JP5296928B2 - 排ガスプローブ及びその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガスの特性を測定するための排ガスプローブおよびそのような排ガスプローブの作動方法に関する。

このような排ガスプローブは、例えば、Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 25. Auflage 2003, Seiten 133ffに示されているような、濃度プローブ、例えば、ラムダセンサとも呼ばれる酸素濃度センサである。さらにこのようなプローブは、例えばアンモニア含有量もしくは窒素含有量を測定する排ガスに適した温度センサ、ガス選択式排ガスセンサ、炭化水素センサ、粒子量センサもしくは粒子数センサ、例えば煤センサであってもよい。

このようなプローブは較正する必要がある。すなわち、構成に起因する許容差を補正する必要がある。このような補正は、例えばセンサ素子のトリミングプロセスにより行うことができ、例えば、加熱抵抗、すなわち、所望の関数値が目標値に設定される。

このようなプローブが適宜に補正された場合、プローブはプラグによってエンジン制御装置に接続され、エンジン制御装置は、プローブによって検出されたデータを読み取り、処理する。

また補正の可能性がないために、プローブの耐用寿命にわたって機能的変化、例えば特性線ドリフト、加熱抵抗ドリフトなどを甘受しなければならない排ガスセンサも存在する。さらに、アダプタ素子でプローブ信号をあらかじめ評価する広帯域プローブ（上記書籍出版物１３３，１３４頁参照）が既知である。

プローブのプラグ内に補正素子、例えばトリミング抵抗を設けることが既知である。トリミング抵抗は、レーザビームによって補正され、制御装置の評価回路内で電流分割器の一部を形成する。さらに、拡散バリヤが開いた状態でもセンサ素子のレーザ補正を行うこと、または拡散バリヤの外縁部を適宜に研磨することなどが可能である。

上記全ての手段によっても、センサ特性もしくは老朽化に起因するセンサ特性の変化に対して最適な調整を行うことは容易に可能なことではない。例えば、加熱器耐寒性および関数値など、センサ素子製造時の作製に起因する許容差のみを検出することができる。補正は、場合によっては手間のかかるレーザ装置およびトリミングプロセスによってのみ可能である。しかしながら、センサ素子作動時のセンサ特性の調整は不可能である。

特に、例えばラムダプローブで生じる場合のあるような老朽化作用および汚染作用を考慮することはできない。同様のことが、プローブの老朽化に伴う特性変化についてもいえる。

Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 25. Auflage 2003, Seiten 133ff

したがって、本発明の課題は、老朽化に起因する特性変化や、例えば、汚染および堆積作用に起因する変化を補正できるだけでなく、例えば製造に起因するプローブ固有の特性を考慮することもできる排ガスプローブを提案することである。

この課題は、内燃機関の排ガスの特性を測定するための排ガスプローブにおいて、プローブに対応した回路、特にプローブプラグまたはプローブプラグに相当する接続素子に配置した回路に、データメモリユニットが配置されており、このデータメモリユニットに、プローブを特徴づける特性および／または適合関数が記憶されている排ガスプローブによって解決される。本発明の課題は、さらにこのような排ガスプローブの作動方法において、プローブを特徴づける少なくとも１つの特性および／または適合関数を少なくとも１つのプローブに対応したデータとしてメモリユニットに記憶する作動方法によって解決される。

適合関数は：
作製技術に起因する加熱抵抗の変動、および／または
プローブの老朽化を特徴づけるパラメータ、および／または
スイッチオフ状態、特に排ガスプローブを再生するための間隔測定または惰性運転の実施を特徴づけるデータ、および／または
内燃機関の種々異なった制御装置にプローブを適合させるためのデータ、および／または
プローブの作動時間数、および／または
あらかじめ規定可能な経過時間におけるプローブの作動パラメータ
を含む。

本発明の基本思想は、例えば製造に起因したプローブ特性のばらつきの調整を行うのではなく、こうしたばらつきをある程度は許容し、プローブを適宜に特徴づける特性を検出し、これらの特性をプローブのプラグまたは相応の接続素子に保存し、これらの特性値を内燃機関の制御装置において後に考慮することができるようにすることである。

さらに、排ガスプローブのプラグまたは接続素子には、所定時間にわたるプローブ特性の変化、例えば経時ドリフト、汚染現象に起因するドリフトなどの補正を可能にする適合関数が保存されている。

したがって、製造に起因するばらつきの補正も老朽化に起因する変化の補正も可能である。

あらかじめ規定可能な経過時間についてプローブの作動パラメータを記すことは、ある程度は「記録」とみなすことができる。すなわち、「記録」とは、連続的に記し、プローブプラグまたは接続素子のメモリユニットに記憶させることである。このようにして、プローブの継続的な適合およびある程度は継続的な較正が可能である。

本発明のさらなる利点および特徴が請求項１に従属する請求項の対象である。

したがって、例えば、メモリユニットに記憶されたデータはデジタル形式で制御装置に伝達され、制御装置によって処理される。

この場合、例えば、排ガスシステムに組み込んだ排ガスプローブを交換し、他の制御装置が「観察する」場合、異なる制御装置にデータを適合させることも可能である。

有利には、プローブを特徴づける特性および／または適合関数は、特性線ライブラリと、プローブの老朽化を特徴づける少なくとも１つの、有利には複数の異なる老朽化係数とを含む。

老朽化係数は、温度に起因するプローブの老朽化および汚染に起因するプローブの老朽化を含む。

この場合、温度作用による老朽化を補正するためには、１つ以上の次の値が提供される：
加熱器作動継続時間、
加熱器作動出力、および
排ガスプローブが少なくとも１つのあらかじめ規定可能な閾温度を超過した時間。

汚染作用による老朽化を補正するためには、好ましくは１つ以上の次の値が提供される：
内燃機関がスイッチオンされている継続時間、
プローブが希薄ガスまたは濃厚ガスにさらされていた継続時間、
排ガスシステムの再生周期数。

少なくとも１つの老朽化係数に関係して、特性線ライブラリから適宜な特性線を選択することができる。

本発明の他の利点および特徴が以下の説明の対象である。以下に説明する特徴は個々に実施してもよいし、または相互に組み合わせて実施してもよい。

本発明による排ガスプローブを有する内燃機関を示す概略図である。 老朽化に起因する特性線ドリフトを示す概略図である。 老朽化に起因するセンサ素子加熱抵抗ドリフトを示す図である。 プローブ特性線の適合関数を示す概略図である。

図１には、内燃機関１００が概略的に示されており、内燃機関１００の排ガス通路１１０には排ガスプローブ１２０が配置されており、排ガスプローブ１２０は接続導管１２１を介して、プラグ接触部１３７を備えるプローブプラグ１３０によって制御装置１４０に接続されており、制御装置１４０は、プラグ接触部１３７に適合するプラグブシュ１４２を含み、プラグブシュ１４２はプラグ接触部１４７を備える。

プラグ１３０はメモリユニット１３５を備え、メモリユニット１３５には、以下に説明するように排ガスプローブ１２０を特徴づける特性および適合関数が保存および記憶される。

したがって、例えば新規値の補正は、従来技術で既知のように、作製技術に起因する加熱抵抗または関数値の変動をトリミング処理によって補正するのではなく、関数に関係した排ガスプローブの新規値をより大きい許容差の範囲内で未補正のままプラグのデータメモリユニット１３５に記憶し、補正関数による補正を制御装置１４０で行うことによって実施する。

さらにプローブ老朽化の補正を行うことができ、プローブの老朽化に本質的な影響を及ぼす関連パラメータ、例えばプローブ１２０が所定温度以上となる作動継続時間が連続的に検出され、プラグ１３０のデータメモリユニット１３５に保存される。一般に、作動時間数をデータメモリユニット１３５に保存することができる。さらに、あらかじめ規定可能な経過時間内、例えば過去２分以内に測定され、記録された作動パラメータを記憶することができる。これにより、故障が報告されたプローブでエラーを簡単に見つけること可能となる。

以下では、老朽化に関連した作動パラメータを「老朽化係数」と呼ぶ。こうした老朽化係数は、制御装置１４０における補正関数のために使用される。この場合、有利にはスイッチオフ状態、例えば、間隔をおいたプローブ１２０の再生が既に行われたかどうか、または不可欠な惰行運転が既に行われたかどうかも記憶することができる。さらにプラグ１３０のデータメモリユニット１３５は、別の制御装置１４０によりプローブ作動を可能にするデータを入力することができるという利点を有している。プラグ１３０のメモリユニット１３５に保存されたデータは、このようにして制御装置特有の特性線への適合を可能にする。これも「適合関数」として理解することができ、プローブ１２０を後から装備した場合、またはプローブの交換時には特に有利である。さらにメモリユニット１３５をプラグ１３０に配置することは、例えばレーザビームによる補正よりもコストの観点から極めて有利である。さらに制御装置１４０とプラグ１３０との間にはデータラインまたはデータインターフェイスのみが必要であり、したがって、例えばプラグに抵抗が生じた場合に必要となる電流分割器のための付加的な接続ラインは省略することができる。

以下に、図２ａ、図２ｂおよび図３に関連してプローブおよびプローブのプラグの構成を詳述する。

本発明の特に好ましい構成では、プラグ１３０のメモリユニット１３５には、いわゆる「特性線ライブラリ」および少なくとも１つの老朽化係数が保存されている。この場合、本発明の重要な点は、プローブ１２０の作動時、したがって内燃機関１００の作動時に特性線ライブラリと少なくとも１つの老朽化係数との間で「相関」させることができることである。

特性線ライブラリは、例えば、図２ａに老朽化に起因する特性線ドリフトとして概略的に示すように、特性線群として保存してもよい。信号Ｓの特性線群は、曲線２０１，２０２，２０３，２０４で示すように経時的に変化する。このような特性線群は、例えば、老朽化に起因するセンサ素子の加熱抵抗ドリフトを表すこともでき、これを基に、例えば温度Ｔに関して加熱抵抗Ｒ_Ｈを特徴づける曲線２１１，２１２，２１３，２１４が示されている。

このような特性線群は、新しい状態および老朽化した状態の中間段階におけるセンサ１２０の関数特性線を表す（図２ａ参照）。これらの値は製造に起因してばらつく場合がある。例えば、組み込まれた加熱器または組み込まれたネルンスト・セルにおけるプローブの耐用寿命にわたる抵抗ドリフトに基づいて図２ｂに示すように、耐用寿命にわたって老朽化が生じる場合もある。

このような理由で、プラグ１３０のメモリユニット１３５には１つ以上の老朽化係数が保存されるようになっている。これにより、作動パラメータの変化に対する時間的な作用、すなわち、老朽化に起因する作動パラメータの変化がプローブプラグ１３０のメモリユニット１３５に記憶される。

プローブの種類および用途に応じて、老朽化係数は、排ガスプローブ１２０の特性線ドリフト（図２ａ，図２ｂ参照）に特に著しい影響を及ぼすことがわかっている１つ以上の測定値であってもよい。

特性線ライブラリと老朽化係数との関連付けは、あらかじめ規定または設定した老朽化係数の範囲を超過した場合に、特性線ライブラリの「より大きく老朽化した特性線」への「切換」もしくはより大きい補正値への「切換」により行われる。このことは、図３に概略的に示されており、右側にＩで示した部分は、老朽化したプローブのプローブ信号Ｓ′であり、左側にIIで示した部分は、新しいプローブのプローブ信号Ｓである。補正Ｋにより、老朽化したプローブの特性線Ｓ′は新しいプローブの特性線Ｓに移行する。この移行が上述の「切換」である。

温度作用または汚染作用によるプローブの老朽化は、一般に個々のメカニズムに分けられるものではなく、むしろ２つの現象は一緒に生じ、相互作用する。

本発明による排ガスセンサの別の本質的な特徴は、１つ以上のメカニズムによりプローブの老朽化（特性線ドリフト／加熱器ドリフト）に特に大きい影響を及ぼす作動条件を「書き込むこと」である。この作動条件は、プローブの種類に応じて、センサシステムが特に高い温度にさらされる継続時間であってもよいし、または例えば他の規定されたガスセンサなどにおける濃厚ガス雰囲気と高温との組み合わせであってもよい。

したがって、継続的に書き込まれる、すなわち、検出され、記憶される老朽化係数は、次のような測定値を含んでいてもよい。

温度作用による老朽化では：プローブ１２０がスイッチオンされていた継続時間（加熱器作動継続時間）もしくは加熱器作動出力の積分、あらかじめ規定可能な閾温度、例えば８００℃よりも高い温度にセンサ１２０がさらされた継続時間、またはあらかじめ規定可能な第１温度、例えば、４００℃よりも高い温度にプローブ１２０がさらされた第１継続時間、および引き続いてプローブ１２０があらかじめ規定可能な第２温度、例えば８００℃よりも高い温度にさらされた第２継続時間。

汚染作用による老朽化では、例えば次の値を識別することができる：車両の内燃機関がスイッチオンされていた継続時間、希薄ガスまたは濃厚ガス中にプローブがさらされた継続時間または排ガスシステムにおける再生周期数。これらの老朽化係数のデータセットはプローブプラグ１３０のメモリユニット１３５に保存される。特性線ライブラリは同様にプラグ１３０のメモリ１３５に保存されるが、原則的には制御装置１４０に保存してもよい。

さらに、例えば広帯域ラムダプローブでは、補正のために特性線勾配だけでなく、特にリーン領域(Magerast)におけるずれおよび特性線湾曲、および有利にはこれとは別にリーン領域よびリッチ領域(fettast)の勾配も保存されている。有利にはプラグ１３０のメモリユニット１３５に全ての特性線群が完全に保存される。さらに、検出された作動継続時間はそれぞれのプローブタイプについて予想される特性線変化に換算されるようにしてもよい。また上記「書込み」は、限界値、例えば純粋な希薄運転時間、または高温運転が検出され、制御装置１４０における特性線補正のために用いられる作動時間のみを検出してもよい。

プラグ１３０における換算関数については、メモリユニット１３５と通信する計算ユニット（図示しない）をプラグ１３０にさらに設けてもよい。

Claims (6)

1. 内燃機関の排ガスの特性を測定するための排ガスプローブ（１２０）であって、
   プローブプラグ（１３０）またはプローブプラグに相当する接続素子に配置した回路に、少なくとも１つのデータメモリユニット（１３５）が配置されており、該データメモリユニット（１３５）に、前記排ガスプローブを特徴づける特性および適合関数のいずれかが記憶されているかまたは記憶可能である排ガスプローブ（１２０）において、前記特性および適合関数のいずれかが、
   前記排ガスプローブの作動時間数、および
   あらかじめ規定可能な経過時間における前記排ガスプローブの作動パラメータ、および
   前記排ガスプローブの老朽化を特徴づける少なくとも１つの老朽化係数
   を含むことを特徴とする、排ガスプローブ（１２０）。
2. 前記少なくとも１つの老朽化係数が、温度作用による前記排ガスプローブの老朽化と、汚染作用による前記排ガスプローブの老朽化とを含む、請求項１に記載の排ガスプローブ（１２０）。
3. 前記温度作用による老朽化が、１つ以上の次の値、
   加熱器作動継続時間、
   加熱器作動出力、および
   前記排ガスプローブが少なくとも１つのあらかじめ規定可能な閾温度を超過した時間
   を含む、請求項２に記載の排ガスプローブ（１２０）。
4. 前記汚染作用による老朽化が、
   内燃機関（１００）がスイッチオンされている継続時間、
   前記排ガスプローブが希薄ガスまたは濃厚ガスにさらされている継続時間、および
   排ガスシステムの再生周期数
   のうちの少なくとも１つの値を含む、請求項２に記載の排ガスプローブ（１２０）。
5. あらかじめ規定可能な経過時間内に測定可能な前記作動パラメータが、前記データメモリユニットの内部に記憶可能である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の排ガスプローブ（１２０）。
6. 内燃機関の排ガスの特性を測定するための排ガスプローブ（１２０）の作動方法であって、プローブプラグ（１３０）またはプローブプラグに相当する接続素子に配置した回路に、少なくとも１つのデータメモリユニット（１３５）が配置されており、該データメモリユニット（１３５）に、前記排ガスプローブを特徴づける特性および適合関数のいずれかが記憶されているかまたは記憶可能である排ガスプローブ（１２０）の作動方法において、前記特性および適合関数のいずれかが、
   前記排ガスプローブの作動時間数、および
   あらかじめ規定可能な経過時間における前記排ガスプローブの作動パラメータ、および
   前記排ガスプローブの老朽化を特徴づける少なくとも１つの老朽化係数
   を含むことを特徴とする、排ガスプローブ（１２０）の作動方法。

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