JP5864853B2 - A method for quickly reaching the ready state of operation of a heatable exhaust gas sonde - Google Patents
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Description
本発明は加熱可能の排気ガスゾンデ、特にセラミックゾンデ、の信号準備完了状態への迅速な到達のための方法に関する。 The present invention relates to a method for the rapid arrival of a signal ready state of a heatable exhaust gas sonde, in particular a ceramic sonde.
物理的特性の確定のためのセンサ或いは測定センサは様々なやり方で用いられている。例えば内燃機関の排気ガス経路の中には、触媒や制御装置と組合わされて排気ガスの効果的な浄化を可能にする温度センサ、すすセンサ、及びガスセンサが備えられることがある。 Sensors or measurement sensors for the determination of physical properties are used in various ways. For example, an exhaust gas path of an internal combustion engine may be provided with a temperature sensor, a soot sensor, and a gas sensor that are combined with a catalyst and a control device to enable effective purification of the exhaust gas.
とりわけ、所謂ラムダセンサ或いはラムダゾンデを用いて理論的空燃比が排気ガス中でラムダ＝１に調節される。その際には燃料対空気の質量比が空気過剰率によって表される。空気過剰率ラムダと云うのは実際に供給された混合気の空気の質量を理論的混合気の場合の空気質量で除した商である。燃料がガソリンの場合燃料を完全に燃焼させるために空気過剰率１４．７が必要である。 In particular, the so-called lambda sensor or lambda sonde is used to adjust the theoretical air / fuel ratio to lambda = 1 in the exhaust gas. In that case, the mass ratio of fuel to air is expressed by the excess air ratio. The excess air ratio lambda is a quotient obtained by dividing the mass of air in the actually supplied mixture by the mass of air in the case of a theoretical mixture. When the fuel is gasoline, an excess air ratio of 14.7 is required to burn the fuel completely.
ラムダゾンデとして通常用いられているセンサは固体電解質を用いたガルバニ電荷式酸素濃度セルの原理に基づいている。セラミックはいわゆる活性化温度の時に酸素イオン伝導性となる。セラミックの両側での酸素含有量（濃度）の違いによっていわゆるネルンスト電圧が生み出される。この電圧はセラミックの両面における酸素分圧の比の対数的尺度となる。内燃機関の排気ガス中の残留酸素含有量と内燃機関に供給された混合気の空燃比との関係に基づいて、排気ガス中の酸素含有量を測定することによって内燃機関に供給された空燃比を推定することが可能となる。 A sensor commonly used as a lambda sonde is based on the principle of a galvanic charge type oxygen concentration cell using a solid electrolyte. Ceramic becomes oxygen ion conductive at the so-called activation temperature. The difference in oxygen content (concentration) on both sides of the ceramic creates a so-called Nernst voltage. This voltage is a logarithmic measure of the ratio of oxygen partial pressures on both sides of the ceramic. The air-fuel ratio supplied to the internal combustion engine by measuring the oxygen content in the exhaust gas based on the relationship between the residual oxygen content in the exhaust gas of the internal combustion engine and the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine Can be estimated.
酸素ゾンデの複数の電極の上に異なる酸素分圧が加えられると、分圧の比の対数に比例したネルンスト電圧が発生する。これ等の電極の上にこのネルンスト電圧よりも大きいか小さい電圧が印加されると、何れかの電極に向かって酸素イオン流が発生する。電極の中にある中空スペースがこれによって酸素を満たされたり或いはそこから酸素を除去されたりする。 When different oxygen partial pressures are applied on the plurality of electrodes of the oxygen sonde, a Nernst voltage proportional to the logarithm of the partial pressure ratio is generated. When a voltage higher or lower than this Nernst voltage is applied on these electrodes, an oxygen ion flow is generated toward either electrode. The hollow space in the electrode is thereby filled with oxygen or removed from it.
そこでいわゆるワイドバンドラムダセンサは、第一の電極対が、一つの電極が排気ガスに曝される様に、配置される様に作られている。もう一方の電極は、排気ガスと拡散バリヤを介して接続されている中空スペース（測定ガススペース）の中に配置されている。第二の電極対のもう一つの電極も又この中空スペースの中に配置されている。第二の電極対の中のこの第二の電極は基準ガススペースの中に外気と触れる様に配置されている。第二の電極対の上で測定可能な電圧はネルンスト電圧として測定ガススペース中の酸素分圧の尺度となる。比較器がこのネルンスト電圧を目標電圧と比較して、第一の電極対の間の電圧が中空スペースからの酸素の取出し或いは供給に基づいて前もって定められている目標電圧に等しくなるまで調節される。その際この調節のための操作値として必要なポンプ電流（以下、主ポンプ電流ＩＡと呼ぶ）が排気ガス中の酸素濃度の尺度となる。 Therefore, a so-called wide band lambda sensor is made such that the first electrode pair is arranged so that one electrode is exposed to the exhaust gas. The other electrode is disposed in a hollow space (measurement gas space) connected to the exhaust gas via a diffusion barrier. The other electrode of the second electrode pair is also arranged in this hollow space. This second electrode in the second electrode pair is arranged in contact with the outside air in the reference gas space. The voltage measurable on the second electrode pair is a measure of the partial pressure of oxygen in the measurement gas space as the Nernst voltage. A comparator compares this Nernst voltage with a target voltage and is adjusted until the voltage between the first electrode pair is equal to a predetermined target voltage based on the removal or supply of oxygen from the hollow space. . At that time required pump current as operation value for the adjustment (hereinafter, referred to as the main pump current I A) is a measure of the oxygen concentration in the exhaust gas.
基準ガススペースには低い持続的な基準ポンプ電流によって酸素が供給される。これによって対流が生み出され、この対流が、基準ガススペースの中へ例えばエンジンルームから、ネルンスト電圧を変化させる恐れのあるガスや“電極毒”が侵入するのを防止する。基準ポンプ電流が低く保たれていると、ネルンスト電圧はほんの僅かしかその影響を受けない。 The reference gas space is supplied with oxygen by a low continuous reference pump current. This creates convection, which prevents the entry of gases and “electrode poisons” that can change the Nernst voltage into the reference gas space, for example from the engine room. If the reference pump current is kept low, the Nernst voltage is only slightly affected.
センサ機能のために必要な酸素イオン流はゾンデのセラミックが一定の温度であることを前提としている。この温度の下側ではイオン流が不十分であり、従ってセンサ信号は連化されている。従って、利用可能なセンサ信号が得られる様になる前に、ゾンデを定められた温度、いわゆる目標温度或いは公称温度、まで加熱することが必要である。セラミックゾンデの基準温度は一般に６５０℃と８５０℃の間の領域内にある。周囲条件の如何に係わらずこの公称温度に到達することが出来る様にするために、ゾンデは電気的に加熱される。このために例えばセンサの中に、例えばプラチナ製の、内蔵ヒータが備えられている。 The oxygen ion flow required for the sensor function assumes that the sonde ceramic is at a constant temperature. Below this temperature, the ion flow is inadequate and therefore the sensor signal is linked. It is therefore necessary to heat the sonde to a defined temperature, the so-called target or nominal temperature, before an available sensor signal can be obtained. The reference temperature of the ceramic sonde is generally in the region between 650 ° C and 850 ° C. In order to be able to reach this nominal temperature regardless of the ambient conditions, the sonde is heated electrically. For this purpose, a built-in heater, for example made of platinum, is provided in the sensor, for example.
酸素イオン導体の上に配置された二つの電極の間の内部抵抗はゾンデの温度の尺度であり、ヒータの制御のために利用することが出来る。ゾンデの出来るだけ早期の応答を又それによって、出来るだけ早期に利用可能な測定信号を手に入れるために、センサの迅速な加熱が必要である。迅速な信号利用可能性は排気ガス基準の順守のために必要である。センサ信号は、例えば既に説明された内部抵抗が前もって定めておくことの出来る目標値を割り込み且つそれによって前もって定めておくことの出来る温度、とりわけゾンデの基準温度、が到達されていると云うことがされた時に、有効であるとして送り出されると云うことが知られている。一般に内部抵抗が前もって定めておくことの出来る閾値を割り込んだ時に、初めて主ポンプ電流と基準ポンプ電流がスイッチオンされる。 The internal resistance between the two electrodes placed on the oxygen ion conductor is a measure of the temperature of the sonde and can be used to control the heater. In order to obtain the earliest possible response of the sonde and thereby the measurement signal available as early as possible, rapid heating of the sensor is necessary. Rapid signal availability is necessary for compliance with exhaust emission standards. It can be said that the sensor signal, for example, has interrupted a target value which can be determined in advance by the already described internal resistance and thereby has reached a temperature which can be determined in advance, in particular the reference temperature of the sonde. It is known to be sent out as valid when done. Generally, the main pump current and the reference pump current are switched on for the first time when the internal resistance has interrupted a predetermined threshold.
内部抵抗はゾンデの加熱の間に、一般にメガオームの領域内でスタートし、数１０乗にわたって変化する。その制御目標値は一般に１００オームの領域内にある。目標値を正確に調節することが出来る様にするために、分解能上の理由から目標値を中心とした狭い領域が用意されるべきである。それによって内部抵抗は加熱の開始時には測定不能となる。 The internal resistance starts during the heating of the sonde, typically in the megaohm region and varies over several tens of powers. The control target value is generally in the region of 100 ohms. In order to be able to adjust the target value accurately, a narrow area centered on the target value should be prepared for resolution reasons. As a result, the internal resistance is not measurable at the start of heating.
ゾンデの加熱段階では燃焼の際に水蒸気が発生し、この水蒸気が排気ガス経路の冷たい表面の上に凝縮する。そこで水滴が熱いセンサ表面に当たると、局所的な温度差が高過ぎる熱電圧を生じさせ、この電圧がゾンデの破壊を引き起こすことがある。この現象はいわゆる“熱衝撃（熱ショック）”と呼ばれる。 During the heating stage of the sonde, water vapor is generated during combustion, and this water vapor condenses on the cold surface of the exhaust gas path. So when a water drop hits a hot sensor surface, the local temperature difference creates a thermal voltage that is too high, which can cause the destruction of the sonde. This phenomenon is called “thermal shock”.
その様な熱ショックを排除するために、ゾンデは通常、排気ガス温度が低く従って排気ガス経路の中で水が予測される段階では、低い温度（いわゆる“保護加熱”）で作動される。この措置の欠点は、ゾンデがこの段階では作動準備完了状態にならないと云うことにある。水が最早内燃機関の排気ガス中に無い状態が到達された時に初めて、ゾンデは公称温度へ加熱される。 In order to eliminate such heat shocks, the sonde is usually operated at a low temperature (so-called “protective heating”) when the exhaust gas temperature is low and therefore water is expected in the exhaust gas path. The disadvantage of this measure is that the sonde is not ready for operation at this stage. Only when a state is reached where water is no longer present in the exhaust gas of the internal combustion engine, the sonde is heated to the nominal temperature.
公開公報 ＤＥ１０ ２００６ ０１２ ４７６ Ａ１にはセンサが先ずいわゆる耐衝撃温度へ加熱され、その際この耐衝撃温度は目標温度よりも高いと云う、センサの作動のための方法が記載されている。この方法は、耐衝撃温度ではセンサ要素の表面が非常に熱くなるので、自然に蒸気の薄膜が水滴とセンサ表面との間に形成されると云う、いわゆるライデンフロスト効果（Leidenfrosteffekt）を利用している。これによって、水滴がセンサ要素の表面に接触してセラミックに損傷を与える、と云うことが防止される。次いでセンサは、測定作動が行われる第二の温度で作動される。この第二の温度は好ましくはセンサの目標温度とする。耐衝撃温度はそれでも既にセンサの作動を可能にしている。それでも欠点となるのは、耐衝撃温度はゾンデを大きな熱機械的負荷に曝すと云うことである。センサのセラミック、例えば二酸化ジルコニウム、の熱機械的負荷は温度の上昇に伴って増加する。その機械的引っ張り強さは温度の上昇に伴って低下する。従って耐衝撃温度の加熱は恐らく熱衝撃は回避させるであろうが、センサのセラミック自体は大きな負荷を受けるので、熱機械的安定性が限られているためにゾンデが破壊されることがある。 The publication DE 10 2006 012 476 A1 describes a method for the operation of a sensor in which the sensor is first heated to a so-called impact temperature, which is higher than the target temperature. This method utilizes the so-called Leidenfrosteffekt, which means that the surface of the sensor element becomes very hot at the impact temperature, so that a thin film of vapor naturally forms between the water droplet and the sensor surface. Yes. This prevents water droplets from contacting the surface of the sensor element and damaging the ceramic. The sensor is then operated at a second temperature at which the measurement operation is performed. This second temperature is preferably the target temperature of the sensor. The shock-resistant temperature still makes it possible to operate the sensor. However, the disadvantage is that the shock-resistant temperature exposes the sonde to a large thermomechanical load. The thermomechanical load of the sensor ceramic, eg zirconium dioxide, increases with increasing temperature. Its mechanical tensile strength decreases with increasing temperature. Heating at an anti-shock temperature will therefore likely avoid thermal shock, but the sensor ceramic itself is subject to heavy loads, which may destroy the sonde due to limited thermomechanical stability.
そこで本発明は、一方では非常に迅速な信号入手可能性或いは非常に迅速なセンサ信号の発生を可能にし、又他方ではゾンデに優しい作動を保証し且つその際ゾンデの損傷を回避させる、排気ガスゾンデの作動準備完了状態の到達のための方法を課題としている。 The present invention therefore provides an exhaust gas sonde which, on the one hand, allows for very rapid signal availability or very rapid sensor signal generation, and on the other hand ensures sound-friendly operation and avoids damage to the sound. The problem is how to reach the ready state of operation.
上記の課題は請求項１のメルクマールを持つ方法によって解決される。この方法の好ましい実施態様は付属の請求項の対象となっている。 The above problem is solved by the method with Merckmar of claim 1. Preferred embodiments of the method are the subject of the appended claims.
本発明に基づく方法は、前もって定めておくことの出来る作動温度で、とりわけ前もって定めておくことの出来る内部抵抗の目標値で作動される、排気ガスゾンデ、とりわけセラミックゾンデ、の作動準備完了状態への迅速な到達のために用いられる。その際本発明によればゾンデは、第一の電圧Ｕ１よりも低い第二の電圧Ｕ２を印加される前に、第一の電圧Ｕ１の印加によってほぼ最大許容熱機械的負荷の到達まで加熱される。Ｕ１からＵ２への移行は、ジャンプとして或いは実際上単調に低下して行く電圧変化として、実施されることが出来る。次いでゾンデは、ゾンデの作動準備完了状態が到達されるまで、好ましくはランプ（傾斜路）状に高められて行く電圧を負荷される。ゾンデの作動準備完了状態或いは信号準備完了状態は、センサ信号、とりわけ主ポンプ電流ＩＡ、が劣化されなくなるか或いは利用可能となった時に、到達される。それは既に内部抵抗の目標値の到達前となることもあり得る。拡散バリヤの拡散定数の又従って主ポンプ電流の温度依存性は知られており、温度の又従って内部抵抗の指数関数を用いて記述することが出来る。その限りに於いて“劣化されていない”とか“利用可能”と云う言葉は指数関数を用いて修正された主ポンプ電流とも解釈されるべきである。 The method according to the invention leads to the ready state of operation of an exhaust gas sonde, in particular a ceramic sonde, which is operated at a predetermined operating temperature, in particular at a predetermined internal resistance target value. Used for quick arrival. Sonde according to the time the present invention, before being applied first to the second voltage U 2 is lower than the voltage U 1, approximately the maximum allowable thermal mechanical load reaching the first application of voltage U 1 Until heated. The transition from U 1 to U 2 can be implemented as a jump or as a voltage change that actually decreases monotonically. The sonde is then loaded with an increasing voltage, preferably in the form of a ramp, until the sonde is ready for operation. The operation ready state or signal ready state of the sonde is reached when the sensor signal, in particular the main pump current I A , is no longer degraded or becomes available. It may already be before the target value of the internal resistance is reached. The temperature dependence of the diffusion constant of the diffusion barrier and hence the main pump current is known and can be described using an exponential function of the temperature and thus the internal resistance. To that extent, the terms “undegraded” or “available” should be interpreted as a main pump current modified using an exponential function.
排気ガスゾンデの加熱を本発明に基づいて制御することにより非常に迅速で且つその際に作動準備完了状態のゾンデにとって優しい到達が可能となる。排気ガスゾンデの非常に迅速な信号発信が達成されるので、内燃機関の運転開始後迅速に信頼の出来る排気ガス値が把捉され、排気ガス中の有害物質の回避及び燃焼の最適化と云う観点からの燃焼の制御を行なうことが出来る。 By controlling the heating of the exhaust gas sonde according to the invention, it is possible to reach very quickly and at the same time a gentle ready for the sonde ready for operation. From the point of view that the exhaust gas sonde is signaled very quickly, the reliable exhaust gas value can be grasped quickly after the internal combustion engine is started, and harmful substances in the exhaust gas are avoided and combustion is optimized. Can be controlled.
本発明の方法の或る好ましい実施態様では第一の電圧Ｕ１の印加は前もって定めておくことの出来る時間長さにわたって行われる。この時間長さは、ゾンデのセラミックに対する熱機械的負荷が大きくなり過ぎること無しに可能最大限に迅速な加熱を達成するために、好ましくは、最大許容熱機械的負荷が用いられる様に選ばれる。ここで最大許容熱機械的負荷と云うのはゾンデのセラミックに対する損傷にまで至らない熱機械的負荷を意味している。本発明の意味における前もって定めておくことが出来且つ電圧Ｕ１の印加のための最大の時間長さは好ましくは実験的に又／或いはシミュレーションによって定められる。その際この前もって定めておくことの出来る時間長さはとりわけその時々のゾンデのセラミックに依存している；何故ならセラミックによって異なる熱機械的負荷耐性を示すからである。 Applying a first voltage U 1 in one preferred embodiment of the process of the present invention is carried out over a possible time length be kept defined beforehand. This length of time is preferably chosen such that the maximum allowable thermomechanical load is used in order to achieve the fastest possible heating without overloading the sonde ceramic. . Here, the maximum allowable thermomechanical load means a thermomechanical load that does not lead to damage to the ceramic of the sonde. Maximum time length for applying meaning advance determined it is possible and voltage U 1 keep before the of the present invention is preferably determined by experimentally addition / or simulation. The length of time that can be determined in this case depends in particular on the ceramic of the current sonde, because it exhibits different thermomechanical load resistance depending on the ceramic.
第一の電圧Ｕ１或いは第一の電圧プラトー（Ｐｌａｔｅａｕ、平坦電圧）の印加の間にゾンデの温度は急激に上昇する。ゾンデの中で最大許容熱機械的応力が到達されるや否や、それ故従ってゾンデのセラミックの中に高い温度によって生じた応力が未だゾンデの本体に損傷をもたらすまでに至っていない間に、第二のより低い電圧プラスチックトー（Ｕ２）へ切換えられる。Ｕ１からＵ２への移行は一挙に又は数段の段階を経て或いは実際上単調に低下して行く様に行われることが出来る。この段階（Ｕ２）の間にゾンデの本体の中に生じていた熱機械的応力が緩和される。続いてゾンデの作動のために必要な温度、従ってとりわけ目標温度或いはこの目標温度に対応する内部抵抗の目標値、が到達されるまで、再び電圧が高められる。第二の電圧プラスチックトーＵ２の後のこの電圧の上昇は好ましくはランプ（傾斜路）状に行われる。別の実施態様ではこの段階で電圧も連続的に引き上げられることが出来る。 First voltage U 1 or the first voltage plateau (Plateau, flat voltage) temperature sonde during application of rapidly rises. As soon as the maximum allowable thermomechanical stress in the sonde is reached, and therefore the stress caused by the high temperature in the sonde ceramic has not yet caused damage to the body of the sonde, To lower voltage plastic toe (U 2 ). The transition from U 1 to U 2 can take place at once, through several stages, or in practice monotonically decreasing. The thermomechanical stress that has occurred in the body of the sonde during this stage (U 2 ) is relieved. Subsequently, the voltage is increased again until the temperature required for the operation of the sonde, and in particular the target temperature or the target value of the internal resistance corresponding to this target temperature, is reached. This increase in voltage after the second voltage plastic toe U 2 is preferably effected in the form of a ramp. In another embodiment, the voltage can also be increased continuously at this stage.
上述の電圧は直流電圧とすることも出来るし又パルス幅変調式ヒータの実効値とすることも出来る。 The voltage described above can be a DC voltage or an effective value of a pulse width modulation heater.
作動準備完了状態の到達の後好ましくは内部抵抗の目標値の調整のための制御作動へ切換えられる。 After reaching the ready state for operation, it is preferably switched to a control operation for adjusting the target value of the internal resistance.
この発明に基づく方法の或る好ましい実施態様によればゾンデには既に加熱の間に主ポンプ電流ＩＡが印加される。ゾンデのこの主ポンプ電流ＩＡは、ワイドバンドラムダゾンデの場合、排気ガス中の酸素濃度の本来の尺度である。加熱の間にゾンデにこの主ポンプ電流を印加することによって、センサ信号が発信され得る様にポンプ電流が立上げられる前に、酸素イオンの輸送がポンプ電極を通して両方の方向に行われる。この様にすることによって、前もって定めておくことの出来る内部抵抗の目標値の到達或いは前もって定めておくことの出来る内部抵抗閾値の割り込みを待つ必要無しに、非常に迅速に信号使用可能性が達成される。 The main pump current I A between the already heated to sonde according to one preferred embodiment of the method according to the invention is applied. The main pump current I A of the sonde case of wideband lambda probe, which is an original measure of the oxygen concentration in the exhaust gas. By applying this main pump current to the sonde during heating, oxygen ions are transported in both directions through the pump electrode before the pump current is raised so that a sensor signal can be transmitted. In this way, signal availability is achieved very quickly without having to wait for a predetermined internal resistance target value to be reached or to interrupt a predetermined internal resistance threshold. Is done.
本発明に基づく方法の別の好ましい実施態様では基準ポンプ電流が既に加熱の間にスイッチオンされ、その結果ゾンデは非常に迅速に作動準備完了状態となり又信号は非常に迅速に内燃機関の制御のために利用出来る様になる。基準ポンプ電流を早期にスイッチオンすると、ポンプ電流は希薄な排気ガスと理論空燃比（ストイキ）の排気ガスの中で符号交替を行なう様になる。このことは診断の手掛りとして利用することが出来る。符号交替は、酸素ポンプセルが働いていることを示す。この診断の手掛りは技術水準から知られている方法の場合には得られない；何故なら技術水準から知られている方法の場合にはポンプ電流は本質的に理論空燃比の排気ガスの場合でしか流れず、その時主ポンプ電流はほぼゼロだからである。 In another preferred embodiment of the method according to the invention, the reference pump current is already switched on during heating, so that the sonde is ready for operation very quickly and the signal is very quickly controlled of the internal combustion engine. So that it can be used. When the reference pump current is switched on at an early stage, the pump current is subjected to code change between the lean exhaust gas and the stoichiometric exhaust gas. This can be used as a clue for diagnosis. The sign change indicates that the oxygen pump cell is working. This diagnostic clue cannot be obtained in the case of the method known from the state of the art; in the case of the method known from the state of the art, the pump current is essentially in the case of stoichiometric exhaust gas. This is because the main pump current is almost zero at that time.
本発明に基づく方法の或るとりわけ好ましい実施態様ではゾンデ信号の発信は主ポンプ電流ＩＡ及び／又はネルンスト電圧ＵＮ及び／又はゾンデのポンプ電圧Ｕｐに依存して、好ましくは主ポンプ電流ＩＡ及び／又はネルンスト電圧ＵＮ及び／又はゾンデのポンプ電圧Ｕｐの時間的変化の中における少なくとも一つの特徴的なポイントの出現に時間的に依存して、行われる。ここで特徴的ポイントと云うのは、とりわけそれぞれの変化のフランク勾配の最小値及び／又は最大値及び／又は前もって定めておくことの出来る目標値である。ゾンデ信号は好ましくは、これ等の特徴的なポイントの何れかの到達の後前もって定めておくことの出来る時間長さΔｔが経過した時に発信される。主ポンプ電流ＩＡ、ネルンスト電圧ＵＮ、及びポンプ電圧Ｕｐはこの発明に基づく方法の実施の間にそれぞれ特徴的な動きをするので、例えば変化のフランク勾配の最小値及び／又は最大値及び／又は前もって定めておくことの出来る目標値の到達と時間的に結合することによって作動準備完了状態を認知し又ゾンデ信号を発信させることが出来る。その際には、ポンプ電流Ｕｐは予想される通り主ポンプ電流ＩＡ及び／又はネルンスト電圧ＵＮ及び／又はゾンデのポンプ電圧Ｕｐの変化の特徴的なポイントから一定の時間間隔を置いて立上げられるので、ゾンデの劣化の無い或いは利用可能の信号が得られる、と云うことが利用される。 Transmission of probe signals in certain particularly preferred embodiment of the method according to the present invention is dependent on the primary pump current I A and / or Nernst voltage U N and / or pump voltage sonde Up, preferably predominantly the pump current I A and / or temporally dependent on the occurrence of at least one characteristic point of the inside of the temporal change in Nernst voltage U N and / or pump voltage sonde Up, is performed. The characteristic points here are, inter alia, the minimum and / or maximum flank gradient of each change and / or a target value that can be predetermined. The sonde signal is preferably emitted when a predetermined length of time Δt has elapsed after the arrival of any of these characteristic points. The main pump current I A , the Nernst voltage U N , and the pump voltage Up each have a characteristic behavior during the implementation of the method according to the invention, so that, for example, the minimum and / or maximum value of the flank gradient of change and / or Alternatively, a ready state can be recognized and a sound signal can be generated by temporally combining the target value that can be determined in advance. At that time, pump current Up is expected as main pumping current I A and / or Nernst voltage U N and / or pump voltage characteristic points from a fixed raised at a time interval of the change in Up sonde Therefore, it is used that a signal without deterioration of the sonde or usable can be obtained.
ゾンデに第一の電圧Ｕ１が印加される前にゾンデが加熱されると有利となり得る。そのためにゾンデには第一の電圧Ｕ１の印加前に、第二の電圧Ｕ２よりも低い第三の電圧Ｕ３が印加される。予備加熱段階は、これによってゾンデ本体に対する熱機械的負荷が更に低減されると云う利点を持っている；何故なら目標温度との差がより小さくなるからである。 Sonde can be advantageous when it is heated prior to the first voltage U 1 is applied to the sonde. For this purpose, the third voltage U 3 lower than the second voltage U 2 is applied to the sonde before the application of the first voltage U 1 . The preheating stage has the advantage that this further reduces the thermomechanical load on the sonde body, since the difference from the target temperature is smaller.
本発明は更に、演算装置或いは制御装置の上で走らされると、上述の本発明に基づく方法の全てのステップを実行するコンピュータプログラムを含んでいる。最後に本発明は、このプログラムがコンピュータ或いは制御装置の上で実行されると、この発明に基づく方法を実施するための、機械読み取り可能な媒体の上に記録されたプログラムコードを備えたコンピュータプログラム製品を含んでいる。制御装置と云うのは例えば内燃機関の制御装置に関しているが、それだけではなく例えば、ゾンデの加熱の（開ループ及び閉ループ）制御を行なう、ゾンデの制御装置の中のその他の電子ユニットにも関している。本発明をコンピュータプログラムとして或いはコンピュータプログラム製品として実現することは、この発明に基づくプログラムを、他のシステムコンポーネントを必要とすること無しに既存の自動車の中に実装することが出来ると云う利点を持っている。 The invention further includes a computer program that, when run on a computing device or control device, executes all the steps of the method according to the invention described above. Finally, the present invention relates to a computer program comprising program code recorded on a machine-readable medium for carrying out the method according to the present invention when the program is executed on a computer or control device. Includes products. For example, the control device relates to a control device for an internal combustion engine, but it also relates to other electronic units in the control device of the sonde, for example, which controls the heating (open loop and closed loop) of the sonde. Yes. Realizing the present invention as a computer program or a computer program product has the advantage that the program according to the present invention can be implemented in an existing vehicle without the need for other system components. ing.
本発明のその他のメルクマール及び利点は実施例の、図面と関連させた以下の説明から明らかとなる。その際様々なメルクマールはそれぞれ単独で或いは互いに組み合わせて実現されることが出来る。 Other Merckmar and advantages of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment, taken in conjunction with the drawings. In this case, various Merck Mars can be realized individually or in combination with each other.
図１は、本発明に基づく方法をゾンデに印加される電圧ＵＨ、ｅｆｆの時間的変化を用いて示している。場合によっては段階１における低い電圧Ｕ３、例えば＜６ボルト、でのゾンデの予備加熱の後に時点ｔ＝０でゾンデの本来の加熱がスタートされる。ゾンデは段階２で第一の電圧プラトー（ｐｌａｔｅａｕ、平坦電圧）Ｕ１を印加される。その際にゾンデの温度は急激に上昇する。ゾンデは、ゾンデの最大許容熱機械応力が到達されるまで、電圧Ｕ１で加熱される。ゾンデに第一の電圧Ｕ１を印加する最長の時間ｔｍａｘは好ましくは実験的に或いはシミュレーションによって求められる。その際ｔｍａｘは、それをオーバーするとゾンデの本体に損傷をもたらす恐れのある時間長さを表している。従って電圧Ｕ１、それ故ｔｐｌａｔｅａｕ１、の印加時間長さはｔｍａｘよりも短く選ばれる。次いで段階３でより低い第二の電圧プラトーＵ２へ切換えられる。この段階３は例えば１秒から５秒までの間、好ましくは１．５秒、保持されるものとする。電圧の引下げによって、もたらされる加熱出力は低減される。この時間の間に全での本体の中で熱機械的応力は緩和される。次いで段階４では、ゾンデの作動準備完了状態が達成されるまで、電圧がランプ（傾斜路）状に引き上げられる。電圧のこのランプ状の引き上げは例えば０．２Ｖ／ｓから１Ｖ／ｓまで、好ましくは０．３Ｖ／ｓ、で行われる。好ましくは内部抵抗の目標値の近くに選ばれる、内部抵抗の閾値が到達されるか或いは割り込まれるや否や（時点５）、好ましくはゾンデ温度の調節作動へ切換えられ、内部抵抗＝目標値が調節される。
FIG. 1 shows the method according to the invention with the temporal variation of the voltages U H and eff applied to the sonde. In some cases, after the preheating of the sonde with a low voltage U 3 in stage 1, for example <6 volts, the original heating of the sonde is started at time t = 0. The sonde is applied with a first voltage plateau U 1 in
排気ガスゾンデの作動のためのこの本発明に基づく方法は排気ガスゾンデの非常に迅速で且つゾンデに優しい加熱と、ゾンデ信号の非常に迅速な利用可能性をもたらす。第一の電圧プラトー（段階２）、第二の電圧プラトー（段階３）、及び電圧ランプ（段階４）はそのためにイベント制御及び時間制御されて（事象と時間とに基づいて制御されて）ヒータに対して印加される。好ましくは主ポンプ電流ＩＡは既に加熱のスタート時にスイッチオンされてポンプ基準電流が印加されるので、ゾンデ信号は非常に迅速に生成されることが出来る。 This method according to the invention for the operation of an exhaust gas sonde results in a very quick and sound friendly heating of the exhaust gas sonde and a very quick availability of the sound signal. The first voltage plateau (stage 2), the second voltage plateau (stage 3), and the voltage ramp (stage 4) are therefore event controlled and time controlled (controlled based on event and time) heater. To be applied. Preferably Since main pump current I A pump reference current is applied is switched on already at the start of heating, probe signal can be very quickly produced.
本発明に基づく方法は様々なガス組成の下で又様々な酸素濃度の下でセンサ信号を発信させるために用いられる。本方法は、例えばゾンデの温度の尺度としての内部抵抗の信号が測定可能になるのを待つ必要無しに、可能な最も早い時点でのゾンデ信号の発信を可能にする。 The method according to the invention is used to generate sensor signals under various gas compositions and under various oxygen concentrations. The method allows the sending of the sonde signal at the earliest possible time, without having to wait for the internal resistance signal to be measurable, for example as a measure of the temperature of the sonde.
図２は本発明に基づく方法による（理論空燃比条件の代表としての）湿った窒素の中でのゾンデ作動の際のゾンデの第二の電極対の主ポンプ電流ＩＡ、ネルンスト電圧ＵＮ及びゾンデの第一の電極対のポンプ電圧Ｕｐの代表的な変化を示している。１μＡから１００μＡまでの間、例えば２０μＡ、の基準ポンプ電流が高オームの抵抗ＲＲｅｆを介して、例えば、バッテリ電圧例えば５Ｖの、電源ＵＰｒｅｆを用いて印加される。 FIG. 2 shows the main pump current I A , the Nernst voltage U N and the second electrode pair of the sonde during sonde operation in wet nitrogen (as representative of the stoichiometric air-fuel ratio condition) according to the method according to the invention. A representative change in the pump voltage Up of the first electrode pair of the sonde is shown. A reference pump current of 1 μA to 100 μA, for example 20 μA, is applied via a high-ohmic resistor R Ref using a power supply U Pref , for example of a battery voltage of 5 V, for example.
ゾンデの本体が冷たい時には第二の電極対の電極間の内部抵抗はＲＲｅｆよりも明らかに高く殆ど全ての電圧ＵＰｒｅｆが第二の電極対の上に掛かっている。比較器は制御偏差を取り除こうとして、第一の電極対のポンプ電圧Ｕｐをそのマイナスの最小値まで低下させる。これによって酸素が測定ガススペースの中へ汲み込まれる。その際主ポンプ電流ＩＡはマイナスとなる。ゾンデの本体は更に温められて行くので、第二の電極対の内部抵抗は、この内部抵抗がはっきりとＲＲｅｆを割り込み且つ発生したネルンスト電圧ＵＮが支配的となるまで、更に低オーム化されて行く。このことが比較器に対して、過度に多くの酸素が測定ガススペース内にあると云うことを伝える。その結果ポンプ電圧Ｕｐがプラスへ切換えられる。同じことが主ポンプ電流ＩＡの方向についても当てはまり、この電流も又プラスの領域へ切換えられる。短い時間の後でネルンスト電圧ＵＮの制御状態が達成されるので、ゾンデ要素は定常的な平衡状態となり、信号利用可能性が得られる。 When the body of the sonde is cold, the internal resistance between the electrodes of the second electrode pair is clearly higher than R Ref and almost all voltage U Pref is applied on the second electrode pair. The comparator attempts to remove the control deviation and reduces the pump voltage Up of the first electrode pair to its negative minimum value. As a result, oxygen is pumped into the measuring gas space. At that time the main pumping current I A becomes negative. Since the body of the sonde go into further warmed, the internal resistance of the second electrode pair to a Nernst voltage U N of the internal resistance was clearly the R Ref interrupt and occurs is dominant, is further low-resistance reduction Go. This tells the comparator that too much oxygen is in the measurement gas space. As a result, the pump voltage Up is switched to positive. The same is true for the direction of the main pump current I A, this current also also switched to the positive territory. Since the control state of the Nernst voltage U N is achieved after a short time, the sonde element becomes steady equilibrium, signal availability is obtained.
基準ポンプ電流を早期にスイッチオンすると、ポンプ電流は希薄な排気ガスと理論空燃比（ストイキ）の排気ガスの中で（プラスとマイナスの）符号交替を行なう様になる。このことは診断の手掛りとして利用することが出来る。符号交替は、酸素ポンプセルが正しく働いていることを示す。 If the reference pump current is switched on at an early stage, the pump current undergoes a sign change (plus and minus) between the lean exhaust gas and the stoichiometric exhaust gas. This can be used as a clue for diagnosis. The sign change indicates that the oxygen pump cell is working correctly.
次の表１はネルンスト電圧ＵＮ、ポンプ電圧Ｕｐ、及び主ポンプ電流ＩＡの変化中に於ける最小値と最大値並びにフランク勾配の目標値への様々な到達時点をまとめたものである。 Table 1 below summarizes Nernst voltage U N, pump voltage Up, and various arrival time of the target value of the minimum and maximum values as well as flank gradient in during the change of the main pump current I A.
最初の添え字はそれぞれその時々の変化の特徴的ポイントを示している。その際１は最小値、２はフランク勾配、又３は最大値を意味している。二番目の添え字はそれぞれ調べられた信号を示しており、その際０はＩＡ、１はＵｐ、又２はＵＮを意味している。 Each of the first subscripts indicates a characteristic point of change from time to time. In this case, 1 means a minimum value, 2 means a flank gradient, and 3 means a maximum value. The second subscript indicates the signal examined, respectively, where 0 I A, 1 is Up, also 2 means the U N.
様々な最小値と最大値への到達並びに前もって定めておくことの出来るフランク勾配への到達の時間に応じて第一の電圧プラトーＵ１の長さが選ばれる。好ましくは、これ等のイベント（事象）、即ち最小値、最大値、或いはフランク勾配の目標値、の中の何れかへの到達から前もって定めておくことの出来る時間差の後で第二の電圧プラトーＵ２へ切換えられる。 The length of the first voltage plateau U 1 is chosen according to the time of reaching various minimum and maximum values and reaching a pre-determined flank gradient. Preferably, the second voltage plateau after a time difference that can be predetermined from reaching any of these events, ie the minimum value, the maximum value, or the target value of the flank gradient. It is switched to the U 2.
次の表２は、表１から、何れかのイベント（０，１，２）への到達からの時間差Δｔ１、ｉ（ｉ＝０，１，２）をまとめたものである。従ってここに示されている時間差Δｔ１、ｉの後に第二の電圧プラトーへ切換えられる。 Table 2 below summarizes the time difference Δt 1, i (i = 0 , 1, 2) from the arrival of any event (0, 1, 2) from Table 1. Therefore, after the time difference Δt 1, i shown here, the second voltage plateau is switched.
図３は再び主ポンプ電流ＩＡの時間的変化の抜粋を示している。更にヒータに対して印加される電圧ＵＨが示されている。この図はラムダ＝１．０の場合に当てはまる。ゾンデに第一の電圧Ｕ１を掛けると主ポンプ電流ＩＡがマイナスの領域へ低下する。ゾンデの本体の加熱に伴って主ポンプ電流ＩＡの方向は上に説明された様にプラスの領域へ向かって逆転される。主ポンプ電流ＩＡの最小値ｔ１，０に応じて、前もって定めておくことの出来る時間差Δｔ１，０の後より低い電圧Ｕ２へ切換えられる。 Figure 3 is again an excerpt temporal variation of the main pump current I A. Further there is shown a voltage U H which is applied to the heater. This figure applies when lambda = 1.0. The main pump current I A Multiplying the first voltage U 1 is lowered to the negative region sonde. Direction of the main pump current I A with the heat of the sonde body is reversed toward the positive region as described above. Depending on the minimum value t 1, 0 of the main pump current I A, it is switched to a lower voltage U 2 than after the time difference Delta] t 1, 0 that can keep established beforehand.
主ポンプ電流ＩＡはしかしながらその最大値に到達した後ゼロレベルには低下しない。もっと正確に云えば肩（勾配がゼロに近い部分）３１が観察される。この肩３１は時間差Δｔ１，ｉ（ｉ＝０，１，２）の適当な選択によって抑制することが出来る。肩３１の抑制による主ポンプ電流ＩＡの最適な動きはここでは破線によって示されている。遅くとも主ポンプ電流ＩＡの変化が前もって定めておくことの出来る許容域３２内へ入る時には、ゾンデ信号が発生される。とりわけ好ましいやり方によればこの信号の発生は、上述のイベント（最小値、最大値、及び/又はフランク勾配）の何れかと時間的に結合されることが出来る。するとこの信号の発生３３は例えば時間差Δｔ２，ｉ（ｉ＝０，１，２）の後に行われることが出来る。図３に示されている例は時間長さΔｔ２，０、即ち主ポンプ電流ＩＡの時間的変化のフランク勾配に関する目標値の達成の後の前もって定めておくことの出来る時間長さ、の経過と同時の信号の発生を示している。
The main pump current I A is however not drop to zero level after reaching its maximum value. More precisely, a shoulder (a portion where the gradient is close to zero) 31 is observed. The shoulder 31 can be suppressed by appropriate selection of the time difference Δt 1, i (i = 0 , 1, 2). Optimum motion of the main pump current I A by suppressing the shoulder 31 is indicated by dashed lines here. At the latest when a change of the main pump current I A falls into the
本方法は又他のガス組成及びそれと結びついている他の酸素濃度の下でのセンサ信号の発生のためにも用いることが出来る。信号の発生は内部抵抗の所定の目標値が到達されて制御運転３４へ切換えられる時点の前に行われることが出来る。本発明に基づく方法は、例えば内部抵抗信号の測定可能性を待つ必要無しに、可能最速の時点でのゾンデ信号の発生を可能にする。更に本発明に基づく方法は第一の電極対の両方のポンプ方向のテストを可能にするので、ポンプ能力をとりわけポンプ電圧Ｕｐの変化に基づいて追求し又もしあればゾンデの異常な挙動を検知し且つ場合によっては信号で知らせることが出来る。
The method can also be used to generate sensor signals under other gas compositions and other oxygen concentrations associated therewith. The generation of the signal can take place before the time when the predetermined target value of the internal resistance is reached and the
１ 段階１。低い電圧でのゾンデの予備加熱
２ 段階２。第一の電圧プラトーの印加
３ 段階３。より低い第二の電圧プラトーへの切換え
４ 段階４。ゾンデの作動準備完了状態が達成されるまで、電圧のランプ（傾斜路）状の引き上げ
５ 時点５。内部抵抗の閾値の到達或いは割り込みに応じてゾンデ温度の調節作動への切換え
３１ 肩（グラフの勾配がゼロに近い部分）
３２ 許容域
３３ ゾンデ信号の発生
３４ 制御運転
ＩＡ 主ポンプ電流
ｔ＝０ ゾンデの本来の加熱のスタート時点
ｔｍａｘ ゾンデに第一の電圧Ｕ１を印加する最長の時間。オーバーするとゾンデの本体に損傷をもたらす恐れのある時間長さ
Ｕ１ 第一の電圧
Ｕ２ 第二の電圧
Ｕ３ 第三の電圧
ＵＨ ヒータに印加される電圧
ＵＨ、ｅｆｆ ゾンデに印加される電圧
ＵＮ ネルンスト電圧
Ｕｐ ポンプ電圧
1 Stage 1. Preheating the sonde at
32
Claims (11)
ゾンデが最大許容熱機械的負荷の到達まで第一の電圧Ｕ１（２）の印加によって加熱され、
次いでこの第一の電圧Ｕ１（２）より低い第二の電圧Ｕ２（３）を印加され、
前記第二の電圧Ｕ ２ （３）は１秒から５秒の間保持され、
続いて作動準備完了状態が到達されるまで、０．２Ｖ／ｓから１Ｖ／ｓの傾きを持つランプ状に高められて行く電圧（４）を印加される、
ことを特徴とする方法。 In a method for quickly reaching the ready state of operation of an exhaust gas sonde that can be heated at a predetermined operating temperature,
Sonde is heated by the application of the first voltage U 1 until reaching the maximum allowable thermal mechanical load (2),
A second voltage U 2 (3) lower than this first voltage U 1 (2) is then applied,
The second voltage U 2 (3) is held for 1 to 5 seconds,
Until subsequently ready for operation is reached, it is applied to the lamp shape elevated going voltage (4) with a slope of 0.2V / s from 1V / s,
A method characterized by that.
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