JP5883929B2 - ガスセンサの加熱装置を作動させる装置、方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱装置と作用接続された／作用接続可能である、動作電流を提供する少なくとも１つの出力最終段を有する、ガスセンサの、特に自動車のラムダセンサの加熱装置を作動させる装置に関する。

さらに本発明は、加熱装置と作用接続される、動作電流を提供する少なくとも１つの出力最終段を有する、特に上に記載されている、ガスセンサの加熱装置を作動させる装置を作動させる方法に関する。

冒頭に述べたような種類の装置および方法は、従来技術から知られている。ガスセンサ、特にいわゆるラムダセンサは、通常、排ガスの酸素含有量を測定するために、自動車の排ガスシステムで利用される。このとき酸素含有量の最善の測定のためには、ラムダセンサが特定の温度まで加熱されなければならない。そのためにガスセンサないしラムダセンサには、少なくとも１つの出力最終段を通じて制御される加熱装置が付属している。通常、出力最終段は自動車のコントロールユニットの構成要素である。

さまざまな型式のラムダセンサが知られている。特に、出力の大きい加熱装置が付属する、ないしは付属していなければならない、広帯域ラムダセンサ（ＬＳＵ）や、これよりも出力が低い加熱装置を有する、簡素に構成された低コストのジャンププローブ（ＬＦＳ）が当業者に知られている。どのような型式のラムダセンサが組み付けられているかに応じて、出力最終段の出力を選択しなければならない。公知の出力最終段は、最大に通電されたときの挙動、ないしは最大限要求される出力のときの挙動の点で区別される。ターンオフ式の最終段がターンオフされるのは、その動作電流が設定可能な電流値に達したときである。制限式の出力最終段は、設定可能な最大値に動作電流を制限する。ラムダセンサは、通常、その加熱抵抗に関して正の温度応答をもつ特性曲線を有しているので、温度が低いときには低い抵抗を有しており、温度が高いときには高い抵抗を有している。

特に定格出力を正確に有する加熱装置の動作は、排ガスを生成する内燃機関が始動してから、ラムダセンサの上流側で液体が気化するまで（露点）の、特にいわゆる保護加熱段階のときに重要である。保護加熱段階では、ラムダセンサがたとえば３００℃を超えて加熱されてはならない。そうしないとラムダセンサの高温セラミックでの水滴の発生が、熱衝撃損傷につながりかねないからである。しかし、ラムダセンサないしガスセンサのセラミックに存在する水が気化できるようにするために、加熱装置はラムダセンサを十分に高温にしなければならない。そうしないと、露点の到達後に加熱装置が完全にターンオンされたときに、爆発的な気化が同じく損傷につながる恐れがある。このように、少なくとも１つの出力最終段によって提供される加熱装置の加熱出力は、保護加熱段階のときに低くはあるが、たとえば最終段のターンオフによって低すぎるところまで降下してはならない。低い加熱出力は、出力最終段の制御にあたって低いデューティ比によって具体化される。しかしながら、短い保護加熱段階中に高い電流が流れるので、加熱装置がガスセンサの希望される動作温度を調整する前に、最大の電流に達して最終段がターンオフされることが考えられる。

本発明による装置は、請求項１の構成要件によって特徴づけられる。本装置は、ガスセンサの、特に広帯域ラムダセンサの加熱装置の確実な動作を、簡単かつ低コストな仕方で可能にする。本装置は、互いに並列につながれた少なくとも２つの出力最終段が設けられており、第１の出力最終段はその動作電流が設定可能な動作電流に達するとターンオフされ、第２の出力最終段はその動作電流を設定可能な最大値に制限することを特徴としている。つまり本発明では、互いに並列につながれ、それぞれ異なる特性を有する少なくとも２つの出力最終段が、加熱装置を作動させるために設けられている。両方の出力最終段は、等しい最大の最終出力を出すように構成されているのが好ましい。両方の出力最終段は、加熱装置に供給される動作電流を供給する。ターンオフ式の出力最終段の動作電流が設定可能な電流値に達すると、この出力最終段はターンオフされる。そして、最大電流を制限する別の出力最終段の出力が引き上げられて、ターンオフされた出力最終段のために不足する出力が補われるようにされるのが好ましい。そのために場合により、別の出力最終段の最大値が相応に引き上げられ、それにより、希望される全体出力が加熱装置のために提供される。ターンオフ式の出力最終段は引き続いて恒常的にターンオフされているのではなく、特に新たなパルスまたはサイクルのたびに再びターンオンされるのが好ましい。

本発明の１つの好ましい発展例では、本装置は出力最終段を作動させるための制御装置を有している。制御装置は、それぞれの出力最終段の動作状態を検出し、ただし少なくともターンオフ式の出力最終段の動作状態を検出し、検出された動作状態に依存して別の出力最終段を作動させるように構成されているのが好ましい。そのために制御装置は相応の検出手段と接続可能であり、またはこれを有している。さらに制御装置は、特に、検出された情報を処理するため、および出力最終段を制御するためのマイクロプロセッサを含んでいる。

さらに、制御装置は第２の出力最終段を、第１の出力最終段がターンオフされたときにいっそう高い動作出力を出すように制御することが意図されるのが好ましい。すでに上で述べたとおり、第１の出力最終段が停止ないしターンオフされたとき、第２の出力最終段の動作出力が引き上げられるのが好ましい。特に第２の出力最終段の動作出力が、第１の出力最終段の停止した動作出力を補う程度まで引き上げられると、加熱装置が必要な全体動作出力を提供して、ガスセンサが希望どおりの動作温度に達することが保証される。

上に説明した装置を作動させる本発明の方法は、請求項４の構成要件によって特徴づけられる。このとき、第１および第２の出力最終段の動作電流が検出され、第１の出力最終段は設定可能な電流値に達するとターンオフされ、第２の出力最終段の動作電流は設定可能な限界値に制限されることが意図される。それにより、装置についてすでに上に説明した利点がもたらされる。

第２の出力最終段は、第１の出力最終段がターンオフされたとき、第２の出力最終段がいっそう高い動作出力を出すように制御されるのが好ましい。第２の出力最終段は、第１の出力最終段の停止した動作出力を補うように制御されるのが特に好ましく、それにより、希望どおりの全体動作出力が加熱装置に引き続き提供される。

本発明の１つの好ましい発展例では、出力最終段の出力は、すなわち第１の出力最終段および第２の出力最終段の出力は、設定可能なデューティ比での特に半導体スイッチの周期的なターンオンとターンオフによって調整されることが意図される。半導体スイッチによる、特にいわゆるブリッジ回路または並列回路による出力最終段の動作は、当業者には一般に周知であり、したがってここで詳しく説明することはしない。動作電流が設定可能な電流値に達したために第１の出力最終段がターンオフされると、希望される全体出力を維持するために、残りの第２の出力最終段でデューティ比を適合化しなければならない。同じ全体出力を維持するために、特に電流が半分になったときには、残りの出力最終段が４倍のデューティ比で制御されなくてはならない。

そのために、第１の出力最終段がターンオフされると、出力最終段が活動化したときにターンオン段階で流れる電流に対する、出力最終段が活動化したときにターンオン段階で流れる電流と、ターンオフ値に相当する電流との合計の比率の２乗に相当する係数だけ、第２の出力最終段のデューティ比が引き上げられることが意図されるのが好ましい。

ターンオン段階では残りの出力最終段のデューティ比が係数４だけ引き上げられるのが特別に好ましく、それは上で説明したように、加熱装置のために同じ全体動作出力を維持するためである。

全体として本発明により、保護加熱段階における加熱装置の確実な動作を簡単かつ低コストな仕方で可能にする、ガスセンサないしガスセンサに付属する加熱装置の動作が可能となる。これに加えて、好ましい装置およびその動作によって、ターンオフ式の出力最終段よりも高いコスト要因である電流制限式の最終段をいっそう多く、他の用途のためにコントロールユニットで利用できることが実現される。本発明は、ガスセンサ、（上述のように）特に広帯域ラムダセンサが用いられる用途でも、低コストの出力最終段（ターンオフ式の型式）を利用できるようにすることに貢献する。それにより、制御装置ないし本装置に要するコストを削減することができる。

次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

加熱装置を作動させる装置を簡略化したブロック図で示す図である。

図面は、特に自動車の排ガスシステムに設けることが可能な、ないしは設けられている、ガスセンサ３の加熱装置２を作動させるための、本図では破線で囲んである装置１を簡略化した図で示している。ガスセンサはラムダセンサ４として構成されており、特に広帯域ラムダセンサとして構成されている。ラムダセンサ４は、ラムダセンサ４の温度管理のために利用され、機械的な損傷を防止する、ここには詳しくは図示しないセラミック体を有している。通常、セラミック体は排ガス流の中に位置しており、その酸素含有量がラムダセンサ４によって検出されることが意図される。効率的な測定を可能にするために、ラムダセンサ４には、特にセラミック体には、加熱装置２が付属しており、この加熱装置がラムダセンサを、特にラムダセンサのセラミック体を、設定可能な特定の温度に合わせて制御する。

加熱装置を作動させるために、装置１は、互いに並列につながれ、共通の回線７を介してエネルギー源と接続された２つの出力最終段５，６を含んでいる。当然ながら、出力最終段５，６が別々の回線を介してエネルギー源と接続されており、ないしは接続可能であることも考えられる。エネルギー源はここでは装置１の構成要素をなしていてよいが、たとえば装置１を有する自動車のエネルギー蓄積器として、別個に設けられているのが好ましい。さらに出力最終段５，６は、共通の回線を介して加熱装置２と接続されている。同様に、加熱装置２がそれぞれ別個の回線を介して出力最終段５，６のうちの一方と接続されていることも考えられる。さらに装置１は、出力最終段５，６および任意選択でガスセンサ３および／またはその加熱装置２とも接続される制御装置８を含んでいる。装置１はコントロールユニットとして構成されているのが好ましく、特に、内燃機関または上に挙げた自動車のエンジンコントロールユニットとして構成される。

第１の出力最終段５は、その動作電流が設定可能な電流値に達するとターンオフされるように構成されている。すなわち、これはターンオフ式の出力最終段である。

第２の出力最終段６は、その動作電流が設定可能な最大値を制限するように構成されており、したがって、その動作電流がこの値を超えることはあり得ない。

制御装置８は、それぞれの出力最終段５，６から提供される動作出力を調整するために、それぞれの出力最終段の半導体スイッチの切換周波数を規定するデューティ比をそれぞれ設定することによって、出力最終段５、６を制御する。これに加えて制御装置８はそれぞれの出力最終段の状態を検出し、それにより、出力最終段５が作動中であるか、それともターンオフされているかを認識し、および場合により、出力最終段６の動作電流が所定の最大値に達しているかどうかも認識する。

動作電流が設定可能な電流値に達したために第１の出力最終段がターンオフされていることを制御装置８が検出すると、制御装置は第２の出力最終段を制御して、第２の出力最終段がいっそう高い動作出力を出すようにする。このとき特に第２の出力最終段は、第１の出力最終段の停止ないしターンオフによって不足する動作出力を補うように制御される。特に第２の出力最終段の動作出力は、その上昇が、ターンオフされた出力最終段がターンオフの閾値に近い電流で作動していれば供給したはずの出力に相当するように、すなわち、第１の出力最終段の最大限実現可能な出力に相当するように調整される。

そのために第２の出力最終段のデューティ比は、出力最終段５がターンオフされていないときにターンオン段階ないし保護加熱段階で流れる電流、およびターンオフされた出力最終段５のターンオフ閾値における電流の合計と、出力最終段５がターンオフされていないときにターンオン段階で流れる電流とから形成される比率の２乗に相当する係数で引き上げられる。

ラムダセンサ４がまだ非常に低温であるとき、加熱装置２の内部抵抗は低い。加熱装置２がターンオンされると、この段階で一時的に高い電流が流れる。この段階では、出力最終段が一時的にターンオフされる。それにもかかわらず迅速な加熱を可能にするために、この段階中にデューティ比が上で説明したように特に係数４だけ引き上げられる。ラムダセンサ４が十分に高温であるとき、ないしは動作温度に達しているとき、加熱装置２の内部抵抗は増大し、それによってその動作電流が小さくなり、ターンオフ式の第１の最終段が再びターンオンされ、これをうけて、第２の出力最終段の上昇したデューティ比が再び通常の値まで引き下げられ、それにより、両方の出力最終段５，６が再び通常どおり作動する。

等しい全体動作出力を維持するために、電流が半分のときには残りの出力最終段６が４倍のデューティ比で制御される。修正されたデューティ比を決定するために、デューティ比が時間（Ｚｅｉｔ＿ａｌｔ）に換算される。計算のときには、ターンオフ式の第１の出力最終段５のターンオフ時間を一緒に考慮に入れなければならない。以上により次式が得られる：
Ｚｅｉｔ＿ｎｅｕ＝（Ｚｅｉｔ＿ａｌｔ−出力最終段５のターンオフ時間）・係数４＋出力最終段５のターンオフ時間

次いで、新たに算出された時間（Ｚｅｉｔ＿ｎｅｕ）が再びデューティ比に換算される。

当然ながら、本発明は、２つの出力最終段５，６を有する装置だけに限定されるものではない。むしろ、加熱装置２を作動させる３つまたはそれ以上の出力最終段を互いに並列につなぐことも考えられる。重要なのは、少なくとも１つのターンオフ式の出力最終段と、少なくとも１つの制限式の出力最終段が設けられていることである。たとえば、複数のターンオフ式の出力最終段を設け、これらがターンオフされたとき、その動作出力が１つまたは複数の制限式の出力最終段によって相応に補われることも考えられる。それに応じて係数も、複数のターンオフ式の出力最終段に依存して算出される。

１ 装置
２ 加熱装置
３ ガスセンサ
４ ラムダセンサ
５ 第１の出力最終段
６ 第２の出力最終段
８ 制御装置

Claims (7)

1. 加熱装置（２）と作用接続された、動作電流を提供する少なくとも１つの出力最終段（５，６）を有する、自動車のラムダセンサ（４）の加熱装置（２）を作動させる装置（１）において、互いに並列につながれた少なくとも２つの出力最終段が設けられており、第１の出力最終段（５）はその動作電流が設定可能な動作電流に達するとターンオフされ、第２の出力最終段（６）はその動作電流を設定可能な最大値に制限し、
   前記出力最終段（５，６）の出力は設定可能なデューティ比での半導体スイッチの周期的なターンオンとターンオフによって調整され、
   前記第１の出力最終段（５）がターンオフされることにより電流が半分になると、前記第１の出力最終段（５）がターンオフされていないときにターンオン段階で流れる電流に対する、前記第１の出力最終段（５）がターンオフされていないときにターンオン段階で流れる電流と、設定可能な電流値に相当する電流との合計の比率の２乗に相当する係数だけ、前記第２の出力最終段（６）のデューティ比を引き上げることを特徴とする装置。
2. 前記出力最終段（５，６）を作動させるための制御装置（８）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御装置（８）は前記第２の出力最終段（６）を、前記第１の出力最終段（５）がターンオフされたときにいっそう高い動作出力を有するように制御することを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 加熱装置（２）と作用接続される、動作電流を提供する少なくとも１つの出力最終段（５，６）を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の、自動車のラムダセンサ（４）の加熱装置（２）を作動させる装置を作動させる方法において、第１および第２の出力最終段（５，６）の動作電流が検出され、第１の出力最終段（５）は設定可能な電流値に達するとターンオフされ、第２の出力最終段（６）の動作電流は設定可能な限界値に制限され、
   前記出力最終段（５，６）の出力は設定可能なデューティ比での半導体スイッチの周期的なターンオンとターンオフによって調整され、
   前記第１の出力最終段（５）がターンオフされることにより電流が半分になると、前記第１の出力最終段（５）がターンオフされていないときにターンオン段階で流れる電流に対する、前記第１の出力最終段（５）がターンオフされていないときにターンオン段階で流れる電流と、設定可能な電流値に相当する電流との合計の比率の２乗に相当する係数だけ、前記第２の出力最終段（６）のデューティ比が引き上げられることを特徴とする方法。
5. 前記第２の出力最終段（６）は、前記第１の出力最終段（５）がターンオフされたときにいっそう高い動作出力を出すように制御されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の出力最終段（６）の動作出力は、ターンオフされた前記第１の出力最終段（５）の不足する動作出力が少なくとも実質的に補われるように引き上げられることを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. 前記第１の出力最終段がターンオフされ、前記第２の最終段がターンオンされる段階ではデューティ比が係数４だけ引き上げられることを特徴とする、請求項４から６のいずれか１項に記載の方法。

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