JP5586781B2 - ラムダセンサのタイプを検出する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１、６および７の前提部分に記載のラムダセンサのタイプを検出する方法に関する。

さらに本発明の対象は、方法を実施するために適したコンピュータプログラムおよびコンピュータプログラム製品にも関する。

現在の構成の車両では様々なセンサが使用される。まず、例えば、ドイツ国特許出願公開第１０２００７００９１５７号明細書またはドイツ国特許出願公開第１０２００７０２０９７０号明細書により既知のように、固体電解質に配置された２つのポンプ電極を備えるセンサが存在する。さらに、例えば、ドイツ国特許出願公開第１０２００７０５７７０７号明細書により既知のように、２つのセルを備えるいわゆる「広帯域ラムダセンサ」も存在する。これらのセンサは、内燃機関の排ガス中におけるガス成分の濃度を測定するための役割を果たす。広帯域ラムダセンサは、実質的に、ガルバニックセルとして作用する従来の濃度センサ（ネルンストセンサ）ならびに制限電流セルまたは「ポンプ」セルの組合せからなる。通常の濃度センサと同種のポンプセルには、外部から電圧が印加される。電圧が十分に大きい場合、センサの両側で酸素濃度差に比例するいわゆる「限界電流」が設定される。電流値によって、‐極性に依存して‐酸素原子が搬送される。電子制御回路は、ポンプセルによって極めて狭い拡散ギャップを介して、λ=１の状態が生じるだけの量の酸素が常に排ガスから濃度センサに供給されるように作用する。排ガス中の空気が余剰の場合（リーン領域）には酸素が排出される。排ガスの残留酸素含有量が少ない場合（リッチ領域）には、ポンプ電圧の反転により酸素が供給される。それぞれのポンプ電流は出力信号を形成する。このような広帯域ラムダセンサの出力信号ラインはエンジン制御器に接続されている。

例えば、ラムダセンサを交換した場合には、純粋に原則的には常に同じタイプのセンサを使用しなければならない。ラムダセンサの出力信号を制御器において正常に処理することができないので、ラムダセンサの交換は容易に行うことはできない。

ドイツ国特許出願公開第１０２００７００９１５７号明細書 ドイツ国特許出願公開第１０２００７０２０９７０号明細書 ドイツ国特許出願公開第１０２００７０５７７０７号明細書

本発明の基礎をなす課題は、製造者およびタイプが異なるセンサを特定し、検出し、これらセンサの出力信号を処理可能な方法を提供することである。

この課題は、冒頭部に記載の形式のラムダセンサのタイプを検出するための方法において、センサの少なくとも１つのあらかじめ規定された作動温度でラムダセンサの内部抵抗を電極間で決定し、内部抵抗値に基づいてセンサタイプを推定する方法により解決される。

請求項１に従属する請求項に記載の手段によって独立請求項１に記載の方法の有利な実施形態および改良形態が可能である。

したがって、本方法の有利な実施形態では、センサを特定する別の変数が決定され、内部抵抗値、センサを特定する少なくとも１つの別の変数からセンサタイプが推定される。この実施形態では、２つの情報が使用される。これら２つの情報、すなわちセンサ信号および内部抵抗の判定によりセンサタイプが推定される。

センサを特定する別の変数としては、純粋に原則的には様々な変数が考慮される。

第１の有利な実施形態では、センサを特定する少なくとも１つの別の変数として、付加的に加えられたポンプ電流の結果であるセンサ信号が決定され、このセンサ信号と内部抵抗との比較によりセンサタイプが推定される。

本発明による別の構成では、センサを特定する少なくとも１つの別の変数として、センサのあらかじめ規定された少なくとも１つの作動温度で一方の別の電極と、他方の２つの電極のいずれか一方の電極との間の内部抵抗が検出され、内部抵抗比からセンサタイプが推定される。このようにして、例えば、内部ポンプ電極と外部ポンプ電極との間の内部抵抗をセンサの少なくとも１つのあらかじめ規定された作動温度で検出し、内部抵抗比からセンサタイプを推定することができる。

別の有利な構成によれば、内部抵抗もしくは内部抵抗比に対して付加的に、ガス混合物にさらされた外部ポンプ電極と測定電極との間のトリム抵抗が決定され、内部抵抗もしくは内部抵抗比と関連付けたトリム抵抗に基づいて、センサタイプが推定される。純粋に原則的には抵抗もしくは抵抗比を決定すれば十分であるが、調整抵抗、コード付抵抗またはランク付抵抗とも呼ぶトリム抵抗の付加的な測定は、センサタイプを正確に決定するためのさらなる可能性を示す。

内部抵抗もしくは内部抵抗比の決定に加えて、または代替的に、内部抵抗もしくは内部抵抗比および／またはセンサの容量に直接または間接的に関係した変数を使用することもできる。

したがって、上記課題は、ポンプセルおよびネルンストセルを備える広帯域ラムダセンサのタイプを検出するための方法において、外部ポンプ電極と内部ポンプ電極との間に短絡が生成され、この場合に基準電極と内部ポンプ電極との間に設定された電圧が測定され、電圧変化の変数からセンサタイプが推定されることを特徴とする方法によっても解決される。この方法は、特にセンサの作動時に用いることができるが、特に特定すべきセンサが内部抵抗比に関して、およびトリム抵抗に関してセンサの決定が可能であると一義的に判別できない場合に用いることができる。

さらに上記課題は、ポンプセルおよびネルンストセルを備える広帯域ラムダセンサのタイプを検出するための方法において、広帯域ラムダセンサの正常な作動のために必要な、調整されたポンプ電流値に対して、外部ポンプ電極と内部ポンプ電極との間の調節可能な付加的なポンプ電流値が加えられ、基準電極と内部ポンプ電極との間の電圧変化が測定され、この電圧変化からセンサタイプが推定されることを特徴とする方法によって解決される。この解決手段は、特に外部ポンプ電極と内部ポンプ電極との間の短絡が回路技術的な理由から不可能であるか、または設けられていない場合に用いることができる。

最後に挙げたこれら２つの方法の構成では、センサの作動継続時間にわたって周期的に測定が行われ、作動時間にわたる基準電極と内部ポンプ電極との間の電圧の変化に基づいてセンサの老朽化が推定される。これにより、電極老朽化、およびセンサの電解質を形成している酸化ジルコニウムの劣化について付加的に述べることが可能である。

上記本発明による方法は、純粋に原則的には、制御器プログラム、例えば下位プログラムで作動するコンピュータプログラムとして構成されていてもよい。プログラムコードは、有利には、コンピュータプログラム製品、例えばＣＤ-ＲＯＭ、メモリスティックなどに記憶され、このようにして、付加的なハードウェアを使用せずに既存の制御器で方法を改善することが可能である。

本発明の実施例を図面に示し、以下に詳述する。

従来技術により既知の広帯域ラムダセンサの作動原理を説明する概略図である。 本発明による方法を説明するためのポンプセル、ネルンストセルの内部抵抗およびトリム抵抗を示す概略図である。

内燃機関、特に自動車の内燃機関の排ガス中のガス組成を決定するために、様々な種類のガスセンサが使用される。酸素濃度センサ、いわゆる「跳躍センサ」またはラムダセンサの他に、特に広いリーン領域のためにいわゆる「広帯域ラムダセンサ」が使用される。広帯域ラムダセンサは、実質的に、従来のガルバニックセルとして作用する濃度センサ、いわゆる「ネルンストセンサ」ならびに制限電流セルまたは「ポンプ」セルの組合せからなる。

以下に例示的にこのような広帯域ラムダセンサとの関連で本発明による方法を説明する。本発明はこのような広帯域ラムダセンサに制限されておらず、むしろ、純粋に原則的には、例えばドイツ国特許出願公開第１０２００７０２０９７０号明細書に記載のように、1つのセルのみからなり、両方の電極が、例えば電解質の上面に配置されたセンサでも使用可能であることをここで指摘し、強調しておく。

図１には、広帯域ラムダセンサの構造が概略的に示されている。この広帯域ラムダセンサはネルンスト濃度セル１１０および酸素ポンプセル１２０を備え、酸素ポンプセル１２０は外部ポンプ電極１３１と内部ポンプ電極１３２とから形成されている。外部ポンプ電極１３１は排ガスＡにさらされており、リング状の内部ポンプ電極１３２は中空室１３３に配置されており、中空室１３３は、通路１３４、および拡散バリア１３０を配置した拡散ギャップを介して排ガスＡに接続されている。ネルンストセル１１０は、内部ポンプ電極１３２と、基準空気通路１４０に配置した基準電極１４１とからなる。センサは、加熱電圧Ｕ_Ｈを印加した加熱装置１５０によって作動温度に加熱される。例えば、反転されていない入力部に、特に４５０ｍＶの基準電圧が印加されており、反転された入力部に基準電極１４１の出力信号が印加されている演算増幅器によって形成された調整回路１６０が、外部ポンプ電極１３１に加えられるポンプ電流Ｉ_Ｐを生成する。内部ポンプ電極１３２は接地に接続されている。ポンプ電流Ｉ_Ｐは、接続端子１６１，１６２によって抵抗１６５を介して測定することができる。ポンプ電流Ｉ_Ｐは、以下に簡潔に説明するように、酸素濃度のための基準をなす。

ポンプセル１２０には電圧が印加される。電圧が十分に大きい場合には、センサの両側で酸素濃度差に比例する「限界電流」が設定される。電流によって、‐極性に依存して‐酸素原子が搬送される。調整回路１６０は、ポンプセル１２０によって狭い拡散ギャップおよび拡散バリア１３０を介してラムダ=１の状態が生じるだけの酸素が常に排ガスＡから濃度センサ１１０に供給されるように作用する。排ガス中の空気が余剰の場合（リーン領域）には酸素が排出される。排ガスの残留酸素含有量が少ない場合（リッチ領域）には、ポンプ電圧の反転により酸素が供給される。端子１６１，１６２を介して測定可能なポンプ電流は出力信号を形成し、この出力信号は、酸素濃度の基準、ひいてはラムダ値を示す。

このような広帯域ラムダセンサのコネクタには、例えば抵抗１６５に平行して配置された調整抵抗、コード付抵抗またはランク付抵抗とも呼ぶトリム抵抗が配置されている。これらの抵抗は、広帯域ラムダセンサを適合もしくは較正する役割を果たす。図２に等価回路図２１０によって概略的に示した広帯域ラムダセンサは、ネルンストセル（図１に符号１１０で示した）の内部抵抗２２０および仮想電圧源２２１ならびにポンプセル（図１に符号１２０で示した）の内部抵抗２３０および仮想電圧源２３１を含む。ネルンストセル１１０の内部抵抗２２０は、接続ＲＥおよびＩＰＥを介して測定可能であり、この場合「ＲＥ」は基準電極（図１に符号１４１で示した）および「ＩＰＥ」は内部ポンプ電極（図１に符号１３２で示した）を示す。ポンプセル１２０の内部抵抗２３０は接続ＩＰＥおよびＡＰＥを介して測定可能であり、この場合「ＡＰＥ」は外部ポンプ電極を示す（図１に符号１３１で示す）。センサ２１０の外部には、接続ＭＥＳによって測定可能な、調整抵抗、コード付抵抗またはランク付抵抗とも呼ぶトリム抵抗Ｒ_ｃｏｄｅが配置されている。対応した出力信号ラインが、ラムダセンサ評価モジュールとも呼ぶ対応した回路ユニット２１７に接続されている。このモジュールを用いて、基準電極と内部ポンプ電極との間（抵抗２２０）ならびに内部ポンプ電極と外部ポンプ電極との間（抵抗２３０）ならびに外部ポンプ電極と接続ＭＥＳとの間（抵抗Ｒ_ｃｏｄｅ）のオーム抵抗を測定し、これら抵抗を評価することが可能である。抵抗２２０と抵抗２３０との比率はセンサの特性を示す。この比率は、約５５０℃〜８００℃の温度範囲にわたって、すなわち、規定された所定温度範囲にわたって一定である。第１のタイプのセンサでは、この比率は、例えば１：１である。トリム抵抗Ｒ_ｃｏｄｅの値は、例えば４ｋＯhmである。別のタイプのセンサでは、抵抗２２０と抵抗２３０の比率は、例えば約５５０℃〜８００℃の温度範囲にわたって４．２：１であり、最大トリム抵抗Ｒ_ｃｏｄｅは、１５０Ｏｈｍ未満である。モジュール１７０によって、抵抗、ひいては抵抗比を正確に決定し、使用されるセンサについて述べることが可能になる。

特定すべきセンサが内部抵抗比およびトリム抵抗に関して一義的に識別されない場合には、基準電極と外部ポンプ電極および内部ポンプ電極との「間隔」を測定することによって、センサの内部構造によって決定されるセンサを特定するために付加的な特徴をある程度まで使用することができる。

このために、方法の本発明による別の構成では、外部ポンプ電極ＡＰＥと内部ポンプ電極ＩＰＥとの間の電圧が意図的に操作され、基準電極ＲＥにおける反応の測定に基づきこの「間隔」が決定される。間隔とは、ここでは、例えばミリメータで示すことのできる長さとして理解される。すなわち、内部センサ構造に基づいて、内部ポンプ電極および基準電極における電極は相互に異なる距離を有する。操作は、純粋に原則的には２つの方式で行うことができる。この方法の本発明による第１の構成では、外部ポンプ電極と内部ポンプ電極との間の電圧は評価回路によって０Ｖに強制され、これは、外部ポンプ電極ＡＰＥおよび内部ポンプ電極ＩＰＥの両方のラインの間の短絡に相当する。この短絡により、基準電極ＲＥと内部ポンプ電極ＩＰＥとの間の電圧の変更が行われる。電圧のこのような変化は測定することができる。電圧変化の高さは、それぞれのセンサタイプに特徴的である。

回路技術的な理由から短絡が不可能であるか、または設けられていない場合には、本発明による代替的な解決手段では、次の方法を設ける。広帯域ラムダセンサの正常な作動のためのポンプ電流に対応して調整された最後のポンプ電流値に基づいて、調節可能および既知の付加的なポンプ電流値がポンプセル１２０、すなわち、内部ポンプ電極ＩＰＥおよび外部ポンプ電極ＡＰＥに加えられ、基準電極ＲＥと内部ポンプ電極ＩＰＥとの間の電圧変化が測定される。通常は４５０ｍＶの一定の値に調整される基準電極ＲＥと内部ポンプ電極ＩＰＥとの間の電圧は、この場合、付加的なポンプ電流値の極性に応じて所定の固有値だけ増減される。それぞれのセンサには固有値が割り当てられているので、電圧のこのような増減は、センサタイプを決定する可能性を意味する。このような測定が、センサの作動継続時間にわたって周期的に、例えば、エンジンの種類に応じたそれぞれの走行周期で行われるか、または惰性運転時に行われた場合、基準電極ＲＥと内部ポンプ電極ＩＰＥとの間の電圧上昇の経時的な変化に基づいて、センサの老朽化に関して述べることができる。

本発明による方法の上述の代替的な実施形態は、例えば、コンピュータプログラムとして、計算機、特に制御器１７０で実施してもよい。プログラムコードは、制御器１７０が読み取ることのできる機械可読の担体、例えばＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ-ＲＯＭ、メモリスティックなどに保存してもよい。

Claims (10)

1. 固体電解質に配置された、および／または固体電解質内に配置された少なくとも２つの電極を備え、該電極のうちの少なくとも１つの電極が少なくとも１つの拡散バリアによってガス混合物から分離されており、少なくとも１つの電極にポンプ電流が加えられるラムダセンサのタイプを検出する方法において、
   センサの少なくとも１つのあらかじめ規定された作動温度で、ラムダセンサの内部抵抗を電極間で決定し、内部抵抗値に基づいてセンサタイプを推定することを特徴とする、ラムダセンサのタイプを検出する方法。
2. センサを特定する少なくとも１つの別の変数を決定し、内部抵抗値、およびセンサを特定する少なくとも１つの別の変数の判定によりセンサタイプを推定する、請求項１に記載の方法。
3. センサを特定する少なくとも１つの別の変数として、付加的に加えられたポンプ電流の結果であるセンサ信号を決定する、請求項２に記載の方法。
4. センサを特定する少なくとも１つの別の変数として、センサのあらかじめ規定された少なくとも１つの作動温度で、別の電極と、前記２つの電極のいずれか一方の電極との間の内部抵抗を検出し、内部抵抗比からセンサタイプを推定する、請求項２に記載の方法。
5. 前記少なくとも２つの電極は、ガス混合物にさらされた外部ポンプ電極（ＡＰＥ、１３１）を有し、
   外部ポンプ電極（ＡＰＥ、１３１）と前記少なくとも２つの電極とは別の電極である測定電極（ＭＥＳ）との間のトリム抵抗（Ｒ_ｃｏｄｅ）を決定し、内部抵抗もしくは内部抵抗比と関連付けたトリム抵抗に基づいて、センサタイプを推定する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
6. 固体電解質に配置された、および／または固体電解質内に配置された少なくとも２つの電極を備え、該電極のうちの少なくとも１つの電極が少なくとも１つの拡散バリアによってガス混合物から分離されており、少なくとも１つの電極にポンプ電流が加えられるラムダセンサのタイプを検出する方法において、
   前記少なくとも２つの電極は、外部ポンプ電極（ＡＰＥ、１３１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）と、基準電極（ＲＥ，１４１）とを有し、
   外部ポンプ電極（ＡＰＥ，１３１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）との間に短絡を生成し、基準電極（ＲＥ，１４１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）との間に設定される電圧を測定し、電圧変化の変数からセンサタイプを推定することを特徴とする、ラムダセンサのタイプを検出する方法。
7. 固体電解質に配置された、および／または固体電解質内に配置された少なくとも２つの電極を備え、該電極のうちの少なくとも１つの電極が少なくとも１つの拡散バリアによってガス混合物から分離されており、少なくとも１つの電極にポンプ電流が加えられるラムダセンサのタイプを検出する方法において、
   前記少なくとも２つの電極は、外部ポンプ電極（ＡＰＥ、１３１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）と、基準電極（ＲＥ，１４１）とを有し、
   広帯域ラムダセンサの正常な作動のために必要な調整されたポンプ電流値に対して、外部ポンプ電極（ＡＰＥ，１３１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）との間の調節可能な付加的なポンプ電流値を加え、基準電極（ＲＥ，１４１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）との間の電圧変化を測定し、この電圧変化からセンサタイプを推定することを特徴とする、ラムダセンサのタイプを検出する方法。
8. センサの作動継続時間にわたって周期的に測定を行い、作動時間にわたる基準電極（ＲＥ，１４１）と内部ポンプ電極（ＩＰＥ，１３２）との間の電圧の変化に基づいてセンサの老朽化を推定する、請求項６または７に記載の方法。
9. コンピュータプログラムであって、
   コンピュータプログラムが内燃機関の制御器（１７０）で動作した場合に、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法の全てのステップを実施するコンピュータプログラム。
10. プログラムが車両のコンピュータまたは制御器（１７０）で実施された場合に、請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法を実施するために機械可読の担体に記憶されたプログラムコードを備えるコンピュータプログラム記録媒体。

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