JP2008530542A - 排気ガス・センサ加熱の電圧制御電力設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサが損傷されることなく、センサの作動温度が最短時間で達成される、内燃機関の排気ガスのセンサ加熱の電圧制御電力設定方法を提供する
【解決手段】初期過程内加熱の加熱過程において、加熱電圧が、後続過程に関してきわめて急速にまたはステップ状に高い値、好ましくは全作動電圧に上昇され、それに続いて、加熱電圧が連続的にまたはほぼ連続的に低下される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気系内におけるセンサ加熱の電圧制御電力設定方法に関する。

今日、内燃機関の混合物調整は、燃焼と、燃焼の結果得られた排気ガス組成との関数として行われる。このために、内燃機関の排気ガス内に１つまたは複数のセンサが配置され、これらのセンサは典型的には排気ガスの残留酸素含有量を決定する。測定に基づいて燃焼の品質が決定可能である。制御ユニットを介して、この測定信号は、回転速度、空気流量または絞り弁角、燃料配量のような他の特性変数と共に使用される。

ドイツ特許公開第２８０５８０５号から既知のように、センサは十分な作動温度を有していなければならない。この理由から、例えばエンジン始動後におけるセンサの加熱過程内においては、センサ信号は利用可能ではない。したがって、十分なセンサ温度を達成させるために、燃料の制御は燃料の操作により置き換えられる。この結果、この時間内においては最適燃焼値が達成可能ではない。

センサの十分な作動温度を達成させるまでの時間を短縮させるために、センサは電気追加加熱を備えている。この場合、加熱電力の制御は、センサを損傷または破損させることなくできるだけ急速に作動温度が達成されるように行われるべきである。

センサの損傷に関する危険因子として、センサ内部の急な温度勾配が考えられ、この急な温度勾配は、この結果得られたセンサ本体の異なる熱膨張に基づいて応力亀裂を発生させることがある。

平板の広帯域λセンサにおいては、例えばヒータがセンサの内部に存在し、ヒータはＡｌ_２Ｏ_３層またはＡｌ_２Ｏ_３絶縁フォイルによりセンサ・エレメントから絶縁されている。即ち、センサは内部から加熱される。ここで、きわめて高い加熱速度が選択されたとき、センサの内部からセンサ表面に至る温度勾配はきわめて大きくなり、これにより、引張応力状態にあるセンサ表面から亀裂が発生することがある。

この亀裂を回避するために、加熱電圧は、投入されたとき、例えば１０Ｖの適切なスタート電圧から、例えば１３Ｖの全加熱電圧へランプ（傾斜）状に制御される。この場合、ランプは、排気系内において露点が超えられているときにはじめてスタートされ、その理由は、もしそうでない場合、センサ上に発生した水分がセンサ表面を著しく冷却し、これにより、上記の作用を与えるきわめて大きな温度勾配を形成するからである。

このタイプのセンサ加熱においては、ランプにより、および露点のための遅延により、センサの作動温度が比較的遅れてはじめて達成されることが不利であると認められた。センサをできるだけ急速に加熱したとき、したがってランプの時間を短くしたとき、最大加熱電圧に到達したときに温度勾配、したがってセンサ表面内の機械的応力が最大値を示した。このランプは、この最大機械的応力が確実にセンサ材料の固有強度以下になるように形成されている。

ドイツ特許公開第４０１９０６７号から、加熱、特に内燃機関の排気ガス内センサの加熱の制御装置が既知であり、この加熱の制御装置においては、加熱のための投入信号が時間的に点火キー操作前に存在する過程により発生される。この過程は、例えば、車両ドアの開放であってもよく、またはドライバ・シート内の接点によって開始されてもよい。

即ち、センサはエンジン始動後に低温から作動温度までの全温度範囲を通過する必要なく、事前に予熱され、これにより、上記の加熱ランプはそれに対応してより速く実行可能である。それにもかかわらず、ランプの終了時に最大の機械的応力が発生し、この応力が加熱電力の最大上昇速度を制限するという上記の不利はなお残っている。

センサが損傷されることなく、センサの作動温度が最短時間で達成される、内燃機関の排気ガス内センサの加熱方法を提供することが本発明の課題である。

方法に関する課題は、初期過程内加熱の加熱過程において、加熱電圧が後続過程に関してきわめて急速にまたはステップ状に高い値好ましくは全作動電圧に上昇され、それに続いて、加熱電圧が連続的にまたはほぼ連続的に低下されることにより解決される。

これにより、センサ・エレメント内のきわめて急速な温度上昇が引張応力を著しく上昇させ、この結果、引張応力がセラミックの強度を超え且つセンサ・エレメント表面内に亀裂を発生させることが回避される。

好ましい変更態様は、加熱電圧の低下が、好ましくは約０．１Ｖ／秒−０．３Ｖ／秒間の速度で行われるように設計されている。これにより、λセンサの表面と内部との間の最大可能温度差が低下されるので、表面内に発生する引張応力はより小さくなる。

高い熱容量を有するセンサ・エレメントにおいては、本発明は、加熱電圧の低下が所定の一定値までまたはセンサ加熱の完全遮断まで行われるという利点を有している。
一実施形態は、加熱過程の間にセンサの表面内に発生する引張応力がセンサの表面材料の材料固有の強度より低いほぼ一定の値をとるようにランプ（傾斜）状加熱電圧が印加される設計がなされている。これにより、熱源として印加された加熱電圧は、早めにセンサ・エレメント表面に到達し且つセンサの表面と内部との間に形成される最大温度勾配を低下可能である。これはセンサの寿命に有効に作用する。

エンジンが始動されたときには排気系内への水分搬送の危険がきわめて上昇するので、本発明は、高い加熱電圧の印加およびそれに続く加熱電圧の低下がエンジン始動と共に行われるように設計されている。これにより、センサ・エレメント内の応力関係は逆転する。急速に加熱されたヒータの周囲に発生した圧縮応力は、センサ・エレメントの表面になお小さい引張応力のみを発生させるにすぎない。

センサ・エレメントが低い加熱電力で約２００℃に加熱可能なように、時間的にエンジン始動前に存在する信号により、好ましくは車両ドアの開放時または点火キーの差込み時にセンサが事前に予熱されるように設計されている。

一形態は、前記予熱が低い有効加熱電圧で好ましくは２Ｖで行われるように設計されている。予熱は、任意の水分量がセンサ・エレメントを破損させることがないように選択されている。

特に簡単な実施形態は、前記予熱が段階的に実行されるように設計されている。これは、エンジン始動前の待ち時間が著しく短縮されるという利点を有している。この場合、時間的にエンジン始動前に存在する第１の信号により、第１の加熱電力が全加熱電力の比較的小さい分数で設定され、エンジン始動前にそれに続いて存在する第２の信号により、より高い第２の加熱電力が全加熱電力の比較的大きい分数で設定されるように設計されている。

本発明の一形態は、エンジン始動後に加熱電力が投入電力よりも低下されるように設計されている。これは、エンジンがスタートしたとき直ちに、排気系内における水分搬送の危険が上昇することに基づいている。センサ・エレメント内において応力関係は逆転し、これにより、発生した圧縮応力はセンサ・エレメント表面上にいかなる引張応力をも発生させることはない。

図１は、従来技術による加熱ランプを表わす。ここで、加熱電圧を投入したとき、加熱電圧は、適切なスタート電圧（ここでは、１０Ｖ）から利用可能な全加熱電圧（ここでは、１３Ｖ）まで定常的に上昇されることがわかる。この場合、加熱ランプは、排気系内において露点が超えられているときにはじめてスタートされ、その理由は、そうでない場合、その結果として形成される水分がセンサ表面を著しく冷却し、これにより亀裂を形成させることがあるからである。エンジンがスタートしたとき直ちに、加熱電力は再び低下される。この低下は、従来技術によれば、ネルンスト・セルの目標内部抵抗が作動温度への到達を指示したことにより行われる。このときセンサ・エレメント内の応力関係は逆転し、これにより、センサ・エレメント表面上に引張応力がもはや発生されることはない。図１の右側にはさらに引張応力がＭＰａの単位で目盛られている。引張応力の線図は、応力は低下されるが、同時にＦａｓｔ−Ｌｉｇｈｔ−ｏｆｆもまた可能であることを示している。

図２は、全作動電圧で開始する、最初に集中された加熱ランプを示す。加熱電圧はあるランプに沿って低い速度で低下される。この場合もまた同様に、ランプは、センサ・エレメントの表面内のシミュレートされた引張応力ができるだけ早めに形成されるように設計されている。このとき、引張応力は、材料固有の強度および安全係数から得られるある値に一定に保持される。この場合もまた、ネルンスト電圧の内部抵抗が作動温度への到達の指示のために利用される。

図３に、点火キーの点火錠内への差込み時ないしはドライバのドアの開放時における予熱が示されている。この過程において事前に、センサには低い有効加熱電圧が印加される。これにより、センサ・エレメントは低い加熱電圧で約２００℃に加熱される。この温度は、材料組成に対応して、ある水分量があってもセンサ・エレメントを破損させることがないように選択される。この場合、引張応力は同様な経過をとる。少量の加熱により、引張応力もまた僅かに上昇するにすぎない。次にエンジンがスタートされたとき、引張応力は、図２の線図と同様な経過をとる。

図４は点火の投入時における他の加熱を示す。点火の投入はすぐにエンジンがスタートすることを知らせるので、加熱電力の上昇と共に静止している空気が加熱される。ここでエンジンがスタートされた場合、加熱はその最大値に急上昇し且つ次にネルンスト・セルの内部抵抗により作動温度に、したがって作動電圧に制御される。この場合、制御は、上記の加熱ランプに沿って行われる。この場合もまた、引張応力は種々の加熱電力に対応して緩慢に上昇するにすぎず、このことはセンサ・エレメントの寿命に有利に働く。

図５に、エンジン始動時の加熱電力の低下が示されている。排気系内への水分搬送の危険は、エンジンがスタートされたとき直ちに上昇する。センサ・エレメントを引張応力から保護するために、加熱電力は再びランプに沿って低下される。これにより、センサ・エレメント内の応力関係は逆転する。ヒータの周囲はきわめて急速に加熱され且つ圧縮応力が形成されるが、この圧縮応力は、センサ・エレメント表面に損傷を与える引張応力をもはや発生することはない。このことが、同時に描かれている引張応力線図にも示されている。

図１は、従来技術による加熱ランプおよび引張応力線図を示す。 図２は、最初に集中された加熱ランプ並びに付属の引張応力線図を示す。 図３は、点火キーの差込み時における予熱の表示および引張応力線図を示す。 図４は、点火の投入時における他の加熱の表示並びに付属の引張応力線図を示す。 図５は、エンジン始動時における加熱電力の低下の表示および引張応力線図を示す。

Claims (10)

1. 内燃機関の排気系内におけるセンサ加熱の電圧制御電力設定方法において、
   初期過程内加熱の加熱過程において、加熱電圧が、後続過程に関してきわめて急速にまたはステップ状に高い値、好ましくは全作動電圧に上昇され、それに続いて、加熱電圧が連続的にまたはほぼ連続的に低下されることを特徴とするセンサ加熱の電圧制御電力設定方法。
2. 加熱電圧の低下が、好ましくは約０．１Ｖ／秒−０．３Ｖ／秒間の速度で行われることを特徴とする請求項１の方法。
3. 加熱電圧の低下が、所定の一定値までまたはセンサ加熱の完全遮断まで行われることを特徴とする請求項１または２の方法。
4. 加熱過程の間に、センサの表面内に発生する引張応力がセンサの表面材料の材料固有の強度より低いほぼ一定の値をとるように、傾斜状加熱電圧が印加されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの方法。
5. 高い加熱電圧の印加およびそれに続く加熱電圧の低下が、エンジン始動と共に行われることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの方法。
6. 時間的にエンジン始動前に存在する信号により、好ましくは車両ドアの開放時または点火キーの差込み時に、センサが事前に予熱されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの方法。
7. 前記予熱が、低い有効加熱電圧で、好ましくは２Ｖで行われることを特徴とする請求項６の方法。
8. 前記予熱が段階的に実行されることを特徴とする請求項６または７の方法。
9. 時間的にエンジン始動前に存在する第１の信号により、第１の加熱電力が全加熱電力の好ましくは１／８の比較的小さい分数で設定され、エンジン始動前にそれに続いて存在する第２の信号により、より高い第２の加熱電力が全加熱電力の１／４の比較的大きい分数で設定されることを特徴とする請求項８の方法。
10. エンジン始動後に、加熱電力が投入電力よりも低下されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかの方法。

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