JP4690631B2

JP4690631B2 - リニアラムダセンサを作動させるための方法及び装置

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Publication number: JP4690631B2
Application number: JP2002510928A
Authority: JP
Inventors: ボルツシュテファン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: US20030079521A1; DE10029831C1; JP2004503772A; EP1290433B1; MXPA02012440A; EP1290433A1; DE50114247D1; WO2001096849A1; US6763697B2

Description

【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による内燃機関のリニアラムダセンサを作動させるための方法に関する。本発明はまた請求項５による、この方法を実行するための装置に関する。
【０００２】
リニアラムダセンサは、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を求めるために使用される。リニアラムダセンサは２つの電極対と測定チャンバとを有しており、測定チャンバは拡散隔壁を介して排気ガス流につながっている。第１の電極対（測定電極）は測定チャンバと空気との間に配置されており、測定チャンバ内の酸素濃度の測定に使用される。第２の電極対（ポンプ電極）は測定チャンバと排気ガス流との間に配置されている。相応の極性の電流Ｉｐを印加すれば、酸素イオンを測定チャンバから又は測定チャンバ内にポンピングすることが可能である。
【０００３】
したがって、拡散隔壁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力学的平衡を作り出すことができる。制御の基準としては、測定電極により測定可能な測定セル内の酸素濃度が適している。有利な値は例えばλ＝１に対して４５０ｍＶである。この場合に流れるポンプ電流Ｉｐが、排気ガス内の酸素濃度の尺度である（数値的な変換の後にはλの尺度でもある）。
【０００４】
従来、リニアラムダセンサの使用は無過給の理論上のエンジン動作（Ｐａ＝１ｂａｒ、λ＝１）に限定されている。これに応じて、測定セル内の平衡（λ＝１）を維持するためには、ほんの僅かなポンプ電流しか必要でない（｜Ｉｐ｜＜〜２．５ｍＡ）。
【０００５】
希薄混合気燃焼エンジンの場合、λ＝４までの動作モードが意図されているが、これにはポンプ電流Ｉｐの劇的な増大が必要である。過給（ターボ）エンジンの動作では、２ｂａｒまでの排気ガス圧力が生じる。センサの感圧性は、必要な最大ポンプ電流Ｉｐを±１２ｍＡまでさらに増大させる。
【０００６】
拡散隔壁の力学的抵抗は温度依存性を有しており、このことが変速比の誤差につながる。これに対しては、センサ温度の測定及びセンサ内に組み込まれた発熱素子を用いた制御により対処する。その際、コスト面の理由から、別個の熱電素子は断念される。その代わりに、温度依存性の強いセンサ内部抵抗Ｒｉｓが測定される。
【０００７】
センサ内部抵抗Ｒｉｓを求める現行の測定方法は、センサ端子Ｖｓ＋に、例えば３ｋＨｚの周波数ｆｍを有する例えば５００μＡｓｓ（ピークツーピーク）の矩形波状の交流電流から成る測定信号Ｍを印加することである。この交流電流は、例えば１００Ωのセンサ内部抵抗Ｒｉｓにおいて５００μＡｓｓ＊１００Ω＝５０ｍＶｓｓの交流電圧を生じさせる。この交流電圧は、増幅器において例えば１０倍に増幅され、続いて整流される。このようにして生じた直流電圧Ｖｒｉは、センサ温度の尺度として使用したり、さらに処理したりすることができる。
【０００８】
公知の評価回路が図１に示されている。以下、この評価回路を説明する。
【０００９】
この回路はある欠点を持っている：
この評価回路に通常すでにある給電電圧Ｖｃｃ＝５Ｖを給電すると、およそ２．５Ｖの中間電圧Ｖｍが生じる。センサに印加される一連の電圧は、
Ｖｍ＜｜Ｒｃ＊Ｉｐ＋Ｖｐ｜＋Ｖｓａｔ
である；ただし、
Ｒｃ＝３０〜１００Ω＝全校正抵抗（製造者により変わる）
Ｖｐ＝−３５０〜＋４５０ｍＶ；ポンプセルの分極電圧
Ｖｓａｔ＝１００〜２００ｍＶ；ポンプ電流源Ｐの飽合計電圧；
これは可能な最大ポンプ電流Ｉｐを＜１０ｍＡに制限し、したがって要求（Ｉｐ＝±１２ｍＡ）に合わない；
ポンプ電流Ｉｐには同相信号（Ｖｍ±２Ｖ）が重畳されている。実積分増幅器の有限の同相除去（例えば６５ｄＢ）による制限のため、測定に±０．３％までの狂いが生じる；
さらに、ポンプセルの分極電圧（λ＜１のとき、−３５０ｍＶ）により、およそ５μＡのドリフトΔＩｐが生じる。ポンプ電流Ｉｐは酸素センサの１次測定信号であるので、この誤差は直接ポンプ電流Ｉｐの全体的精度に影響する。これはラムダ制御の精度を制限するので、重大な問題である；
この回路装置の別の根本的問題は、ネルンスト電圧Ｖｓと内部抵抗測定から生じる矩形波電圧Ｖｒとの相互干渉である。この矩形波電圧Ｖｒは制御器Ｒの入力側にも現れ、制御偏差を表す。制御器は−そのバンド幅の枠内で−この制御偏差を補償制御しようとする。このために、制御器はポンプ電流Ｉｐを変化させ、このことが今度はＶｓに影響を与える。ポンプ電流Ｉｐはλの測定量なので、１次センサ信号Ｖｓが歪曲される。他方では、Ｖｓの変化が矩形波電圧Ｖｒに重畳されている。この作用の結果、矩形波電圧Ｖｒの信号上限が傾き、整流の際に大きな振幅の誤差が生じる；
ＥＭＣ妨害信号が生じる場合も、内部抵抗Ｒｉｓの本来の測定値から著しく偏差する。
【００１０】
本発明の課題は、リニアラムダセンサを作動させるための方法を提供し、本方法により、出された要求に応えるポンプ電流値Ｉｐを供給し、上述した同相誤差を防ぎ、ポンプ電流測定の精度を実質的に改善することによって、ネルンスト電圧Ｖｓと矩形波電圧Ｖｒの相互干渉が生じないようにし、内部抵抗測定の精度を改善して、バッテリ電圧が低いときでも（Ｖｂが＋６Ｖより低いか又は等しい）内部抵抗測定を可能にすることである。また、この方法を実行するための装置を提供することも本発明の課題である。
【００１１】
上記課題は本発明に従って請求項１及び５に記載された特徴により解決される。
【００１２】
以下では、本発明の実施例を概略的な図面に基づいて説明する。これらの図面のうち、
図１は、ラムダセンサを作動させるための公知の装置の基本回路を示しており、
図２は、ラムダセンサを作動させるための本発明による装置の基本回路を示しており、
図３は、ネルンスト電圧Ｖｓと矩形波電圧Ｖｒの合計電圧Ｖｓｕｍからネルンスト電圧Ｖｓと内部抵抗Ｒｉｓを表す電圧Ｖｒｉとを得る様子を表すダイアグラムを示しており、
図４は、スイッチ操作用の制御信号のダイアグラムを示しており、
図５は、スイッチ操作用の制御信号を発生させる回路を示しており、
図６は、フィルタリングされていない差分信号の残差を示している。
【００１３】
図１では、内燃機関のリニアラムダセンサを作動させる公知の装置の基本回路がλ＝１の場合について示されている。ラムダセンサＳは、
ａ）いわゆる基準セル、すなわち測定チャンバと空気との間の電極と、
ｂ）いわゆるポンプセル、すなわち測定チャンバと排気ガスとの間の電極と、
ｃ）図示されていないセンサコネクタに配置された校正抵抗Ｒｃと
から成る。なお、上記基準セルは、図中では、測定チャンバと空気との間の電極間で測定可能なネルンスト電圧Ｖｓと、これら電極間の拡散隔壁の内部抵抗Ｒｉｓとによって表されており、上記ポンプセルは、測定チャンバと排気ガスとの間の電極間で降下するポンプ電圧Ｖｐとこれら電極間の（基準）抵抗Ｒｐとにより図示されている。
【００１４】
電極はセンサのセラミックに取り付けられている。電極対の間のセラミック材は、温度が高いときには導電性であり、固体電解質として使用される。
【００１５】
センサＳからは、第１の端子Ｖｓ＋、第２の端子Ｖｐ−／Ｖｓ−、第３の端子Ｖｐ＋及び第４の端子Ｒｃが出ており、評価回路と接続されている。ラムダセンサヒータとその端子は図示されていない。
【００１６】
差動増幅器Ｒの反転入力側Ｒ−はセンサＳの第１の端子Ｖｓ＋と接続されており、非反転入力側Ｒ＋は基準電圧Ｖｒｅｆを介して中間電圧Ｖｍと接続されている（Ｖｍ＝Ｖｃｃ／２）。ただし、Ｖｃｃ（通常は５Ｖ）は回路の給電電圧である。
【００１７】
中間電圧Ｖｍには、第２のセンサ端子Ｖｐ−／Ｖｓ−とポンプ電流源Ｐの反転入力側Ｐ−も接続されており、ポンプ電流源Ｐの非反転入力側Ｐ＋は差動増幅器Ｒの出力側と接続されている。
【００１８】
ポンプ電流源Ｐの出力側はセンサＳの第４の入力側Ｒｃと接続されている。
【００１９】
抵抗Ｒｃはセンサコネクタ内でのその取付位置のゆえに著しい環境汚染に晒されているので、制御装置内において別の抵抗Ｒｐを端子Ｖｐ＋に接続し、Ｒｃと並列接続にする。これにより、ポンプ電流Ｉｐの測定精度に対するＲｃの許容誤差の影響が低減される。
【００２０】
差動増幅器Ｒは、センサＳのネルンスト電圧Ｖｓ（外気と測定セルとの間の）を基準電圧Ｖｒｅｆ（４５０ｍＶ）と比較し、その差に比例する出力電圧を発生させる。この出力電圧はポンプ電流源Ｐにより比例するポンプ電流Ｉｐに変換され、ポンプ電流ＩｐはＲｃとＲｐとから成る並列回路及びポンプセル（Ｒｉｐ及びＶｐ）を通ってＶｍへと流れる。ポンプ電流Ｉｐは、センサＳの図示されていない測定セル内の酸素濃度を変化させ、このことが結果としてネルンスト電圧Ｖｓの変化をもたらす。
【００２１】
排気ガス内の酸素濃度λの測定は、抵抗ＲｃとＲｐの並列接続及びポンプセルを通るポンプ電流Ｉｐを測定することにより行われる。このために、ポンプ電流Ｉｐから生じるＲｃとＲｐの並列接続における電圧降下Ｖ（Ｉｐ）が差動増幅器ＩＳを用いて測定される。
【００２２】
この公知の評価回路では、中間電圧Ｖｍ＝Ｖｃｃ／２と基準電圧Ｖｒｅｆはλセンサの第２の端子Ｖｐ−／Ｖｓ−と接続されている。
【００２３】
測定セル内での制御状態が安定しているとき（λ＝１）には、ネルンスト電圧Ｖｓ＝４５０ｍＶである。拡散隔壁を通る酸素流と酸素イオン流との間には、ポンプ電流Ｉｐにより平衡状態が存在する。その際、Ｖｐの値は、−排気ガス内の酸素濃度に応じて−、４５０ｍＶ（空気）と−３５０ｍＶ（リッチ混合気）の間である。
【００２４】
ポンプ電流源Ｐの出力電圧の最大範囲はおよそ０．１Ｖから４．９Ｖまで達する。
【００２５】
センサ内部抵抗Ｒｉｓを測定するために、センサＳには、測定信号Ｍが、例えば発振器ＯＳＺ内で生じた、３ｋＨｚの周波数を有する５００μＡｓｓ（ピークツーピーク）の矩形波状の交流電流が印加される。この信号は、高抵抗の抵抗器と減結合コンデンサ（図１では参照記号なし）とを介して、ラムダセンサの第１の端子Ｖｓ＋に供給される。すると、例えばちょうど１００Ωの内部抵抗Ｒｉｓには、矩形波電圧Ｖｒ＝５００μＡｓｓ＊１００Ω＝５０ｍＶｓｓが生じる。この矩形波電圧Ｖｒは、増幅器Ｖにおいて増幅され、ピーク値整流器ＧＬＲにおいて整流され、直流電圧Ｖｒｉとして、図示されていないマイクロプロセッサにラムダセンサＳの温度調整用の調整信号として供給される。この回路の欠点はすでに上で述べた。
【００２６】
図２には、ラムダセンサを作動させるための本発明による装置の基本回路が示されている。本発明による方法は、この装置の動作に基づいて以下でより詳細に説明する。
【００２７】
ラムダセンサＳはすでに図１から知られており、同様に抵抗Ｒｃに並列接続された抵抗Ｒｐと差動増幅器ＩＳも既知である。差動増幅器ＩＳの出力側では、ポンプ電流Ｉｐに比例する電圧Ｖ（Ｉｐ）が、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の尺度として測定可能である。
【００２８】
発振器ＯＳＺは周波数ｆの矩形波状の発振器信号ＯＳを発生させ、この発振器信号ＯＳから、周波数分割（ｆｍ＝ｆ／２^ｘ）による周波数ｆｍを有する測定信号Ｍが得られる。例えば、ｘ＝４で、ｆ＝４８ｋＨｚ、ｆｍ＝３ｋＨｚとしてもよい。
【００２９】
信号ＯＳとＭとの間の位相は、測定信号Ｍが発振器信号ＯＳのローレベル区間の半分で切り替わる（ＯＳに関して９０°の位相差）ような形である。測定信号Ｍはセンサ端子Ｖｓ＋に供給される。
【００３０】
発振器ＯＳＺ内には、図５に示されている種々のスイッチを操作する回路を組み込むことも可能である。なお、この回路については後で説明する。
【００３１】
ポンプ電流源Ｐ（オペアンプとオペアンプの反転入力側Ｐ−に接続された抵抗Ｒｃ及びＲｐから成る並列回路とから構成される）の非反転入力側Ｐ＋には、中間電圧Ｖｍが供給され、ポンプ電流源Ｐの出力側は第２のセンサ端子Ｖｐ−／Ｖｓ−と接続されている。ポンプ電流源Ｐの出力側はさらにスイッチＳ１ｂを介して第１の（トランスファ）コンデンサＣ１の足と接続されている。この足は、別のスイッチＳ２ｃを介して、第２及び第３のコンデンサＣ２及びＣ３の足ならびに基準電圧Ｖｒｅｆのマイナス極と接続されている。基準電圧Ｖｒｅｆのプラス極と中間電圧Ｖｍとは相互に接続されている。
【００３２】
センサ端子Ｖｓ＋はスイッチＳ１ａを介してコンデンサＣ１と接続されている。スイッチＳ２ｂはコンデンサＣ１をコンデンサＣ２及び第２の減結合増幅器Ｖ２の入力側に接続する。第２の減結合増幅器Ｖ２の出力側は、差動増幅器Ｄの反転入力側Ｄ−と接続されている。スイッチＳ２ａはコンデンサＣ１を第３のコンデンサＣ３及び第１の減結合増幅器Ｖ１の入力側に接続する。第１の減結合増幅器Ｖ１の出力側は、差動増幅器Ｄの非反転入力側Ｄ＋と接続されている。
【００３３】
差動増幅器Ｄの出力側は、抵抗Ｒ７とコンデンサＣ５とから成るＲＣ回路を介して中間電圧Ｖｍのプラス極と接続されている。
【００３４】
給電電圧Ｖｃｃ（＋５Ｖ）のプラス極からは、抵抗Ｒ４とスイッチＳ３ｂとから成る直列回路が、第２の減結合増幅器Ｖ２の入力側と第２のコンデンサＣ２とに通じている。抵抗Ｒ４は別のスイッチＳ３ａを介して第１の減結合増幅器Ｖ１の入力側及び第３のコンデンサと接続されている。
【００３５】
減結合増幅器Ｖ１とＶ２の両方の出力側の間には、同じ大きさの抵抗Ｒ５及びＲ６から成る分圧器が配置されており、この分圧器の一方のタップは第４のコンデンサＣ４を介して中間電圧Ｖｍのプラス極と接続されており、他方のタップは直接制御器Ｒの非反転入力側Ｒ＋と接続されている。制御器Ｒの反転入力側Ｒ−は中間電圧Ｖｍのプラス極と接続されており、制御器Ｒの出力側は第４のセンサ端子Ｒｃと接続されている。
【００３６】
センサ端子Ｖｓ＋では、ネルンスト電圧Ｖｓとセンサ内部抵抗Ｒｉｓにおいて降下する測定信号Ｍにより生じる矩形波電圧Ｖｒとから成る合計電圧Ｖｓｕｍがタップ可能である。なお、矩形波電圧Ｖｒは図３ａに図示されている。図３ａ〜３ｃの電圧はそれぞれＶｍの正電位（横軸）に関連しているが、中間電圧Ｖｍ（＝２．５Ｖ）自体は図示されていない。
【００３７】
ネルンスト電圧Ｖｓは（理論的な例として）−λ値の変化に起因する制御偏差として−非常に低い周波数（およそ５０Ｈｚ）及び５０ｍＶｓｓの振幅で正弦波状に変化するものであってもよい。測定信号Ｍを３ｋＨｚの周波数を有する矩形波状に変化する５００μＡｓｓの電流とすると、すでに示したように、センサ内部抵抗Ｒｉｓに５００μＡｓｓ＊１００Ω＝５０ｍＶｓｓの矩形波電圧Ｖｒが生じる。ネルンスト電圧Ｖｓは、正確に、合計電圧Ｖｓｕｍ（＝Ｖｒ＋Ｖｓ、図３ａ）の上限値ＯＷと下限値ＵＷとの間の中間電圧に一致する。
【００３８】
以下では、ネルンスト電圧Ｖｓとセンサ内部抵抗Ｒｉｓを合計電圧Ｖｓｕｍと酸素基準電流Ｉｃｐの生成とから求める方法をより詳細に説明する。
【００３９】
合計電圧Ｖｓｕｍからのネルンスト電圧Ｖｓの算出：
ネルンスト電圧Ｖｓとこれに重畳された矩形波電圧Ｖｒとから成る合計電圧Ｖｓｕｍは、スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂに印加される。スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂは同期して交互に開閉する。しかも、周波数ｆ（４８ｋＨｚ）、図４を参照、及び５０％の作動時間（つまり、作動時間と遮断時間は同じ長さ）で交互に開閉する。合計電圧Ｖｓｕｍがその上限値ＯＷにある場合、スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂが閉じると第１のコンデンサＣ１はこの値まで充電される。
【００４０】
つぎにスイッチＳ１ａ及びＳ１ｂが開き、スイッチＳ２ａ及びＳ２ｃが閉じると、第１のコンデンサＣ１と第３のコンデンサＣ３との間で充電の補正が行われる。このプロセスを合計電圧Ｖｓｕｍがその上限値ＯＷにある間複数回繰り返すと（図４ａ，４ｂ，４ｃ及び４ｅ）、コンデンサＣ３における電圧は合計電圧Ｖｓｕｍの瞬時上限値ＯＷに達する。したがって、第３のコンデンサＣ３における電圧Ｖ_Ｃ３は合計電圧Ｖｓｕｍの上限値ＯＷに従う（図３ｂ）。
【００４１】
つぎに合計電圧Ｖｓｕｍがその下限値ＵＷにある間は、第３のコンデンサＣ３に印加された電圧は蓄積されたままである。この期間中、スイッチＳ１ａ−Ｓ１ｂ及びＳ２ｂ−Ｓ２ｃの交互の作動により、同様に第２のコンデンサＣ２も合計電圧Ｖｓｕｍの下限値ＵＷ（Ｖ_Ｃ２）まで充電される。第２のコンデンサＣ２は、合計電圧Ｖｓｕｍがその上限値ＯＷにある間（図４ａ，４ｂ，４ｄ及び４ｅ）、蓄積される。したがって、第２のコンデンサＣ２における電圧Ｖ_Ｃ２は合計電圧Ｖｓｕｍの下限値ＵＷに従う（図３ｂ）。
【００４２】
コンデンサＣ２及びＣ３が蓄積フェーズ中に放電しないように、これらのコンデンサには増幅率１の減結合増幅器Ｖ１及びＶ２が後置接続されており、これら減結合増幅器の出力側には、それぞれ第２のコンデンサＣ２ないし第３のコンデンサＣ３に印加されるのと同じ電圧が印加される。
【００４３】
２つの減結合増幅器Ｖ１及びＶ２の間に配置された同じ大きさの２つの抵抗Ｒ５及びＲ６から成る分圧器のタップでは、コンデンサＣ２及びＣ３の足が中間電圧Ｖｍに接続されれば、中間電圧Ｖｍに関して合計電圧Ｖｓｕｍの上限値と下限値との間の中央に位置する（図３ａ）ネルンスト電圧Ｖｓ（図３ｃ）が得られる。
【００４４】
しかしながら、制御器Ｒはネルンスト電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆとの差ΔＶｓを必要とする。しかし、中間電圧Ｖｍのプラス極と基準電圧Ｖｒｅｆのプラス極の接続のゆえに、コンデンサＣ２及びＣ３の足は、中間電圧Ｖｍと基準電圧Ｖｒｅｆとの差Ｖｍ−Ｖｒｅｆに相当する電位にあるので、分圧器Ｒ５−Ｒ６のタップには、制御器Ｒの非反転入力側Ｒ＋に供給される差分ΔＶｓ＝Ｖｓ−Ｖｒｅｆがすでに現れている。コンデンサＣ４により、必要な場合には、この電圧の平滑化が可能である。
【００４５】
制御器Ｒはこの信号をこの制御器Ｒの反転入力側に印加される中間電圧Ｖｍと比較する。場合によって生じ得る偏差ΔＶｓ−Ｖｍの結果として、制御器Ｒは中間電圧Ｖｍから偏差した出力電圧を発生させる。この出力電圧は、抵抗ＲｃとＲｐとから成る並列回路を介してポンプ電流源Ｐの反転入力側Ｐ−に供給される。なお、ポンプ電流源Ｐの非反転入力側Ｐ＋はＶｍと接続されている。端子Ｖｐ＋とＶｐ−／Ｖｓ−の間にあるセンサのポンプ電極も同様に、ポンプ電流源の反転入力側及び出力側と接続されている。
【００４６】
ポンプ電流源Ｐは、その出力電圧を変化させることによって、反転入力側と非反転入力側との間の電圧差をゼロへと制御しようとする。
【００４７】
制御器ＲがＶｍから偏差した出力電圧を発生させると、ポンプ電流源の反転入力側における電圧はこれに従う。したがって、ポンプ電流源の反転入力側における電圧はＶｍに等しくない。それゆえ、ポンプ電流源Ｐは、センサ端子Ｖｐ＋及びＶｐ−／Ｖｓ−を介して電流Ｉｐが生じるように、その出力電圧を制御する。この電流は抵抗ＲｃとＲｐとから成る並列回路も通り、そこで制御器出力電圧とＶｍとの差に相当する電圧降下を生じる。これにより、ポンプ電流源Ｐの反転入力側Ｐ−に再び電圧Ｖｍが生じる。
【００４８】
増幅器ＩＳの入力側をＲｃとＲｐとから成る並列回路に接続すれば、この電流Ｉｐを抵抗Ｒｃ｜｜Ｒｐにおける電圧降下Ｖ（Ｉｐ）として非常に正確に測定することができる。このようにして、ポンプ電流−ひいては排気ガスのλ値−に比例する電圧Ｖ（Ｉｐ）が得られる。
【００４９】
第３のコンデンサＣ３における電圧Ｖ_Ｃ３は、
Ｖ_Ｃ３＝Ｖｍ−Ｖｒｅｆ＋Ｖｓ＋２５ｍＶ（Ｖｒの）である。
【００５０】
第２のコンデンサＣ２における電圧Ｖ_Ｃ２は、
Ｖ_Ｃ２＝Ｖｍ−Ｖｒｅｆ＋Ｖｓ−２５ｍＶ（Ｖｒの）である。
【００５１】
それゆえ、過渡的な制御状況（Ｖｓ＝Ｖｒｅｆ）では、第３のコンデンサＣ３における電圧はＶ_Ｃ３＝Ｖｍ＋２５ｍＶであり、同様に第２のコンデンサＣ２における電圧はＶ_Ｃ２＝Ｖｍ−２５ｍＶであり、ΔＶｓ＝０である。
【００５２】
和信号Ｖｓｕｍからのセンサ内部抵抗Ｒｉｓの算出：
すでに説明したように、ラムダセンサＳには測定信号（５００μＡｓｓ）が供給される。この交流電流により、（例えば目下１００Ωの）センサ内部抵抗Ｒｉｓにおいて、センサ内部抵抗Ｒｉｓの瞬時値に依存する５００μＡｓｓ＊Ｒｉｓ＝５００μＡｓｓ＊１００Ω＝５０ｍＶｓｓ＝±２５ｍＶの矩形波電圧Ｖｒの降下が生じる。この電圧は２つの減結合増幅器Ｖ１及びＶ２の出力電圧の差Ｖ_Ｃ３−Ｖ_Ｃ２に一致し、差動増幅器Ｄで形成される。この電圧は、ＲＣ回路Ｒ７−Ｃ４によるフィルタリングの後、センサ温度の制御のための「温度測定電圧」Ｖｒｉとして考慮される（図３ｄ）。
【００５３】
酸素基準電流Ｉｃｐの生成：
若干のラムダセンサは動作のために人為的な（ポンピングされた）酸素基準を必要とする。この酸素基準は、小電流（例えば２５μＡ）を使用して測定セルから正の基準電極Ｖｓ＋へ酸素をポンピングすることによって形成される。これにより基準電極に生じる酸素濃度の方は、測定セル内の酸素濃度の測定の基準として使用される。評価回路はこの電流を供給しなければならない。
【００５４】
ポンプ電流Ｉｐに基づいて、センサ端子Ｖｐ−／Ｖｓ−における電圧は０．５Ｖと４．５Ｖの間で変動する。ネルンスト電圧Ｖｓのゆえに、端子Ｖｓ＋における電圧は４５０ｍＶだけ高い。したがって、端子Ｖｓ＋における電圧は０．９５Ｖと４．９５Ｖの間で変動する。
【００５５】
酸素基準電流Ｉｃｐの生成はこれまで、給電電圧が５Ｖを超える、例えば８Ｖの電流源により行われてきた。この電圧は、付加的な制御器を用いてバッテリ電圧（１２Ｖ）から得られるか、又は付加的な安定化手段を備えたチャージポンプを用いて５Ｖ給電電圧Ｖｃｃから得られる。
【００５６】
前者の回路はバッテリ電圧が低い（Ｖｂａｔｍｉｎ＝６Ｖ）とダウンしてしまい、第２の回路は、チャージポンプの切換動作による障害の危険性に関する付加的な回路コストを必要とする。
【００５７】
本発明による回路は、最小の付加的回路コストでこの問題を回避する。本発明による回路は、抵抗Ｒ４と２つのスイッチＳ３ａ及びＳ３ｂから構成されている。スイッチＳ３ａは矩形波電圧Ｖｒ（３ｋＨｚ）の正の振幅と同期して切り替り、スイッチＳ３ｂはこれとは逆位相に、矩形波電圧Ｖｒの負の振幅に同期して切り替わる。
【００５８】
上述したように、第２のコンデンサＣ２には電圧Ｖ_Ｃ２＝Ｖｍ−２５ｍＶが印加され、第３のコンデンサＣ３には電圧Ｖ_Ｃ３＝Ｖｍ＋２５ｍＶが印加される。つまり、両方の電圧とも非常にＶｍに近い。ここで給電電圧Ｖｃｃ＝５Ｖに接続された抵抗Ｒ４（例えば１００ｋΩ）をスイッチＳ３ａを介して第３のコンデンサＣ３に接続するか、又はスイッチＳ３ｂを介して第２のコンデンサＣ２に接続すると、スイッチが導通していれば、Ｉｃｐ＝（Ｖｃｃ−Ｖｍ）／１００ｋΩ＝２５μＡの電流Ｉｃｐが流れる。
【００５９】
スイッチＳ３ａ及びＳ３ｂの切り替わりに基づいて、この電流はつねにコンデンサＣ２及びＣ３のうち明らかに合計電圧Ｖｓｕｍに従う方に達する。この電流はそこに電荷を蓄積する。合計電圧Ｖｓｕｍの上限値ＯＷに達すると、スイッチＳ３ａは閉じ、電流ＩｃｐはコンデンサＣ３内に流れる。合計電圧Ｖｓｕｍの下限値ＵＷに達すると、スイッチＳ３ｂが閉じ、電流ＩｃｐはコンデンサＣ２内に流れる。
【００６０】
蓄積フェーズにおけるそれぞれのコンデンサは抵抗Ｒ４と接続されていないので、蓄積される電圧値がこの電流によって歪曲されることはない。
【００６１】
コンデンサＣ２及びＣ３はスイッチＳ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ２ｃの迅速な切換（図４）により交互にコンデンサＣ１と接続されるので、連続的な充電の交代が行われる。これにより電流Ｉｃｐ＝２５μＡは抵抗Ｒ４を介してコンデンサＣ１内にも達し、さらにスイッチＳ１ａ及びＳ１ｂを通ってラムダセンサＳの端子Ｖｓ−及びＶｓ＋に達する。この場合、接続されたコンデンサＣ１は逆に酸素基準電流Ｉｃｐを発生させるためのエネルギー輸送に使用される。
【００６２】
スイッチＳ３ａ及びＳ３ｂが同時に開くことにより、酸素基準電流Ｉｃｐは遮断される。これは例えばラムダセンサＳの予備加熱フェーズにおいて必要となることがある。
【００６３】
抵抗Ｒ４における電圧比が近似的に一定であるため、電流Ｉｃｐは非常に安定しており、簡単に発生させることができる。
【００６４】
図５には、発振器ＯＳＺ（図２）内にある、スイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ａ及びＳ３ｂに対する制御信号を発生させる回路の可能な実施例が示されている。なお、これらのスイッチは電子スイッチである。
【００６５】
スイッチに対する制御信号は、発振器ＯＳＺ内で形成された、周波数ｆ＝２^ｘ＊ｆｍ（例えば４８ｋＨｚ）を有する（矩形波状の交流電流）発振器信号ＯＳと、発振器信号ＯＳから周波数分割により得られた周波数ｆｍ（３ｋＨｚ）の測定信号Ｍと、許可信号Ｅとから形成される。その際、信号ＯＳとＭとの間の位相は、信号ＭがＯＳのローレベルの中央でハイレベルに変わる（９０°の位相差）ようにしてもよい。図４ｂ及び４ｅを参照せよ。
【００６６】
スイッチＳ１ａ及びＳ１ｂは発振器ＯＳと同期して制御される（図４ａ，５）。スイッチＳ２ｃは、位相反転器Ｉ1により反転された発振器信号ＯＳにより制御される（図４ｂ）。３つのスイッチＳ１ａ，Ｓ１ｂ及びＳ２ｃは連続的に制御される。
【００６７】
測定信号Ｍと、スイッチＳ２ｃに対する制御信号は、ＡＮＤ素子Ｕ１に供給される。ただし、測定信号Ｍの曲線はスイッチＳ３ａに対する制御信号と同じであり（図４ｅ）、ＡＮＤ素子Ｕ１の出力信号はスイッチＳ２ａに対する制御信号である。
【００６８】
位相反転器Ｉ２により反転された測定信号Ｍと、スイッチＳ２ｃに対する制御信号は、ＡＮＤ素子Ｕ２に供給される。ＡＮＤ素子Ｕ２の出力信号はスイッチＳ２ｂに対する制御信号である。
【００６９】
測定信号ＭはＡＮＤ素子Ｕ４の一方の入力側に供給され、反転された測定信号ＭはＡＮＤ素子Ｕ３の一方の入力側に供給される。それぞれＡＮＤ素子Ｕ３及びＵ４の他方の入力側には許可信号Ｅが供給され、この許可信号Ｅにより、この２つのＡＮＤ素子の出力信号、すなわち酸素基準電流Ｉｃｐを発生させるのに必要とされるスイッチＳ３ａ及びＳ３ｂに対する制御信号は、すでに詳細に説明したように、通される（Ｅ＝Ｈｉｇｈ）か又は遮断（Ｅ＝Ｌｏｗ）される。
【００７０】
リニアラムダセンサを作動させるための本発明による装置は、冒頭で述べたすべての要求を最小の回路コストで満たす：
ポンプ電流Ｉｐの測定は同相という制限なしで行われるため、従来可能であったよりも正確である；
ネルンスト電圧Ｖｓと矩形波電圧Ｖｒの減結合が従来よりも遙かに良好に行われ、事実上、ネルンスト電圧Ｖｓは矩形波電圧Ｖｒの残差を示さない；
ネルンスト電圧Ｖｓ内での矩形波電圧Ｖｒの減衰はおよそ３４ｄＢであり、しかも位相シフトなしである。これによりポンプ電流制御ループへの影響が防止される；
（図２の抵抗Ｒ５とＲ６との間の）フィルタリングされていない誤差信号ΔＶｓは、図６に示されているような矩形波電圧Ｖｒの最小残差を示すが、この最小残差はコンデンサＣ４を用いたフィルタリング後には事実上消滅する；
センサ内部抵抗Ｒｉｓの測定は精密かつ妨害的影響に対して不感であり、ＲＣ回路Ｒ７−Ｃ５（図２）を用いた平滑化後にはまったくネルンスト電圧Ｖｓの影響は示さない；
酸素基準電流Ｉｃｐの生成は非常に安定しており、センサの同相信号に依存しない；
回路はただ１つの給電電圧Ｖｃｃ（５Ｖ）があるだけでよく、ＡＳＩＣへの集積に最も適している；
ネルンスト電圧Ｖｓと矩形波電圧Ｖｒの減結合を正しく行うことにより、本発明による回路は、ＨＰＤＩエンジンで必要とされるような迅速なラムダ測定に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラムダセンサを作動させるための公知の装置の基本回路を示す。
【図２】ラムダセンサを作動させるための本発明による装置の基本回路を示す。
【図３】ネルンスト電圧Ｖｓと矩形波電圧Ｖｒの合計電圧Ｖｓｕｍからネルンスト電圧Ｖｓと内部抵抗Ｒｉｓを表す電圧Ｖｒｉとを得る様子を表すダイアグラムを示す。
【図４】スイッチ操作用の制御信号のダイアグラムを示す。
【図５】スイッチ操作用の制御信号を発生させる回路を示す。
【図６】フィルタリングされていない差分信号の残差を示す。

Claims

第１の端子（Ｖｓ＋）、第２の端子（Ｖｐ−／Ｖｓ−）、第３の端子（Ｖｐ＋）及び第４の端子（Ｒｃ）を備えた、内燃機関のリニアラムダセンサ（Ｓ）を作動させるための方法であって、
前記第１の端子（Ｖｓ＋）に、ある周波数（ｆ）の発振器信号（ＯＳ）から周波数分割により導出されたより低い周波数（ｆｍ）の矩形波状に変化する電流を測定信号（Ｍ）として供給し、
前記測定信号（Ｍ）は、センサ内部抵抗（Ｒｉｓ）において降下する矩形波電圧（Ｖｒ）を発生させ、
前記矩形波電圧（Ｖｒ）は、前記第１及び第２の端子（Ｖｓ＋、Ｖｓ−／Ｖｐ−）の間でタップ可能なネルンスト電圧と共に合計電圧（Ｖｓｕｍ）を形成し、該合計電圧（Ｖｓｕｍ）の上包絡線と下包絡線が上限値（ＯＷ）と下限値（ＵＷ）を決定する形式の方法において、
前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）は、所定の中間電圧（Ｖｍ）と所定の基準電圧（Ｖｒｅｆ）との差（Ｖｍ−Ｖｒｅｆ）に関連しており、
前記内燃機関の排気ガス内の酸素濃度（λ）を求めるために、前記ネルンスト電圧（Ｖｓ）と前記基準電圧（Ｖｒｅｆ）との差（ΔＶｓ）に相応する中央値を前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）の上限値（ＯＷ）及び下限値（ＵＷ）から求め、該中央値を前記ラムダセンサ（Ｓ）の校正抵抗（Ｒｃ）において電圧降下（Ｖ［Ｉ（ｐ）］）を生じさせる比例するポンプ電流（Ｉｐ）に変換し、前記電圧降下（Ｖ［Ｉ（ｐ）］）を前記内燃機関の排気ガス内の酸素濃度（λ）の尺度として使用する、ことを特徴とするリニアラムダセンサ（Ｓ）を作動させるための方法。
前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）の上限値（ＯＷ）と下限値（ＵＷ）との差（ＯＷ−ＵＷ）を求め、センサ温度の制御のための温度測定電圧（Ｖｒｉ）として使用する、請求項１記載の方法。
前記温度測定電圧（Ｖｒｉ）を低域通過フィルタリングする、請求項２記載の方法。
前記ラムダセンサ（Ｓ）の基準セルに所定の酸素基準電流（Ｉｃｐ）が供給可能である、請求項１記載の方法。
請求項１による方法を実行するための装置であって、
自らの端子を介して前記ラムダセンサ（Ｓ）と接続された評価回路と、
発振器（ＯＳＺ）と、
差動増幅器（ＩＳ）と、
制御器（Ｒ）と、
ポンプ電流源（Ｐ）とを有し、
前記発振器（ＯＳＺ）は、ある周波数（ｆ）の発振器信号（ＯＳ）と、周波数分割により前記発振器信号（ＯＳ）から導出されるより低い周波数（ｆｍ）の測定信号（Ｍ）とを発生させ、前記測定信号（Ｍ）は前記第１の端子（Ｖｓ＋）に供給され、
前記差動増幅器（ＩＳ）の反転入力側（ＩＳ−）は前記第３のセンサ端子（Ｖｐ＋）に接続されており、前記差動増幅器（ＩＳ）の非反転入力側は前記第４のセンサ端子（Ｒｃ）と接続されている形式の装置において、
第２のコンデンサ（Ｃ２）が設けられており、動作中に該第２のコンデンサ（Ｃ２）に前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）の上限値（ＯＷ）が蓄積され、
第３のコンデンサ（Ｃ３）が設けられており、動作中に該第３のコンデンサ（Ｃ３）に前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）の下限値（ＯＷ）が蓄積され、
前記第２及び第３のコンデンサ（Ｃ２，Ｃ３）の足は前記第２のセンサ端子（Ｖｓ−／Ｖｐ−）と接続可能であり、かつ基準電圧（Ｖｒｅｆ）のマイナス極と接続されており、
前記基準電圧（Ｖｒｅｆ）のプラス極は中間電圧（Ｖｍ）のプラス極と接続されており、
前記第２及び第３のコンデンサ（Ｃ２，Ｃ３）の他の端子にはそれぞれ１つの減結合増幅器（Ｖ１，Ｖ２）が後置接続されており、
前記２つの減結合増幅器（Ｖ１，Ｖ２）の出力側は分圧器（Ｒ５，Ｒ６）を用いて互いに接続されており、前記分圧器（Ｒ５，Ｒ６）のタップは前記制御器（Ｒ）の非反転入力側（Ｒ＋）と接続されており、
前記制御器（Ｒ）の出力側は前記第４のセンサ端子（Ｒｃ）と接続されており、
前記制御器（Ｒ）の反転入力側（Ｒ−）は中間電圧（Ｖｍ）に置かれており、前記ポンプ電流源（Ｐ）の非反転入力側（Ｐ＋）と接続されており、
前記ポンプ電流源（Ｐ）の反転入力側（Ｐ−）は前記第３のセンサ端子（Ｖｐ＋）と接続されており、
前記ポンプ電流源（Ｐ）の出力側は前記第２のセンサ端子（Ｖｐ−／Ｖｓ−）と接続されている、ことを特徴とする装置。
差動増幅器（Ｄ）が設けられており、
前記差動増幅器（Ｄ）の非反転入力側（Ｄ＋）は前記第１の減結合増幅器（Ｖ１）の出力側と接続されており、
前記差動増幅器（Ｄ）の反転入力側（Ｄ−）は前記第２の減結合増幅器（Ｖ２）の出力側と接続されており、
前記差動増幅器（Ｄ）の出力側においては、前記温度測定電圧（Ｖｒｉ）がタップ可能である、請求項５記載の装置。
前記差動増幅器（Ｄ）には低域通過フィルタ（Ｒ７，Ｃ５）が後置接続されている、請求項６記載の装置。
第１のコンデンサ（Ｃ１）が設けられており、
前記第１のコンデンサ（Ｃ１）の足は、第２のスイッチ（Ｓ１ｂ）を介して前記第２のセンサ端子（Ｖｐ／Ｖｓ−）と接続されており、第５のスイッチ（Ｓ２ｃ）を介して前記第２（Ｃ２）及び第３のコンデンサ（Ｃ３）の足と接続されており、
前記第１のコンデンサ（Ｃ１）の他方の端子は、第１のスイッチ（Ｓ１ａ）を介して前記第１のセンサ端子（Ｖｓ＋）と接続されており、第４のスイッチ（Ｓ２ｂ）を介して前記第２のコンデンサ（Ｃ２）の他方の端子と接続されており、第３のスイッチ（Ｓ２ａ）を介して前記第３のコンデンサ（Ｃ３）の他方の端子と接続されている、請求項５記載の装置
第７のスイッチ（Ｓ３ｂ）が設けられており、前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）が上限値（ＯＷ）にある間、該第７のスイッチ（Ｓ３ｂ）を介して前記第２のコンデンサ（Ｃ２）に、ならびに前記第２のコンデンサ（Ｃ２）及び前記第１のコンデンサ（Ｃ１）を介して前記ラムダセンサ（Ｓ）の基準セルに所定の酸素基準電流（Ｉｃｐ）が供給可能であり、
第６のスイッチ（Ｓ３ａ）が設けられており、前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）が下限値（ＯＷ）にある間、該第６のスイッチ（Ｓ３ａ）を介して前記第３のコンデンサ（Ｃ３）に、ならびに前記第２のコンデンサ（Ｃ２）及び前記第１のコンデンサ（Ｃ１）を介して前記ラムダセンサ（Ｓ）の基準セルに所定の酸素基準電流（Ｉｃｐ）が供給可能である、請求項８記載の装置。
前記第１〜第７のスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ，Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ，Ｓ２ｃ，Ｓ３ａ及びＳ３ｂ）を操作するための回路が設けられており、
前記回路は、前記発振器信号（ＯＳ）の周波数（ｆ）により、前記第１のコンデンサ（Ｃ１）を交互に、
前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）が上限値にある間は、前記第１及び第２のスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ）を介して前記ラムダセンサ（Ｓ）の基準セルと接続し、前記第３及び第５のスイッチ（Ｓ２ａ，Ｓ２ｃ）を介して前記第３のコンデンサ（Ｃ３）と接続し、
前記合計電圧（Ｖｓｕｍ）が下限値にある間は、前記第１及び第２のスイッチ（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ）を介して前記ラムダセンサ（Ｓ）の基準セルと接続し、前記第４及び第５のスイッチ（Ｓ２ｂ，Ｓ２ｃ）を介して前記第２のコンデンサ（Ｃ２）と接続する、請求項８記載の装置。