JP3188327B2 - 酸素センサの接続回路と正しいセンサ接続の検査方法 - Google Patents

酸素センサの接続回路と正しいセンサ接続の検査方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、浮動(固有のアース端
子を持ち、エンジンのアースとは接続されていない意
味)の酸素センサの接続回路と酸素センサが正しく接続
されているかどうか、あるいは導線に短絡及び/又は断
線が存在するかどうかを検査する方法に関するものであ
る。
【0002】簡略にするために、以下においては酸素セ
ンサの代わりにセンサの言葉を使用する。この種のセン
サの2つの接続線のうち、通常他方より高い電位を有す
る接続線を以下においては高電位接続線といい、従って
他方を低電位接続線という。
【0003】
【従来の技術】センサ、特にネルンスト(Nernst)タイ
プのセンサはセンサ毎に、それぞれ所定の空気比(ラム
ダ値)に対して、例えば自動車の排ガスについて出力さ
れる電圧に比較的大きなばらつきがある。それによって
この種のセンサの正しい接続を検査することが難しくな
る。というのは一つのセンサにおいては電圧が明かに妥
当ではあるが、他方のセンサにおいては明らかに故障を
示すからである。通常ネルンストセンサのセンサ電圧は
濃厚な混合気を測定する場合には約850mVであり、
希薄な混合気を測定する場合には約100mVである。
しかし濃厚な混合気を測定する際に一方のセンサが例え
ばほぼ1Vを示し、他方のセンサは希薄な混合気を測定
する場合に約−80mVまで示す場合がある。心線短絡
が存在する場合には、0Vが測定される。これは2番目
に挙げたセンサの場合には妥当な値である。というのは
それぞれ負の電圧が発生する場合があるが、これはもち
ろん一般的な評価回路では評価されず、0Vの電圧と同
一視されるからである。また例えば制御装置からのセン
サ線が脱落した場合には妥当な電圧が発生する。
【0004】心線短絡あるいは導線の脱落を確実に検出
することができるようにするために、従来では通常、セ
ンサ電圧が所定の期間以上長く値0Vを有し、あるいは
補助電圧源の電圧を有する場合には、空気/燃料混合気
が恣意的に幾分濃厚化される。センサ信号がこの濃厚化
に応答しない場合には、故障が存在することを確かに示
すものである。この検査方法における欠点は、混合気を
濃厚化しなければならず、それによって有害ガスの排出
が増大し、他の欠点も惹起することである。
【0005】酸素センサは主として、触媒前の排ガス流
内のガス組成を求めるように配置されている。しかし、
例えばDE−A−2304622あるいはUS−A−4
622809からは、触媒の後方にもさらにセンサを取
り付けて、そのセンサを用いて触媒の変換能力を監視す
ることが知られている。この触媒が良好に変換している
間は、該当する内燃機関の定常的な運転においてはきわ
めて均一な組成の混合気が後方のセンサを通過する。そ
の場合には連続してほぼ一定の電圧が測定される。この
事実によって、触媒後方のセンサの機能能力を検査する
場合に困難が生じる。というのは連続してセンサ電圧が
変わらない場合にセンサが正しく接続されていないの
か、あるいは触媒が極めて良好に変換しているので、変
化が生じないのかわからないからである。もちろんこの
場合でも、比較的長い期間にわたって空気比1とは異な
る混合気を発生させて、それにより最終的に触媒の出口
でも濃厚あるいは希薄な混合気が生じるようにすること
によって、検査することは可能である。これもすでに説
明した欠点をもたらす。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従ってできる限りセン
サ接続における故障を検出し、そのために混合気組成を
恣意的に変化させる必要のない、センサ用の接続回路を
形成するという問題がある。さらに、そのための方法を
提供するという問題もある。
【0007】この課題はすでに、前ドイツ出願P411
3361に記載の回路と方法によって解決されている。
この回路はその後データシートの発行によって公知とな
っている。これは、低電位線がオフセット電圧源を用い
て増大された電位になるように形成されている。これに
よって、オフセット電圧より小さいセンサ電圧が測定さ
れるかをチェックする方法が可能なる。
【0008】本発明の課題は、上述の公知の回路と方法
をさらに改良することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】増幅器に接続された低電
位線と高電位線を有する本発明による浮動の酸素センサ
の接続回路は、高電位線がオフセット電圧源と接続され
ており、前記増幅器は高電位線と低電位線の電位の差を
入力電圧として受け取り、かつオフセット電圧と増幅さ
れた入力電圧の差を出力電圧として出力し、前記オフセ
ット電圧は、センサが正しく接続されている場合には出
力電圧が常にゼロより大きいが、所定のしきい値電圧よ
り小さいように選択されていることを特徴とする。
【0010】
【作用】しきい値電圧は好ましくは同時にA/D変換器
の基準電圧である。その場合にはオフセット電圧は、増
幅された可能な限り小さい(負の)センサ電圧の絶対値
を加算した基準電圧より小さくなければならない。
【0011】低電位線と高電位線とを有し、高電位線と
低電位線の電位の差が入力電圧として増幅器に供給され
る浮動の酸素センサの正しい接続を検査する本発明の方
法は、高電位線の電位がアース電位に対して所定のオフ
セット電圧に高められ、オフセット電圧から増幅された
入力電圧が引算され、その差が処理すべき出力電圧とし
て使用され、出力電圧が約ゼロであるか、あるいは少な
くとも所定のしきい値電圧に対応するときには、センサ
が正常に接続されていないと判断され、その場合、前記
オフセット電圧は、センサが正しく接続されている場合
には出力電圧が常に明かにゼロと異なり、所定のしきい
値電圧より小さいように選択されていることを特徴とす
る。
【0012】オフセット電圧を用いてアース短絡だけで
なく、例えば断線も検出することができるようにするた
めに、低電位線をプルアップ抵抗を介してしきい値電圧
と接続すると効果的である。その場合に断線であれば少
なくともこのしきい値電圧が出力される。このしきい値
電圧は、上述のように、センサが正しく接続されている
場合の最大可能な出力電圧より高い値である。
【0013】好ましくは上述の出力電圧は以降の処理の
ためにA/D変換器によってデジタルの値に変換され
る。その場合、しきい値電圧はA/D変換器の基準電圧
と同一にされる。
【0014】
【実施例】以下、図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。
【0015】以下においては抵抗と電圧源が何回も出て
くる。その場合それぞれこれらの素子の名称は素子の抵
抗値ないし電圧値と一致する。すなわち例えばUpはオ
フセット電圧源であると同時にこの電圧源の電圧でもあ
る。同様にRS_Vは抵抗素子、ここでは触媒前のセン
サの等価抵抗の名称であると共にこの(等価)素子の抵
抗値の名称でもある。
【0016】図1と2について詳細に説明する前に、ま
ず始めに図3の概略を説明する。
【0017】図3は制御装置SGを示すものであって、
この制御装置には(不図示の)触媒の前方に配置された
センサSVと触媒の後方に配置されたセンサSHがそれ
ぞれ高電位線HPL_VないしHPL_Hと低電位線N
PL_VないしNPL_Hを介して接続されている。両
高電位線は制御装置の同一の端子に接続されている。こ
の端子にはすでに述べたオフセット電圧源Upが接続さ
れている。この電圧源によって両高電位線は制御装置ア
ースに対して電位Upに持ち上げられている。センサ信
号は反転後、それぞれの増幅器AMP_VないしAMP
_Hでの増幅とオフセット電圧に対する差の形成後に、
それぞれA/D変換器ADC_VないしADC_Hを介
して制御装置SG内部のマイクロプロセッサμCに供給
される。A/D変換器により入力信号の値は0Vと基準
電圧の間の範囲に制限される。制御装置SG内にはさら
に+5Vの基準電圧を供給する定電圧源KSが設けられ
ている。定電圧源KSとマイクロプロセッサμCを除い
て図3に示す制御装置内部のすべての素子は、前方のセ
ンサSVと後方のセンサSHの共通の接続回路を形成す
る。
【0018】図1は前方のセンサSVについての図3の
詳細な回路図に関する原理回路図であり、図2は後方の
センサSHについての同様な原理回路図である。
【0019】図1に示す回路においては、前方のセンサ
SVの高電位線HPL_Vと低電位線NPL_Vは、反
転された電圧を増幅する増幅定数(ゲイン)vを有する
増幅器AMP_Vに接続されている。高電位線HPL_
Vの電位はオフセット電圧源Upによって制御装置アー
スに対して正の電位Upに高められている。前方のセン
サSVは等価電圧源US_Vと等価抵抗RS_Vを備え
た等価回路を有する。前方のセンサに対して並列に抵抗
Roと電圧源Uoを有する直列回路が設けられている。
抵抗Roの値は、温まったセンサの抵抗値より大きく、
冷えたセンサの抵抗値より小さく選ばれる。電圧源Uo
から発生される電圧Uoは、センサがほぼ空気比(ラム
ダ値)1を有する混合気の排ガスを測定した時に発生す
る電圧である。この回路により増幅前でオフセット電圧
Upの加算前に得られる電圧は、図1の式(1)によっ
て表され、増幅加算後の前方のセンサに関する出力電圧
UOUT_Vは図1の式(2)によって与えられる。
【0020】出力信号UOUT_VはA/D変換器AD
C_Vに供給され、A/D変換器は電圧を0Vと基準電
圧U_REFの間の範囲に制限し、それに対応するデジ
タルの値をマイクロプロセッサへ出力する。なお、A/
D変換器はマイクロプロセッサの一部とすることもでき
ることを指摘しておく。
【0021】図2に示す回路においては、後方のセンサ
SHの高電位線HPL_Hと低電圧線NPL_Hは、反
転されたセンサ電圧を増幅する増幅定数vを有する増幅
器AMP_Hに接続されている。低電位線はプルアップ
抵抗RPUを介して基準電圧と接続されている。高電位
線の電位は、すでに述べたオフセット電圧源Upによっ
て制御装置アースに対して正の電位Upに引き上げられ
ている。その場合、出力電圧UOUT_Hは図2の式
(5)によって得られる。この電圧はA/D変換器AD
C_Hに供給される。この変換器によるデジタル値の範
囲については、図1の回路における変換器ADC_Vの
数値範囲について述べたのと同一の説明が当てはまる。
【0022】図1から3の回路におけるオフセット電圧
Upは図1の式(3)と(4)によって与えられる値の
領域に選ばれる。このオフセット電圧は、欠陥のあるセ
ンサ接続を確実に検出することができるようにするため
に、まず増幅後の最大センサ電圧より高くなければなら
ない。この最大値に対してさらに安全値ΔUが設けられ
る。さらにまたオフセット電圧は、場合によってはあり
得る負の最大センサ電圧の絶対値の増幅値だけ基準電圧
より低くなければならない。ここでも安全値ΔUが設け
られる。式(3)と(4)においては、最小と最大のセ
ンサ電圧の絶対値は|U_MIN|ないし|U_MAX
|で示されている。
【0023】基準電圧が5V、発生する最大センサ電圧
U_MAXが1V、発生する最小センサ電圧U_MIN
が−80mVで通常のA/D変換器を使用する場合に
は、増幅定数vは例えば4に設定され、またオフセット
電圧Upは4.5Vに選ばれる。基準電圧が例えば1.
25VのA/D変換器を使用する場合には、増幅定数は
1とすることができる。その場合にはオフセット電圧は
例えば1.05Vに設定される。
【0024】図3に図示された抵抗の具体的な設定値
は、反転増幅器AMP_VとAMP_Hが上述の増幅定
数の値4を有し、電圧源Uoが450mVの電圧を発生
し、オフセット電圧Upが4.29Vであるように選択
されている。
【0025】図4には、それぞれ前方のセンサSV及び
/又は後方のセンサSHで発生する可能性のある9つの
故障が示されている。従って全部で18の個別的な故障
が考えられる。その場合に故障F+BとF−Bは高電位
線ないし低電位線のバッテリ電圧UBへの短絡、故障F
+0とF−0は上述の線の制御装置アースへの短絡、故
障F+−は両線の相互の短絡、故障F(+)とF(−)
は上記2つの線のそれぞれの断線、故障F(+)0は高
電位線に関する故障F+0とF(+)の組み合せ、故障
F(−)0は低電位線に関する故障F−0とF(−)の
組み合せである。
【0026】次に故障のあるセンサ接続を検出する方法
を図5のフローチャートを用いて説明する。この処理の
開始後にまず(ステップs1)、前方の増幅器の出力電
圧UOUT_Vが基準電圧U_REF以上であるかがチ
ェックされる。これは、両センサの端子線の一つがバッ
テリ電圧に短絡している場合であり、従って故障F+B
_VあるいはF−B_Vの場合である。ステップs1に
おいて上述の条件が満たされていることが明らかになっ
た場合には、ステップs2で上述の故障のいずれかが存
在することが表示される。
【0027】ステップs1で、調べた故障が存在しない
ことが明らかになった場合には、ステップs3において
後方のセンサの信号について同様なチェックを行う。こ
の条件が満たされている場合には、同様に故障F−B_
HあるいはF+B_Hが存在するが、故障F(+)_
H、F(−)_HおよびF(+)0_Hも考えられる。
必要な場合には対応する故障表示がステップs4で行わ
れる。
【0028】ステップs3の条件が満たされていない場
合には、ステップs5において、出力電圧UOUT_V
が0Vであるかが調べられる。これは故障F+0_V、
F−0_V及びF(−)0_Vの場合に考えられる。そ
の場合、故障F+0_V、従って前方のセンサの高電位
線HPL_Vが制御装置アースに短絡している場合に
は、1より大きい空気比を有するガスが測定されたとき
負のセンサ電圧を有するセンサの場合には、図1の式
(1)に従って定義される電圧は一時的に負になり、従
って式(2)の電圧(項Upはアース短絡によりゼロで
ある)は正になる可能性が存在する。しかし出力電圧U
OUT_Vのゼロとは異なる値はほぼ空気比1にラムダ
閉ループ制御する場合には継続的に存在しないので、少
なくとも一時的に非妥当の値0Vが発生し、それによっ
て即座にステップs6に示す故障表示が作動される。
【0029】ステップs5において調べた故障が存在し
ない場合には、ステップs7において、出力電圧UOU
T_Hが値0を有するかをチェックする。これは、故障
F+0_H、F−0_H及びF(−)0_Hの場合に考
えられるものである。その場合、故障F+0_Hについ
ては故障F+0_Vについての説明が当てはまる。故障
が検出された場合には、ステップs8で表示が行われ
る。
【0030】ステップs7のチェックが否定された場合
には、ステップs9へ進んで、出力電圧UOUT_Vが
所定の期間より長くオフセット電圧Upになっているか
どうかがチェックされる。この電圧は故障F+−_Vの
場合に持続して現れるが、正常な運転の場合でも一時的
に発生することがある。しかしいずれのラムダ制御(特
に2位置動作のラムダ閉ループ制御)の場合にも測定さ
れた電圧は数秒の時間的な周期で変動する。従って正常
な運転の場合には出力電圧UOUT_Vが最大で数秒以
上値Upに留まることはない。それに応じてステップs
9の検査における期間が設定される。継続的に値Upの
出力電圧が現れる期間が設定された期間を越えた場合に
は、ステップs10で故障F+−_Vが表示される。
【0031】ステップs9で検査した故障が存在しない
場合には、次のステップs11において、出力電圧UO
UT_Hが所定の期間より長く値Upになっているかど
うかがチェックされる。後方のセンサに関するこの試験
と故障があった場合のステップs12における故障表示
(故障F+−_H)はステップs9とs10で前方のセ
ンサについて説明したのと同様に行われる。
【0032】これまでチェックしてきた条件のいずれも
が満たされない場合には、さらにステップs13におい
て前方のセンサSVが動作温度にある場合に出力電圧U
OUT_Vが値Up−v・Uoの値であるかどうかがチ
ェックされる。この電圧は断線の場合、すなわち故障F
(+)_V、F(−)_VあるいはF(+)0_Vのい
ずれかの場合に発生する。というのはその場合にはセン
サ内部抵抗RS_Vは断線により無限大として現れ、従
って図1の式(2)の第2の加算項はゼロになるからで
ある。しかし、センサが冷えている場合に、従って実際
に内部抵抗が高い場合にもこの電圧が発生する。従って
ステップs13でセンサが動作温度にあるという付加条
件が問われる。十分な動作温度は何等かの公知の方法
で、例えばセンサ信号の所定の時間的特性を監視するこ
とによって、あるいはセンサの内部抵抗を測定すること
によってチェックすることができる。ステップs13の
条件が満たされている場合には、ステップs14で故障
FV、GVあるいはIVのいずれかが存在することが表
示される。そうでない場合には処理の終了に達する。
【0033】上述の偶数のステップにおける故障表示は
単に、故障メモリにそれに対応した情報を書き込むだけ
にすることもできるが、好ましくは音響的あるいは光学
的な警告表示が出力される。というのは特に前方のセン
サに関連する故障は有害ガスの放出にとってきわめて重
大だからである。さらに前方のセンサの接続障害が発生
した場合には、少なくともラムダ閉ループ制御をラムダ
開ループ制御に切り換えることが必要である。それに対
して後方のセンサの接続障害の場合には、多くはラムダ
閉ループ制御への切り替えは不要であり、単に閉ループ
制御のための種々の細かい同調処理をやめるようにする
ことだけでよい。しかし、後方のセンサからの信号が欠
けたことを表示することが望ましい。場合によっては、
故障復旧の努力が効を奏さない場合に初めて表示を行う
こともできる。しかし故障表示の詳細は、本発明にとっ
ては重要ではない。
【0034】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、できる限り酸素センサの接続における故障を
検出し、そのために混合気組成を恣意的に変化させる必
要のない、センサ用接続回路の改良が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】補助電圧源とオフセット電圧源を有するセンサ
接続回路の概略的な回路図である。
【図2】オフセット電圧源とプルアップ抵抗を有するセ
ンサ接続回路の概略的な回路図である。
【図3】共通のオフセット電圧源を有する2つのセンサ
のための接続回路の回路図である。
【図4】センサの接続における故障を表示する概略的な
ブロック図である。
【図5】センサが故障接続されているかどうかを識別す
る検査方法を説明するフローチャート図である。
【符号の説明】
SG 制御装置 SV、SH センサ NPL_V、NPL_H 低電位線 HPL_V、HPL_H 高電位線
フロントページの続き (72)発明者 ヘルムート デンツ ドイツ連邦共和国 7000 シュトゥット ガルト 1リンデンシュピュールシュト ラーセ 18 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/409 G01N 27/26 391 G01R 31/02

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 増幅器(AMP_V、AMP_H)に接
    続された低電位線(NPL_V、NPL_H)と高電位
    線(HPL_V、HPL_H)を有する浮動の酸素セン
    サ(SV、SH)の接続回路において、 高電位線がオフセット電圧源(Up)と接続されてお
    り、 前記増幅器は高電位線と低電位線の電位の差を入力電圧
    (UIN_V、UIN_H)として受け取り、かつオフ
    セット電圧と増幅された入力電圧の差を出力電圧(UO
    UT_V、UOUT_H)として出力し、 前記オフセット電圧は、センサが正しく接続されている
    場合には出力電圧が常に明かにゼロより大きいが、所定
    のしきい値電圧(U_REF)より小さいように選択さ
    れている、 ことを特徴とする酸素センサの接続回路。
  2. 【請求項2】 A/D変換器(ADC_V、ADC_
    H)が設けられ、かつ前記しきい値電圧がA/D変換器
    の基準電圧(U_REF)に等しいことを特徴とする請
    求項1に記載の接続回路。
  3. 【請求項3】 低電位線(NPL_H)をしきい値電圧
    (U_REF)と接続するプルアップ抵抗(PRU)が
    設けられることを特徴とする請求項1あるいは2に記載
    の接続回路。
  4. 【請求項4】 センサに対して並列に補助電圧源(U
    o)と抵抗(Ro)からなる直列回路が設けられてお
    り、その場合その抵抗値が温まったセンサの抵抗値より
    大きく、冷えたセンサの抵抗値より小さいことを特徴と
    する請求項1あるいは2に記載の接続回路。
  5. 【請求項5】 前記接続回路が同時に他の酸素センサ用
    の接続回路であって、その場合両センサ(SV、SH)
    の高電位線(HPL_V、HPL_H)が互いに接続さ
    れていることを特徴とする請求項1から3までのいずれ
    か1項に記載の接続回路。
  6. 【請求項6】 低電位線(NPL_V、NPL_H)と
    高電位線(HPL_V、HPL_H)とを有し、高電位
    線と低電位線の電位の差が入力電圧(UIN_V、UI
    N_H)として増幅器に供給される浮動の酸素センサ
    (SV、SH)の正しい接続を検査する方法において、 高電位線の電位がアース電位に対して所定のオフセット
    電圧(Up)に高められ、 オフセット電圧から増幅された入力電圧が引算され、そ
    の差が出力電圧(UOUT_V、UOUT_H)として
    使用され、 出力電圧が最大でゼロであるか、あるいは少なくとも所
    定のしきい値電圧(U_REF)に対応するときには、
    センサが正常に接続されていないと判断され、 その場合、前記オフセット電圧は、センサが正しく接続
    されている場合には出力電圧が常にゼロより大きいが、
    所定のしきい値電圧(U_REF)より小さいように選
    択されていることを特徴とする酸素センサの正しい接続
    を検査する方法。
  7. 【請求項7】 A/D変換器(ADC_V、ADC_
    H)にセンサ出力電圧(UOUT_V、UOUT_H)
    がアナログ電圧として、またしきい値電圧(U_RE
    F)が基準電圧として供給され、そのA/D変換器が少
    なくともアナログ電圧としての基準電圧の存在を示すか
    どうかが調べられ、そうである場合にはセンサ(SV、
    SH)の導線の一つが車両バッテリの高電位に対して短
    絡していると結論づけることを特徴とする請求項6に記
    載の方法。
  8. 【請求項8】 センサ(SV、SH)の出力電圧(UO
    UT_V、UOUT_H)が値ゼロを有するかどうかが
    調べられ、そうである場合には、導線の一つがアースに
    短絡していると結論づけることを特徴とする請求項6あ
    るいは7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 酸素センサ(SV、SH)が2位置動作
    のラムダ閉ループ制御で駆動される場合に、センサ出力
    電圧(UOUT_V、UOUT_H)が所定の期間より
    長い間オフセット電圧(Up)に留まっているかどうか
    が調べられ、そうである場合には、センサの2つの導線
    が互いに短絡していると結論づけることを特徴とする請
    求項6から8までのいずれか1項に記載の方法。
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