JP2011503566A - センサ・エレメントの機能可能性の検査装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、外部ポンプ電極および内部ポンプ電極またはネルンスト電極を備えた、ガス混合物内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置であって、外部電極の手前に、測定抵抗と、それに並列に接続されたトリミング抵抗とが設けられ、ポンプ電源により前記外部ポンプ電極内にポンプ電流が供給可能であり、且つ測定抵抗において降下する測定電圧が測定／評価装置により測定可能である、センサ・エレメントの機能可能性の検査装置において、測定抵抗に直列に、設定可能な時間の間、高抵抗に切換可能である、操作可能なスイッチ手段が配置され、測定抵抗において降下する電圧が測定／評価装置内において測定且つ評価されること、および、設定可能な電圧しきい値を超えているとき、エラー出力が行われること、を特徴とするセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項１に記載の、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置に関するものである。

従来技術において、種々の濃度センサが既知である。λ＝１の値を決定するために使用される、特性曲線がλ＝１において顕著なジャンプを有するいわゆるジャンプ・センサのほかに、いわゆる広帯域λセンサが存在する。広帯域λセンサおよびこのような広帯域λセンサを作動させるための回路装置は、例えば、書籍出版物「ボッシュ自動車ハンドブック（ドイツ語版）」、第２５版、２００３年１０月、１３４頁から既知である。多層セラミック内のこのようなセンサは、本質的に、ガルバニ・セルとして作動する通常の濃度センサ（ネルンスト・センサ）並びに限界電流セルまたは「ポンプ」セルの組み合わせからなっている。ポンプ・セルに外部から電圧が印加される。電圧が十分に大きいとき、いわゆる限界電流が設定され、限界電流は、センサの両側の酸素濃度の差に比例する。電流により、極性に依存して、酸素イオンが搬送される。濃度センサにλ＝１の状態が形成されるように、ポンプ・セルにより、きわめて狭い拡散隙間を通って、常に正確に十分な酸素が排気ガスから濃度センサに供給されることが、電子制御回路を示す回路装置によって保証される。排気ガス内の空気が過剰のとき、いわゆるリーン範囲内においては、酸素がポンピングにより取り出され、排気ガスの残留酸素含有量が小さいとき、いわゆるリッチ範囲内においては、ポンプ電圧の反転により酸素が供給される。このとき、ポンプ電流はセンサの出力信号を形成する。

このようなフラットな広帯域λセンサの調整は電流分配器を介して行われる。このために、例えばドイツ実用新案第２０１０６７５０号から既知のように、センサのプラグ内にトリミング可能な抵抗が配置され、この抵抗は、好ましくは制御装置の一部である測定抵抗に並列に接続されている。高い限界電流を有する拡散隔壁においては、トリミング抵抗は低い抵抗のままである。限界電流が低いとき、抵抗は、レーザにより抵抗内に切込みが設けられることにより抵抗が上昇される。この抵抗により、調整点のみならず他の全ての点もまた目標特性曲線上に存在するように、ポンプ電流−濃度特性曲線はシフトされる。

センサは、対応ラインを介して、例えば制御装置の一部である評価回路装置と結合されている。
従来技術から既知のセンサ・エレメントおよび回路装置においては、センサ・リード線の断線は容易に検出可能ではない。オンボード診断ＩＩ（ＯＢＤ ＩＩ）の規定によれば、排気ガスに関連する全ての構成要素の連続モニタリングが必要となっている。特に、λセンサおよびこのようなλセンサのセンサ・リード線もまた、連続的に、例えば５００ｍｓごとに周期的にモニタリングされなければならない。この場合、車両の運転の間に純原理的に発生することがある断線が存在したかどうかもまたモニタリングされなければならない。

ドイツ実用新案第２０１０６７５０号

ボッシュ自動車ハンドブック（ドイツ語版）、第２５版、２００３年１０月、１３４頁

したがって、本発明の課題は、それによりこのような断線が検出可能な、特に広帯域λセンサのセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する、冒頭記載のタイプのセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置により解決される。本発明の基本的な考え方は、突然の状態変化があったときには一義的な値ではあり得ないセンサ信号の妥当化が行われる必要なく、接続センサ・エレメントにおける負荷降下を測定することである。

このために、本発明は、測定抵抗に直列に、設定可能な時間の間、高抵抗に切換可能である、操作可能なスイッチ手段を配置し、この時間の間、測定抵抗において降下する電圧を測定／評価装置内において測定且つ評価し、および設定可能なしきい値を超えているとき、エラー出力を行うように設計されている。このスイッチ手段により、測定抵抗はたいていの場合遮断され、これにより、断線があったときにおいても、センサ内に電流が流れることが阻止され、その理由は、測定抵抗は、本質的に、トリミング抵抗と同じ値を有しているからである。

従属請求項に記載の手段により、独立請求項に記載の回路装置の改良および改善が可能であることは有利である。
即ち、有利な一実施形態は、スイッチ手段が、半導体スイッチ、特に簡単に操作可能なトランジスタであるように設計されている。さらに、この半導体スイッチが、例えば制御装置の一部であってもよい集積回路の一部として形成するように設計されていてもよいことは有利である。

本発明の一実施例が図面に示され且つ以下に詳細に説明されている。

図１は、本発明による、センサ・エレメントの機能可能性の検査装置を略図で示す。

図１に、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置が略図で示されている。センサ・エレメント１００はネルンスト・セル１１０およびポンプ・セル１２０を有している。図１において、ネルンスト・セルおよびポンプ・セルがそれぞれそれらの等価回路図により示され、即ち、ネルンスト・セルは電源および内部抵抗Ｒ_ｉｎにより示され、ポンプ・セルは電源および内部抵抗Ｒ_ｉｐにより示されている。広帯域λセンサはさらにヒータを有し、ヒータは抵抗Ｒ_Ｈにより略図で示されている。このヒータにより、センサは、センサの正常な作動を可能にする温度が達成されるまで加熱される。本来のセンサ１０１はハウジング内に配置され、ハウジングは、ヒータ用の接続ピンＨ１、Ｈ２およびネルンスト・セル用の接続ピンＲ、ＩＰＥ並びにポンプ・セル用の接続ピンＡＰＥ、ＩＰＥを有している。ネルンスト電極と内部ポンプ電極の電極とは同一である。センサ・エレメントはさらにトリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍを有し、トリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍは外部ポンプ電極の接続ピンＡＰＥとセンサ・ピンＲＴとの間に配置されている。

トリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍは測定抵抗Ｒ_ｍと共に電流分配器を形成し、電流分配器により、広帯域λセンサの特性曲線の調整が行われる。トリミング可能な抵抗Ｒ_ｔｒｉｍはセンサのプラグ内に配置されていることが好ましい。例えば高い限界電流を有する拡散隔壁の場合、トリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍは低いままである。これに対して、限界電流が低いとき、それ自身既知の方法でトリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍ内にレーザ切込みが行われ、このレーザ切込みは抵抗値を上昇させる。このようにして、調整点のみならず他の全ての点もまた目標特性曲線上に存在するように、特性曲線はそれ自身既知の方法でシフト可能である。このようなセンサにおいては、ネルンスト・セル内にネルンスト電圧が設定されるまで、センサ・ピンＲＴを介してポンプ・セル内に電流（ポンプ電流Ｉ_ｐ、図１においてはポンプ電源として示されている）が供給される。センサ・ピンＲＴはλセンサ評価回路２００に接続されている。制御された電流Ｉ_ｐは排気ガス−空気混合物の組成に対する尺度である。この場合、電流は、トリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍを介してセンサ１００内に流れるのみならず、これに並列に接続された、評価回路２００の測定抵抗Ｒ_ｍを介してもまたセンサ１００内に流れる。測定抵抗Ｒ_ｍにおける電圧降下Ｕ_ｍは空気数即ちλ値を測定するために評価される。

ここで、断線した場合、例えばセンサ・ピンＲＴにおけるセンサ・リード線が破断した場合、例えば制御装置の一部である評価回路２００内の測定抵抗Ｒ_ｍはさらに保持されたままであり、即ち、電流は継続して流れる。ここで、トリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍの値は測定抵抗Ｒ_ｍの値と同じ範囲内にあるので、この場合、トリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍのエラーを一義的に推測可能ではなく、したがって、断線を推測可能ではない。したがって、断線を一義的に検出可能にするために、本発明は、測定抵抗Ｒ_ｍを、低い抵抗のスイッチＳを介して遮断するように設計されている。このために、測定抵抗Ｒ_ｍに直列に存在するスイッチＳは高抵抗に接続される。この場合、断線に基づいてエラーとなるトリミング抵抗Ｒ_ｔｒｉｍにおいて、さらに電流を供給することが試みられたとき、センサ・ピンＲＴにおける電圧は、負荷降下がなければ達成されないであろうしきい値が超えられるまで、継続して上昇される。電圧測定により、その後、一義的に負荷降下が推測可能である。

したがって、センサ・ピンＲＴにおける負荷降下を推測するために、要するに、設定可能な時間の間、スイッチＳが高抵抗に切り換えられ、この時間内に測定電圧Ｕ_ｍが測定される。これが限界値に接近し且つ所定のしきい値を超えたとき、負荷降下が推測される。

スイッチＳは半導体であってもよく、スイッチＳは例えばトランジスタにより形成可能であり、この場合、トランジスタは、回路装置２００の一部、特にエンジン制御装置の一部であってもよい集積回路のトランジスタであってもよい。

１００ センサ・エレメント
１０１ センサ
１１０ ネルンスト・セル
１２０ ポンプ・セル
２００ 測定／評価装置、λセンサ評価回路、回路装置
ＡＰＥ 接続ピン（ポンプ・セル用）、外部ポンプ電極
Ｈ１、Ｈ２ 接続ピン（ヒータ用）
Ｉ_ｐ ポンプ電流
ＩＰＥ 接続ピン（ネルンスト・セル用、ポンプ・セル用）、内部ポンプ電極、ネルンスト電極
Ｒ 接続ピン（ネルンスト・セル用）
Ｒ_Ｈ ヒータ
Ｒ_ｉｎ、Ｒ_ｉｐ 内部抵抗
Ｒ_ｍ 測定抵抗
ＲＴ センサ・ピン
Ｒ_ｔｒｉｍ トリミング抵抗
Ｓ スイッチ手段、スイッチ
Ｕ_ｍ 測定電圧（電圧降下）

Claims (3)

1. 第１の外部ポンプ電極および内部電極またはネルンスト電極を備えた、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメント（１００）の機能可能性の検査装置であって、この場合、
   前記外部電極と前記内部電極との間に、測定抵抗（Ｒ_ｍ）と、それに並列に接続されたトリミング抵抗（Ｒ_ｔｒｉｍ）とが設けられ、および
   ポンプ電源により前記外部ポンプ電極内にポンプ電流（Ｉ_ｐ）が供給可能であり、且つこのときに前記外部電極と前記内部電極との間に設定された測定電圧（Ｕ_ｍ）が測定／評価装置（２００）により測定可能である、センサ・エレメント（１００）の機能可能性の検査装置において、
   前記測定抵抗（Ｒ_ｍ）に直列に、設定可能な時間の間、高抵抗に切換可能である、操作可能なスイッチ手段（Ｓ）が配置され、一方、前記測定抵抗において降下する電圧が前記測定／評価装置内において測定且つ評価されること、および
   設定可能な電圧しきい値を超えているとき、エラー出力が行われること、を特徴とするセンサ・エレメントの機能可能性の検査装置。
2. 前記スイッチ手段（Ｓ）が、半導体スイッチ、特にトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記半導体スイッチが集積回路の一部であることを特徴とする請求項２に記載の装置。

Images