein entsprechendes Ausgangssignal zu.
Wie nachstehend noch näher beschrieben ist, werden der Heizelement-Steuerschaltung 520 die Sensorelement-Temperaturdaten von der elektronischen Steuereinheit ECU 20 zur Steuerung der Stromversorgung des Heizelements 103 und Aufrechterhaltung eines aktivierten Zustands des Gaskonzentrationssensors 100 zugeführt.
Die Sensor-Steuerschaltung 510 und die Heizelement-Steuerschaltung 520 sind in ein Verbindungsglied 300 eingebaut, das die elektrische Verbindung zwischen der elektronischen Steuereinheit ECU 20 und dem Gaskonzentrationssensor 100 herstellt. Während bei einer typischen Anordnung des Standes der Technik die Sensor-Steuerschaltung 510 und die Heizelement-Steuerschaltung 520 in der elektronischen Steuereinheit ECU 20 angeordnet sind, sind sie bei diesem Ausführungsbeispiel in der Nähe des Gaskonzentrationssensors 100 in integrierter Bauweise angeordnet. Hierfür liegen drei Hauptgründe vor:

1. Der über die Sensorzelle fließende, einer NOx-Konzentration zwischen 0 und 500 ppm entsprechende Sensorzellenstrom liegt im Bereich von 0 bis 2,5 μA. Die Messung von ± 5 ppm erfordert somit eine höhere Messgenauigkeit als ± 25 nA. Derart geringe Ströme reagieren sehr empfindlich auf elektromagnetische Felder und Störungen, wenn sie über lange Leitungen geführt werden.
2. Der zur Erzielung einer Auflösung bzw. Messgenauigkeit von 2,5 nA erforderliche Isolationswiderstand zwischen den Leitungen einer den Sensorzellenstrom messenden Schaltungsanordnung ist viel höher als der bei einem üblichen Standard-Kabelbaum eines Kraftfahrzeugs realisierbare Isolationswiderstand.
3. Ein genauer Abgleich der NOx- und O₂-Kennwerte (Verstärkungsfaktor und Offsetwerte) zur Kompensation von individuellen, von Einheit zu Einheit auftretenden Abweichungen lässt sich bei der Serienfertigung einfacher mit einer Schaltungsanordnung erzielen, die möglichst dicht bei dem Gaskonzentrationssensor 100 angeordnet ist.

Eine Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511, eine NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 und eine Impedanzmessschaltung 513 der Sensor-Steuerschaltung 510 sowie die Heizelement-Steuerschaltung 520 sind auf einem einzigen Chip ausgebildet, der auf einem Keramiksubstrat oder einer mehrschichtigen Keramikplatte angeordnet ist, wodurch sich ein kompakter Aufbau und eine erheblich verbesserte Wärme- und Vibrationsfestigkeit ergibt. Die Sensor-Steuerschaltung 510 ist mit dem Gaskonzentrationssensor 100 über Leiter 401 elektrisch verbunden. Die Heizelement-Steuerschaltung 520 ist mit dem Heizelement 103 über einen Leiter 402 elektrisch verbunden.
Wie in 11 veranschaulicht ist, besitzt der Gaskonzentrationssensor 100 ein Gehäuse 160 und ein innerhalb des Gehäuses 160 angeordnetes Sensorelement 150. Das Sensorelement 150 besteht aus der Pumpzelle 110, der Sensorzelle 120 und dem Heizelement 103 gemäß 3. In dem Gehäuse 160 ist eine Vielzahl von Nadellöchern ausgebildet, durch die die Abgase in das Gehäuse 160 strömen. Das Verbindungsglied 300 umfasst ein Gehäuse 310 und eine Steckverbindungseinrichtung (Stecker bzw.
Kupplung) 320. In dem Gehäuse 310 sind die Sensor-Steuerschaltung 510 und die Heizelement-Steuerschaltung 520 angeordnet, wodurch die Einstreuung von externen elektrischen Störungen minimal gehalten wird.
Wie in 2 im einzelnen veranschaulicht ist, umfasst die Sensor-Steuerschaltung 510 eine Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511 eine NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 und eine Sensorelement-Impedanzmessschaltung 513.
Die Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511 ist mit der Pumpzelle 110 des Gaskonzentrationssensors 100 zur Messung eines durch die Pumpzelle 110 als Funktion der Konzentration von O₂ fließenden elektrischen Stroms oder Pumpzellenstroms verbunden und setzt diesen Strom in ein Spannungssignal um, das wiederum der elektronischen Steuereinheit ECU 20 zugeführt wird. Außerdem spricht die Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511 auf den Pumpzellenstrom zur Einstellung der an die Pumpzelle 110 angelegten Spannung an. In ähnlicher Weise ist die NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 mit der Sensorzelle 120 zur Messung eines über die Sensorzelle 120 als Funktion der Konzentration von NOx fließenden elektrischen Stroms oder Sensorzellenstroms verbunden, den sie in ein Spannungssignal umsetzt, das wiederum der elektronischen Steuereinheit ECU 20 zugeführt wird. Außerdem spricht die NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 auf den Sensorzellenstrom zur Einstellung der an die Sensorzelle 120 angelegten Spannung an.
Die Sensorelement-Impedanzmessschaltung 513 misst die Impedanz der Sensorzelle 120 oder der Pumpzelle 110 in Form eines Ablenkverfahrens und führt der Heizelement- Steuerschaltung 520 ein die gemessene Impedanz angebendes Signal zu.
Die Heizelement-Steuerschaltung 520 steuert die Stromversorgung des Heizelements 103 in Abhängigkeit von dem von der Sensorelement-Impedanzmessschaltung 513 zugeführten, die Impedanz angebenden Signal. In der japanischen Patentanmeldung Nr. 10-275 521 und der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 8-278 279 sind Heizelement-Steuersysteme angegeben, auf deren Offenbarung nachstehend Bezug genommen wird.
Wie in 7 im einzelnen veranschaulicht ist, umfasst die Sensor-Steuerschaltung 510 erfindungsgemäß einen Mikrocomputer 200, der aus einer Zentraleinheit CPU, Analog/Digital-Umsetzern A/D sowie Digital/Analog-Umsetzern D/A besteht. Den Analog/Digital-Umsetzern A/DO bis A/D3 werden an Anschlüssen Vc, Ve, Vd und Vb anstehende Spannungen zugeführt. Von den Digital/Analog-Umsetzern D/A1 und D/A0 werden eine Pumpzellen-Steuerspannung Vb sowie eine Sensorzellen-Steuerspannung Vc abgegeben. Von den Digital/Analog-Umsetzern D/A2 und D/A3 werden ein O₂-Konzentrationsausgangssignal und ein NOx-Konzentrationsausgangssignal abgegeben.
Hierbei wird die Pumpzellen-Steuerspannung Vb dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 211 zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 211 ist mit einem Endanschluss eines Widerstands 212 verbunden, der zur Messung des über die Pumpzelle 110 als Funktion der Konzentration von O₂ fließenden Pumpzellenstroms Ip dient. Der andere Endanschluss des Widerstands 212 ist mit der ersten Pumpzellenelektrode 111 des Gaskonzentrationssensors 100 sowie dem invertierenden Eingang des Verstärkers 211 verbunden, wodurch die an der ersten Pumpzellenelektrode 111 auftretende Spannung derart gesteuert wird, dass sie auf dem gleichen Potential wie die Pumpzellen-Steuerspannung Vb gehalten wird. Der Widerstand 212 ist über seine beiden Endanschlüsse außerdem mit den Analog/Digital-Umsetzern A/D2 und A/D3 verbunden.
Das über die Sensor-Steuerschaltung 510 erfolgende Anlegen der Pumpzellen-Steuerspannung Vb an die Pumpzelle 110 bewirkt somit, dass der Pumpzellenstrom Ip über den Widerstand 212 fließt. Hierbei ist der Pumpzellenstrom Ip durch folgende Gleichung gegeben: Ip = (Vd – Vb) /R1wobei mit Vb und Vd Spannungen bezeichnet sind, die an den Anschlüssen Vb und Vd des Widerstands 212 auftreten, während mit R1 der Widerstandswert des Widerstands 212 bezeichnet ist.
Der Mikrocomputer 200, der Verstärker 211 und der Widerstand 212 bilden die Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511.
Die von dem Digital/Analog-Umsetzer D/AO abgegebene Sensorzellen-Steuerspannung Vc wird dem nichtinvertierenden Eingang eines Verstärkers 221 über ein Tiefpassfilter 230 zugeführt. Das Tiefpassfilter 230 kann ein aus einem Kondensator bestehendes elementares Filter sein. Der Ausgang des Verstärkers 221 ist mit einem Endanschluss eines Widerstands 222 verbunden, der zur Messung des über die Sensorzelle 120 als Funktion der Konzentration von NOx fließenden Sensorzellenstroms Is dient. Der andere Endanschluss des Widerstands 222 ist mit der zweiten Sensorzellenelektrode 122 des Gaskonzentrationssensors 100 sowie dem invertierenden Eingang des Verstärkers 221 verbunden, wodurch die an der zweiten Sensorzellenelektrode 122 auftretende Spannung derart gesteuert wird, dass sie auf dem gleichen Potential wie die Sensorzellen-Steuerspannung Vc gehalten wird. Der Widerstand 222 ist über seine beiden Endanschlüsse mit den Analog/Digital-Umsetzern A/DO und A/D1 des Mikrocomputers 200 verbunden.
Das über die Sensor-Steuerschaltung 510 erfolgende Anlegen der Sensorzellen-Steuerspannung Vc an die Sensorzelle 120 bewirkt somit, dass der Sensorzellenstrom Is über den Widerstand 222 fließt. Hierbei ist der Sensorzellenstrom Is durch folgende Gleichung gegeben: Is = (Ve – Vc)/R2wobei mit Ve und Vc Spannungen bezeichnet sind, die an den Anschlüssen Ve und Vc des Widerstands 222 auftreten, während mit R2 der Widerstandswert des Widerstands 222 bezeichnet ist.
Der Mikrocomputer 200, der Verstärker 221 und der Widerstand 222 bilden die NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512.
Der Mikrocomputer 200 misst die Wechselstromimpedanz der Sensorzelle 120 unter Verwendung eines Ablenkverfahrens. Hierbei wird die Messung der Wechselstromimpedanz durch kurzzeitige Änderung der vom Digital/Analog-Umsetzer D/AO abgegebenen Sensorzellen-Steuerspannung Vc erzielt, wodurch eine Wechselspannung an die Sensorzelle 120 angelegt wird, die durch das Tiefpassfilter 230 in Form einer Sinuswelle verzerrt ist. Die Frequenz dieser Wechselspannung liegt vorzugsweise über 10 KHz. Die Zeitkonstante des Tiefpassfilters 230 liegt in der Größenordnung von 5 μs. Der Mikrocomputer 200 überwacht die Änderungen der an den Anschlüssen Ve und Vc auftretenden Spannungen Ve und Vc über die Analog/Digital-Umsetzer A/D1 und A/DO zur Bestimmung der Änderung der Spannungsdifferenz am Widerstand 222 sowie der Änderung des Sensorstroms und berechnet die Wechselstromimpedanz der Sensorzelle 120 in Abhängigkeit von den Änderungen der Spannungsdifferenz und des Sensorstroms. Der Mikrocomputer 200 führt dann der Heizelement-Steuerschaltung 520 über einen Digital/Analog-Umsetzer oder eine serielle Verbindungsschnittstelle ein die Wechselstromimpedanz der Sensorzelle 120 angebendes Signal zu.
Der Mikrocomputer 200, der Verstärker 221 und der Widerstand 222 bilden die Sensorelement-Impedanzmessschaltung 513.
Der Mikrocomputer 200 gibt ein Steuersignal mit einem gegebenen Tastverhältnis über eine E/A-Schnittstelle zur Betätigung eines MOSFET-Ansteuerelements 521 ab. Das MOSFET-Ansteuerelement 521 steuert einen MOS-Feldeffekttransistor 522 zur Regelung des dem Heizelement 103 von einer Stromquelle 523 wie einer Batterie zugeführten Stroms im Rahmen einer Pulsdauermodulation (PDM bzw. PBM) an. Der Mikrocomputer 200, das MOSFET-Ansteuerelement 521 und der MOS-Feldeffekttransistor 522 bilden die Heizelement-Steuerschaltung 520.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Programms bzw. eine Folge logischer Steuerschritte, die von der Zentraleinheit CPU des Mikrocomputers 200 im Verlauf der Ausführung eines (nicht dargestellten) Hauptprogramms, wie z. B. eines Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuerprogramms, zur Steuerung der der Pumpzelle 110 zugeführten Pumpzellen-Steuerspannung Vb und der der Sensorzelle 120 zugeführten Sensorzellen-Steuerspannung Vc ausgeführt werden.
Zunächst liest die Zentraleinheit CPU in einem Schritt 101 die Spannung Vd ein, die am Anschluss Vd (d. h., einem Endanschluss des Widerstands 212) ansteht und vom Analog/Digital-Umsetzer A/D2 in ein Digitalsignal umgesetzt wird. Gleichermaßen liest die Zentraleinheit CPU in Schritten 102, 103 und 104 die Spannungen Vb, Ve und Vc ein, die an den Anschlüssen Vb, Ve und Vc anstehen und jeweils von den Analog/Digital-Umsetzern A/D3, A/D1 bzw. A/DO in Digitalsignale umgesetzt werden.
Nach dem Schritt 104 geht der Ablauf auf einen Schritt 105 über, bei dem der Pumpzellenstrom Ip (= (Vd – Vb)/R1) bestimmt wird. Sodann geht der Ablauf auf einen Schritt 106 über, bei dem eine der Pumpzelle 110 zuzuführende Solleingangsspannung bestimmt wird, die dem Pumpzellenstrom Ip auf der Spannungskennlinie LX1 gemäß 5 entspricht. Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 107 über, bei dem die im Schritt 106 bestimmte Solleingangsspannung über den Digital/Analog-Umsetzer D/A1 als Pumpzellen-Steuerspannung Vb abgegeben wird.
Der Ablauf geht daraufhin auf einen Schritt 108 über, bei dem der Sensorzellenstrom Is (= (Ve – Vc)/R2) bestimmt wird. Sodann geht der Ablauf auf einen Schritt 109 über, bei dem eine der Sensorzelle 120 zuzuführende Solleingangsspannung bestimmt wird, die dem Sensorzellenstrom Is auf der Spannungskennlinie LX2 gemäß 6 entspricht. Anschließend geht der Ablauf auf einen Schritt 110 über, bei dem die im Schritt 109 bestimmte Solleingangsspannung über den Digital/Analog-Umsetzer D/AO als Sensorzellen-Steuerspannung Vc abgegeben wird.
Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 111 über, bei dem der Sensorzellenstrom Is über eine serielle Nachrichtenübertragungsschnittstelle der elektronischen Steuereinheit ECU 20 als ein die Konzentration von NOx angebendes Signal zugeführt wird. Anschließend geht der Ablauf auf einen Schritt 112 über, bei dem der Pumpzellenstrom Ip der elektronischen Steuereinheit ECU 20 über eine serielle Nachrichtenübertragungsschnittstelle als ein die Konzentration von O₂ angebendes Signal zugeführt wird.
9 zeigt ein Unterprogramm zur Bestimmung der Sensorelement-Impedanz, das von der Zentraleinheit CPU des Mikrocomputers 200 selektiv in regelmäßigen Intervallen von 128 ms während eines Start- oder Warmlaufbetriebs der Brennkraftmaschine und in regelmäßigen Intervallen von 256 ms nach dem Warmlaufen der Brennkraftmaschine ausgeführt wird.
Nach dem Eintritt in das Programm geht der Ablauf auf Schritte 201 und 202 über, bei denen die am Widerstand 222 auftretenden Spannungen Ve und Vc über die Analog/Digital-Umsetzer A/D1 und A/DO eingelesen werden, wobei diese Spannungen nachstehend als Ve1 und Vc1 bezeichnet sind.
Anschließend geht der Ablauf auf einen Schritt 203 über, bei dem die Summe einer nun an die Sensorzelle 120 angelegten Sensorzellen-Steuerspannung Vs und einer zusätzlichen Wechselspannung ΔVs von dem Digital/Analog-Umsetzer D/A0 abgegeben wird, wodurch bewirkt wird, dass sich die am Widerstand 222 auftretenden Spannungen Vc und Ve in der in 10 dargestellten Weise in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten des Tiefpassfilters 230 in Form eines Sinussignals verändern.
Der Ablauf geht sodann auf Schritte 204 und 205 über, bei denen die an den Anschlüssen Ve und Vc auftretenden und nachstehend mit Ve2 und Vc2 bezeichneten Spannungen 20 μs nach der im Schritt 203 erfolgenden Änderung der an den Widerstand 222 angelegten Spannung eingelesen werden.
Anschließend geht der Ablauf auf einen Schritt 206 über, bei dem die Impedanz Zac der Sensorzelle 120 gemäß nachstehender Gleichung berechnet wird: Zac = (Vc2 – Vc1)/{(Ve2 – Vc2) – (Ve1 – Vc1)}
Der Ablauf geht daraufhin auf einen Schritt 207 über, bei dem in der in 10 veranschaulichten Weise von dem Digital/Analog-Umsetzer D/A0 kurzzeitig eine negative Spannung ΔVs2 abgegeben wird, um die der Sensorzelle 120 zugeführte Spannung auf die Spannung Vs zurück zu führen.
Wie vorstehend beschrieben, ist der durch den Gaskonzentrationssensor 100 als Funktion der jeweiligen Konzentration von O₂ und NOx fließende Strom äußerst schwach, sodass leicht Interferenzen mit elektrischen Störungen bzw. Störsignalen auftreten können, die von peripheren Bauelementen bzw. Geräten erzeugt werden. Insbesondere bei einer innerhalb des Bereichs von 0 bis 2000 ppm liegenden Konzentration von NOx wird vom Gaskonzentrationssensor 100 als Funktion der Konzentration von NOx in der in 6 veranschaulichten Weise ein im Bereich von 5 bis 10 μA liegender äußerst geringer Strom abgegeben, was dazu führt, dass die Konzentration von NOx nicht mehr genau gemessen werden kann. Zur Vermeidung dieses Problems wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Länge der den Gaskonzentrationssensor 100 und die Sensor-Steuerschaltung 510 verbindenden Leitungen sowie die Länge des das Heizelement 103 mit der Heizelement-Steuerschaltung 520 verbindenden Leitung unter Verwendung einer geeigneten, in 12 veranschaulichten Beziehung festgelegt, die die Länge einer jeweils von einem becherförmigen Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor, einem laminierten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor und einem NOx-Sensor (d. h., dem Gaskonzentrationssensor 100) verlaufenden Leitung und dem zugehörigen Pegel des abgegebenen Ausgangssignals angibt.
Im allgemeinen ist bei einem Gaskonzentrationssensor, der wie im Falle dieses Ausführungsbeispiels zur Messung der Konzentration von NOx ausgestaltet ist, im Vergleich zu einem becherförmigen oder laminierten Luft/Kraftstoffverhältnis-Sensor eine Verkürzung der Zuleitungen erforderlich. Wenn die Einstreuungen von elektrischen Störungen bei dem Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors 100 minimal gehalten werden sollen, ist somit eine Verringerung der Länge der Leiter bzw. Leitungen 401 und 402 erforderlich. Ist der Gaskonzentrationssensor 100 in einem Kraftfahrzeug angeordnet, wirken verschiedene elektrische Störungen auf das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors 100 ein. Je geringer der Pegel des Ausgangssignals des Gaskonzentrationssensors 100, umso vorteilhafter ist eine Verringerung des Abstands zwischen dem Gaskonzentrationssensor 100 und dem Verbindungsglied 300 zur Minimierung der elektrischen Störsignalanteile bzw. Einstreuungen.
Das Sensorelement des Gaskonzentrationssensors 100 enthält ein Keramikmaterial, sodass bei seiner Charakteristik ein Gleichstromanteil und ein Wechselstromanteil zu berücksichtigen sind, wobei das die Gaskonzentration angebende Ausgangssignal bei der Massenfertigung zwangsläufig individuelle, von Einheit zu Einheit auftretende Abweichungen zeigt, was die Gutausbeute bei der Herstellung verringert. Geringfügige Schwankungen der Herstellungsbedingungen führen bereits zu Änderungen der Charakteristik bzw. Kennlinie sowie der Impedanz von Sensoren. Diejenigen Sensoren, deren Charakteristik bzw. Kennwerte unter der Norm liegen, werden üblicherweise als Ausschuss betrachtet, was zu einer Verringerung der Gutausbeute bei der Herstellung führt. Wie in 13 veranschaulicht ist, kann z. B. das in Form einer durchgezogenen Kennlinie dargestellte tatsächliche Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors 100 bei Änderungen der Konzentration von O₂ von dem in Form einer gestrichelten Kennlinie dargestellten korrekten Ausgangssignal abweichen.
Weiterhin wird der Widerstandswert des Heizelements 103 auf einen geringen Wert eingestellt, um die Aktivierung des Gaskonzentrationssensors 100 zu beschleunigen. Zu Beginn der Steuerung des Heizelements 103 ist daher eine genaue Messung der Impedanz des Gaskonzentrationssensors 100 mit Schwierigkeiten verbunden. Seitens der elektronischen Steuereinheit ECU 20 kann somit eine Überwachung der dem Heizelement 103 von der Heizelement-Steuerschaltung 520 zugeführten Leistung (d. h., der Heizelement-Spannung und des Heizelement-Stroms) erfolgen und der Heizelement-Steuerschaltung 520 ein Stromversorgungs-Steuersignal zugeführt werden. Wenn daher von Fahrzeug zu Fahrzeug unterschiedliche Widerstandswerte des Leiters bzw. der Leitung 402 (einschließlich der Widerstandswerte des Heizelements 103 und der Heizelement-Steuerschaltung 520) auftreten, beeinträchtigt dies die Steuerbarkeit des Heizelements 103, was z. B. zu einer Verringerung der von dem Heizelement 103 erzeugten Wärme und einem Messfehler bei der Messung der dem Heizelement 103 zugeführten Leistung führt, was wiederum eine Verzögerung bei der Aktivierung des Gaskonzentrationssensors 100 und dessen Überhitzung zur Folge haben kann.
Wie nachstehend im einzelnen beschrieben ist, sind zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme bei diesem Ausführungsbeispiel die Sensor-Steuerschaltung 510 zur Einstellung oder Korrektur der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors 100 und die Heizelement-Steuerschaltung 520 zur Kompensation des Messfehlers bei der Messung der dem Heizelement 103 zugeführten Leistung in Abhängigkeit vom Widerstandswert des Leiters 402 ausgestaltet.
Hierbei erfolgen die Korrektur der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors 100 sowie die Kompensation des Messfehlers bei der Messung der dem Heizelement 103 zugeführten Leistung durch eine Verstärkungseinstellung sowie eine Offset-Einstellung bei der Sensor-Steuerschaltung 510 und der Heizelement-Steuerschaltung 520 während der Herstellungsvorgänge. Diese Einstellungen können erfolgen durch:

1. Einbau von Einstellelementen,
2. Einbau und Trimmen bzw. Abgleichen eines Dickschichtwiderstands oder
3. Trimmen bzw. Abgleichen eines Widerstands auf dem Chip eines integrierten Schaltkreises, in den die Sensor-Steuerschaltung 510 und die Heizelement-Steuerschaltung 520 integriert sind.

Gemäß einem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel können eine jeweilige Korrekturschaltung 531, 532 und 533 mit dem Ausgang der Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512, der NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 bzw. der Impedanzmessschaltung 513 verbunden sein. Die Korrekturschaltungen 531, 532 und 533 bestehen jeweils aus einem Widerstand wie einem Parallel- oder Nebenschlusswiderstand, der zur Einstellung seines Widerstandswertes derart abgeglichen wird, dass das tatsächliche Ausgangssignal der Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511, der NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 und/oder der Impedanz-Messschaltung 533 in Übereinstimmung mit einem korrekten oder gewünschten Ausgangssignal gebracht wird.
Alternativ kann ein Verstärkungs/Offset-Einstellungskennfeld in dem zur Berechnung und Einstellung eines Verstärkungsfaktors oder Offset-Wertes der Verstärker 211 und 221 verwendeten Mikrocomputer 200 vorgespeichert werden, um das tatsächliche Ausgangssignal der Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511, der NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 und/oder der Impedanzmessschaltung 533 in Übereinstimmung mit einem korrekten oder gewünschten Ausgangssignal zu bringen. Anstelle der Verwendung des Verstärkungs/Offset-Einstellungskennfeldes können auch über einen Analog/Digital-Umsetzer Parameter zur Berechnung und Einstellung des Verstärkungsfaktors und Offset-Werts direkt in den Mikrocomputer 200 eingegeben werden.
Zur Beseitigung oder Unterdrückung einer Fehlerkomponente in dem Ausgangssignal der Heizelement-Steuerschaltung 520, das den Betrag der dem Heizelement 103 zugeführten Leistung in Abhängigkeit vom Widerstandswert des Leiters 402 angibt, kann eine Korrekturschaltung 534 ähnlich den Korrekturschaltungen 531, 532 und 533 in die Heizelement-Steuerschaltung 520 eingebaut werden. Alternativ kann der Mikrocomputer 200 einen Verstärkungsfaktor oder Offset-Wert der Heizelement-Steuerschaltung 520 in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, berechnen, um die Übereinstimmung des Ausgangssignals mit einem korrekten Ausgangssignal herzustellen.
Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, liegt auf der Hand, dass die Erfindung in mancherlei Weise modifiziert werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Die Erfindung umfasst somit sämtliche möglichen Ausführungsbeispiele und Modifikationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele, die im Rahmen des durch die Patentansprüche gegebenen Schutzumfangs der Erfindung denkbar sind.
So kann z. B. nur die NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512, die vom Gaskonzentrationssensor 100 ein schwaches elektrisches Signal (d. h., den Sensorzellenstrom) erhält, innerhalb des Verbindungsglieds 300 angeordnet sein, um den Abstand zum Gaskonzentrationssensor 100 bzw. die Länge einer die NOx-Konzentrationsbestimmungsschaltung 512 mit dem Gaskonzentrationssensor 100 verbindenden Leitung zur Minimierung der Einstreuung von elektrischen Störungen zu verkürzen. Zusätzlich können in beliebiger Weise die Sauerstoff-Konzentrationsbestimmungsschaltung 511, die Impedanzmessschaltung 513 und/oder die Heizelement-Steuerschaltung 520 ebenfalls innerhalb des Verbindungsglieds 300 angeordnet sein, wodurch die Länge der Leitungen zwischen den Schaltungen 511, 512, 513 und 520 und dem Gaskonzentrationssensor 100 selektiv bestimmt werden kann, was größere Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet.
Die erste Sensorzellenelektrode 121 und die zweite Pumpzellenelektrode 112 liegen in der in 7 veranschaulichten Weise zwar an Masse, können jedoch alternativ auch mit einem gemeinsamen Anschluss verbunden werden, der auf einem positiven Potential gehalten wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass über die Pumpzelle 110 und die Sensorzelle 120 jeweils ein negativer elektrischer Strom fließt. Auch wenn somit ein fettes Gasgemisch, durch das üblicherweise das Fließen eines negativen Stroms verringert und der Konzentrationsausgleich von O₂ in der porösen Diffusionsschicht 101 verändert wird, in den Gaskonzentrationssensor 100 eintritt, kann die Konzentration eines Gases, wie z. B. O₂, in der porösen Diffusionsschicht 101 auf einem dem stöchiometrischen Wert äquivalenten, konstanten Wert gehalten werden. Dies ermöglicht die genaue Messung auch eines fetten Gasgemisches, wodurch ein größerer Messbereich des Gaskonzentrationssensors 100 und außerdem ein erheblich verbessertes Ansprechvermögen des Gaskonzentrationssensors 100 erhalten wird, wenn das Gasgemisch vom fetten in den mageren Bereich übergeht.
Die Erfindung kann auch in Verbindung mit aus dem Stand der Technik bekannten dreizelligen oder vierzelligen Gaskonzentrationssensoren Verwendung finden.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Gaskonzentrationssensor Anwendung finden, der zur Aufspaltung und Abführung von O₂ in den Messgasen über eine Pumpzelle und Aufspaltung von in den Gasen nach der Aufspaltung von O₂ enthaltenem HC und/oder CO über eine Sensorzelle zur Bestimmung der Konzentration von O₂ und der Konzentration von HC und/oder CO ausgestaltet ist.
Es wird somit ein Gaskonzentrations-Messgerät mit einem Gassensor angegeben, der zur Messung z. B. der Konzentrationen von O₂ und NOx in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet ist. Das Gerät umfasst eine Signalverarbeitungsschaltung, die ein von dem Gassensor abgegebenes Stromsignal in Abhängigkeit von der Konzentration von O₂ und/oder NOx in ein Spannungssignal umsetzt. Der Gassensor und die Signalverarbeitungsschaltung sind hierbei elektrisch über eine Leitung bzw. einen Leiter verbunden. Die Länge dieses Leiters wird als Funktion des Pegels bzw. Betrages des vom Gassensor abgegebenen Stromsignals bestimmt. Je schwächer der Pegel des Stromsignals ist, umso kürzer ist die Länge des Leiters. Auf diese Weise wird die Einstreuung von elektrischen Störungen bzw. Störsignalanteilen in das vom Gassensor abgegebene Stromsignal minimal gehalten.

Claims

Gaskonzentrations-Messgerät, mit: einem Gaskonzentrationssensor (100), der ein Sensorelement und ein elektrisches Verbindungsglied (300) zur Herstellung einer Verbindung mit einer entfernt angeordneten elektronischen Steuereinheit (20) aufweist, wobei das Sensorelement eine Pumpzelle (110) und eine Sensorzelle (120) aufweist, und die Pumpzelle aus einem Festelektrolytkörper und einer ersten und einer zweiten Pumpzellenelektrode (111, 112) besteht, wobei die erste und die zweite Pumpzellenelektrode in Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, denen der Gaskonzentrationssensor ausgesetzt ist, enthaltene Sauerstoffmoleküle aufspaltet und aus dem Gaskonzentrationssensor herauspumpt, während die Sensorzelle (120) aus einem Festelektrolytkörper und einer ersten und einer zweiten Sensorzellenelektrode (121, 122) besteht, wobei die erste und die zweite Sensorzellenelektrode in Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung zumindest einen der in den Abgasen enthaltenen Stoffe NOx, HC und CO über die erste Sensorzellenelektrode zur Erzeugung eines Stromsignals aufspaltet, das über den Festelektrolytkörper als Funktion der Konzentration des zumindest einen der Stoffe NOx, HC und CO fließt, und ein innerhalb des Verbindungsgliedes (300) angeordneter Mikrocomputer (200) die Funktionen einer Gaskonzentrationsbestimmung und einer Heizelementsteuerung ausführt, wobei die Gaskonzentrationsbestimmung in Wirkverbindung mit der ersten und der zweiten Sensorzellenelektrode durch Verarbeitung und Auswertung des von dem Gaskonzentrationssensor abgegebenen Stromsignals zur Zuführung von Daten als Funktion der Konzentration des zumindest einen der Stoffe NOx, HC und CO zu der entfernt angeordneten elektronischen Steuereinheit (20) über eine serielle Übertragungsschnittstelle erfolgt, während durch die Heizelement-Steuerfunktion die Steuerung der Stromversorgung eines Heizelements (103) erfolgt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, bei dem der. Mikrocomputer (200) außerdem eine Impedanzmessung durchführt, bei der die Impedanz des Sensorelements des Gaskonzentrationssensors gemessen wird, und bei dem durch die Heizelement-Steuerfunktion die Stromversorgung des das Sensorelement erwärmenden Heizelements (103) auf der Basis der gemessenen Impedanz gesteuert wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, bei dem der Mikrocomputer (200) dazu dient, den zwischen der ersten und der zweiten Pumpzellenelektrode der Pumpzelle fließenden Strom zu messen, eine an die erste und die zweite Pumpzellenelektrode anzulegende Sollspannung auf der Basis des gemessenen Stroms zu bestimmen und die an der ersten und der zweiten Pumpzellenelektrode anliegende Spannung auf die Sollspannung einzuregeln.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, bei dem die Distanz zwischen dem Gaskonzentrationssensor und dem Verbindungsglied festgelegt ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, bei dem der Mikrocomputer (200) die Funktion einer Kompensation von individuellen, von Einheit zu Einheit auftretenden Abweichungen der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors hat.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 2, bei dem der Mikrocomputer (200) die Funktion einer Kompensation von individuellen, von Einheit zu Einheit auftretenden Abweichungen der Kennwerte des Gaskonzentrationssensors hat.