JP5460878B2 - 排気ガスセンサの診断装置および診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の排気ガスセンサ、とりわけ線形酸素センサの診断装置および診断方法に関する。

内燃機関の運転時には、法律で規制された排出物限界値を維持するために排気ガスセンサが使用され、この排気ガスセンサの信号が内燃機関の排出制御に使用される。しばしば使用される排気ガスセンサはいわゆる２進タイプの線形ラムダセンサならびにＮＯｘセンサである。これらの排気ガスセンサの形式はそれぞれ、イットリウム安定化された二酸化ジルコニウムセラミック（ＺｒＯ_２）からなり加熱される固体電解質を含む。二酸化ジルコニウムからなる排気ガスセンサで酸素濃度またはＮＯｘ濃度を、固体電解質を通る酸素イオン電流の形で測定できるようにするため、セラミックが加熱される。目標温度は、所定の値に制御されるか、または動作点に依存して予制御される。

ベース材料である二酸化ジルコニウムは基本的な２つの特性を有する。

１．排気ガスセンサの一方の電極にλ＝１の酸素濃度が、排気ガスセンサの他方の電極にλ＝∞（環境空気と同義）の酸素濃度が印加されると、２つの電極間には４５０ｍＶの電圧が形成される。この電圧はネルンスト電圧と称され、物理学者Ｗａｌｔｈｅｒ Ｎｅｒｎｓｔにちなむものである。

２．排気ガスセンサの二酸化ジルコニウムを通って電流が導かれる、二酸化ジルコニウムを通って酸素粒子が搬送される。

線形排気ガスセンサの広範な実施形態は、基本材料、すなわち二酸化ジルコニウムの２つのセルが互いに結合された構成からなる。ここで一方のセル、いわゆるネルンストセルでは、上記の１．に述べた特性が使用される。他方の第２のセルでは、上記の２．に述べた特性が使用される。このような線形排気ガスセンサでは２つのセルの間に、拡散バリアを通して排気ガス流と結合された閉鎖されたセル（いわゆる基準キャビティ）があり、このセルの中ではλ＝１の酸素濃度が調整される。酸素濃度が値λ＝１を有している限り、ネルンストセルの電極間では４５０ｍＶの電圧を測定することができる。しかし、拡散バリアを通って酸素粒子が流入または流出することにより、排気ガス中の理想的な酸素濃度λ＝１から偏差すると直ちに、閉鎖されたセル内で酸素濃度が影響される。これにより、ネルンストセルの電極間の電圧が達成すべき４５０ｍＶから異なるようになる。

排気ガスセンサと接続された制御電子回路または制御装置の役目は、４５０ｍＶから異なる電圧値をネルンストセルを介して測定し、適切な逆作用を開始して、４５０ｍＶの電圧に再び達成するようにすることである。逆作用は、排気ガスセンサのポンプセルによって電流を送出することである。これにより、酸素濃度が再びλ＝１に均衡されるように多数の酸素粒子が閉鎖されたセルに搬送される。ここで電流は両方の方向で流れることができる。なぜなら排気ガス中の酸素濃度もλ＝１より大きいことも小さいこともあるからである。

したがって制御技術的に排気ガスセンサは、閉ループの制御装置により動作点に維持されなければならない制御区間である。

排気ガスセンサ、とりわけ線形酸素センサでは、セラミック材料の正確な温度コントロールが行われる。なぜなら排気ガスセンサの測定精度は温度に大きく依存しているからである。温度測定のための通例の方法は、一時的または連続的にセンサセルに切り替えられ、一時的または連続的に評価される交流信号を使用することである。ここでは生じた交流電圧降下がセンサセルを介して測定される。得られたセルインピーダンスは、対応するセルの温度に対する間接的な尺度である。インピーダンス測定を実施するために、線形排気ガスセンサでは、４５０ｍＶへのセル電圧の制御が所定の時間の間停止され、生じた交流電圧信号をこの時間の間に検出する。その代わりに、直流電圧ベースのネルンストセル信号に交流電圧信号を重畳し、適切なアナログフィルタ回路により、ネルンスト電圧の制御に必要な直流電圧信号を温度制御に必要な交流電圧信号から分離することもできる。

さらに法的要求を満たすためには、排気ガスセンサの電気端子を短絡および断線について検査することも必要である。短絡は排気ガスセンサのそれぞれの端子に異常な電圧が生じることで識別される。この識別は、そこに印加される電圧を所定の上限または下限と比較することにより行われる。これに対して断線の識別は困難であり、これまでは排気ガスセンサ用の制御回路の出力信号を、面倒でも妥当性検査することにより実現されている。線路遮断はたとえば測定された内部抵抗とポンプ電流に基づいて、またはこれに基づき形成される、機関の適切な動作条件の下での制御ループの特性に基づいて識別することができる。

したがって本発明の課題は、エラー識別を簡単に実施することのできる装置および方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴による装置、ならびに請求項１４の特徴による方法によって解決される。有利な構成は従属請求項から明らかとなる。

本発明は、自動車用の排気ガスセンサ、とりわけ線形酸素センサの診断装置を提供する。この装置は、排気ガスセンサの第１のセルの第１の電極に接続するための第１の端子と、排気ガスセンサの第２のセルの第２の電極に接続するための第２の端子と、排気ガスセンサの前記第１のセルの第２の電極と前記第２のセルの第１の電極との結合点に接続するための第３の端子とを含む。線形排気ガスセンサでは、第１のセルがネルンストセルと称される。第２のセルはいわゆるポンプセルである。この装置はさらに、前記第１の端子に接続されており第１の電流を形成し当該第１の電流を前記第１のセルに供給するための第１の電流源と、第２の端子に接続されており第２の電流を形成し当該第２の電流を第２のセルに供給するための第２の電流源とを含む。第３の端子は、電圧源またはアースに接続することによって所定の一定の電圧または可変の電圧に維持される。

本発明の装置は診断手段を特徴とするものであり、この診断手段は、それぞれ所定の符合の第１と第２の電流を形成するための第１と第２の電流源を協調して制御するように構成されており、前記診断手段は、それぞれ第１と第２の電流が第１および／または第２および／または第３の端子に印加される際に第１および／または第２および／または第３の電圧を検出し、それらの絶対値を協調された電流に関連付け、これにより、第１および／または第２および／または第３の端子における断線および／または短絡が検知可能である。

本発明はさらに、前記形式の装置による自動車用の排気ガスセンサ、とりわけ線形酸素センサの診断方法を提供する。本発明の方法では、それぞれ所定の符合の第１と第２の電流を形成するための第１と第２の電流源が協調して制御される。それぞれ第１と第２の電流において第１および／または第２および／または第３の端子に印加される第１および／または第２および／または第３の電圧が検出され、第１および／または第２および／または第３の端子における断線および／または短絡を検知するために、それらの絶対値が協調された電流に関連付けられる。

本発明の方法により、とりわけ排気ガスセンサを制御する制御回路に付加的な機能ユニットがなくても断線を識別することができる。排気ガスセンサが線形酸素センサとして構成されていれば、ネルンストセルに対して交流源が内部抵抗の測定のために設けられる。別の電流源がポンプセルに対してポンプ電流を形成するために必要である。２つの電流源は本発明の診断のために、すなわち協調した電流形成のために使用ことができる。このことは、前記２つの電流源が本発明より設けられた診断手段によって所定のように協調して制御されることにより行われる。排気ガスセンサの診断は非常に高速に実行することができる。さらに、線路エラーを示唆し、診断の開始を必要にする徴候の識別が可能である。さらなる利点は、そのために法律で許容されているよりも短い時間しか必要ないことである。

本発明は、真の電流源の特性の知識に基づくものである。真の電流源は、電流源の出力端の電圧が所定の範囲内にあるときに定格電流で駆動することができる。典型的には、電圧が電流源の供給電圧に近づくと電流が減少または増加する。電流源の出力端に抵抗が接続され、この抵抗が過度に大きいと、電流源の出力電圧が電流源の供給電圧の一方の方向に上昇または下降し、電流の絶対値が小さくなる。電流源であるときは正の電流が、あるときは負の電流が調整されると、抵抗が高いかまたは無限大の場合、高い出力電圧または低い出力電圧が生じ、電流が正の場合は正の電圧が、電流が負の場合は負の電圧が生じる。真の電流源のこの特性の知識を考慮すると、線路における遮断を識別することができる。診断装置の第１、第２、または第３の端子に接続された線路のどれに断線が存在するかを決定することができるようにするため、第１および第２の電流源の協調した制御が行われ、それぞれの端子に印加される電圧が評価される。

とくに興味深いのは、第３の端子に接続された線路の断線の識別である。第３の端子により第１と第２のセルの帰還線路がまとめられ、制御装置または診断装置ではいわゆる「仮想アース」と接続される。この仮想アースは、電流・電圧特性から見ると電圧源である。

本発明によれば第３の端子における断線を識別するための診断手段は次のように構成されている。
（ａ）第１の電流が正で第２の電流が正のときに、第１および第２の端子の電圧を検出し、
（ｂ）第１の電流が負で第２の電流が負のときに、第１および第２の端子の電圧を検出し、
（ｃ）第１の電流が正で第２の電流が負のときに、第１および第２の端子の電圧を検出し、
（ｄ）第１の電流が負で第２の電流が正のときに、第１および第２の端子の電圧を検出する。

とりわけ第３の端子における断線を識別するための診断手段は、前記（ｃ）の場合に第２の電流より絶対値で小さい第１の電流を形成し、前記（ｄ）の場合に第２の電流より絶対値で小さい第１の電流を形成する。しかしこの原理は、これらの場合で第１の電流が第２の電流より絶対値で大きい場合にも適用することができる。

第３の端子における断線を識別するための診断手段の別の実現例では、
前記（ａ）の場合に第１の端子と第２の端子でそれぞれ高電圧を検出し、
前記（ｂ）の場合に第１の端子と第２の端子でそれぞれ低電圧を検出し、
前記（ｃ）の場合に第１の端子と第２の端子でそれぞれ低電圧を検出し、
前記（ｄ）の場合に第１の端子と第２の端子でそれぞれ高電圧を検出するように構成されている。ここで高電圧とは、それぞれの電流源の上側供給電圧に近い電圧であると理解されたい。低電圧とは、それぞれの電流源の下側供給電圧に近い電圧であると理解されたい。このことは、第１と第２の電流は第３の端子を介して流れることはできず、したがって第１と第２の電流の和はゼロでなければならないことに基づいている。ここで場合（ａ）と（ｂ）では、第１と第２の端子における電圧は、それぞれの端子に接続された線路自体が断線した場合とほとんど異ならない。しかし場合（ｃ）と（ｄ）では、絶対値的に低い電流が調整された端子での特性が異なる。第１の端子自体における線路の断線で高電圧が予期される場所で低電圧が観察され、逆も当てはまる。

別の好ましい構成では、診断手段により断線および／または短絡を検出するために第１および／または第２の電流を形成する間、排気ガス測定は中断される。診断には、排気ガスセンサの第１と第２のセルに所定の電流を加えることが必要である。したがってこのことは、通常はアクティブなポンプ電流制御（線形酸素センサの場合）の遮断を必要とする。その間はλ測定を行うことができない。

しかし通例、λ測定の中断は重大ではない。なぜなら基本的に線路エラーが存在すると典型的な徴候が生じるからである。たとえば過度に高い抵抗が測定されるか、またはポンプ電流制御器が限界に達する。好ましくは診断手段は、エラー検出手段によって排気ガスセンサにエラーが存在することが確定された場合だけ作動する。診断手段は最終的にエラーを正確に位置特定するために用いられる。

別の具体的な構成によれば、診断手段は第１の信号フィルタを有し、この第１の信号フィルタは第１および第３の端子に接続されており、第１の電流から生じる第１のセルのセル電圧の第１の振幅を検出することができ、および／または前記第１の信号フィルタは第２および第３の端子に接続されており、第２の電流から生じる第２のセルのセル電圧の第２の振幅を検出することができる。有利には第１の信号フィルタは、第１および第３の端子と、第２および第３の端子との間を切り替えることができる。

とりわけ診断手段は、第１のセルのセル電圧の平均値を検出するための第１の計算ユニットを有する。この構成は、排気ガスセンサ用の制御回路に内部抵抗測定部が実現されており、その結果を使用することができる場合にはとくに有利である。内部抵抗測定部は、交流電流を第１のセル（線形排気ガスセンサの場合はネルンストセル）に印加する。これは、内部抵抗測定部により正と負の第１の電流が形成されることを意味する。第１と第３の端子に接続された信号フィルタは、ネルンストセル電圧の生じた振幅を検出する。これは、第１の線路における正と負の第１の電流の際に生じる電圧の差から生じることを意味する。信号フィルタはさらに、ネルンストセル電圧の平均値を検出する。

対応して診断手段は第２の信号フィルタを有し、この信号フィルタは第２および第３の端子に接続されており、第２の信号から生じた第２のセルのセル電圧の第２の振幅を検出することができる。とりわけ診断手段は、第２のセルのセル電圧の平均値を検出するための第２の計算ユニットを有する。とくに有利には、選択的に第１の端子または第２の端子に接続することのできるただ１つの信号フィルタを使用する。第１のセルと第２のセルに割り当てられたそれぞれの信号フィルタを設け、第１の電流と第２の電流の同相時および逆相時のそれぞれのセル電圧の振幅値を求めることができれば、複数の電気的エラーを識別することができる。とりわけ次のエラーを確定することができる。
・エラーなし
・第１の端子に接続された線路が断線しており、第３の端子に接続された線路の状態は識別不能である。
・第２の端子に接続された線路が断線しており、第３の端子に接続された線路の状態は識別不能である。
・第１と第２の端子に接続された線路がそれぞれ断線しており、第３の端子に接続された線路の状態は識別不能である。
・第３の端子に接続された線路が断線しており、第１および第２の端子に接続された線路は正常である。
・第１の線路に上側供給電圧との短絡がある。
・第１の端子に下側供給電圧との短絡がある。
・第２の端子に上側供給電圧との短絡がある。
・第２の端子に下側供給電圧との短絡がある。
・第３の端子に上側供給電圧との短絡がある。
・第３の端子に下側供給電圧との短絡がある。

別の具体的構成によれば、第１の電流源は、第１のセルの内部抵抗を測定するための交流源である。さらに、第２の電流はポンプ電流源であるか、または別個の電流源として実施されていると有利である。この２つの特徴が存在すれば、振幅および平均値を求めるのにさらなる素子は必要ない。なぜなら線形排気ガスセンサの内部抵抗測定のためにそれぞれの値が必要だからである。

以下、本発明を図面に基づき詳細に説明する。

線形酸素センサの基本的制御を行う回路装置である。 真の電流源の電流・電圧特性を示す図である。 大きな出力抵抗が接続された真の電流源の電流と電圧の特性を示す図である。 本発明の診断回路の等価回路、および第２の端子における電圧の経過を、第１と第２の電流が正であり、診断回路の第３の端子に線路断線がある場合で示す図である。 本発明の診断回路の等価回路、および第２の端子における電圧の経過を、第１の電流が正で第２の電流が負であり、診断回路の第３の端子に線路断線がある場合で示す図である。 本発明の診断回路の等価回路、および第２の端子における電圧の経過を、第１の電流が正で第２の電流が負であり、診断回路の第３の端子に線路断線がある場合で示す図である。 種々の動作状態での診断回路の第１と第２の端子における電流と電圧の経過を示す図である。 図８ａは、線形酸素センサで実施された内部抵抗測定の概略図であり、図８ｂ、８ｃはエラー診断のための内部抵抗測定の使用を示す図である。

図１は、２セルポンプ電流センサとして構成された排気ガスセンサ１０の電気等価回路であり、このセンサは制御回路２０により制御され監視される。ここではそれぞれ本発明に関連する部分だけが図示されている。

排気ガスセンサ１０は、公知のように、第１のセルとしてのネルンストセルＮＺと、第２のセルとしてのポンプセルＰＺを有する。ネルンストセルＮＺの電気等価回路は、抵抗値Ｒｎの抵抗１１と、ネルンスト電圧Ｖｎの電圧源１２との直列回路によって表されている。対応してポンプセルＰＺの電気等価回路は、抵抗値Ｒｐの抵抗１３と、ポンプ電圧Ｖｐの電圧源１４との直列回路によって表されている。ネルンストセルＮＺとポンプセルＰＺはさらに互いに直列に接続されており、ネルンストセルＮＺを介してネルンスト電圧Ｖｎが、ポンプセルＰＺを介してポンプセル電圧Ｖｐが降下する。

ネルンストセルＮＺは、制御回路２０の第１の端子ＶＮと第３の端子ＶＧの間に接続されている。ポンプセルＰＺは、制御回路２０の第２の端子ＶＩＰと第３の端子ＶＧの間に接続されている。したがってポンプセルＰＺとネルンストセルＮＺとの接続点は第３の端子ＶＧに接続されている。実際には、ネルンストセルＮＺとポンプセルＰＺのそれぞれの電極は第１、第２および第３の端子ＶＮ、ＶＩＰ、ＶＧと接続されており、端子ＶＧには排気ガスセンサ１０のいわゆる帰還線路が接続されている。

制御回路２０は、交流源として構成された電流源ＳＱ１を有する。交流源ＳＱ１は、ネルンストセルＮＺの内部抵抗の測定のために用いられ、そのために第１の端子ＶＮと接続されている。この交流源ＳＱ１は、正の供給電圧Ｖ＋と負の供給電圧Ｖ−によりドライブされる。第１の電流源ＳＱ１により形成された第１の電流Ｉｃｐは、これが矢印方向に第１の電流源ＳＱ１からネルンストセルＮＺの方向に流れるとき、本明細書では正の絶対値を有する。対応して負の絶対値を有する電流ＩｃｐがネルンストセルＮＺから第１の電流源ＳＱ１に流れる。

制御回路２０はさらに、ポンプセルＰＺのポンプ電流を形成するのに用いられる第２の電流源ＳＱ２を有する。第２の電流源ＳＱ２は第２の端子ＶＩＰと接続されており、絶対値的に正の電流Ｉｐが第２の電流源ＳＱ２からポンプセルＰＺの方向に流れる（図に示した矢印方向）。絶対値的に負の第２の電流が、ポンプセルＰＺから第２の端子ＶＩＰを介して第２の電流源ＳＱ２の方向に流れる。

ネルンストセルＮＺとポンプセルＰＺの帰還線路に接続された第３の端子ＶＧは制御回路２０でいわゆる仮想アースに接続されている。仮想アースは電流・電圧特性から見て電圧源ＳＰである。

本発明のために、第１と第２の電流源ＳＱ１、ＳＱ２の電流・電圧特性および電圧源ＳＰとして構成された仮想アースの電流・電圧特性が使用される。

真の電流源は、電流源の出力端の電圧が所定の範囲内にあるときに定格電流で駆動することができる。典型的には、電圧が電圧源の供給電圧Ｖ＋、Ｖ−の１つであるとき電流が減少または増加する。これが例として図２に示されている。ここで図２ａは、供給電圧Ｖ＋、Ｖ−により給電される真の電流源ＳＱの電気等価回路である。出力側で真の電流源ＳＱは電圧源Ｕａと接続され、電流源ＳＱは電流Ｉａを電圧源Ｕａの方向に流す。図２ａ、２ｃには、それぞれ電流Ｉａの特性が電圧Ｕａに依存して示されてる。ここで図２ｂは、正の定格電流（すなわち図２ａで矢印方向に流れる電流Ｉａ）に対する特性を示し、図２ｃは負の定格電流に対する特性を示す。電圧Ｕａが下側および上側供給電圧Ｖ−、Ｖ＋に近づきすぎなければ、電流Ｉａは定格電流Ｉａ＿ＮないしはーＩａＮに対応することが分かる。

図３は、電流源ＳＱが非常に高い抵抗、限界例では無限大の抵抗を通して電流Ｉａを送出しなければならない場合を示す。抵抗Ｒａが大きくなると、電流源の出力電圧は供給電圧の一方に、正の定格電流の場合はＶ＋に、負の定格電流の場合はＶ−に上昇または下降し、電流Ｉａの大きさが小さくなる。すなわち０ｍＡに接近する。この特性が例として図３ｂと３ｃに、正の定格電流Ｉａ＿Ｎと負の定格電流−ＩａＮについて示されている。電流源ＳＱであるときは正の電流が、あるときは負の電流が調整されると、抵抗が高いかまたは無限大の場合、高い出力電圧または低い出力電圧が生じ、電流が正の場合は正の電圧が、電流が負の場合は負の電圧が予想される。

真の電流源の特性を考慮することにより、第１および第３の端子に接続された線路の断線を識別することが原理的に可能である。しかしここでは、断線が第３の端子ＶＧに接続された線路（いわゆるＶＤ線路）に存在するのか否かを識別することはできない。ＶＧ線路が断線している場合でも、電流は電流源ＳＱ１またはＳＱ２の一方から他方の電流源ＳＱ２またはＳＱ１に流れることができる。なぜなら排気ガスセンサ１０の２つのセルＮＺとＰＺを介する電気接続がまだ存在しているからである。

したがってＶＧ線路、すなわち制御回路２０の第３の端子ＶＧに接続された線路の断線を識別するために、所定の電流が既存の電流源ＳＱ１、ＳＱ２に同時に調整される際に生じる症状が利用される。

１．第１のステップで、電流源ＳＱ１に正の電流Ｉｃｐが調整される。さらに電流源ＳＱ２に正の電流Ｉｐが調整される。２つの電流は、第１の端子ＶＮまたは第２の端子ＶＩＰを介してそれぞれのセルに流れ込む。所望の電流が断線のため端子ＶＧに流れることができないから、Ｉｃｐ＋Ｉｐ＝０が成立しなければならない。図２に関連して説明した電流源ＳＱ１、ＳＱ２の電流・電圧特性にしたがい、端子ＶＮとＶＩＰにはそれぞれ高い電圧が調整されなければならない。ネルンストセル電圧Ｖｎとポンプセル電圧Ｖｐがどれだけ高いかに応じて、異なる高さの電圧が端子ＶＮとＶＧに調整される。この関係が図４に概略的に示されている。

図４ａは、第３の端子ＶＧへの線路が断線したときの制御回路２０と排気ガスセンサ１０の電気等価回路を示す。

図４ｂは、それぞれ電流ＩｃｐとＩｐを、第３の端子ＶＧに印加される電圧Ｕ（ＶＩＰ）について示す。Ｉｃｐ＿ＮとＩｐ＿Ｎにより、エラーのないときに予期される電流ＩｃｐとＩｐの定格電流が示されている。ここで第１の電流Ｉｃｐの電流・電圧曲線は、第１の端子に印加される電圧Ｕ（ＶＮ）についてのプロットに対してセル電圧ＶｎとＶｐの和だけずらされている。このずれは図にΔＶにより示されている。第３の端子ＶＧに調整され、生じる電圧Ｕｒｅｓは、電流源ＳＱ１とＳＱ２の電流・電圧特性曲線から条件Ｉｃｐ＋Ｉｐ＝０によって決定される。これは、Ｕｒｅｓのとき電流ＩｃｐとＩｐの絶対値の大きさは同じであるが、符合が異なっていることを意味する。

２．次のステップで負の電流ＩｃｐとＩｐが調整される。ここでも条件Ｉｃｐ＋Ｉｐ＝０が成立しなければならないから、低い電圧が調整される。生じた電圧Ｕｒｅｓの決定は、図４に関連して説明したのと同じように行われる。

３．次のステップで正の第１の電流Ｉｃｐと負の第２の電流Ｉｐが調整される。ここで第２の電流Ｉｐの絶対値は第１の電流Ｉｃｐの絶対値より大きい。生じた電圧Ｕｒｅｓは、第１の端子ＶＮでも第２の端子ＶＩＰでも、真の電流源の予期される特性に対応して比較的低い。

この状況が図５から分かる。図５ａは、制御回路２０に接続された排気ガスセンサ１０の電気等価回路を示す。ここで電流ＩｃｐとＩｐはその符合に対応して正しい方向に示されている。第３の端子ＶＧでは、線路が断線していると仮定する。

図５ｂは、電流ＩｃｐとＩｐの経過を、第３の端子ＶＧに印加される電圧Ｕ（ＶＩＰ）について示す。第１の電流Ｉｃｐは、第１の端子ＶＮに印加される電圧Ｕ（ＶＮ）についてのプロットに対してセル電圧の和Ｖｎ＋Ｖｐだけずらされている。条件Ｉｃｐ＋Ｉｐ＝０が満たされなければならないから、電流ＩｃｐとＩｐの絶対値が同じ大きさであり、異なる符合を有するときに、予期される低い電圧Ｕｒｅｓが生じる。

４．続いて第４のステップで負の第１の電流Ｉｃｐと正の第２の電流Ｉｐが調整される。絶対値的には第２の電流Ｉｐは第１の電流Ｉｃｐより大きい。第１の端子ＶＮと第２の端子ＶＩＰに生じた電圧は、真の電流源の特性に対応して予想どおり高い。この状況が図６に示されている。

図６ａは、制御装置２０と接続された排気ガスセンサ１０の電気等価回路を示す。ここで電流ＩｃｐとＩｐはその符合に対応して正しく示されている。端子ＶＧで線路が断線している。

図６ｂは、電流ＩｃｐとＩｐの経過を、第３の端子ＶＧで調整される電圧Ｕ（ＶＩＰ）について示す。第１の電流Ｉｃｐの経過は、第１の端子ＶＮの電圧Ｕ（ＶＮ）についてのプロットに対してセル電圧の和Ｖｎ＋Ｖｐだけずらされている。第３の端子ＶＧに調整される電圧は、満たすべき条件：Ｉｃｐ＋Ｉｐ＝０にしたがって生じる。この条件は電圧Ｕ（ＶＩＰ）が比較的高い場合に満たされる。調整された電圧Ｕｒｅｓを参照のこと。

前の説明で、電流ＩｃｐとＩｐは、第３の端子ＶＧで調整される電圧Ｕ（ＶＩＰ）上にプロットされていた。電流ＩｃｐとＩｐは、第１の端子ＶＮに調整される電圧Ｕ（ＶＮ）上にプロットすることもできることは自明であり、対応してＩｐとＩｃｐの電流・電圧特性が、セル電圧の和Ｖｎ＋Ｖｐだけずれていることを考慮しなければならない。

最初の２つのステップ１と２では、線路上の電圧はそれぞれの線路自体が断線した場合の電圧と格段に相違しない。しかしステップ３と４では、絶対値的に低い電流が調整された線路、すなわち第１の端子ＶＮと接続された線路上の特性が異なる。線路自体の断線で高電圧が予期される箇所では、第３の端子に接続された線路の断線の際に低電圧が観察され、逆も当てはまる。

第３の端子ＶＧに接続された線路の断線を識別するために、以下の特徴が利用される。Ｉｐ電流とＩｃｐ電流が正のときの端子ＶＮとＶＧの電圧；Ｉｃｐ電流とＩｐ電流が負のときの端子ＶＮとＶＧの電圧。Ｉｐ電流が正でＩｃｐ電流が負のときの端子ＶＮとＶＧの電圧；Ｉｐ電流が負でＩｃｐ電流が正のときの端子ＶＮとＶＧの電圧。前の説明に対応して、電流ＩｐとＩｃｐとが協調され、端子ＶＮとＶＧの少なくとも１つにおいて電圧測定が行われ、電流が同じ符合を有する否かかと、所定の特性での絶対値とが互いに関連付けられる。この措置は例として図７にマトリクスで示されている。

図７は、第１の端子ＶＮにおける電圧経過Ｕ（ＶＮ）と第２の端子ＶＩＰにおける電圧経過Ｕ（ＶＩＰ）を電流ＩｃｐとＩｐに依存して示す。ステップ１、２、３、４の説明のために、それぞれ端子ＶＮとＶＩＰで調整される電圧が、「エラーなし」、「ＶＮ断線（すなわち端子ＶＮに接続された線路が断線している）」、「ＶＩＰ断線（すなわち端子ＶＩＰに接続された線路が断線している）」、および「ＶＧ断線（すなわち端子ＶＧに接続された線路が断線している）」の場合について図示されている。電圧経過Ｕ（ＶＮ）とＵ（ＶＩＰ）の線図にはそれぞれステップ１、２、３、４の識別閾値がプロットされている。それぞれの識別閾値は、水平の実線によって示されている。端子ＶＩＰでの断線に対する識別閾値は、左下から右上へのハッチングによって示されている。端子ＶＮでの断線に対する識別閾値は、左上から右下へのハッチングによって示されている。端子ＶＧでの断線に対する識別閾値は、対角に延在する交差線によって示されている。

「エラーなし」の場合には、いずれの閾値も電圧Ｕ（ＶＮ）またはＵ（ＶＩＰ）は上回らず、「ＶＮ断線」の場合、端子ＶＮでの閾値をすべてのステップ１〜４で上回っている。これに対して端子ＶＩＰでの電圧Ｕ（ＶＩＰ）の変化は顕著でない。

端子ＶＩＰでの線路が断線していると、端子ＶＮの電圧Ｕ（ＶＮ）は正常であるが、端子ＶＩＰの電圧Ｕ（ＶＩＰ）がすべてのステップ１〜４でそれぞれの識別閾値を上回る。

端子ＶＧの線路が断線すると、端子ＶＩＰの電圧は、端子ＶＩＰの線路の断線に相応して変化する。とりわけ端子ＶＮでは、電圧Ｕ（ＶＮ）の典型的な特性が観察され、とりわけ電流ＩｃｐとＩｐが異なる符合を有するステップ３と４では所定の識別閾値を上回る。

制御回路内に内部抵抗測定部が実現され、その結果が排気ガスセンサの診断のために使用されるととくに簡単に診断を行うことができる。内部抵抗測定部は交流をネルンストセルＮＺに印加する。これは、交流源ＳＱ１により正と負のＩｃｐ電流が形成されることを意味する。ネルンストセルと接続された信号フィルタは、生じたネルンストセル電圧Ｖｎの振幅を決定する。このことは、端子ＶＮにＩｃｐ電流が正のときに生じた電圧と、Ｉｃｐ電流が負のときに生じた電圧の差を形成することにより行われる。さらに信号フィルタは、ネルンストセル電圧Ｖｎの平均値を形成する。

この措置が概略的に図８ａに示されており、時間についての電流Ｉｃｐの矩形の経過と、時間についての端子ＶＮの電圧の経過が図示されている。Ｖｎ＋とＶｎ−により、端子ＶＮの電圧Ｕ（ＶＮ）の正と負の振幅が示されている。内部抵抗測定では、「Ｉｃｐ交流」と同期して、セル電流が正のときのＶｎ＋と、セル電流が負のときのＶｎ−が測定される。端子Ｖｎに印加される電圧の振幅Ｖｎ＿ＡＣは、Ｖｎ＋とＶｎ−の差から生じ、通常は正である。平均値Ｖｎ＿ＤＣは、Ｖｎ＿ＤＣ＝（Ｖｎ＋ ＋ Ｖｎ−）／２にしたがい計算される。同じようにしてポンプセル電圧Ｖｐｂの振幅Ｖｐ＿ＡＣと平均値Ｖｐ＿ＤＣも求められる。

Ｉｐ電流とＩｃｐ電流が同相と逆相であるときに測定値により、電気的エラーを識別するためのマトリクスが作成される。

マトリクスには検知可能な種々のエラーが示されており、それぞれ満たすべき条件、すなわちフェーズ１でのＶｎ＿ＡＣ、フェーズ２でのＶｎ＿ＡＣ、フェーズ１でのＶｐ＿ＡＣ、フェーズ２でのＶｐ＿ＡＣ、Ｖｎ＿ＤＣおよびＶｐ＿ＤＣは満たされなければならない。ｍａｘ−ｌｉｍｉｔは上側検出閾値を表し、ｍｉｎ−ｌｉｍｉｔは下側監視閾値を表す。それぞれのテーブルの欄に２つの条件（閾値）が示されている場合には、この２つを同時に満たさなければならない。端子ＶＮとＶＩＰにおける電圧の特性が、電流ＩｃｐとＩｐが協調されて印加されるときに検査される。

フェーズ１は、ＩｃｐとＩｐが同相であることを特徴とする（図８ｂ参照）。フェーズ２では、ＩｃｐとＩｐが逆相である（図８ｃ参照）。端子ＶＮとＶＩＰに生じる電圧経過、ならびに端子ＶＧに接続された線路の断線時に当てはまる条件がされに示されている。

診断には、排気ガスセンサ１０のネルンストセルＮＺとポンプセルＰＺに所定の電流を加えることが必要である。したがって診断のためには、通常は作動するポンプ電流制御を遮断することが必要である。そのため診断中は、ラムダ測定を一時的に行うことができない。しかしこれは通常、重大ではない。線路エラーが基本的に存在していると典型的な既知の症状が発生するからである。たとえば過度に高い内部抵抗が測定されるか、またはポンプ電流制御器が限界に達する。したがって診断は、エラーが識別され、このエラーをより正確に決定しなければならないときに実施しなければならない。

概略図には、診断を実施する診断回路は明示されていない。診断回路は制御回路２０の一部であり、上に説明した診断に必要な電圧測定を実施し、これらを電流源ＳＱ１とＳＱ２により印加される電流に関連付けるように構成されている。

Claims (12)

1. 内燃機関用の排気ガスセンサ（１０）の診断装置であって、
   ・前記排気ガスセンサ（１０）の第１のネルンストセル（ＮＺ）の第１の電極に接続するための第１の端子（ＶＮ）と、
   ・前記排気ガスセンサ（１０）の第２のポンプセル（ＰＺ）の第２の電極に接続するための第２の端子（ＶＩＰ）と、
   ・前記排気ガスセンサ（１０）の前記第１のネルンストセル（ＮＺ）の第２の電極と、前記第２のポンプセル（ＰＺ）の第１の電極に接続するための第３の端子（ＶＧ）と、
   ・前記第１の端子（ＶＮ）に接続されていて、第１の電流（Ｉｃｐ）を形成し、前記第１のネルンストセル（ＮＺ）に印加する第１の電流源（ＳＱ１）と、
   ・前記第２の端子（ＶＩＰ）に接続されていて、第２の電流（Ｉｐ）を形成し、前記第２のポンプセル（ＰＺ）に印加する第２の電流源（ＳＱ２）とを有し、
   診断手段が、
   ・それぞれ所定の符号の第１と第２の電流（Ｉｃｐ、Ｉｐ）を形成するための第１と第２の電流源（ＳＱ１、ＳＱ２）を協調して制御するように構成されており、
   ・該診断手段によって、それぞれ第１と第２の電流（Ｉｃｐ、Ｉｐ）が第１および第２および第３の端子（ＶＮ、ＶＩＰ、ＶＧ）に印加される際に
   第１および第２および第３の電圧が検出され、それらの絶対値が協調された電流に関連付けられ、これにより第１または第２または第３の端子（ＶＮ、ＶＩＰ、ＶＧ）における断線が検知される、診断装置であって、
   前記第３の端子（ＶＧ）における線路断線を識別するために、
   （ａ）第１の電流（Ｉｃｐ）が正で第２の電流（Ｉｐ）が正のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出し、
   （ｂ）第１の電流（Ｉｃｐ）が負で第２の電流（Ｉｐ）が負のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出し、
   （ｃ）第１の電流（Ｉｃｐ）が正で第２の電流（Ｉｐ）が負のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出し、
   （ｄ）第１の電流（Ｉｃｐ）が負で第２の電流（Ｉｐ）が正のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出する、
   ように構成されている、
   なお、前記第１および第２の電流源（ＳＱ１，ＳＱ２）から前記第１のネルンストセル（ＮＺ）および第２のポンプセル（ＰＺ）に向かって流れる電流は正の電流であり、それと反対方向の電流は負の電流である、診断装置において、
   前記（ｃ）の場合に、絶対値が前記第２の電流（Ｉｐ）より小さい前記第１の電流（Ｉｃｐ）が形成される、または、
   前記（ｄ）の場合に、絶対値が前記第２の電流（Ｉｐ）より小さい前記第１の電流（Ｉｃｐ）が形成されるときには、
   前記第３の端子（ＶＧ）における線路断線を識別する、
   ように構成されている、診断装置。
2. 前記第３の端子（ＶＧ）における線路断線を識別するための診断手段は、
   前記（ａ）の場合に、前記第１の端子（ＶＮ）と第２の端子（ＶＩＰ）でそれぞれ高電圧を検出し、
   前記（ｂ）の場合に、前記第１の端子（ＶＮ）と第２の端子（ＶＩＰ）でそれぞれ低電圧を検出し、
   前記（ｃ）の場合に、前記第１の端子（ＶＮ）と第２の端子（ＶＩＰ）でそれぞれ低電圧を検出し、
   前記（ｄ）の場合に、前記第１の端子（ＶＮ）と第２の端子（ＶＩＰ）でそれぞれ高電圧を検出する、ように構成されている、
   前記高電圧とは、前記第１および第２の電流源（ＳＱ１，ＳＱ２）を構成する高圧側電圧値にほぼ等しい電圧であり、前記低電圧とは、前記第１および第２の電流源（ＳＱ１，ＳＱ２）を構成する低電圧側電圧値にほぼ等しい電圧である、請求項１記載の装置。
3. 前記診断手段により線路断線を検出するために第１および／または第２の電流（Ｉｃｐ、Ｉｐ）を形成する間、排気ガス測定は中断される、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記診断手段は、エラー検出手段によって前記排気ガスセンサにエラーが存在することが確定された場合だけ作動する、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記診断手段は第１の信号フィルタを有し、
   ・該第１の信号フィルタは、前記第１および第３の端子（ＶＮ、ＶＧ）に接続されており、前記第１の電流（Ｉｃｐ）から生じた前記第１のネルンストセル（ＮＺ）のセル電圧（Ｖｎ）の第１の振幅を検出し、および／または
   ・前記第１の信号フィルタは、前記第２および第３の端子（ＶＩＰ、ＶＧ）に接続されており、前記第２の電流（Ｉｐ）から生じた前記第２のポンプセル（ＰＺ）のセル電圧（Ｖｐ）の第２の振幅を検出する、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記第１の信号フィルタは、前記第１および第３の端子（ＶＮ、ＶＧ）と、前記第２および第３の端子（ＶＩＰ、ＶＧ）との間で切り替えられる、請求項５記載の装置。
7. 前記診断手段は、前記第１のネルンストセル（ＮＺ）のセル電圧（Ｖｎ）の平均値を検出するための第１の計算ユニットを有する、請求項５または６記載の装置。
8. 前記診断手段は第２の信号フィルタを有し、該第２の信号フィルタは、前記第２および第３の端子（ＶＩＰ、ＶＧ）に接続されており、前記第２の電流（Ｉｐ）から生じた前記第２のポンプセル（ＰＺ）のセル電圧（Ｖｐ）の第２の振幅を検出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記診断手段は、前記第２のポンプセル（ＰＺ）のセル電圧（Ｖｐ）の平均値を検出するための第２の計算ユニットを有する、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 前記第１の電流源（ＳＱ１）は、前記第１のネルンストセル（ＮＺ）の内部抵抗を測定するための交流電源である、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記第２の電流源はポンプ電流源であるか、または別個の電流源として実施されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 内燃機関用の排気ガスセンサ（１０）の診断方法であって、
    ・前記排気ガスセンサ（１０）の第１のネルンストセル（ＮＺ）の第１の電極に接続するための第１の端子（ＶＮ）と、
    ・前記排気ガスセンサ（１０）の第２のポンプセル（ＰＺ）の第２の電極に接続するための第２の端子（ＶＩＰ）と、
    ・前記排気ガスセンサ（１０）の前記第１のネルンストセル（ＮＺ）の第２の電極と、前記第２のポンプセル（ＰＺ）の第１の電極に接続するための第３の端子（ＶＧ）と、
    ・前記第１の端子（ＶＮ）に接続されていて、第１の電流（Ｉｃｐ）を形成し、前記第１のネルンストセル（ＮＺ）に印加する第１の電流源（ＳＱ１）と、
    ・前記第２の端子（ＶＩＰ）に接続されていて、第２の電流（Ｉｐ）を形成し、前記第２のポンプセル（ＰＺ）に印加する第２の電流源（ＳＱ２）とを備える装置と、
    ・それぞれ所定の符号の第１と第２の電流（Ｉｃｐ、Ｉｐ）を形成するための第１と第２の電流源（ＳＱ１、ＳＱ２）が協調して制御され、
    ・それぞれ第１と第２の電流（Ｉｃｐ、Ｉｐ）が第１および第２および第３の端子（ＶＮ、ＶＩＰ、ＶＧ）に印加される際に第１および第２および第３の電圧が検出され、それらの絶対値が協調された電流に関連付けられ、これにより第１または第２または第３の端子（ＶＮ、ＶＩＰ、ＶＧ）における断線が検知される、方法であって、
    前記第３の端子（ＶＧ）における線路断線を識別するために、
    （ａ）第１の電流（Ｉｃｐ）が正で第２の電流（Ｉｐ）が正のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出し、
    （ｂ）第１の電流（Ｉｃｐ）が負で第２の電流（Ｉｐ）が負のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出し、
    （ｃ）第１の電流（Ｉｃｐ）が正で第２の電流（Ｉｐ）が負のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出し、
    （ｄ）第１の電流（Ｉｃｐ）が負で第２の電流（Ｉｐ）が正のときに、第１および第２の端子（ＶＮ、ＶＩＰ）の電圧を検出する、
    なお、前記第１および第２の電流源（ＳＱ１，ＳＱ２）から前記第１のネルンストセル（ＮＺ）および第２のポンプセル（ＰＺ）に向かって流れる電流は正の電流であり、それと反対方向の電流は負の電流である、方法において、
    前記（ｃ）の場合に、絶対値が前記第２の電流（Ｉｐ）より小さい前記第１の電流（Ｉｃｐ）が形成される、または、
    前記（ｄ）の場合に、絶対値が前記第２の電流（Ｉｐ）より小さい前記第１の電流（Ｉｃｐ）が形成されるときには、
    前記第３の端子（ＶＧ）における線路断線を識別する、方法。

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