JP3704334B2 - 線形λセンサの作動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、内燃機関の線形λセンサの作動装置に関する。
【０００２】
立法者は税法措置によってますます有害物質放出を低くしかつ燃料消費を少なくした自動車を開発することを促進している。このために、化学量論的な混合気生成（λ＝１）を有するオットー機関において、放出が極端に低いＳＵＬＥＶ（Super Ultra Low Emission Vehicle）車両が開発されてきている。
【０００３】
燃料節約のために現在の所、直接的なＨＰＤＩ（High Pressure Direct Injection）燃料噴射が行われる機関が開発されもしくは市場に導入されている。ここで燃料は高められた圧力（約１５０ｂａｒ）下で燃焼室に直接噴射される。これにより可能な混合気調整はリッチ、化学量論的およびリーン間を行ったり来たりすることができる。機関の部分負荷領域に対してはリーンな混合気生成が消費量の点で著しい利点を示している。
【０００４】
両方の開発には、今日普通のλセンサ（２値のジャンプ式センサ）によって可能であるより著しく精確な混合気調整が必要である。これらはλ＝１の周りの極端に制限された測定領域しか有しておらず、それ故にλ＞１というリーン運転の測定に対しては適していない。
【０００５】
この理由から今では、拡大された線形の測定領域を有する増強形のλセンサ、いわゆる線形λセンサが使用される。
【０００６】
２値のジャンプ式センサは電極対を有している。これは、温度が高い場合には電解質として作用するジルコニアセラミックによって分離されている。その際１つの電極は排気ガス流中にあり、他方の電極は大気中にある。大気と排気ガスとの間で酸素濃度が異なっている場合、電極間に電圧が生じる。この電圧の値はネルンストの拡散方程式によって決められている。この電圧の典型的な値は大気の場合約２００ｍＶ、λ＝１の場合約４５０ｍＶおよびリッチな混合気の場合約８００ｍＶである。λ＝１の周辺において酸素濃度は十の何乗かだけ変化する。このことはこの領域におけるセンサ電圧のジャンプ変化となって現れる。
【０００７】
線形λセンサはより複雑に形成されている。それは２つの電極対並びに１つの測定室を有している。測定室は拡散バリヤを介して排気ガス流に接続されている。第１の電極対は測定室と大気との間に配置されておりかつ、ジャンプ式センサの場合と類似して、測定室における酸素濃度を測定するために使用される。第２の電極対は測定室と排気ガス流との間に配置されている。これにより、相応の極性の電流が加えられると、測定室から酸素イオンが出るまたは測定室内に入るポンプ作用が働くことになる。名称：ポンプ電極。
【０００８】
このようにして、拡散バリヤを通る酸素流とポンプ電極対を通る酸素イオン流との間にダイナミックな平衡を形成することができる。その際調整判断基準として、その測定電極によって突き止めることができる測定セルにおける酸素濃度が適している。有利な値は例えば、λ＝１に対する４５０ｍＶである。すなわちこの場合に流れるポンプ電流Ｉｐは排気ガス中の酸素濃度に対する尺度である（数値変換した後ではλに対する尺度でもある）。
【０００９】
排気ガス中の酸素濃度の、ポンプ電流に対する関係はいくつかのセンサパラメータによって影響を受ける。製造に規定されて、拡散バリヤのダイナミック抵抗には多少のばらつきがある。このために結果として変換比に偏差が生じることになる（増幅度エラー）。製造時にこのことは測定しかつ較正抵抗Ｒｃをセンサプラグへ挿入することによって補償される。
【００１０】
較正抵抗により後続の評価回路におけるポンプ電流のスケーリングが可能になり、変換エラーは再び出力補償される。
【００１１】
更に、拡散バリヤのダイナミック抵抗は温度依存性を有しているので、このためにも変換比に誤差が生じることになる。これに対しては、センサ温度の測定によっておよびセンサに組み込まれている加熱エレメントを用いた調整によって対処している。その際コストの理由から別個の熱電対は使用されない。その代わりに、センサの強く温度に依存している内部抵抗を測定している。
【００１２】
今日まで、線形のλセンサの使用は過給されない、化学量論的な運転モード（Ｐａ＝１ｂａｒ、λ＝１）に制限されていた。相応に、測定セルにおける平衡（λ＝１）を維持するためのポンプ電流も僅かとはいえ必要だった（｜Ｉｐ｜＜〜２．５ｍＡ）。
【００１３】
リーン機関に対してはλ＝４までの運転が設定されており、このためには著しく高められたポンプ電流が必要である。過給される機関（ターボ）における運転の際には、２ｂａｒまでの排気ガス圧力が生じる。センサの圧力感度次第では、所要の最大ポンプ電流が±１２ｍＡまで一段と高められることになる。このことは今日市場に存在している評価回路によっては部分的にしか可能ではない。
【００１４】
公知の評価回路が図１に示されておりかつ以下に説明する。
【００１５】
この回路はある種の欠点を有している：
評価回路に普通は既に存在している給電電圧Ｖｃｃ＝５Ｖを供給すると、約２．５Ｖの中間電圧が生じる。センサに加わる電圧チェーンは次のようになる：
Ｖｍ＜｜Ｒｃ＊Ｉｐ＋Ｖｐ｜＋Ｖｓａｔ；
Ｒｃ＝３０ないし１００Ω＝全体の較正抵抗（製造者に依存している）、
Ｖｐ＝−３５０ないし＋４５０ｍＶ；ポンプセルの電極電圧、
Ｖｓａｔ＝１００ないし２００ｍＶ；ポンプ電流源の飽和電圧。
【００１６】
これにより、可能な最大ポンプ電流Ｉｐは＜１０ｍＡに制限され、すなわち要求に対応していない（Ｉｐ＝±１２ｍＡ）。
【００１７】
択一選択的に、回路の比較的高い給電電圧、例えば８Ｖを使用するようにしてもよい。しかしこの場合には、付加的な高価な電圧調整器が必要でありかつバッテリー電圧が比較的低い場合には（＜８．５Ｖ）もはや機能しないという欠点がある。（最小許容バッテリー電圧はＶｂａｔ_ｍｉｎ＝６Ｖに定められている！）。
【００１８】
ポンプ電流Ｉｐは同相信号（Ｖｍ±２Ｖ）が重畳されている。実際の集積された増幅器の有限の同相抑圧に規定されて（例えば６５ｄＢ）、測定は±０．３％までの歪みを受ける。
【００１９】
付加的に、ポンプセルの分極電圧によって（λ＜１の場合−３５０ｍＶ）、約５μＡの零点エラーΔＩｐが生じる。ポンプ電流Ｉｐは酸素センサの１次的な測定信号であるので、このエラーはセンサ測定信号の全体の精度に直接係わってくる。これによりλ調整の精度は制限され、従って重大な問題となる。
【００２０】
本発明の課題は、線形λセンサを作動するための公知の装置を、設定されている要求に相応するポンプ電流Ｉｐの値を使用することができ、上述した同相エラーが回避されかつ測定精度が著しく改善され、かつバッテリー電圧が低い場合でも（Ｖｂ＝＋６Ｖ）センサがなお機能できるように改良することである。
【００２１】
この課題は本発明によれば、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。本発明の重要な特徴は中間電圧がセンサの接続端子Ｖｐ−／Ｖｓ−から接続端子Ｖｐ＋に移されたことである（図２参照）。
【００２２】
次に本発明の実施例を略図を用いて詳細に説明する。図面において：
図１は公知の装置の基本回路図を示しかつ
図２は本発明の装置の基本回路図を示している。
【００２３】
図１には内燃機関の線形λセンサを領域λ＝１において作動させるための公知の装置が略示されている。
【００２４】
λセンサＳは次のものから構成されている。
【００２５】
ａ） いわゆる参照セル、すなわち測定室と大気との間の電極。これは、電極間で測定可能なネルンスト電圧Ｖｓおよび電極間の拡散バリヤの内部抵抗Ｒｉｓによって図示されている。
【００２６】
ｂ） いわゆるポンプセル、すなわち測定室と排気ガスとの間の電極。これは、これらの間で降下する電圧Ｖｐおよびこれら電極間の（参照）抵抗Ｒｉｐによって図示されている。
【００２７】
ｃ） センサプラグにおける較正抵抗Ｒｃ。
【００２８】
電極はセンサのセラミック体に被着されている。電極対間のセラミック材料は温度が高い場合には導電性でありかつ固体電解質として用いられる。
【００２９】
抵抗Ｒｃはセンサプラグへの組み込み位置に基づいて著しい環境負荷に曝されているので、この抵抗には制御装置において別の抵抗Ｒｐが並列接続される。これにより、Ｒｃが全体に精度に対して持っている影響が低減される。
【００３０】
センサＳから４つの接続端子Ｖｓ＋，Ｖｐ−／Ｖｓ−，Ｖｐ＋およびＲｃが取り出されておりかつ回路に接続されている。
【００３１】
差動増幅器Ｄの反転入力側はセンサＳの接続端子Ｖｓ＋に接続されており、その非反転入力側は参照電圧Ｖｒｅｆを介して中間電圧Ｖｍに接続されている。Ｖｍ＝Ｖｃｃ／２、ただしＶｃｃ（通例はＳＶ）は回路の給電電圧である。
【００３２】
中間電圧Ｖｍにはポンプ電流源Ｐの反転入力側も接続されており、その非反転入力側は差動増幅器Ｄの出力側に接続されている。
【００３３】
ポンプ電流源Ｐの出力側はセンサＳの入力側Ｒｃに接続されている。
【００３４】
差動増幅器ＤはセンサＳのネルンスト電圧Ｖｓ（外気と測定セルとの間）を参照電圧Ｖｒｅｆ（４５０ｍＶ）と比較しかつ差に比例している出力電圧を発生する。出力電圧はポンプ電流源Ｐによって比例するポンプ電流Ｉｐに変換され、変換されたポンプ電流はポンプセル（ＲｉｐおよびＶｐ）を通ってＶｍに流れる。このポンプ電流Ｉｐにより、センサの図示されていない測定セルにおける酸素濃度が変化し、更にはその結果ネルンスト電圧Ｖｓが変化することになる。
【００３５】
排気ガスにおける酸素濃度の算出（λ）はポンプ電流の測定を介して行われる。このためにポンプ電流によって引き起こされる、ＲｃおよびＲｐの並列回路における電圧降下が図示されていない差動増幅器を用いて測定される（図２のＩＳ参照）。
【００３６】
この公知の評価回路では、中間電圧Ｖｍ＝Ｖｃｃ／２および参照電圧Ｖｒｅｆはλセンサの接続端子Ｖｐ−／Ｖｓ−に接続されている。
【００３７】
安定した調整状態においてネルンスト電圧Ｖｓ＝４５０ｍＶであり、Ｖｐ＝４５０ｍＶでもある：拡散バリヤを流れる酸素流と、ポンプ電流Ｉｐによって決められる酸素イオン流との間に平衡状態が成り立っている。
【００３８】
ポンプ電流源Ｐの出力電圧の最大範囲は約０．１Ｖから４．９Ｖに及ぶ。この回路の欠点は先に指摘した。
【００３９】
内燃機関の線形λセンサを作動するための本発明の装置の基本回路は図２に示されている。
【００４０】
図２には図１で既に説明し、本発明の回路を備えているλセンサＳが示されている。１つの演算増幅器とその反転入力側に接続されている、抵抗ＲｃおよびＲｐの並列回路とがポンプ電流源Ｐを形成している。その非反転入力側には中間電圧Ｖｍが供給され、かつその出力側は第２のセンサ接続端子Ｖｐ−／Ｖｓ−に接続されている。
【００４１】
ポンプ電流源Ｐの出力側は参照電圧Ｖｒｅｆおよび抵抗Ｒ３を介して抵抗Ｒ１ないしＲ４とともに差動増幅器Ｄとして接続形成されている演算増幅器の非反転入力側に接続されており、その反転入力側は抵抗Ｒ１を介して第１のセンサ接続端子Ｖｓ＋に接続形成されている。抵抗Ｒ２は反転入力側を出力側に接続しかつ抵抗ＵＲ４は非反転入力側から中間電圧Ｖｍにつながっている。
【００４２】
差動増幅器Ｄに、調整器Ｒ、抵抗Ｒ５ないしＲ８およびコンデンサＣ１およびＣ２とともにＰＩＤ調整器として接続形成されている演算増幅器が続いている。これはＩ調整器またはＰＤ調整器として構成されていてもよい。演算増幅器の非反転入力側には中間電圧Ｖｍが供給される。この調整器Ｒの出力側は第４のセンサ接続端子Ｒｃに接続されている。
【００４３】
更に、差動増幅器ＩＳが設けられており、その入力側は並列抵抗ＲｃおよびＲｐの２つの接続端子に接続されている。
【００４４】
差動増幅器Ｄはセンサ電圧Ｖｓおよび参照電圧Ｖｒｅｆの差を測定する。すなわちその出力信号は、中間電圧Ｖｍに関連した、ＶｓおよびＶｒｅｆ間の偏差（調整ループのエラー信号）を表している。差動増幅器Ｄの出力信号は調整器Ｒに供給される。調整器は調整電圧を発生する。この電圧はポンプ電流源Ｐに並列抵抗ＲｃおよびＲｐを介して供給される。ポンプ電流源Ｐはこの調整電圧を相応のポンプ電流に変換する。それから変換されたポンプ電流はセンサＳのポンプセル（Ｖｐ，Ｒｉｐ）を通って流れる。
【００４５】
ＲｃおよびＲｐの並列回路における電圧を差動増幅器ＩＳを用いて測定すると、ポンプ電流Ｉｐに対して、従ってλに対して非常に正確でかつ既に較正されている尺度が得られる。
【００４６】
演算増幅器の入力電圧差は非常に小さいので、センサＳの第３の接続端子Ｖｐ＋は近似的に電位Ｖｍ（２．５Ｖ）にある。演算増幅器の入力電圧差はオフセット電圧に相応しかつ通例は１０ｍＶより低い。演算増幅器の出力電圧範囲は給電電圧Ｖｃｃ（５Ｖ）および終段トランジスタの飽和電圧（約０．１Ｖ）によって制限されている。すなわち出力電圧範囲はポンプ電流源Ｐにおいて約０．１Ｖから４．９Ｖに及ぶ。
【００４７】
結果として、センサＳのポンプセルに対して（接続端子Ｖｐ＋，Ｖｐ−）±２．４Ｖの可能な電圧ストロークが生じる（２．５Ｖ−０．１Ｖ＝＋２．４Ｖ；２．５Ｖ−４．９Ｖ＝−２．４Ｖ）。このことは、要求されるポンプ電流が±１２ｍＡである場合±２．０Ｖの最大許容ないし所要ポンプ電圧を実現するために十分すぎるくらい十分である。
【００４８】
ポンプ電流源Ｐの構造によって、増幅器ＩＳの反転入力側における電圧が常に中間電圧Ｖｍにあることも保証されている。これにより、並列抵抗Ｒｃ／Ｒｐにおいて測定すべき電圧降下が同相成分を有していないことが実現される。従って増幅器Ｐの有限の同相抑圧（例えば６０ｄＢ）によって生じる測定エラーは原理的に回避される。更に、差動増幅器ＩＳの入力側は常時、中間電圧Ｖｍの近傍において作動される。演算増幅器はこの領域において最小のエラーを有している（オフセット、同相、増幅度、線形性、漏れ電流などなど）。
【００４９】
すなわち両方の手段により、設定された要求に相応する最小限の測定エラーしか有しない測定増幅器の構造が可能になる。
【００５０】
本発明の装置の利点は次の通りである：
今やポンプ電流の測定は固定の中間電圧Ｖｍに関連して行われる。従って上述した同相エラーは回避されかつこれにより測定の精度は著しく改善される；
今やネルンスト電圧Ｖｓの測定（およびセンサ内部抵抗Ｒｉｓの検出、図２では参照符号ＲＩＭが付されているブロックとして示されておりかつ詳細には説明されない）には確かに同相信号（Ｖｐ＝２．５Ｖ±２Ｖ）がくっついているが、この測定量はエラーに対して著しく寛容である（センサ特性曲線の極端な急峻度によって規定されて、Ｖｓは５０ｍＶまでは変動することが許される。内部抵抗を突き止めるための測定信号は高い周波数の交番電圧である。すなわち同相信号の比較的緩慢な変化は殆ど問題にならない）；
センサが使用することができる電圧は参照抵抗Ｒｉｐにおける電圧降下の絶対値分だけ拡大される。（センサおよび用途次第で、これは１２ｍＡ＊１００Ω＝１．２Ｖにまでなる可能性がある）；
今や給電電圧Ｖｃｃ＝５Ｖによる作動の際、ポンプ電流が高い場合にも（Ｉｐ＝±１２ｍＡ）近似的に±２．５Ｖのセンサ電圧Ｖｐが実現可能である。別個の電圧調整器は必要でない。これによりコストが低減される；
バッテリー電圧が低い場合にも（＋６Ｖ）センサの機能は制限を受けていない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知の装置の基本回路図である。
【図２】 本発明の装置の基本回路図である。

Claims (4)

1. 内燃機関の線形λセンサ（Ｓ）を作動するための装置であって、
   該線形λセンサの第１の接続端子（Ｖｓ＋）、第２の接続端子（Ｖｐ−／Ｖｓ−）、第３の接続端子（Ｖｐ＋）および第４の接続端子（Ｒｃ）は評価回路およびポンプ電流源（Ｐ）に接続されており、
   評価回路は差動増幅器（Ｄ）を有しており、該差動増幅器は、前記第１の接続端子（Ｖｓ＋）で取り出される、線形λセンサ（Ｓ）において測定されたネルンスト電圧（Ｖｓ）と中間電圧（Ｖｍ）に関連付けられた参照電圧（Ｖｒｅｆ）との差を形成し、
   前記差動増幅器（Ｄ）には調整器（Ｒ）が後置接続されており、該調整器の反転入力側は前記差動増幅器（Ｄ）の出力側に接続されており、該調整器の非反転入力側は前記中間電圧（Ｖｍ）の電位に加えられており、該調整器の出力側は前記第４の接続端子（Ｒｃ）に接続されており、
   前記ポンプ電流源（Ｐ）の反転入力側は前記第３の接続端子（Ｖｐ＋）に接続されており、該ポンプ電流源（Ｐ）の非反転入力側は前記中間電圧（Ｖｍ）の電位に加えられておりかつ該ポンプ電流源（Ｐ）の出力側は前記第２の接続端子（Ｖｐ−／Ｖｓ）に接続されていて線形λセンサにポンプ電流を供給し、
   該ポンプ電流は線形λセンサ（Ｓ）の較正抵抗（Ｒｃ）に電圧を発生し、該電圧は測定増幅器（ＩＳ）を用いて測定可能でありかつ内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に対する尺度として使用され、ここで該測定増幅器（ＩＳ）の非反転入力側は前記第４の接続端子（Ｒｃ）および前記調整器（Ｒ）の出力側に接続されておりかつ反転入力側は前記第３の接続端子（Ｖｐ＋）に接続されており、前記較正抵抗（Ｒｃ）において測定可能な電圧は中間電圧（Ｖｍ）に関連付けられている
   ことを特徴とする装置。
2. 調整器は積分調整器（Ｉ調整器）である
   請求項１記載の装置。
3. 調整器は比例微分調整器（ＰＤ調整器）である
   請求項１記載の装置。
4. 調整器は比例積分微分調整器（ＰＩＤ調整器）である
   請求項１記載の装置。

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