DE3517252A1

DE3517252A1 - Heating device for an oxygen sensor

Info

Publication number: DE3517252A1
Application number: DE19853517252
Authority: DE
Inventors: Toyoaki Yokohama Nakagawa
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1984-05-14
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1985-11-21
Also published as: JPS60239664A

Abstract

An oxygen sensor element is provided with a heating device which comprises an electrically operated heater for heating the oxygen sensor element as electrical energy is supplied. The heating device is constructed and arranged in such a way that it assesses the temperature of the heater during start-up of the engine and regulates the electrical energy to be supplied to the heater as a function of the heating temperature determined, in order to place the oxygen sensor element into an activated state even during start-up of the engine, as a result of which a highly accurate air/fuel ratio feedback control is achieved even as the engine warms up.

Description

Heizvorrichtung für einen Sauerstoffühler Heating device for an oxygen sensor

Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung zur geregelten Beheizung eines Sauerstoffühlers, der zur Ermittlung der Sauerstoffkonzentration in einem Gas in Verbindung mit Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen oder anderen Verbrennungseinrichtungen zu verwenden ist. Description The invention relates to a heating device for the controlled heating of an oxygen sensor that is used to determine the oxygen concentration in a gas in connection with motor vehicle internal combustion engines or other combustion devices is to be used.

Auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen ist es üblich geworden, einen Sauerstoffühler in ein Abgassystem einzubauen, um eine Rückkopplungsregelung der Kraftstoffzufuhrmenge in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Abgas. in enger Wechselbeziehung zum Luft/Kraftstoffverhältnis des dem Motor zuzuführenden Luft/Kraftstoffgemischs zu bewerkstelligen und damit das Luft/ Kraftstoffverhältnis genau auf einen Zielpegel einzuregeln. Im Hinblick darauf, daß die Kennwerte eines solchen Sauerstoffühlers in hohem Maß von der Temperatur abhängen, ist vorgeschlagen worden, den Sauerstoffühler regelbar durch eine Heizvorrichtung, die einen elektrisch betriebenen Erhitzer umfaßt, zu beheizen, um auf diese Weise ständig die Temperatur des Sauerstoffühlers auf einem konstanten Pegel zum Zweck der Stabilisierung für das Arbeiten des Fühlers zu halten.In the field of internal combustion engines, it has become common to use a Build an oxygen sensor into an exhaust system to provide feedback control of the Amount of fuel supplied as a function of the oxygen concentration in the exhaust gas. closely correlated to the air / fuel ratio of that to be supplied to the engine To accomplish air / fuel mixture and thus the air / fuel ratio to regulate exactly to a target level. With a view to the fact that the characteristics of a such an oxygen sensor to a large extent depend on the temperature is proposed been, the oxygen sensor controllable by a heating device, which is an electric operated Heater includes, to heat, in this way constantly the temperature of the oxygen sensor at a constant level for the purpose of stabilization for the working of the probe to keep.

Eine solche Heizvorrichtung ist jedoch derart aufgebaut, daß sie die Temperatur des Sauerstoffühlers in der Hauptsache nach dem Starten des Motors regelt, so daß eine geeignete Temperaturregelung für den Sauerstoffühler nicht während des Anlaufens des Motors erreicht werden kann. Demzufolge ist die Beurteilung des Luft/Kraftstoffverhältnisses für eine Zeitspanne nach dem Motorstart ungenau, womit die Genauigkeit der Rückkopplungsregelung des Luft/Kraftstoffverhältnisses vermindert wird, und zwar insbesondere während des Warmlaufens des Motors.However, such a heater is constructed so that it the Regulates the temperature of the oxygen sensor mainly after starting the engine, so that a suitable temperature control for the oxygen sensor is not during the Starting the motor can be achieved. Hence the judgment of the air / fuel ratio inaccurate for a period of time after engine start, thus reducing the accuracy of the feedback control the air / fuel ratio is reduced, especially during warming up the engine.

Eine Heizvorrichtung gemäß der Erfindung ist für eine regelbare Beheizung des Sauerstoffühlerelements vorgesehen und weist einen elektrisch betriebenen Erhitzer auf, der bei Zufuhr von elektrischer Energie Wärme erzeugt. Die Heizvorrichtung ist so aufgebaut und angeordnet, daß die Temperatur des Erhitzers während des Motorwarmlaufens beurteilt wird, um dann im Ansprechen auf die beurteilte oder veranschlagte Erhitzertemperatur die dem Erhitzer zuzuführende elektrische Energie zu regeln, so daß das Sauerstoffühlerelement in einen aktivierten Zustand - auch während des Motorstarts - versetzt wird.A heating device according to the invention is for controllable heating of the oxygen sensor element is provided and has an electrically operated heater which generates heat when electrical energy is supplied. The heater is so constructed and arranged that the temperature of the heater during the engine warm-up is judged, then in response to the judged or estimated heater temperature to regulate the electrical energy to be supplied to the heater, so that the oxygen sensor element is put into an activated state - also during the engine start.

Demzufolge kann das Sauerstoffühlerelement durch den Erhitzer rasch während des Motorstarts erwärmt werden, um die Ausgangskennwerte des Sauerstofffühlerelements glatt und stufenlos zu stabiliseren oder konstant zu halten, womit die Genauigkeit in der Beurteilung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der anfänglichen Zeitspanne des Betriebs des Sauerstoffühlerelements in hohem Maß verbessert und gesteigert wird. Damit wird eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelung bei hoher Genauigkeit auch während des Warmlaufens des Motors ermöglicht.As a result, the oxygen sensing element can be swiftly through the heater heated during engine start to the output characteristics of the oxygen sensing element smoothly and continuously to stabilize or to keep constant, thereby increasing the accuracy in the judgment of the air / fuel ratio in the initial period the operation of the oxygen sensing element is greatly improved and increased will. So that will an air / fuel ratio feedback control with high accuracy even while the engine is warming up.

Die Merkmale und Vorteile der Heizvorrichtung für das Sauerstoffühlerelement gemäß der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnungen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen deutlich.The features and advantages of the heater for the oxygen sensing element according to the invention will become apparent from the following referring to the drawings Description of preferred embodiments clearly.

Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen Sauerstoffühlers; Fig. 2 ein Schaltschema einer Sauerstoffühler-Heizvorrichtung in einer ersten Ausführungsform nach der Erfindung; Fig. 3 ein Schaltschema einer Heizvorrichtung in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform; Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines mit zwei Erhitzern ausgestatteten Sauerstoffühlers einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Heizvorrichtung; Fig. 5 ein Schaltschema für die dritte Ausführungsform einer Heizvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 6 ein Schaltschema einer Heizvorrichtung in einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung.1 shows a schematic sectional illustration of a conventional one Oxygen sensor; Fig. 2 is a circuit diagram of an oxygen sensor heating device in a first embodiment according to the invention; Fig. 3 is a circuit diagram of a Heating device in a second embodiment of the invention; Fig. 4 a schematic sectional view of an oxygen sensor equipped with two heaters a third embodiment of a heating device according to the invention; Fig. 5 a Circuit diagram for the third embodiment of a heating device according to the invention; 6 shows a circuit diagram of a heating device in a fourth embodiment according to the invention.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird kurz auf einen herkömmlichen Sauerstoffühler, der in Fig. 1 dargestellt ist, Bezug genommen. Der herkömmliche Sauerstofffühler 1 ist von der Sauerstoff-Konzentrationselement-oder Sauerstoff-Konzentrationszellenbauart, wobei eine elektromotorische Kraft (EMK) in übereinstimmung mit der zu messenden Sauerstoffkonzentration eines Gases entwickelt wird. Der Sauerstoffühler 1 besteht aus einem ersten sowie zweiten, Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt 2 bzw. 3, die parallel und unter Einhaltung eines vorbestimmtes Abstandes L (z.B. L = 0,1 mm) zu- einander angeordnet sind. Zwischen die beiden Festelektrolyten 2 und 3 ist ein Tragteil 4 eingefügt, das zusammen mit dem ersten und zweiten Elektrolyt 2 bzw. 3 eine Spaltöffnung 5 bildet. Der erste Festelektrolyt 2 ist an einer die Spaltöffnung 5 begrenzenden Fläche mit einer Bezugselektrode 6 und an der entgegengesetzten Fläche mit einer Meßelektrode 7 versehen. Der zweite Festelektrolyt 3 ist an einer die Spaltöffnung 5 begrenzenden Fläche mit einer Pumpkathode 8, die der Bezugselektrode 6 gegenüberliegt, und an der entgegengesetzten Fläche mit einer Pumpanode 9 ausgestattet. Die Pumpkathode 8 dient als eine Pumpelektrode, die einen Entzug von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyt 3 hervorruft. Es sollte klar sein, daß ein Fühlteil 10 vom ersten Festelektrolyt 2, von der Bezugselektrode 6 und der Meßelektrode 7 gebildet wird, während ein Pumpteil 11 aus dem zweiten Festelektrolyt 3, der Pumpkathode 8 und der Pumpanode 9 besteht, so daß sich ein Sauerstoffühlerelement 12 aus dem Fühlteil 10 und dem Pumpteil 11 zusammensetzt.For a better understanding of the invention, reference is made briefly to a conventional one Oxygen sensor shown in FIG. 1 is referred to. The conventional one Oxygen sensor 1 is of the oxygen concentration element or oxygen concentration cell type, being an electromotive force (EMF) in accordance with that to be measured Oxygen concentration of a gas is developed. The oxygen sensor 1 exists from a first and a second, oxygen ion conductive solid electrolyte 2 resp. 3, which are parallel and in compliance with a predetermined distance L (e.g. L = 0.1 mm) to- are arranged to each other. Between the two solid electrolytes 2 and 3, a support part 4 is inserted, which together with the first and second electrolyte 2 or 3 forms a gap opening 5. The first solid electrolyte 2 is at a die Gap opening 5 delimiting surface with a reference electrode 6 and on the opposite one Provide the surface with a measuring electrode 7. The second solid electrolyte 3 is on one the area delimiting the gap opening 5 with a pump cathode 8, which is the reference electrode 6 opposite, and equipped with a pump anode 9 on the opposite surface. The pump cathode 8 serves as a pump electrode that removes oxygen ions caused by the solid electrolyte 3. It should be understood that a sensing part 10 formed by the first solid electrolyte 2, the reference electrode 6 and the measuring electrode 7 is, while a pump part 11 from the second solid electrolyte 3, the pump cathode 8 and the pump anode 9 is so that an oxygen sensor element 12 from the Sensing part 10 and the pump part 11 assembled.

Wenn bei dem derart aufgebauten Sauerstoffühler 1 ein Pumpstrom Ip der Pumpanode 9 zugeführt wird, so fließt er durch den zweiten Festelektrolyt 3 in der Richtung von der Pumpanode 9 zur Pumpkathode 8. Dabei werden Sauerstoffionen innerhalb des zweiten Elektrolyten 3 in Richtung von der Pumpkathode 8 zur Pumpanode 9 in Obereinstimmung mit dem Wert des Pumpstromes Ip weggeschafft.If in the oxygen sensor 1 constructed in this way, a pump current Ip is fed to the pump anode 9, it flows through the second solid electrolyte 3 in the direction from the pump anode 9 to the pump cathode 8. Thereby, oxygen ions within the second electrolyte 3 in the direction from the pump cathode 8 to the pump anode 9 removed in accordance with the value of the pump current Ip.

Wenn ein Gas, z.B. Abgas, das dem Meßvorgang unterliegt, entsprechend den mit "GAS" bezeichneten Pfeilen eingeführt wird, so wird demzufolge ein Sauerstoffmolekül in der Spaltöffnung 5 in Form eines Ions unter der Wirkung des Pumpstromes Ip ausgetragen. Da in diesem Fall der Abstand L zwischen dem ersten und zweiten Festelektrolyt 2 und 3 äußerst klein ist, ist die Menge der von außen her in die Spaltöffnung 5 zu diffundierenden Sauerstoffmoleküle begrenzt. Das hat zum Ergebnis, daß zwischen der Innen- und Außenseite der Spaltöffnung 5 ein Sauerstoffkonzentrationsunterschied hergestellt wird, womit in übereinstimmung mit diesem Konzentrationsunterschied eine EMK E zwischen der Bezugs- sowie Meßelektrode 6 und 7 entwickelt wird. Die auf diese Weise erzeugte EMK E kann als eine Ausgangsspannung Vs erfaßt werden.If a gas, e.g. exhaust gas, which is subject to the measurement process, accordingly the arrows labeled "GAS" are introduced, so it becomes an oxygen molecule discharged in the gap opening 5 in the form of an ion under the effect of the pump current Ip. In this case, since the distance L between the first and second solid electrolyte 2 and 3 is extremely small, the amount of from the outside into the gap opening 5 is too diffusing oxygen molecules. The result is that between the inside and outside of the gap opening 5 Oxygen concentration difference is produced, which is in accordance with this difference in concentration an EMF E is developed between the reference and measuring electrodes 6 and 7. the EMF E generated in this way can be detected as an output voltage Vs.

Ein Luft/Kraftstoffverhältnis (im Abgas), das derselben Ausgangsspannung Vs entspricht, ändert sich in Abhängigkeit vom Pumpstrom Ip, so daß sich das Luft/Kraftstoffverhältnis zur mageren Seite (einer höheren Verhältnisseite) hin verschiebt, wenn der Pumpstrom Ip anwächst.An air / fuel ratio (in the exhaust gas) that is the same output voltage Vs changes depending on the pumping current Ip, so that the air / fuel ratio changes shifts to the lean side (a higher ratio side) when the pumping current Ip grows.

Deshalb kann, wenn der Pumpstrom Ip so zugeführt wird, daß die Ausgangsspannung Vc konstant wird, das Luft/ Kraftstoffverhältnis aus dem Wert dieses Pumpstromes Ip ermittelt werden.Therefore, when the pumping current Ip is supplied so that the output voltage Vc becomes constant, the air / fuel ratio from the value of this pumping current Ip can be determined.

Das bedeutet, daß die vom Sauerstoffühierelement 12 ermittelte Sauerstoffkonzentration durch die Ausgangsspannung Vs erfaßt wird. Die Ausgangsspannung Vs stellt den Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwischen der Bezugs-und der Meßelektrode 6 und 7 dar. Es ist festzustellen, daß der Wert des Pumpstroms Ip, der derselben Ausgangsspannung Vs entspricht, einer Änderung unterliegt, wenn sich die Temperatur des Sauerstoffühlerelements 12 ändert, was darauf beruht, daß sich der Wert des Diffusionskoeffizienten in der Spaltöffnung 5 in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, wobei der Wert des Pumpstromes Ip der Menge an in der Spaltöffnung 5 diffundierten Sauerstoffmolekülen entspricht. Wenn sich der Wert des Pumpstroms Ip bei einer Temperaturänderung ändert, so vermindert sich demzufolge die Genauigkeit in der Ermittlung des Luft/Kraftstoffverhältnisses. Im Hinblick darauf wird ein Erhitzer 13 vorgesehen, der die Temperatur des Sauerstoffühlerelements 12 regelt. Der Erhitzer 13 wird in der Nähe des Sauerstoffühlerelements 12, um dieses zu erhitzen, angeordnet, so daß dieses Fühlerelement in einem aktivierten Zustand gehalten wird. Im einzelnen wird seitwärts vom Sauerstoffühlerelement 12 unter Einhaltung eines vorbestimmten Abstands zu diesem ein isolierendes Aluminiumoxidsubstrat 14 angeordnet, in das der Erhitzer 13 eingebettet ist, um den ersten sowie zweiten Festelektrolyt 2 und 3 auf eine geeignete Temepratur zu erwärmen, so daß die Aktivität der Elektroden erhalten bleibt.This means that the oxygen concentration determined by the oxygen guide element 12 is detected by the output voltage Vs. The output voltage Vs represents the difference in oxygen concentration between the reference and measuring electrodes 6 and 7. It should be noted that the value of the pumping current Ip corresponding to the same output voltage Vs. Subject to change when the temperature of the oxygen sensing element 12 changes, which is based on the fact that the value of the diffusion coefficient in the gap opening 5 changes as a function of the temperature, the value of the pump current Ip the Corresponds to the amount of oxygen molecules diffused in the gap opening 5. if if the value of the pump current Ip changes with a change in temperature, then it is reduced consequently the accuracy in determining the air / fuel ratio. In view of this, a heater 13 is provided which measures the temperature of the oxygen sensor element 12 regulates. The heater 13 is in the vicinity of the oxygen sensor element 12 to this to heat, arranged so that this sensing element is in an activated state is held. In detail, is sideways from the oxygen sensor element 12 in compliance one an insulating aluminum oxide substrate 14 arranged at a predetermined distance therefrom, in which the heater 13 is embedded, around the first and second solid electrolyte 2 and 3 to a suitable temperature, so that the activity of the electrodes preserved.

Dem Erhitzer 13 wird durch Heizleitungsdrähte 15 und 16 ein Heizstrom Ih mit einer Spannung von etwa 5 - 15V von einem Stromversorgungsteil 17 zugeführt. Dieses Stromversorgungsteil 17 ist beispielsweise so aufgebaut, daß es dem Erhitzer 13 den Heizstrom Ih, der in zwei Stufen in Übereinstimmung mit einer Motorlast geregelt wird, bei der die Bewertung der Temperatur des Abgases ausgeführt wird, zuleitet, so daß das Sauerstoffühlerelement 12 an einer beträchtlichen Temperaturänderung, die auf einer Änderung in der Motorlast beruht, gehindert ist. Es ist klar, daß der Sauerstoffühler 1 von dem Sauerstoffühlerelement 12 und dem Erhitzer 13 gebildet wird, wobei der Erhitzer 13 und das Stromversorgungsteil 17 eine Heizvorrichtung für das Sauerstoffühlerelement 12 darstellen.The heater 13 is supplied with a heating current through heating conductor wires 15 and 16 Ih is supplied with a voltage of about 5-15V from a power supply unit 17. This power supply part 17 is constructed, for example, so that it is the heater 13 the heating current Ih, which is regulated in two stages in accordance with an engine load at which the evaluation of the temperature of the exhaust gas is carried out, is supplied, so that the oxygen sensor element 12 at a considerable temperature change, which is based on a change in the engine load is prevented. It is clear that the oxygen sensor 1 is formed by the oxygen sensor element 12 and the heater 13 wherein the heater 13 and the power supply part 17 are a heating device represent for the oxygen sensor element 12.

Bei einer solchen herkömmlichen Heizvorrichtung für das Sauerstoffühlerelement ist der Erhitzer 13 dazu vorgesehen, mit dem Heizstrom Ih gespeist zu werden, der in Übereinstimmung mit der Motorlast in der Hauptsache nach dem Motorstart geregelt wird, um damit die Temperatur des Fühlerelements 12 einzuregeln. Deshalb kann eine Regelung der Temperatur des Sauerstoffühlerelements 12 nach dem Motoranlaufen bewerkstelligt werden, sie kann aber nicht während des Motoranlaufens in richtiger Weise erreicht werden, so daß das Fühlerelement 12 nach einem Anstieg der Abgastemperatur aktiviert wird. Das hat zum Ergebnis, daß ein beträchtlicher Zeitraum erforderlich ist, um die Ausgangsspannung Vs des Sauerstoffühlerelements 12 zu stabilisieren, so daß die Beurteilung des Luft/Kraftstoffverhältnisses des Abgases für eine Zeitspanne nach dem Motorstart ungenau wird. Somit vermindert sich, wenn eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelung unter Ver- wendung eines derartigen Sauerstoffühlers 1 ausgeführt wird, die Genauigkeit der Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelung während des Warmlaufensdes Motors.In such a conventional heater for the oxygen sensing element the heater 13 is provided to be fed with the heating current Ih, the regulated in accordance with the engine load in the main after engine start in order to regulate the temperature of the sensing element 12. That's why a Control of the temperature of the oxygen sensor element 12 accomplished after the engine has started but it cannot be reached correctly while the motor is starting so that the sensor element 12 is activated after an increase in the exhaust gas temperature will. As a result, it takes a considerable amount of time to stabilize the output voltage Vs of the oxygen sensing element 12 so that the judgment of the air / fuel ratio of the exhaust gas for a period of time becomes imprecise after starting the engine. Thus, when air-fuel ratio feedback control decreases under Application of such an oxygen sensor 1 carried out will improve the accuracy of the air / fuel ratio feedback control during warming up the engine.

Im Hinblick auf die obige Erläuterung des herkömmlichen Sauerstoffühlers 1, der mit einer üblichen Heizvorrichtung ausgestattet ist, wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine erste Ausführungsform für eine Heizvorrichtung 20 eines Sauerstoffühlerelements gemäß der Erfindung zeigt, wobei zu Fig. 1 gleiche Elemente mit den dort verwendeten Bezugszahlen versehen sind.In view of the above explanation of the conventional oxygen sensor 1, which is equipped with a conventional heating device, is now referred to FIG. 2 Reference is made to a first embodiment for a heating device 20 of a Oxygen sensor element according to the invention shows, with elements similar to FIG. 1 are provided with the reference numbers used there.

Ein einen Teil der Heizvorrichtung 20 bildender Sauerstofffühler 21 umfaßt ein Sauerstoffühlerelement 12 und einen Erhitzer 13, der regelbar mit einem Heizstrom Ih von einem elektrischen Stromversorgungsteil 22 im Ansprechen auf ein Signal von einer Temperaturerfassungseinrichtung (Temperaturgeber) 23 gespeist wird. Der Temperaturgeber 23 umfaßt einen Motorkühlmitteltemperaturfühler 24, der die Temperatur Tw des Motorkühlmittels erfassen und ein dafür kennzeichnendes elektrisches Signal ausgeben kann. Das vom Temperaturfühler 24 abgegebene Ausgangssignal wird einem Steuergerät 25 zugeführt, das aus der Temperatur Tw des Kühlmittels die Abgastemperatur veranschlagen und die Temperatur Th des Erhitzers 13, die im folgenden als "Erhitzertemperatur" bezeichnet wird, in Übereinstimmung mit der veranschlagten Abgastemperatur berechnen sowie ein für diese Erhitzertemperatur kennzeichnendes elektrisches Signal abgeben kann. Das Ausgangssignal vom Steuergerät 25 wird einem Heizzeiteinstelikreis 26 zugeführt, der ein Teil des Stromversorgungsteils 22 ist. Der Heizzeiteinstelikreis 26 ist imstande,eine Schnellerhitzungszeit t für den Erhitzer 13 in Übereinstimmung mit der Erhitzertemperatur Th festzusetzen, so daß ein die Erhitzungszeit t kennzeichnendes elektrisches Signal abgegeben wird.An oxygen sensor 21 forming part of the heating device 20 comprises an oxygen sensor element 12 and a heater 13 which can be regulated with a Heating current Ih from an electric power supply part 22 in response to a Signal from a temperature detection device (temperature sensor) 23 is fed. The temperature sensor 23 includes an engine coolant temperature sensor 24, the Detect temperature Tw of the engine coolant and a characteristic electrical Can output signal. The output signal emitted by the temperature sensor 24 is a control unit 25 is supplied, which from the temperature Tw of the coolant, the exhaust gas temperature estimate and the temperature Th of the heater 13, hereinafter referred to as "heater temperature" calculated in accordance with the estimated exhaust gas temperature and emit an electrical signal indicative of this heater temperature can. The output signal from control device 25 is sent to a heating time setting circuit 26 which is a part of the power supply part 22. The heating time setting circuit 26 is able to set a rapid heating time t for the heater 13 in accordance to set with the heater temperature Th, so that a heating time t characterizing electrical signal is emitted.

Dieses Ausgangssignal vom Heizzeiteinstellkreis 26 wird einem Transistorsteuerkreis 27 zugeführt, der in der Lage ist, einen Transistor Q1 nur während der Erhitzungszeit t in die AN-Stellung zu schalten. Damit fließt der Heizstrom Ih unter Umgehung eines Begrenzungswiderstandes R1 durch den Transistor Q1. Nach Verstreichen der Schnellerhitzungszeit t bringt der Transistorsteuerkreis 26 den Transistor Q1 in die AUS-Stellung, so daß der Heizstrom Ih durch den Begrenzungswiderstand R1 fließt.This output signal from Heizzeiteinstellkreis 26 is a transistor control circuit 27 fed who is able is a transistor Q1 only during switch to the ON position after the heating time t. This causes the heating current to flow Ih bypassing a limiting resistor R1 through the transistor Q1. To Lapse of the rapid heating time t brings the transistor control circuit 26 to the Transistor Q1 in the OFF position, so that the heating current Ih through the limiting resistor R1 flows.

Die Arbeitsweise der Heizvorrichtung von Fig. 2 für das Sauerstoffühlerelement wird im folgenden erläutert.The operation of the heater of Figure 2 for the oxygen sensing element is explained below.

Während des Motorstarts oder -anlaufens wird eine angemessene Länge für die Schnellerhitzungszeit t in Ubereinstimmung mit der Kühimitteltemperatur Tw festgesetzt, so daß der gesamte Gleichstrom +Vc dem Erhitzer 13 innerhalb der Zeit t zugeführt wird, um damit einen größeren Wert des Heizstromes Ih durch den Erhitzer 13 fließen zu lassen.A reasonable length will be given during motor start-up or ramp-up for the rapid heating time t in accordance with the coolant temperature Tw set so that the total DC current + Vc to the heater 13 within the Time t is supplied in order to increase the value of the heating current Ih through the Let heater 13 flow.

Damit wird zugleich mit dem Motorstart im Erhitzer 13 eine größere Wärmemenge erzeugt, so daß das Sauerstofffühlerelement 12 rasch erwärmt wird, das auf diese Weise schnell aktiviert wird, um seine Ausgangskennlinie glatt und stufenlos zu stabilisieren. Das hat zum Ergebnis, daß die Genauigkeit in der Beurteilung des Luft/Kraftstoffverhältnisses in der anfänglichen Periode des Arbeitsbeginns des Sauerstoffühlers 21 verbessert wird, womit auch die Genauigkeit in der Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelung beispielsweise wahrend des Motorwarmlaufens verbessert wird. Das heißt mit anderen Wroten, daß die Anlaufzeit für das Arbeiten des Sauerstoffühlers 21 im Vergleich mit dem herkömmlichen, in Fig. 1 gezeigten Aufbau in hohem Maß beschleunigt wird, was eine Luft/Kraftstoffverhältnis-Rückkopplungsregelung unmittelbar nach dem Motorstart ermöglicht.Thus, at the same time as the engine is started in the heater 13, a larger one Generated amount of heat so that the oxygen sensing element 12 is quickly heated, the in this way it is activated quickly to make its output characteristic smooth and infinitely variable to stabilize. As a result, the accuracy in assessing the Air / fuel ratio in the initial working start period of the Oxygen sensor 21 is improved, thereby also improving the accuracy in the air-fuel ratio feedback control is improved, for example, during the engine warm-up. That means with others Wroten that the start-up time for the oxygen sensor 21 to work in comparison is accelerated to a high degree with the conventional structure shown in FIG. 1, which is air / fuel ratio feedback control immediately after engine start enables.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Sauerstoffühlerelement-Heizvorrichtung 20 gemäß der Erfindung, wobei eine Temperaturerfassungseinrichtung (ein Temperaturgeber ) 31, eine Heizspannung-Erfassungsschaltung 32, eine Heizstrom-Erfassungsschaltung 33 und ein Steuergerät 34 vorhanden sind. Die Heizspannung-Erfassungsschaltung 32 ist in der Lage, eine an den (ersten) Erhitzer 13 gelegte Spannung Vh zu erfassen und ein für die angelegte Spannung kennzeichnendes elektrisches Signal S(Vh) abzugeben. Die Heizstrom-Erfassungsschaltung 33 kann den Wert des Heizstroms Ih durch Ermitteln eines Spannungsabfalls an den entgegengesetzten Enden eines Widerstandes R2 erfassen und ein für den Heizstrom kennzeichnendes elektrisches Signal S(Ih) abgeben. Die Signale S(Vh) und S(Ih) werden dem Steuergerät 34 eingegeben, das imstande ist, einen Widerstand Rh, der im folgenden als "Erhitzerwiderstand" bezeichnet wird, des Echitzers 13 aus der an den Erhitzer gelegten Spannung Vh und dem Erhitzerstrom Ih zu berechnen.Fig. 3 shows a second embodiment of an oxygen sensing element heating device 20 according to the invention, wherein a temperature detection device (a temperature transmitter ) 31, a heating voltage detection circuit 32, a heating current detection circuit 33 and a control unit 34 are present. The heater voltage detection circuit 32 is able to detect a voltage Vh applied to the (first) heater 13 and to output an electrical signal S (Vh) indicative of the applied voltage. The heating current detection circuit 33 can determine the value of the heating current Ih detect a voltage drop at the opposite ends of a resistor R2 and emit an electrical signal S (Ih) indicative of the heating current. the Signals S (Vh) and S (Ih) are input to the controller 34, which is able to a resistance Rh, hereinafter referred to as "heater resistance", of the echo heater 13 from the voltage Vh applied to the heater and the heater current Calculate yours.

Der Erhitzerwiderstand Rh wird durch die Gleichung Rh = Vh/Ih wiedergegeben. Zusätzlich kann das Steuergerät 34 die Erhirtzertemperatur unter Verwendung des Erhitzerwiderstandes Rh entsprechend der folgenden Gleichung berechnen: Th = K1 Rh + K2 ....... (1) worin K1 = eine positive Konstante und K2 = eine negative Konstante sind.The heater resistance Rh is represented by the equation Rh = Vh / Ih. In addition, the controller 34 can monitor the herder's temperature using the Calculate the heater resistance Rh according to the following equation: Th = K1 Rh + K2 ....... (1) where K1 = a positive constant and K2 = a negative constant are.

Das hängt von der Tatsache ab, daß der Erhitzer 13 bei dieser Ausführungsform als Hauptkomponente Platin enthält, und hängt von der Tatsache ab, daß auf Grund der Wärmeerzeugung zwischen der Erhitzertemperatur Th und dem Erhitzerwiderstand Rh eine enge Wechselbeziehung geschaffen wird. Wenn der Erhitzerwiderstand Rh auf einem konstanten Wert gehalten wird, so kann demzufolge für die Erhitzertemperatur Th ein konstanter Wert beibehalten werden.That depends on the fact that the heater 13 in this embodiment contains platinum as the main component, and depends on the fact that due the heat generation between the heater temperature Th and the heater resistance Rh a close interrelationship is created. When the heater resistance Rh is is kept a constant value, so can accordingly for the heater temperature Th be maintained at a constant value.

In diesem Zusammenhang ist das Steuergerät 34 auch dazu in der Lage, die Schnellerhitzungszeit t so einzustellen, daß der Erhitzerwiderstand Rh einen vorbestimmten Wert annimmt. Das für die Schnellerhitzungszeit t kennzeichnende Signal vom Steuergerät 34 wird dem einen Teil des elektrischen Stromversorgungsteils 35 bildenden Transistorsteuerkreis 27 zugeführt. Das Stromversorgungsteil 35 umfaßt des weiteren den Transistor Q1, den Widerstand R1 und einen Widerstand R2. Demzufolge fließt ein größerer Wert des Erhitzerstroms Ih unter Umgehung des Widerstandes R1 innerhalb der Schnellerhitzungszeit t durch den Erhitzer 13 in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform.In this context, the control unit 34 is also able to adjust the rapid heating time t so that the heater resistance Rh a assumes a predetermined value. The characteristic for the rapid heating time t signal from the control device 34 one part of the electrical power supply part 35 forming transistor control circuit 27 is supplied. The power supply part 35 comprises furthermore the transistor Q1, the resistor R1 and a resistor R2. As a result a larger value of the heater current Ih flows, bypassing the resistor R1 within the rapid heating time t by the heater 13 in the same way as in the first embodiment.

Es ist klar, daß durch diese zweite Ausführungsform die gleiche vorteilhafte Wirkung wie bei der ersten Ausführungsform erlangt werden kann. Ferner kann bei dieser zweiten Ausführungsform die Erhitzertemperatur Th genau aus dem Erhitzerwiderstand Rh veranschlagt werden, weshalb die Erhitzertemperatur Th auf einen vorbestimmten Pegel mit einer höheren Genauigkeit als im Fall der ersten Ausführungsform eingeregelt werden kann, so daß der aktivierte Zustand des Sauerstoffühlerelements 12 in geeigneter Weise eingehalten werden kann.It is clear that by this second embodiment the same advantageous Effect as in the first embodiment can be obtained. Furthermore, at In this second embodiment, the heater temperature Th is accurately determined from the heater resistance Rh can be estimated, and therefore the heater temperature Th is set to a predetermined one Levels adjusted with a higher accuracy than in the case of the first embodiment can be, so that the activated state of the oxygen sensing element 12 in a suitable Way can be adhered to.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine dritte Ausführungsform einer Sauerstoffühlerelement-Heizvorrichtung 20 gemäß der Erwindung, wobei gleiche Bezugszeichen zu den vorherigen Ausführungsformen gleiche Elemente bezeichnen.Figures 4 and 5 show a third embodiment of an oxygen sensing element heater 20 according to the invention, with the same reference numerals as in the previous embodiments denote the same elements.

Gemäß Fig. 4 ist ein isolierendes Al203-Substrat 41 (in der Zeichnung) an der rechten Seite des Sauerstoffühlerelements 12 parallel und unter Einhaltung eines vorgegebenen Abstands zu diesem angeordnet. In das Al203-Substrat 41 sind ein erster sowie zweiter Erhitzer 43 bzw. 42 eingebettet. Der erste Erhitzer 43 entspricht dem Erhitzer 13 bei der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Ausbildung und dient insofern dazu, einen angemessenen aktivierten Zustand des Sauerstoffühlerelements 12 hauptsächlich nach dem Warmlaufen des Motors aufrechtzuerhalten. Der zweite Erhitzer 42 wirkt dagegen so, daß das Sauerstoffühlerelement 12 während des Anlaufens des Motors rasch erhitzt wird, wobei dem Erhitzer 43 vorbestimmte elektrische Energie zugeführt wird. Es sollte klar sein, daß das Sauerstoffühlerelement 12, das Al203-Substrat 41 und der erste sowie zweite Erhitzer 43, 42 zusammengenommen einen Sauerstoffühler 44 bilden.According to FIG. 4, an insulating Al 2 O 3 substrate 41 (in the drawing) on the right side of the oxygen sensor element 12 in parallel and in compliance a predetermined distance to this arranged. In the Al 2 O 3 substrate 41 are a first and a second heater 43 and 42, respectively, are embedded. The first heater 43 corresponds to the heater 13 in the conventional embodiment shown in FIG and thus serves to ensure an appropriately activated state of the oxygen sensing element 12 mainly to be maintained after the engine has warmed up. The second heater 42, however, acts so that the oxygen sensor element 12 during the startup of the Motor is heated rapidly, the heater 43 predetermined electrical energy is fed. It should be understood that the oxygen sensing element 12, the Al 2 O 3 substrate 41 and the first and second heater 43, 42 taken together an oxygen sensor 44 form.

Die Fig. 5 zeigt eine Sauerstoffühler-Heizvorrichtung 20, die zusammen mit dem Sauerstoffühler 44 von Fig. 4 zur Anwendung kommt. Bei dieser Ausführungsform wird dem zweiten Erhitzer 42 ein elektrischer Strom +Va zugeführt, der in Übereinstimmung mit Motorbetriebsparametern, z.B.Fig. 5 shows an oxygen sensor heater 20, which together with the oxygen sensor 44 of FIG. 4 is used. In this embodiment an electric current + Va is supplied to the second heater 42 in accordance with with engine operating parameters, e.g.

der Motorlast, geregelt wird, so daß der zweite Erhitzer 42 gegen eine erhebliche Temperaturänderung in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen geschützt ist. Der erste Erhitzer 43 wird mit einem konstanten Strom +Vc versorgt, wobei die Zufuhr von elektrischer Energie zum ersten Erhitzer 43 von demselben Steuerkreis wie bei der ersten Ausführungsform (Fig. 2) geregelt wird. Durch diese Ausführungsform wird eine feinfühligere Heizungsregelung für das Sauerstoffühlerelement 12 im Vergleich zur ersten Ausführungsform ermöglicht. Wenngleich nur der zweite Erhitzer 42 als im Ansprechen auf die Motorkühlmitteltemperatur geregelter Erhitzer erläutert wurde, so ist klar, daß auch der erste Erhitzer 43 oder sowohl der erste wie auch der zweite Erhitzer im Ansprechen hierauf geregelt werden können.the engine load, is regulated so that the second heater 42 against a significant change in temperature depending on engine operating conditions is protected. The first heater 43 is supplied with a constant current + Vc, the supply of electrical energy to the first heater 43 from the same control circuit is regulated as in the first embodiment (Fig. 2). Through this embodiment is a more sensitive heating control for the oxygen sensor element 12 in comparison allows for the first embodiment. Although only the second heater 42 as was explained in response to the engine coolant temperature controlled heater, so it is clear that the first heater 43 or both the first and the second Heater can be regulated in response to this.

Bei der in Fig. 6 gezeigten vierten Ausführungsform einer Sauerstoffühlerelement-Heizvorrichtung 20 gemäß der Erfindung wird die Energiezufuhr zum zweiten Erhitzer 42 in derselben Weise wie zum Erhitzer 13 der zweiten Ausführungsform (Fig. 3) geregelt. Es sollte klar sein, daß die Energiezufuhr zum ersten Erhitzer 43 ebenfalls in der gleichen Weise wie für den zweiten Erhitzer 42 geregelt werden kann mit dem Ziel, eine noch weitergehende feinfühlige Regelung für das Sauerstoffühlerelement 12 zu erhalten.In the fourth embodiment of an oxygen sensing element heating device shown in FIG. 6 20 according to the invention, the energy supply to the second heater 42 becomes in the same Way as regulated for the heater 13 of the second embodiment (Fig. 3). It should be clear that the energy input to the first heater 43 is also in the same Way as for the second heater 42 can be regulated with the aim of an even more to obtain further sensitive regulation for the oxygen sensor element 12.

Es sollte einleuchten, daß gemäß der dritten sowie vierten Ausführungsform die Regelung der Energiezufuhr zum zweiten Erhitzer 42 für eine rasche Erhitzung mit einer hohen Genauigkeit ausgeführt werden kann, so daß das Sauerstofffühlerelement 12 auch bei Anlauf des Motors glatt sowie stufenlos aktiviert und der aktivierte Zustand dieses Fühlerelements 12 über alle Motorbetriebszustände hinweg in angemessener Weise aufrechterhalten wird.It should be understood that according to the third and fourth embodiments regulating the supply of energy to the second heater 42 for rapid heating can be carried out with a high accuracy, so that the oxygen sensing element 12 also activated smoothly and continuously when the motor starts up and the activated one This sensor element 12 is in an appropriate state over all engine operating states Way is sustained.

Wenngleich hier nur die Kühlmitteltemperatur als Motorbetriebsparameter, nach dem die Energiezufuhr zu den Erhitzern 13 und 43 geregelt wird, genannt wurde, so ist klar, daß der Motorbetriebsparameter in Verbindung mit anderen Bedingungen, z.B. Temperatur der Umgebungsluft, verwendet oder daß die Schnellerh.tzungszeit unter Verwendung anderer Bedingungen bzw. Zustände korrigiert werden kann.Although here only the coolant temperature as an engine operating parameter, according to which the energy supply to the heaters 13 and 43 is regulated, was named, it is clear that the engine operating parameter, in conjunction with other conditions, e.g. temperature of the ambient air, or that the rapid etching time can be corrected using other conditions.

Wenn ferner die Erfindung in Verbindung mit dem das Fühlteil 10 und das Pumpteil 11 umfassenden Sauerstofffühler erläutert wurde, so ist das Prinzip der Erfindung nicht auf die Anwendung auf Sauerstoffühler dieser Art begrenzet, sondern auch auf alle solche Sauerstoffühler anwendbar, die eine Erhitzungsregelung benötigen.Further, when the invention is used in conjunction with the sensing member 10 and the oxygen sensor comprising the pump part 11 has been explained, so is the principle the invention is not limited to the application to oxygen sensors of this type, but also applicable to all such oxygen sensors that have a heating control require.

- Leerseite -- blank page -

Claims

Heating device for an oxygen sensor Patent claims 1. Heating device for an oxygen sensor element, characterized - by a first, electrical operated heater (13, 43), the oxygen sensor element when electrical energy is supplied (12) heated, - by means (23, 31) which the temperature of the first heater assessed as well as a characteristic for the assessed heater temperature (Th) Signal generated, and - by a device (22, 35), the supply of electrical Energy to the first heater in response to the signal from which the temperature judging device (23, 31) regulates to the oxygen sensing element (12) during to put the motor into an activated state when the motor starts up.

2. Heating device according to claim 1, characterized in that the the temperature judging means includes the temperature of the first heater (13, 43) judging from an engine temperature during engine start-up Member (23) comprises which generates a signal indicative of the engine temperature (Tw).

3. Heating device according to claim 1 or 2, characterized in that that the device (22) regulating the supply of electrical energy has a flow a first electrical current (Ih) through the first heater (13, 43) for a Time (t) in response to the signal from the temperature judge (23) is determined, allows.

4. Heating device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the temperature judging device (23) detects an engine temperature (Tw) Motor temperature sensor (24), which is a characteristic for the motor temperature (Tw) Signal generated, and the temperature (Th) of the first heater (13, 43) in response on the signal from the engine temperature sensor judging control unit (25) that a generated for the assessed heater temperature (Th) indicative signal.

5. Heating device according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the flow of the first electric current allowing device (22) a Heating time setting circuit (26) that responds to the signal from the control unit (25) sets the heating time (t) and a signal indicative of this time generated, a transistor electrically connected to the first heater (13, 43) (Q1) and a transistor control circuit (27) that controls the transistor in response the signal from the heating time setting circuit for the time (t) in the ON state offset so that the first electric current for this time through the first heater flows, includes.

6. Heating device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the flow of the first electric current allowing device (22) a first, electrically in series with the first heater (13, 43) and to the transistor (Q1) resistor (R1) connected in parallel, so that a second, through the first heater flowing electric current, the size of which is less than that of the first electric current can flow.

7. Heating device according to claim 1, characterized in that the Temperature judging means on the temperature of the first heater (13, 43) during the start-up of the engine, judging from a resistance of the first heater Member (31) comprises the length in response to the judged heater temperature a period of time (t).

8. Heating device according to claim 7, characterized in that the the supply of electrical energy regulating device (35) a flow of a first electric current (Ih) through the first heater for the time (t).

9. Heating device according to claim 7 or 8, characterized in that that the temperature judging means (31) is a heating voltage detection circuit (32) which detects a voltage (Vh) applied to the first heater (13, 43), a Heating current detection circuit (33), the value of the flowing through the first heater electric current (Ih) detected, and a control unit (34), which is from the applied Voltage and the electric current value, a resistance value of the first Heater and the temperature of the first heater in accordance with the heater resistance judges, includes and that the control device (34) the time (t) in response to the set the judged heater temperature as well as a characteristic for this time Can generate signal.

10. Heating device according to one of claims 7 to 9, characterized in that that the flow of the first electric current allowing device (35) a transistor (Q1) electrically connected in series with the first heater (13, 43) and a transistor control circuit (27) which, in response to the signal from the control device (34) switches the transistor in the ON state for the time (t), so that the first electrical current can flow through the first heater for this time (t).

11. Heating device according to one of claims 7 to 10, characterized in that that the flow of the first electric current allowing device (35) a second, connected in series with the first heater and in parallel with the transistor Resistance (R1) includes, so that a second, flowing through the first heater electric current, the size of which is smaller than that of the first electric Current through the second resistor can flow.

12. Heating device according to one of claims 7 to 11, characterized in that that the heating current detection circuit (33) has a third, electrically connected to the first Heater (13, 43) includes resistor (R2) connected in series and so arranged is that it increases the electric current value in response to a voltage drop determined between the opposite ends of the third resistor (R2).

13. Heating device according to claim 1, characterized by a second, electrically operated heater (42) which, when electrical energy is supplied, the Oxygen sensor element (12) heated.

14. Heating device according to claim 1, characterized by a the first heater with constant electrical energy supplying device.

15. Heating device according to claim 13, characterized by one of the second heater with variable in response to an engine operating condition electrical energy supply device.

16. Heating device according to claim 14, characterized in that the device supplying constant electrical energy to the first heater supplies a constant electric current (+ Vc).

17. Heating device according to claim 15, characterized in that the device supplying the variable electrical energy to the second heater an electric current (+ Va) that changes depending on the motor load feeds.

18. Heating device according to claim 1, characterized in that the first heater (13, 43) in one arranged in the vicinity of the oxygen sensor element (12) insulating substrate (14, 41) is embedded.

19. Heating device according to claim 18, characterized in that the second heater (42) embedded in the substrate (41) and the first heater is arranged adjacent.