JP4531885B2 - 酸素線形センサの制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素線形センサ試験装置に関する。
【０００２】
本発明は、とくに“ＵＥＧＯ”センサ（汎用排気ガス酸素センサ）として知られている酸素線形センサ試験装置に関し、これについては以下に一般的な性質を阻却することなく明白な論及を行なう。
【０００３】
【従来技術】
本発明は、自動車の分野に使用でき、例えば内燃機関（以下、単にエンジンと言う）の排気マニホールドに沿って配置されたＵＥＧＯセンサを使用して、排気ガスの組成に関する情報を得ることが知られている。
【０００４】
ＵＥＧＯセンサは酸素イオンに反応する２つの電解セル、および活性のセルの間に置かれて、エンジンの出口で燃焼ガスの一部を受取ることができる拡散チャンバとをもつ。さらに、ＵＥＧＯセンサは、コネクタによってセンサ、それ自体に接続された試験装置を使用して、電気的に電解セルを操作(pilot)して、センサそれ自体を試験することができる。とくに該制御手段は拡散チャンバから大気へ、またはその逆方向に酸素イオン排出機構を供給して、エンジンに供給される混合物の空気／ガソリン比が化学等量、すなわち１４．５７に等しくなるときに得られる排気ガス組成と同じ排気ガス組成を活性のチャンバ内で得るように設計されている。
【０００５】
試験作用がもつ強度、すなわち拡散チャンバ内で化学等量レベルを維持するのに必要な監視操作（パイロット）電流（以下、単に監視電流とも呼ぶ）の強度は、試験装置がVout信号を出力して、エンジンから放出される排気ガスの組成を表わのに基礎とする情報である。前記Vout信号は排気ガス内に存在する酸素量に比例し、したがってエンジンに供給される混合物のエアストローク／ガソリン比(the air stroke/petrol ratio)を示す。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題および手段】
前記試験装置は、車両に設置される前に、現在では監視電流の結果的な拡がりを補償できる補償抵抗に接続する必要がある。
【０００７】
前記補償抵抗についてはその定格値は製造が完了したときにセンサ製造者によって示され、また前記補償抵抗は前記コネクタの２つの接点間に挿入され、試験装置と協働し、Vout信号の生成中に積極的に関与する。都合悪いことに、補償抵抗はエンジンスペース内に置かれるので、エンジン動作中に大きい熱応力を受けなければならない。
【０００８】
このため、エンジン温度が変化するとき、正しい補正を保証する正規の値と異なる値をとることになる。したがって、監視電流の拡がりは適切に補償されず、制御装置が事実上の排気ガスの組成を示さないVout信号の出力に対して動作する。
【０００９】
本発明の目的は、上述の問題に対する解決案を提供する酸素線形センサ試験装置を達成することである。本発明にしたがって、請求項１に記載した形の酸素線形センサ試験装置が達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、参照符号１は周知の形式のＵＥＧＯセンサであり、これを内燃エンジン３の排気ガスマニホルド２に沿って配置して、化学等量の燃焼ガスの組成、および最終的にはエンジンに供給される混合物のＡ／Ｆ（空気／燃料）比に関する情報を得ることができる。
【００１１】
本明細書に示した例では、センサ１は触媒コンバータ４の上流に配置され、燃焼ガスが外気へ放出される前に燃焼ガス内に存在する汚染物質を低減することができる。
【００１２】
エンジン３は、シリンダ（図示されていない）への燃料供給装置５（例えば、ガソリンを使用する）、およびシリンダ内の燃焼プロセスをイグナイトするイグニッション装置６をもつ。エンジン３は、電子中央制御ユニット７（模式的に示した）によって制御され、電子中央制御ユニット７は供給装置５を制御して、シリンダに注入される燃料の量を調整し、イグニッション装置６を制御して、シリンダ内での燃焼のイグニッションタイミングを調整する。
【００１３】
本発明にしたがって、電子中央ユニット７はＵＥＧＯセンサ１のための電子制御装置８を含み、電子制御装置８はコネクタ９によってセンサ１に接続される。制御装置８は、後でさらに特定されるように、センサ１から出力される情報を処理して、出力信号Vout、すなわち本発明では出力信号は燃焼ガス内に存在する酸素量およびＡ／Ｆ比に関係するディジタル信号を生成することができる。とくにVout信号は、燃焼ガス内の酸素量に対応する比例アナログ信号をディジタル変換したものである。したがってVout信号は中央制御ユニット７によって判断され、とくにエンジン３に供給される地球上の混合物の空気／燃料（Ａ／Ｆ）比を表わすλｍパラメータへ（周知のやり方で変換される）：
λｍ＝（Ａ／Ｆ）mis／（Ａ／Ｆ）stech
なお、（Ａ／Ｆ）misは測定された空気／燃料値を表わし、該値はセンサ１によって得られ、Vout信号および１４．５７に等しい空気／燃料の化学等量比の値である（Ａ／Ｆ）stechに関係する。とくに、λｍの値が１を超える（λｍ＞１）とき、測定された空気／燃料の値はＡ／Ｆの化学等量比よりも大きく、エンジン３に供給される混合物は希薄といわれており、一方でパラメータλｍが１よりも小さい（λｍ＜１）とき、測定されたＡ／Ｆ比はＡ／Ｆの化学等量比よりも小さく、エンジン３に供給される混合物は濃厚といわれている。
【００１４】
図２は、コネクタ９によるＵＥＧＯセンサ１と制御装置８との接続をさらに詳しく示す。
【００１５】
図２を参照すると、センサ１は、酸素イオンに反応し、それぞれ“Vs感知セル”および“ポンピングセルIp”と呼ばれる２つの電解セル１１および１２、およびセル１１と１２の間に位置し、排気ガスを受取ることができる拡散チャンバ１３をもつ。センサ１はさらにリファレンス（基準）チャンバ１４をもっており、リファレンスチャンバ１４はセル１１に対して拡散チャンバ１３の反対側に位置し、化学等量状態、すなわちエンジンに供給される混合物のＡ／Ｆ比が化学等量であるときに、燃焼ガスが含む酸素レベルに等しい酸素レベルを示す。
【００１６】
セル１１はその上部に１対の電極11ａおよび11ｂをもち、電極11ａおよび11ｂはコネクタ９の各接点９ａ、９ｂに電気的に接続されている。次にセル１２はその上部に1対の電極12ａおよび12ｂをもち、電極12ａはセル11の電極11ｂに電気的に接続され、一方で電極12ｂはコネクタ９の接点９ｃに接続されている。
【００１７】
動作時に、接点９ａと９ｂの間、すなわち感知セル１１の上部には信号Vd（電圧）があり、該電圧Vd（電圧）はリファレンスチャンバ１４の化学等量レベルから離れた拡散チャンバ１３内の排気ガスの組成のふれに依存する値をもつ。
【００１８】
制御装置８は後で詳しく記載するが、センサ１への電源の機能、および拡散チャンバ１３内の排気ガスの組成を変更するように設計された反作用(retroactive)制御動作を確実にする機能の２つをもつ。とくに、装置８はセル１２の電極12ｂへポンピング電流Ipを監視して拡散チャンバ１３内の化学等量レベルを達成するように、大気への（またはその逆方向の）拡散チャンバ１３内の酸素イオンドレイン（排出）機構を完成する。
【００１９】
制御作用がもつ強度、すなわち拡散チャンバ13内の化学等量レベルを維持するのに必要なポンピング電流Ipの強度の情報に基づいて、制御装置８はVout信号の出力を生成する。
【００２０】
本発明にしたがって、制御装置８は増幅器１５を含み、増幅器１５ではコネクタ９の接点９ａおよび９ｂの入力へ接続されて、Vd（電圧）信号を受取り、これにより制御装置８は増幅されたVd信号を加算ノード１７の減算器入力17ａへ供給することができる。とくに、増幅されたVd信号は、拡散チャンバ13内に化学等量の混合物の燃焼によりガスが生成されるときは常に約４５０mvの値を示し、平均時間では濃厚な混合物（または希薄な混合物）の燃焼によってガスが生成されるときは４５０mvよりも大きい値（または４５０mvよりも小さい値）を示す。
【００２１】
加算ノード１７は加算入力17ｂをもち、加算入力17ｂには基準信号Vd_ｒｅｆが供給される。基準信号Vd_ｒｅｆは増幅されたVd信号に対する基準（または設定点）を表わし、拡散チャンバ１３から放出される排気ガスが化学等量の混合物の燃焼によって生成されるとき、セル１２の上部に存在するVd信号の増幅値に等しい。ここに示した例では、既に記載したように、基準信号Vd_ｒｅｆは４５０mVを示す。
【００２２】
ノード１７は出力において、基準信号Vd_ｒｅｆと増幅されたVd信号との差によって定められるエラー信号Verrを生成し、化学等量条件ではセル１１上部の電圧間のエラーより上に表わされ、セル１２上部に効果的に記録される。
【００２３】
エラー信号Verrは処理回路１９に供給され、処理回路１９はエラー信号を処理して、出力において補正信号Vcorrを供給することができる。記載した例では、処理回路１９は周知のタイプのＰＩＤ制御装置によって規定され、該ＰＩＤ制御装置はVerr信号の比例‐積分‐微分 (proportional integral derivation)（ＰＩＤ）変換を行って、Vcorr信号を生成することができる。
【００２４】
Vcorr補正信号は（周知のタイプの）監視回路２２へ供給され、監視回路２２はVcorr補正信号に基づいてポンピング電流Ipがセル１２へ供給される強度を調整する。とくに、Vcorr補正信号の入力に基づいて、監視回路２２は電流Ipを補正して、セル１２は拡散チャンバ１３から大気へ（またはその逆方向へ）酸素イオンをドレインして、チャンバ１３内の化学等量状態を生成する。ここで示した例では、監視回路２２は周知のタイプの電圧／電流コンバータによって代表され、Vcorr電圧信号を対応する電流Ipへ変換して、セル１２へ供給することができる。
【００２５】
このやり方では、エラー信号Verrを打ち消すのに役立つ反作用制御が達成される。前記反作用制御にしたがって、拡散チャンバ１３によって放出される排気ガスが希薄な混合物の燃焼から導き出されるときはいつでも、Verrエラー信号はゼロよりも大きく、ＰＩＤにより監視回路を制御して、セル１２内で電流Ipが監視されて、チャンバ１３から大気への酸素イオンの流れを生成する。このやり方では反作用制御によって、チャンバ１３は化学等量状態に戻される結果になる。反対に、排気ガスの酸素が少ないとき、または濃厚な混合物の燃焼から導き出されるときはいつでも、エラー信号Verrはゼロよりも小さく、ＰＩＤにより監視回路２２を制御して、セル１２内で電流Ipが監視され、大気から拡散チャンバ１３への酸素イオンの流れを生成する。
【００２６】
さらに、監視回路２２は出力回路２３と協働して、周知のやり方でポンピング電流Ipを、排気ダクト２内に存在する燃焼ガスの組成か、またはエンジン３から放出されるガス内に存在する酸素量に関係する出力Vout_１信号へ変換する。したがって前記出力回路２３は、制御装置８によって供給されるポーズ（間）をVout_１信号へ変換して、拡散チャンバ１３内の化学等量条件を維持し、該Vout_１信号はアナログ／ディジタルコンバータ２４によってディジタル信号Vout_１に変換され、該ディジタル信号Vout_１は後で記載する補正をセーブしており、これは装置８からの出力Vout信号を表わす。
【００２７】
本発明にしたがって、コネクタ９は２つのさらに別の接点９ｄ、９ｅ（図2参照）をもち、接点９ｄ、９ｅの間には補償抵抗２５が接続されて、ポンピング電流Ipの結果的な組成を補償するので、Vout信号はエンジン３から放出される排気ガスの効果的な組成を常に示すことになる。センサ１および制御装置８を製造し、次にセンサ、それ自体の効率を検査するために実行される機能試験を行うために、補正抵抗２５の定格値が示される。
【００２８】
したがって、センサを製造するとき、Ａ／Ｆ比を効果的に表わすVout信号を得るためにポンピング電流Ipの拡がり、例えばエンジンへ供給される混合物のＡ／Ｆ比の測定エラーについて検討する必要がある。結果的に、製造者は、２つの接点間に接続できる補償抵抗の値を供給し、出力回路２３と相互作用して、前記拡がりを回復することができる。
【００２９】
本発明では、制御装置は回路２６を含み、接点９ｄおよび９ｅに接続された抵抗２５を得て、（周知のタイプの）メモリ回路２７と協働して、補償抵抗２５と関係付けられたパラメータRcompを恒久的に記憶することができる。とくに、メモリ回路２７はエンジンのイグニッションにしたがってRcompパラメータを記憶することができ、エンジン動作中は、同じパラメータ値Rcompを使用して電流Ipの拡がりを常に補償することができる。
【００３０】
図2に示したように、捕捉回路２６において接点９ｅは抵抗２５からバッテリ電圧Vbatを供給され、接点９ｄは電圧スプリッタ２９によってアナログ／ディジタルコンバータ２８の入力２８ａへ接続することができる。スプリッタ２９は接点９ｄと入力２８ａとの間に接続された抵抗Ｒ１、および入力２８ａそれ自体とアース３０との間に接続された抵抗Ｒ２とをもつ。
【００３１】
したがってアナログ／ディジタルコンバータ２８は入力において補償抵抗２５の値と相互に関係する電圧Ｖｒ_２を受取り、出力において計算器ブロック３１に接続され、該計算器ブロック３１はその入力においてアナログ／ディジタルコンバータ３２によて得られるバッテリVbatから電圧を受取る。計算器ブロック３１は次の式にしたがってRcompパラメータを計算することができる。
【００３２】
Rcomp＝[R2・Vbat-Vr2(R1+R2)]/Vr2
なお、Vbatは得られるバッテリ電圧であり、Ｖｒ_２はコンバータ２８の出力電圧であり、Ｒ１およびＲ２はスプリッタ２９の抵抗である。
【００３３】
したがって計算器ブロック３１はRcompパラメータをメモリ回路２７へ供給する。
【００３４】
記憶されたRcompパラメータは、周知のタイプの電子パネル３３に供給され、該電子パネル３３は出力において信号Vout_１に適用するのに適した補正Kcorrパラメータを供給して、装置８の出力信号Voutを得ることができる。とくにここに示した例では、KcorrパラメータはVout_１へ適用され、すなわち装置８内では処理ブロック３４へ適用され、処理ブロック３４は次の式にしたがって出力において信号Voutを供給することができる。
【００３５】
Vout＝Vout_１・（１−Kcorr）
このやり方では、エンジン動作中に電流Ipの拡がりは、同じ値のRcompパラメータを使用し、補償抵抗２５によって示される実効値とは無関係に補償される。しかしながらこのやり方では、抵抗２５は熱応力を受け、定格値と関係する値を変更することがあり、Vout信号は抵抗２５の変化に依存せず、排気ガスの効果的な組成を常に表わし続ける。
【００３６】
ここに示した例では、エンジンイグニッションの後で、Rcompパラメータを記憶し、同じKorrパラメータを使用してVout_１を常に補正することができ、したがって装置８の出力においてVout信号を得るが、Vout信号は補償抵抗２５の変化によって左右されない。
【００３７】
図２に示したように、センサ１はさらに、コネクタの接続９ｅと別の接続９ｆとの間に接続される熱抵抗(heating resistance)３５をもち、所定の温度範囲（一般的に約７８０℃）内のセンサ温度を維持することができる。とくに、制御装置８は監視ユニット（周知のものであり、図示していない）を準備し、熱抵抗３５を通る電流を調整して、エンジンイグニッションの際に迅速に前記範囲内のセンサ温度になり、エンジンの標準動作中にセンサ温度をその範囲内に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃エンジンの排気ダクトに沿ってＵＥＧＯセンサを適用した模式図。
【図２】本発明の詳細にしたがって達成されたＵＥＧＯセンサの試験装置の模式図。

Claims (9)

1. 酸素に応答する２つの電解セル（１１、１２）と前記２つの電解セル（１１、１２）の間に位置する拡散チャンバ（１３）とを具備し、内燃機関（３）の排気マニホールド（２）に沿って置かれて、燃焼ガスの一部を受取ることができる線形酸素センサ（１）の制御装置（８）において、
   前記線形酸素センサ（１）は前記チャンバ（１３）内部の燃焼ガスの化学等量組成と基準化学等量組成との間のふれと相関付けられている第１の信号（Vd）を出力上に供給することができ、また電気的に操作されることができるものであり、
   前記２つの電解セルの一方が酸素排出機構として構成されており、
   前記制御装置（８）は、
   前記線形酸素センサ（１）から前記第１の信号（Vd）を受け、前記線形酸素センサ（１）に電流（Ip）を操作し、拡散チャンバ（１３）から酸素を排出しおよび拡散チャンバ（１３）へ酸素を排出する前記酸素排出機構を開始し、拡散チャンバ（１３）内部で基準化学等量組成と同じ組成が得られるように前記酸素排出機構を制御する反作用の制御回路（１５，１７，１９，２２）と、前記電流（Ip）に基づいて、前記拡散チャンバ（１３）に入る燃焼ガス内に存在する酸素の量と相関付けられている第２の信号（Vout_１）を生成することができる出力回路（２３）と、を含み、
   前記制御装置（８）は前記電流（Ip）の変化範囲を補償できる補償抵抗（２５）と協働し、
   前記制御装置（８）は、
   前記補償抵抗（２５）に接続されて、補償抵抗（２５）の値を表わす補償パラメータ（Rcomp）を捕捉できる捕捉回路（２６）と、
   前記補償パラメータ(Rcomp)を記憶できる記憶手段（２７）と、
   燃焼ガス内に存在する酸素の量を実効的に表現し、かつ補償抵抗（２５）内の可能な変化とは独立な出力信号を生成するために、前記記憶された補償パラメータ（Rcomp）に基づいて、前記第２の信号（Vout_１）を補正することができる補正回路（３３，３４）とを備えていることを特徴とする制御装置。
2. 前記記憶手段（２７）は所与の瞬間に対応する補償パラメータ(Rcomp)を記憶するように設計されていて、かつ前記内燃機関（３）の走行中記憶された補償パラメータ(Rcomp)を記憶手段内に維持できるように設計されていることを特徴とする請求項１記載の制御装置。
3. 前記記憶手段（２７）は前記内燃機関（３）のイグニッションに従って補償パラメータ(Rcomp)を記憶するように設計されていることを特徴とする請求項２記載の制御装置。
4. 前記補正回路（３３，３４）は、
   前記記憶手段（２７）と協働して前記記憶された補償パラメータ(Rcomp)を受取り、
   補正用パラメータ(Kcorr)を選ぶための選択手段（３３）と、
   前記第２の信号（Vout_１）と前記補正用パラメータとにより出力信号（Vout）を生成する処理手段（３４）とを備え、前記出力信号（Vout）は前記内燃機関（３）の温度の変化に起因する前記補償抵抗（２５）の変化とは独立したものである請求項１ないし３のいずれか１項記載の制御装置。
5. 前記第２の信号（Vout_１）を入力として前記出力回路（２３）から受け、かつ前記第２の信号（Vout_１）をディジタル形式で前記補正回路（３３、３４）に供給できるアナログ・ディジタル回路変換手段（２４）を備えていることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記処理手段（３４）は、Vout_１が前記第２の信号をディジタル形式にした信号であり、またKcorrが前記補正用パラメータであるとすると、表式、
   Vout ＝Vout_１・（1−Kcorr)
   により前記出力信号（Vout）を生成することを特徴とする請求項５記載の制御装置。
7. 前記補償抵抗（２５）が少なくとも２つの接点（９ｄ，９ｅ）の間に接続されているコネクタ（９）により前記線形酸素センサ（１）に接続されている前記捕捉回路（２６）は、
   基準電圧(Vbat)を前記２つの接点（９ｄ，９ｅ）の一方（９ｅ）に供給する供給手段と、
   前記２つの接点（９ｄ，９ｅ）の他方（９ｄ）に接続され、かつ前記補償抵抗（２５）と相関付けられている電圧信号(Vr_２)を表わす出力を有する電圧スプリッタ（２９）と、
   前記基準電圧(Vbat)と前記電圧信号(Vr_２)をアナログ・ディジタル変換するためのアナログ・ディジタル変換手段（２８，３２）と、
   前記他のアナログ・ディジタル変換手段(２８，３２)から発せられた基準電圧(Vbat)と前記電圧信号(Vr_２)とにより前記補償パラメータ(Rcomp)を計算するための計算器手段（３１）とを備えており、
   前記計算器手段（３１）は前記記憶手段（２７）に補償パラメータ(Rcomp)を供することができることを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項記載の装置。
8. 前記線形酸素センサ（１）は少なくとも第１と第２の電解質セル（１２，１１）を備え、第１のセル（１２）は前記電流（Ip）を介して操作されて、前記酸素排出機構によって前記拡散チャンバ（１３）内部のガスの組成を変えることができ、また第２のセル（１１）は前記第１の信号（Vd）を供給することができ、
   前記反作用の制御回路（１５，１７，１９，２２）は、
   前記第１の信号（Vd）を増幅することができる増幅手段（１５）と、
   前記拡散チャンバ（１３）内部に基準化学等量組成が存在する場合における第１の増幅された信号の値を示す基準信号(Vd_ｒｅｆ)の生成手段と、
   前記基準信号(Vd_ｒｅｆ)を前記第１の増幅された信号(Vd)と比較できるようにして、
   誤差信号(Verr)を生成するための比較手段と、
   前記電流（Ip）を前記第１のセル（１２）に向けて操縦するように制御された操作回路（２２）と、
   前記誤差信号(Verr)を入力として受取り、前記誤差信号(Verr)の処理を実行して前記操作回路（２２）の出力を制御するようにし、それによって前記電流（Ip）を調整する制御器（１９）とを備えていることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項記載の制御装置。
9. 前記制御器（１９）はＰＩＤ形の制御器であって、前記誤差信号(Verr)の比例―積分―微分処理を行うことができるものであることを特徴とする請求項６記載の制御装置。

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