JP2006509151A - ガス・センサの作動のための回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基準ガス室を備えたガス・センサの確実な動作を可能にする回路装置を提供する。
【解決手段】ガス・センサ（１０）が基準ガス室（１８）を含み、基準ガス室（１８）内に電極（１９）が配置され、基準ガス濃度を保持するために電極（１９）に基準ポンプ電流（３５）が供給される、前記ガス・センサ（１０）の作動回路装置が開示される。診断装置（３９、４３、４４）は、基準ポンプ電流（３５）の変化により、およびガス・センサ（１０）のセンサ信号（３８）の時間に関する評価により、基準ガスの濃度変化を特定する。

Description

本発明は独立請求項に記載のガス・センサの作動のための回路装置に関するものである。

従来の技術
専門書「オットー・サイクル・エンジン管理／Ｂｏｓｃｈ」、Ｖｉｅｗｅｇ出版社、１９９８年版、２０−２３頁に、ガス・センサにより得られた、燃焼過程からの排気ガス内空気比λに対する尺度である信号を供給する回路装置が記載されている。ガス・センサは第１および第２の電極間に配置されているポンプ電池を含む。第１の電極は排気ガスに露出されている。第２の電極は測定ガス室内に配置され、拡散隔壁を介して測定ガス室に排気ガスが供給される。第２の電極は基準ガス室内に配置されている第３の電極と共にネルンスト電池を形成し、ネルンスト電池は、ネルンスト電池の第２の電極に存在する理論ガス混合物の範囲内において、ほぼステップ状電圧変化を形成する。基準ガス室には基準ガスとして酸素が満たされている。基準ガス室内の必要酸素濃度は、基準ガス室内に配置されている第３の電極に供給される基準ポンプ電流により設定可能である。基準ポンプ電流は、ネルンスト電池の測定ガス室から基準ガス室への酸素イオン輸送を形成する。

差動増幅器は、ネルンスト電池において発生する電圧を基準電圧と比較し、基準電圧は、ネルンスト電池の電圧ジャンプのほぼ中央に対応する約４５０ｍＶに設定されている。差動増幅器は、第１の電極に供給されているポンプ電池ポンプ電流を設定する。ポンプ電池ポンプ電流はポンプ電池内に酸素イオン輸送を形成し、ポンプ電池は、酸素ガス室内の酸素成分を、理論混合物が存在するレベルに維持しようとする。ポンプ電池ポンプ電流はガス・センサの出力信号として使用可能である。それは排気ガス内の空気比λに対する尺度に対応する。

基準ガス室内の酸素濃度は拡散過程により常に変化する。一方で、酸素イオンは基準ガス室から拡散可能であり、他方で炭化水素は基準ガス室内に拡散可能である。両方の過程は酸素濃度の好ましくない低下を形成し、この酸素濃度の低下は基準ガス室の汚染と呼ばれる。

ドイツ特許公開第４３３３２３１号から、ポンピングされる内部基準ガス室を有する酸素センサの作動方法が既知であり、この方法においては、汚染を回避するために、特定の作動条件において、基準ポンプ電流が一時的に上昇され、これにより、場合により存在する汚染を排除し、または差し迫っている汚染を予防することができる。

基準ガス室内の酸素濃度の好ましくない変化は、漏れ電流による基準ポンプ電流の変化によっても発生することがあり、この漏れ電流は、第３の電極への導線と例えばセンサ・ヒータへの導線との間に発生することがある。

基準ガス室を備えたガス・センサの確実な動作を可能にする回路装置を提供することが本発明の課題である。

発明の利点
この課題は独立請求項に記載の特徴により解決される。
この特徴により、タイマ素子を含む診断装置が設けられている。ガス・センサの診断動作における基準ポンプ電流を設定するために、診断装置は電流源に電流選択信号を出力し、およびタイマ素子をスタートさせるために、タイマ素子に始動信号を出力する。診断装置は診断動作においてガス・センサのセンサ信号を時間に関して評価する。

本発明による回路装置はガス・センサのセンサ信号の信頼性を高める。不必要な補正または遅すぎる補正はなくなる。さらに、場合により必要な、例えば基準ポンプ電流の設定への係合は必要な程度に制限可能であるので、ネルンスト電池の過負荷は回避される。センサ信号の使用は本発明による回路装置の簡単な形成を可能にする。

本発明による回路装置の有利な形態および変更態様が従属請求項から明らかである。
一形態は、診断装置がセンサ信号の変化速度を評価するように設計されている。時間評価特に変化速度の評価は汚染度または漏れ電流の評価を可能にする。

一形態は、診断装置が比較器を含み、比較器がセンサ信号をしきい値と比較し且つ比較結果の関数として診断信号を供給するように設計されている。診断信号がタイマ素子を始動させるために使用可能であることが有利である。

一変更態様は、タイマ素子から供給された、設定時間の終了を通知する終了信号が、基準ポンプ電流を調節するように設計されている。
一形態は、タイマ素子により測定可能な時間が最大時間に設定されるように設計されている。この手段により、特に、少ない汚染または汚染度並びに少ない漏れ電流が評価可能であり、この場合、最大時間内にセンサ信号がしきい値を超えることはないであろう。最大時間内にしきい値を超えた場合には、定量的な評価が可能である。

基準ガス室の電極が負のポンプ電流で作動されることにより、確実な診断信号が得られる。負のポンプ電流は、基準ガスが排出されることを意味する。この手段により、既に開始された汚染または僅かな漏れ電流が検出可能である。特に、最大時間内に高い確率でしきい値を超えた場合、汚染、汚染度または漏れ電流の定量的評価が可能である。

電流選択信号による電流源の制御の簡単な方法は、電流源の遮断である。基準ガスの濃度を目的どおりに低減させる負の基準ポンプ電流が供給されることが有利である。代替態様および／または補足態様として、基準電極が抵抗を介して所定の電位に接続されてもよい。この電位は、同様に基準ガスの濃度を目的どおりに低減させるために、抵抗を介して流れる分路電流が基準ガスを常に排出するように設定されるべきである。

本発明による回路装置の診断結果が、診断動作以外において、基準ポンプ電流を設定するために使用されることが好ましく、これにより、汚染が防止されるか、または漏れ電流が補償される。

一形態は、ガス・センサが燃焼過程における空燃比を決定するためのλセンサであるように設計されている。このとき、基準ガス室は基準ガスとして酸素を含む。
λセンサは例えば内燃機関または加熱装置の排気系内に配置されている。内燃機関の排気系内の装置に関する変更態様は、診断制御装置が内燃機関の停止後に診断をスタートさせるように設計されている。

有利な形態および変更態様が他の従属請求項および以下の説明から明らかである。

図１に示されているガス・センサ１０は第１の電極１１を含み、第１の電極１１は調査されるべきガスに露出されている。調査されるべきガスはガス通路１２および拡散隔壁１３を介して測定ガス室１４内に到達し、測定ガス室１４内に第２の電極１５が配置されている。第１および第２の電極１１、１５間にポンプ電池が形成される。第１の電極はポンプ電流導線１６と結合され、および第２の電極は測定導線１７と結合されている。

ガス・センサ１０は基準ガス室１８を含み、基準ガス室１８内に第３の電極１９が配置され、第３の電極１９は基準ポンプ電流導線２０と結合されている。基準ガス室１８と測定ガス室１４との間にネルンスト電池が形成され、ネルンスト電池内において基準ガスイオン輸送２１が発生可能である。

ガス・センサ１０はさらにセンサ・ヒータ２２を含み、センサ・ヒータ２２はヒータ導線２３と結合されている。ヒータ導線２３と基準ポンプ電流導線２０との間に寄生抵抗２４が存在する。基準ポンプ電流導線２０と電位２５との間にオーム抵抗２６が挿入され、オーム抵抗２６内を分路電流２７が流れる。

図２に示されている、本発明による回路装置のブロック回路図は、ポンプ電流導線１６、測定導線１７、基準ポンプ電流導線２０並びにヒータ導線２３を示し、これらの導線は図１に示されている導線と同一である。

第１の測定信号３０を供給する測定導線１７はオフセット電圧源３１および基準電圧源３２と結合されている。基準電圧源３２は差動増幅器３３の非反転入力と結合されている。

第２の測定信号３４を供給する基準ポンプ電流導線２０は、同時に、電流源３６が供給する基準ポンプ電流３５を伝送する。基準ポンプ電流導線２０は差動増幅器３３の反転入力と結合され、差動増幅器３３の出力は動作抵抗３７を介してポンプ電流を供給する。ポンプ電流は、比較器３９に供給されているセンサ信号３８と同一であり、比較器３９は、センサ信号３８を、しきい値伝送器４１が供給するしきい値４０と比較する。

比較器３９は電流源３６および診断制御装置４４に診断信号４２を出力する。
診断制御装置４４は、電流源３６に第１の電流選択信号４５を、およびタイマ素子４３に始動信号４６を出力し、タイマ素子４３は診断制御装置４４に終了信号４７をフィードバックする。診断制御装置４４は供給された開始信号４８を受け取る。

比較器３９、タイマ素子４３および診断制御装置４４は共に診断装置を形成する。
ヒータ導線２３はヒータ制御４９と結合されている。
本発明による回路装置は次のように動作する。

ガス・センサ１０の第１の電極１１は調査されるべきガスに露出されている。ガスは、例えば化石燃料で運転される加熱装置または内燃機関において発生されるような、燃焼過程の排気ガスであってもよい。以下においては、例として、内燃機関の排気ガスであると仮定する。排気ガスはガス通路１２および拡散隔壁１３を介して測定室１４内に到達し、測定室１４は基準ガス室１８と共にネルンスト電池を形成し、ネルンスト電池はλ＝１に対応する理論空燃比での燃焼範囲内においてステップ状の電圧変化を有している。基準ガス室１８は基準ガスで充満されていなければならず、燃焼過程の排気ガスの場合、基準ガスは酸素である。

基準ガスとしての酸素の濃度は、ネルンスト電池においては、広範囲にわたり存在することがあり、その理由は、理論燃焼の範囲を超えたときにおける残留酸素含有量の変化は多くのツェナー電位を含むからである。それにもかかわらず、正確な測定結果を保証するために、基準ガスの濃度を少なくとも近似的に一定に保持すべきであり、したがって濃度の低下を回避しなければならない。

ネルンスト電池において発生する電圧は測定導線１７および基準ポンプ電流導線２０を介して差動増幅器３３に供給される。測定導線１７上に発生する第１の測定信号３０は基準電圧源３２により約４５０ｍＶの値だけ上昇される。この値の選択により、差動増幅器３３は、第１の測定信号３０の電圧が第２の測定信号３４の電圧を超えたときに正負符号の反転によりゼロ点通過を有し、このゼロ点通過は、ネルンスト電池における電圧を、λ≒１に対応する約４５０ｍＶの値に制御するために使用可能である。

この制御は、第１および第２の電極１１、１５間に形成されるポンプ電池による測定室１４内の酸素濃度の調節によって行われる。
差動増幅器３３の出力信号は動作抵抗３７を介してポンプ電流を発生し、ポンプ電流は第１の電極１１に供給される。第１および第２の電極１１、１５間の電位差はポンプ電池内に酸素イオン流れを形成し、酸素イオン流れはポンプ電流により設定される。拡散隔壁１３により測定室１４内に平衡を形成することが可能であるので、測定ガス室１４の第２の電極１５と基準ガス室１８の第３の電極１９との間のネルンスト電圧を、基準電圧源３２により設定された、例えば約４５０ｍＶの値に一定に保持可能であり、このとき、基準ガス室１８内の酸素濃度は少なくとも近似的に所定の値に保持されることを前提とする。

このために、基準ガス室１８内の第３の電極１９に基準ポンプ電流３５を供給する電流源３６が設けられている。基準ポンプ電流３５は、測定ガス室１４と基準ガス室１８との間の酸素イオン輸送２１により酸素濃度の保持を行う。

拡散過程は基準ガス室１８を汚染させることがある。基準ガス室１８内に拡散された炭化水素は酸化過程により酸素と結合する。基準ガス室１８から拡散された酸素は直接酸素濃度を低下させる。

さらに、漏れ電流により基準ポンプ電流３５に誤差が発生することがある。このような漏れ電流は寄生抵抗２４により発生し、寄生抵抗２４は、基準ポンプ電流導線２０と、基準ポンプ電流導線２０上の電位より低い電位を有する構造部分との間に形成される。図１においては、例として、より低い電位を有する構造部分としてヒータ導線２３が示され、これにより、ここに寄生抵抗２４が形成されている。漏れ電流は使用材料の汚れおよび特に温度の関数であるので、基準ポンプ電流３５の測定においてこれを算入することは容易に可能ではない。検出されない程度の基準ポンプ電流３５の低減は、酸素の排出による基準ガス室１８内の酸素の、検出されない程度の低下を形成するにすぎない。

拡散過程特に漏れ電流の発生は、電極１１、１５、１９の平均電位が、使用されるオフセット電圧源３１により、接地電位に対応するよりも高い電位に保持されることによって助長される。オフセット電圧源３１は例えば差動増幅器３３の動作電圧の半分に設定されている。５Ｖの動作電圧の場合、オフセット電圧源３１の電圧は２．５Ｖに設定されている。この手段により、第１および第２の測定信号３０、３４の電位は容易に処理可能な値に上昇され、この値は少なくとも測定電位とは明らかに異なるものである。さらに、電圧シフトは、場合により存在する漏れ電流を、構造部分間の電圧差の上昇により、それに対応してより高い値に上昇させる。

診断装置３９、４３、４４は、基準ガス室１８内の基準ガスの濃度または濃度変化の診断、または漏れ電流の診断を可能にする。
診断過程は次のように行われる。

開始信号４８が存在したとき、診断制御装置４４は、電流源３６に電流選択信号４５を出力することにより、またタイマ素子４３による時間測定をスタートさせるためにタイマ素子４３に始動信号４６を出力することにより、診断をスタートさせる。

詳細には示していない内燃機関の、同様に詳細には示していない排気系内に配置されているガス・センサ１０の場合、開始信号４８は、例えば内燃機関の停止後に投入してもよい。この時点においては、ガス・センサ１０および導線１６、１７、２０、２３において上昇温度が発生し、この結果、拡散過程および漏れ電流が上昇することになる。開始信号４８は、例えばアイドリングのような内燃機関の他の適切な運転状態において投入してもよい。

選択信号４５は、基準ポンプ電流３５を変化させるように、好ましくは診断開始前よりもより低い基準ポンプ電流３５を供給するように電流源３６を動作させる。電流源３６が遮断されたとき、即ち基準ポンプ電流３５が０になったとき、これを容易に行うことができる。他の方法は、基準ポンプ電流３５の正負符号を反転し且つ負の基準ポンプ電流３５を設定するように行われる。

低減された基準ポンプ電流３５または完全に遮断された基準ポンプ電流３５は、基準ガス室１８における条件の関数として、基準ガス濃度を低下させることができる。負の基準ポンプ電流３５は、いずれの場合も、基準ガス濃度を低下させる。

比較器３９は、第１の電極１１に供給された、ガス・センサ１０のセンサ信号３８に対する尺度であるポンプ電流を評価する。評価のために、電流の代わりに動作抵抗３７における電圧降下を使用してもよい。これに関しては詳細には説明しない。診断のためにガス・センサ１０のセンサ信号３８を使用していることが重要である。

比較器３９は、センサ信号３８を、しきい値伝送器４１から供給されるしきい値４０と比較する。燃焼過程の排気ガスの場合、しきい値は、例えば、調査すべき排気ガス内の２１％の酸素濃度、即ち最大可能値に対応する値に設定していてもよい。センサ信号３８がこのしきい値を超えている場合、基準ガス室１８内に小さすぎる酸素濃度が確実に存在する。

タイマ素子４３は最大時間の測定に設定されていることが好ましい。この最大時間の経過後に、タイマ素子４３は、いずれの場合においても、診断制御装置４４に終了信号４７を出力する。

最大時間内にしきい値超過が発生しなかった場合、この診断結果に基づき、診断制御装置４４は、電流選択信号４５を、不変のままにしても、または電流源３６がより小さい基準ポンプ電流３５を供給するように変化させてもよい。

最大時間内にしきい値超過が存在した場合、診断信号４２が発生し、診断信号４２は、電流源３６によって新たに供給されるべき基準ポンプ電流３５を上昇させる電流選択信号４５を設定するように診断制御装置４４を動作させてもよく、これにより汚染または上昇漏れ電流を抑制することができる。行われるべきポンプ電流３５の上昇または低下は、診断過程の間に、基準ガス室内に所定の状態が達成されるまで段階的に行ってもよい。

最大時間内にセンサ信号３８がしきい値を超えることは、基準ガス室１８内の酸素濃度を目的どおりに低下させる負の基準ポンプ電流３５の設定により保証可能である。一変更態様により、電流源３６とは独立に、オーム抵抗２６を介して基準ポンプ電流導線２０を所定の電位２５と結合することにより、負の基準ポンプ電流３５を設定してもよい。電位２５はオフセット電圧源３１に基づいて、基準ポンプ電流導線２０上に存在する電位より負である電気回路接地であることが好ましい。

診断装置３９、４３、４４は診断過程の間におけるセンサ信号３８の時間変化の評価を可能にする。特に、変化速度をタイマ素子４３により定量的に決定してもよい。診断信号４２の特性は、基準ポンプ電流３５を、ガス・センサ１０の安定動作を保証する値に新たに直接設定することを可能にする。

図１はガス・センサの断面図を示す。 図２は本発明による回路装置のブロック回路図を示す。

Claims (10)

1. ガス・センサ（１０）が基準ガス室（１８）を含み、基準ガス室（１８）内に基準電極（１９）が配置され、基準電極（１９）に基準ポンプ電流（３５）を供給する電流源（３６）を備えた、前記ガス・センサ（１０）の作動のための回路装置において、
   タイマ素子（４３）を含む診断装置（３９、４３、４４）が設けられ、
   ガス・センサ（１０）の診断動作における基準ポンプ電流を設定するために、診断装置（３９、４３、４４）が電流源（３６）に電流選択信号（４５）を出力し、
   タイマ素子（４３）をスタートさせるために、診断装置（３９、４３、４４）がタイマ素子（４３）に始動信号（４６）を出力し、および
   診断装置（３９、４３、４４）が診断動作においてガス・センサ（１０）のセンサ信号（３８）を時間に関して評価すること、
   を特徴とするガス・センサの作動のための回路装置。
2. 診断装置（３９、４３、４４）がセンサ信号（３８）の変化速度を評価することを特徴とする請求項１記載の回路装置。
3. 診断装置（３９、４３、４４）が比較器（３９）を含み、比較器（３９）がセンサ信号（３８）をしきい値（４０）と比較し且つ比較結果の関数として診断信号（４２）を供給することを特徴とする請求項１または２記載の回路装置。
4. 診断信号（４２）がタイマ素子（４３）を始動させることを特徴とする請求項３記載の回路装置。
5. タイマ素子（４３）が、設定時間の終了を通知する終了信号（４７）を供給することと、および
   診断動作以外においてガス・センサ（１０）を動作させるために、終了信号（４７）の関数として電流選択信号（４５）が設定されていることと、
   を特徴とする請求項４記載の回路装置。
6. タイマ素子（４３）により測定可能な時間が最大時間に設定されていることを特徴とする請求項５記載の回路装置。
7. 電流選択信号（４５）が電流源（３６）を遮断するか、または負の基準ポンプ電流（３５）を供給させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の回路装置。
8. 基準電極（１９）が抵抗（２６）を介して常に所定の電位に接続され、抵抗（２６）を介して流れる分路電流（２７）が基準ガスを排出することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の回路装置。
9. ガス・センサ（１０）がλセンサであり、基準ガス室（１８）が基準ガスとして酸素を含むことを特徴とする請求項４ないし８のいずれかに記載の回路装置。
10. λセンサが内燃機関の排気系内に配置されていることと、および
    内燃機関の停止後に、開始信号（４８）が診断をスタートさせることと、
    を特徴とする請求項９記載の回路装置。

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