JP6130095B2 - Method for the operation of an actively heated exhaust gas sensor heater - Google Patents

Method for the operation of an actively heated exhaust gas sensor heater Download PDF

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Description

本発明は、能動的に加熱される排気ガスセンサ、特にラムダゾンデ、のヒーターの作動のための方法に関する。   The present invention relates to a method for the operation of a heater of an actively heated exhaust gas sensor, in particular a lambda sonde.

内燃機関の排気ガス中の酸素濃度の測定のために、今日のエンジン制御システムではラムダゾンデが用いられている。ラムダゾンデによって内燃機関の排気ガス中の酸素濃度が定められ、その結果、ラムダ制御回路を通じて内燃機関の空気と燃料の供給を、内燃機関の排気ガス経路中に備えられている触媒による排気ガス後処理のために最適の排気ガス組成を達成することができるように、制御可能である。   Lambdasonde is used in today's engine control systems to measure the oxygen concentration in the exhaust gas of internal combustion engines. The oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine is determined by the lambda sonde, and as a result, the exhaust gas aftertreatment by the catalyst provided in the exhaust gas path of the internal combustion engine is supplied to the air and fuel of the internal combustion engine through the lambda control circuit. So that an optimal exhaust gas composition can be achieved.

ラムダゾンデには幾つかの形態が知られている。電圧ジャンプラムダセンサとも呼ばれる二ポイントラムダゾンデの場合、特性曲線は、λ=1の時にジャンプするような降下を示す。その際、電圧ジャンプゾンデは、本質的に、燃料過剰での内燃機関の運転の際の過濃排気ガスと空気過剰での運転の際の希薄排気ガスとの間の区別を可能にする。連続ラムダゾンデ或いはリニアラムダゾンデとも呼ばれる、いわゆるワイドバンドラムダゾンデは、λ=1周辺の広い領域内での排気ガスのラムダ値の測定が可能である。従って、ワイドバンドラムダゾンデは、例えば空気過剰での希薄運転に向けた内燃機関の制御のために用いることができる。   Several forms of lambda sonde are known. For a two-point lambda sonde, also called a voltage jump lambda sensor, the characteristic curve shows a drop that jumps when λ = 1. In doing so, the voltage jump sonde essentially allows a distinction between rich exhaust gas when operating an internal combustion engine with excess fuel and lean exhaust gas when operating with excess air. A so-called wideband lambda sonde, also called a continuous lambda sonde or linear lambda sonde, can measure the lambda value of the exhaust gas in a wide area around λ = 1. Thus, the wideband lambda sonde can be used, for example, for control of an internal combustion engine for lean operation with excess air.

ラムダゾンデは、原理的に固体電解質を用いたガルバニック酸素濃度セルをベースとしている。固体電解質は、高い温度では酸素イオンを電解的に輸送することができるという特性を持っており、それによって電圧ジャンプが生じる。この性質によって、異なる二つのガス、即ちとりわけ排気ガス流と酸素基準の酸素分圧の違いを確定することができる。一般的に、固体電解質は、約350℃の活性化温度で酸素イオンに対して伝導性となる。ゾンデの定格温度は一般にそれよりも遥かに高く、通常650℃と850℃の間にある。ゾンデの作動のために必要な温度を達成するために、一般に排気ガスゾンデのためのヒーターが備えられているが、このヒーターは、例えばセンサの中へ組込まれていることもある。   Lambdasonde is based on a galvanic oxygen concentration cell using a solid electrolyte in principle. Solid electrolytes have the property that oxygen ions can be transported electrolytically at high temperatures, which causes voltage jumps. This property makes it possible to determine the difference between two different gases, in particular the exhaust gas flow and the oxygen-based oxygen partial pressure. In general, the solid electrolyte becomes conductive to oxygen ions at an activation temperature of about 350 ° C. The rated temperature of the sonde is generally much higher than that, usually between 650 ° C and 850 ° C. In order to achieve the temperature required for the operation of the sonde, a heater for the exhaust gas sonde is generally provided, but this heater may be incorporated, for example, in a sensor.

ラムダゾンデの出力信号は、センサ要素の温度に大きく依存している。従って、信号精度の改善のためには、センサ要素の温度を排気ガス温度の変化から切離して、できるだけ一定に保持することが望ましい。この温度を、ヒーター電圧を通じて制御することが知られている。そのためには、例えば排気ガス温度と排気ガス質量流量を入力値とした作動ポイント依存の特性マップを用いることができる。   The output signal of the lambda sonde is highly dependent on the temperature of the sensor element. Therefore, in order to improve signal accuracy, it is desirable to keep the temperature of the sensor element as constant as possible by separating it from changes in the exhaust gas temperature. It is known to control this temperature through a heater voltage. For this purpose, for example, an operating point-dependent characteristic map using the exhaust gas temperature and the exhaust gas mass flow rate as input values can be used.

より高い温度精度のために、ラムダゾンデの温度制御を用いることができる。その際、制御値としてゾンデの内部抵抗Riを用いることができるが、その場合には、ゾンデ内部抵抗とゾンデ要素の温度との間に一義的な関係が成り立っているということが前提となっている。   Lambdasonde temperature control can be used for higher temperature accuracy. At that time, the internal resistance Ri of the sonde can be used as the control value. In this case, it is assumed that a unique relationship is established between the internal resistance of the sonde and the temperature of the sonde element. Yes.

温度制御と共に作動ポイント依存の予備制御を採用することによって、温度制御の非常に高い精度を、予備制御によるエンジン作動ポイントの変化に対する迅速な反応と組合わせることができる。従って、既に、一定のゾンデ内部抵抗を目指した重畳制御による特性マップ予備制御が知られている。しかしながら、一定のゾンデ内部抵抗を目指した重畳制御による特性マップ予備制御は、ゾンデの使用期間の間に劣化現象のために信号精度の低下が生じることがあるという欠点を持っている。更に、ゾンデの過熱や、場合によっては損傷が引き起こされることがある。これは、とりわけ、一般にゾンデ内部抵抗がゾンデの使用年数に伴って変化するということに関連している。例えば、ラムダゾンデの場合には、ゾンデの使用年数に伴って、同じセンサ要素温度の下でもゾンデ内部抵抗が高くなる。その結果、ガイド値として一定のゾンデ内部抵抗を用いた制御の場合、ゾンデが使用年数に伴って、次第に強く加熱されるということが起こる。それ故、一定の内部抵抗の目標値を目安とした制御は、内部抵抗の変化が無視できる時にのみ有効である。そうでない時には、内部抵抗の目標値の自動調整が必要となるが、これは、実際には不可能であることが多い。従って、一般に、内部抵抗の変化が顕著である場合には、温度制御をあきらめ、ゾンデヒーターだけが制御作動される。   By employing operating point dependent pre-control along with temperature control, the very high accuracy of temperature control can be combined with a quick response to changes in engine operating points due to pre-control. Therefore, characteristic map preliminary control by superimposition control aiming at a certain sonde internal resistance is already known. However, the characteristic map preliminary control by the superimposition control aiming at a certain internal resistance of the sonde has a drawback that the signal accuracy may be lowered due to a deterioration phenomenon during the use period of the sonde. In addition, the sonde may overheat and possibly be damaged. This is particularly related to the fact that the internal resistance of the sonde generally varies with the age of the sonde. For example, in the case of a lambda sonde, the internal resistance of the sonde increases even under the same sensor element temperature with the age of the sonde. As a result, in the case of control using a certain internal resistance of the sonde as the guide value, the sonde is gradually heated strongly with the years of use. Therefore, the control using the target value of the constant internal resistance as a guide is effective only when the change in the internal resistance can be ignored. When this is not the case, automatic adjustment of the target value of the internal resistance is required, which is often impossible in practice. Therefore, in general, when the change in the internal resistance is significant, the temperature control is given up and only the sonde heater is controlled.

本発明は、能動的に加熱される排気ガスセンサのヒーターの作動のための改良された方法を提供することを課題としている。その際、排気ガスセンサが一方では過度に熱く作動され、他方では許されない程強く冷却されることが防止される。本発明に基づく方法によれば、排気ガスセンサ或いはゾンデは、できる限りセンサの定格温度の近くで作動されるので、センサの使用期間の間に信号精度の悪化が生じることはない。これによって、内燃機関の排出物が低減され、また堅牢な診断が可能となる。   The object of the present invention is to provide an improved method for the operation of heaters of actively heated exhaust gas sensors. In so doing, the exhaust gas sensor is actuated too hot on the one hand and prevented from being cooled too strongly on the other hand. According to the method according to the invention, the exhaust gas sensor or the sonde is operated as close as possible to the rated temperature of the sensor, so that no deterioration of the signal accuracy occurs during the sensor usage period. This reduces the emissions of the internal combustion engine and enables a robust diagnosis.

上記の課題は、請求項の対象となっている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、諸従属請求項の対象となっている。   The above problem is solved by the method as claimed. Preferred embodiments of the method are subject to the dependent claims.

本発明に基づく、能動的に加熱される排気ガスセンサのヒーターの作動のための方法では、不感帯制御がセンサの温度の調節のために用いられ、その際、ゾンデヒーターは、センサの温度依存値が、予め定めておくことのできる目標帯域内にあるように調節されて制御される。この方法によれば、センサの使用期間の間に或る程度の変動或いは変化を受ける値を、センサの温度の調節のために用いることができる。特に、本発明に基づく方法によれば、排気ガスセンサの内部抵抗を不感帯制御のためのガイド値として用いることができる。ゾンデ内部抵抗とセンサ要素の温度との間には、通常、センサの使用期間の間に変化するものの、一義的な関係が成り立っている。一般に、内部抵抗は、使用時間長さと共に高くなり、センサ要素温度の上昇と共に低くなる。しかしながら、本発明に基づく方法は、内部抵抗が、例えば使用時間長さと共に低くなり、センサ要素温度の上昇と共に高くなるセンサに対しても適用可能である。一つの目標帯域が予めガイド値のために与えられるという、本発明に基づいて備えられる不感帯制御によって、センサの使用時間長さの間の変化を考慮することができるので、その時々の目標値の自動調整無しに、ほぼ最適な制御を実施することができる。そのようにして、制御をできる限り最適に達成するために、帯域はできる限り狭く選定される。この帯域の境界は、好ましくはセンサ或いはゾンデが過度に熱くもなければ過度に冷たくもなく作動されるように定められる。本発明に基づいて備えられる不感帯制御では、確かに、一定の目標値を目標とした制御と同様に良好なセンサ要素温度の安定化はできない。しかしながら、この不感帯制御は、純粋な温度制御と比べれば、制御によって、測定されることのできないような外乱が考慮されるという利点をもたらす。これによって、純粋な温度制御と比べて本質的により良い温度安定化が本発明に基づく方法によって可能となる。   In the method for the operation of an actively heated exhaust gas sensor heater according to the present invention, deadband control is used for adjusting the temperature of the sensor, wherein the sonde heater has a temperature dependent value of the sensor. , Adjusted and controlled so as to be within a predetermined target band. According to this method, a value that undergoes some fluctuation or change during the use period of the sensor can be used for adjusting the temperature of the sensor. In particular, according to the method of the present invention, the internal resistance of the exhaust gas sensor can be used as a guide value for dead zone control. There is a unique relationship between the internal resistance of the sonde and the temperature of the sensor element, although it usually changes during the sensor usage period. In general, internal resistance increases with length of service time and decreases with increasing sensor element temperature. However, the method according to the invention is also applicable to sensors in which the internal resistance decreases, for example with increasing usage time and increases with increasing sensor element temperature. The dead band control provided in accordance with the present invention, in which one target band is given in advance for the guide value, can take into account changes between the sensor usage time lengths, so Almost optimal control can be performed without automatic adjustment. In that way, the bandwidth is chosen as narrow as possible in order to achieve the control as optimally as possible. This band boundary is preferably defined such that the sensor or sonde is activated without being too hot or too cold. In the dead zone control provided based on the present invention, it is certainly impossible to stabilize the sensor element temperature as well as the control aimed at a constant target value. However, this deadband control has the advantage that it takes into account disturbances that cannot be measured by the control, compared to pure temperature control. This allows essentially better temperature stabilization compared to pure temperature control with the method according to the invention.

好ましくは、この不感帯制御に加えて、加熱の制御のための予備制御、好ましくは特性マップ予備制御が実施される。ここで、予備制御とは、特に作動ポイント依存の、従ってエンジン作動ポイント依存の予備制御のことである。この予備制御は、例えば排気ガス温度や排気ガス質量流量が送り込まれる、例えば特性マップによって実現することができる。そのような特性マップを用いれば、作動ポイント依存のヒーター目標電圧を計算することができる。作動ポイント依存の予備制御によって、本発明に基づく方法では、ヒーターの作動の際に非常に迅速にエンジン作動ポイントの変化に反応することができる。これが本発明に基づいて制御の高い精度と組合わされる。従って、不感帯制御と重畳された特性マップ予備制御は、非常に有利な手法でセンサの加熱装置のほぼ最適な作動のために使用でき、その際に、センサの使用期間の間に変化するセンサの特性が考慮される。   Preferably, in addition to the dead zone control, preliminary control for controlling heating, preferably characteristic map preliminary control is performed. Here, the preliminary control refers to preliminary control that is particularly dependent on the operating point, and thus dependent on the engine operating point. This preliminary control can be realized by, for example, a characteristic map in which, for example, exhaust gas temperature or exhaust gas mass flow rate is sent. Using such a characteristic map, the heater target voltage depending on the operating point can be calculated. Due to the operating point dependent preliminary control, the method according to the invention makes it possible to react to changes in the engine operating point very quickly during the operation of the heater. This is combined with high control accuracy according to the invention. Therefore, the preliminary control of the characteristic map superimposed with the dead zone control can be used in a very advantageous way for the almost optimal operation of the sensor heating device, in which case the sensor changes during the sensor usage period. Characteristics are taken into account.

ガイド値のための不感帯或いは目標帯の決定のためには、不感帯の第一の境界、特に下側の境界が、新しい排気ガスセンサが過熱される際の内部抵抗閾値と新しい排気ガスの定格内部抵抗との間で決定される。不感帯の第二の境界、特に上側の境界は、好ましくは、劣化した排気ガスセンサが加熱される内部抵抗閾値と新しい排気ガスセンサがなお作動することのできる内部抵抗閾値との間で決定される。目標帯をこの領域内に定めることによって、特に、ゾンデが老化の進行につれて過度に強く加熱されてしまうことがないようにすることができる。他方では、新しいゾンデが許されない程強く冷却されてしまうことがないようにすることができる。加えて、目標帯或いは不感帯のそのような決定によって、ゾンデが、全使用期間にわたって、できる限り定格温度の近くで作動されるということが保証され、その際に、使用期間の間のゾンデ内部抵抗に関するゾンデの特性の変化が考慮される。   In order to determine the dead band or target band for the guide value, the first boundary of the dead band, in particular the lower boundary, is the internal resistance threshold when the new exhaust gas sensor is overheated and the rated internal resistance of the new exhaust gas. And determined. The second boundary of the dead zone, in particular the upper boundary, is preferably determined between the internal resistance threshold at which the deteriorated exhaust gas sensor is heated and the internal resistance threshold at which the new exhaust gas sensor can still operate. By defining the target zone in this region, it is possible in particular to prevent the sonde from being heated too strongly as aging progresses. On the other hand, it is possible to prevent the new sonde from being cooled too strongly. In addition, such determination of the target zone or dead zone ensures that the sonde is operated as close to the rated temperature as possible over the entire period of use, in which case the internal resistance of the sonde during the period of use Changes in the characteristics of the sonde are taken into account.

好ましくは、不感帯の下側と上側の境界は、排気ガスセンサの内部抵抗が制御器の過渡振動の際に、新しい排気ガスセンサが「なお機能可能であるが過熱されることはない領域」を外れることがないように定められる。ゾンデの信号精度が最適化されるために、ゾンデ内部抵抗は、できる限り不感帯の近くに留まっているべきである。   Preferably, the lower and upper boundary of the dead zone is such that the internal resistance of the exhaust gas sensor deviates from the "region where the new exhaust gas sensor can still function but will not be overheated" during the transient oscillation of the controller. It is determined that there is no. In order for the signal accuracy of the sonde to be optimized, the internal resistance of the sonde should remain as close as possible to the dead zone.

不感帯の中では、不感帯により調節されるガイド値によって、操作される制御器の増幅率が、好ましくは0となっている。このようにすることによって、制御器の制御介入は、内部抵抗が不感帯の中に入るや否や、凍結される。例えば、PI制御器が用いられている際には、P成分は不感帯の中で0となるのに対して、I成分は不感帯の中では、不感帯の外で学習された値に留まっている。この場合、不感帯の中では、仮に用いられていれば予備制御と、学習されたI成分だけが制御値の計算のために取り入れられる。   In the dead zone, the gain of the controller to be operated is preferably 0 by the guide value adjusted by the dead zone. In this way, the control intervention of the controller is frozen as soon as the internal resistance enters the dead zone. For example, when the PI controller is used, the P component becomes 0 in the dead zone, while the I component remains in the value learned outside the dead zone in the dead zone. In this case, in the dead zone, if used temporarily, only preliminary control and learned I component are taken in for calculation of the control value.

本発明に基づく方法の一つの好ましい実施態様では、加熱の制御の際の予備制御は、排気ガスセンサの内部抵抗に依存していない。この場合、内部抵抗、従ってセンサの使用期間の間に変化して行く値は、全て不感帯制御の中へ送られ、予備制御の中へは送られない。   In one preferred embodiment of the method according to the invention, the preliminary control in controlling the heating does not depend on the internal resistance of the exhaust gas sensor. In this case, all of the internal resistance, and therefore the value that changes during the sensor usage period, is sent into the dead zone control and not into the preliminary control.

本発明に基づく方法は、特別に有利に、例えば、ゾンデ内部抵抗と温度との間に上述の関係を持ち且つそのゾンデ内部抵抗が一般に使用期間長さと共に高くなって行くラムダゾンデの場合に、適用可能である。原則として、本発明に基づく方法は、特定の温度帯域内で作動される、あらゆる種類の能動的に加熱される排気ガスセンサに対して、適用することができる。   The method according to the invention is particularly advantageously applied, for example, in the case of a lambda sonde having the above-mentioned relationship between the internal resistance of a sonde and temperature and whose internal resistance generally increases with the length of use. Is possible. In principle, the method according to the invention can be applied to any kind of actively heated exhaust gas sensor operating within a specific temperature zone.

本発明に基づく方法によれば、改良された温度安定化により、特に有利な手法によってより高い信号精度を達成することができる。例えばラムダゾンデの場合、暖機状態のエンジンの場合にゾンデ内部抵抗が不感帯の上側の境界をオーバーするや否や、センサ要素温度が許されない程低いということが感知される。この場合には、制御装置がヒーター出力を高めるように作動して、ゾンデの機能が保持されることが保証される。不感帯の下側の境界が割り込まれるや否や、センサ要素温度が許されない程高いということが感知される。この場合には、制御装置がヒーター出力を下げるように作動して、加熱によるゾンデの損傷が防止される。   With the method according to the invention, improved signal stabilization makes it possible to achieve higher signal accuracy in a particularly advantageous manner. For example, in the case of a lambda sonde, in the case of a warm-up engine, it is sensed that the sensor element temperature is unacceptably low as soon as the internal resistance of the sonde exceeds the upper boundary of the dead zone. In this case, the control device operates to increase the heater output, ensuring that the function of the sonde is retained. As soon as the lower boundary of the dead zone is interrupted, it is sensed that the sensor element temperature is unacceptably high. In this case, the control device operates to lower the heater output, and damage to the sonde due to heating is prevented.

また、本発明に基づく方法は、エンジン或いは内燃機関の暖機段階で有利に使用することができる。内燃機関のこの段階の間に、ゾンデ信号を、制御目的及び/またはは診断目的のために利用したい場合には、ゾンデは、好ましくは活性化温度の上側と熱ショック温度の下側にある狭い温度領域の中で作動される。この場合、熱ショック温度とは、その温度の上方では場合により排気ガス経路中になお水滴が存在していて、これが熱いゾンデ表面に当たり、局所的温度差によってゾンデ要素の材料の中に、ゾンデを破壊する恐れのある熱応力を生じさせる温度をいう。ゾンデのこの過熱と損傷の危険は、とりわけ内燃機関の暖機段階の間に非常に高い。不感帯の境界のしかるべき設定によって、不感帯制御は、内燃機関の作動のこの段階の間に低過ぎるゾンデ内部抵抗を感知し、ヒーター出力を下げてゾンデが過度に高温で作動されないように働く。他方、不感帯制御は、センサ要素温度が活性化温度よりも低い時に感知する。この場合には、ゾンデ内部抵抗が高過ぎるので、不感帯制御は、ヒーター出力が高められてゾンデが十分に温められた状態で作動するように働く。活性化温度が到達されていないか或いは維持されていない時には、ゾンデが混合気の状態(希薄或いは過濃)を正確に指示しないので、制御目的及び/または診断目的のための前提条件が得られない。   The method according to the invention can also be used advantageously in the warm-up phase of an engine or internal combustion engine. If during this phase of the internal combustion engine it is desired to use the sonde signal for control and / or diagnostic purposes, the sonde is preferably narrow above the activation temperature and below the heat shock temperature. Operated in the temperature range. In this case, the heat shock temperature means that water droplets still exist in the exhaust gas path above that temperature, which hits the hot sonde surface and causes the sonde to enter the material of the sonde element due to local temperature differences. It refers to the temperature that generates thermal stress that can be destroyed. The risk of this overheating and damage of the sonde is very high, especially during the warm-up phase of the internal combustion engine. With the proper setting of the dead zone boundary, dead zone control senses an internal resistance of the sonde that is too low during this phase of the operation of the internal combustion engine and acts to prevent the sonde from being operated at excessively high temperatures by lowering the heater output. On the other hand, deadband control senses when the sensor element temperature is lower than the activation temperature. In this case, since the internal resistance of the sonde is too high, the dead zone control works so that the heater output is increased and the sonde is sufficiently warmed. Preconditions for control and / or diagnostic purposes are obtained because the sonde does not accurately indicate the state of the mixture (lean or rich) when the activation temperature has not been reached or maintained. Absent.

一方では暖機状態のエンジンの場合の、また他方ではエンジンの暖機運転の場合の、これ等の利点を達成するために、本発明によれば、内燃機関のそれぞれの運転段階の後に、不感帯のしかるべく適応された境界が設定される。始動段階の間にオーバーされてはならない熱ショック温度は、エンジンが暖機状態にある時には、一般にゾンデの定格温度の十分下側にある。これに対応して、始動段階でのゾンデの内部抵抗は、暖機状態にあるエンジンの場合よりも十分に高い領域、例えば1Kオームと2Kオームの間、に保持されることが有利である。暖機状態にあるエンジンの場合には、例えば200オームと240オームの間の領域が内部抵抗として適している。   In order to achieve these advantages on the one hand in the case of a warm-up engine and on the other hand in the case of a warm-up operation of the engine, according to the invention, a dead zone is provided after each operating phase of the internal combustion engine. An appropriately adapted boundary is set. The heat shock temperature that must not be exceeded during the start-up phase is generally well below the rated temperature of the sonde when the engine is warm. Correspondingly, the internal resistance of the sonde during the start-up phase is advantageously maintained in a region that is sufficiently higher than for a warm-up engine, for example between 1K ohms and 2K ohms. In the case of an engine in a warm-up state, for example, a region between 200 ohms and 240 ohms is suitable as an internal resistance.

本発明に基づく方法は、全体として、一定の内部抵抗の目標値或いは内部抵抗の目標値の自動調整を目指した制御ができない排気ガスセンサ、例えばラムダゾンデ、を温度制御して作動させることを可能にし、その際、本発明によれば、センサ要素温度は目標帯或いは不感帯の中で安定化される。これによって、ゾンデが一方の面では過熱作動され、またもう一方の面では許されない程強く冷却されることが防止される。本発明に基づく方法は、ゾンデがゾンデ内部抵抗の劣化を考慮しながらできる限り定格温度の近くで作動されることを保証する。ゾンデの信号精度は、その作動温度が排気ガス温度に係わり無く一定に調節されればされる程高くなるから、本発明に基づく方法は改良された信号精度をもたらし、それによって、ラムダ制御のための改良された出力状況の中で排出が低減され、また診断も改善された堅牢性をもって実施することができる。   The method according to the invention as a whole makes it possible to operate an exhaust gas sensor, for example a lambda sonde, which cannot be controlled with the aim of a constant internal resistance target value or an automatic adjustment of the internal resistance target value, with temperature control, In so doing, according to the invention, the sensor element temperature is stabilized in the target zone or dead zone. This prevents the sonde from being overheated on one side and being cooled to an unacceptable level on the other side. The method according to the invention ensures that the sonde is operated as close to the rated temperature as possible, taking into account the degradation of the sonde internal resistance. Since the signal accuracy of the sonde increases as its operating temperature is adjusted to be constant regardless of the exhaust gas temperature, the method according to the present invention provides improved signal accuracy and thereby for lambda control. Emissions can be reduced and diagnostics can be performed with improved robustness in improved output conditions.

本発明は更に、演算装置或いは制御装置の上で実行されると、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も含んでいる。最後に、本発明は上記のプログラムが演算装置或いは制御装置の上で実行された時に、本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憶された、プログラムコードを含むコンピュータプログラム製品を含んでいる。ここで、制御装置とは、特に自動車或いは内燃機関の中央制御装置或いは排気ガスセンサの制御ユニットと考えることができる。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の本発明の実施態様は、この発明に基づく方法の採用のために、自動車に他の如何なるコンポーネントも取付ける必要がないという特別の利点を持っている。排気ガスセンサのヒーターの作動のための本発明に基づく方法は、センサの通常の配線を利用することができる。必要となるのは、例えば、対応するコンピュータプログラムをインストールすることだけであり、従って、本発明に基づく方法は、既存の自動車の場合にも特別に有利に採用することができる。   The invention further includes a computer program that, when executed on a computing device or control device, executes all the steps of the method according to the invention. Finally, the present invention includes program code stored on a machine readable medium for performing the method according to the present invention when the above program is executed on a computing device or control device. Includes computer program products. Here, the control device can be considered as a central control device of an automobile or an internal combustion engine or a control unit of an exhaust gas sensor. The embodiment of the invention as a computer program or as a computer program product has the particular advantage that no other components need to be mounted on the vehicle for the adoption of the method according to the invention. The method according to the invention for the operation of the heater of the exhaust gas sensor can use the normal wiring of the sensor. All that is required is, for example, to install the corresponding computer program, and the method according to the invention can therefore be employed particularly advantageously in the case of existing vehicles.

本発明のその他のメルクマールや利点は、図面と関連させた以下の実施例についての説明から明らかとなる。その際、個々のメルクマールは、それぞれ単独で或いは互いに組合わせて実現することができる。   Other Merckmars and advantages of the present invention will become apparent from the description of the following examples in conjunction with the drawings. In that case, each Merck Mar can be realized individually or in combination with each other.

図1は、ゾンデ内部抵抗Riとゾンデ要素温度との間の関係の概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of the relationship between the sonde internal resistance Ri and the sonde element temperature. 図2は、ゾンデヒーターの制御のための本発明に基づく方法の好ましい実施態様の概略図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of a preferred embodiment of the method according to the invention for the control of a sonde heater. 図3は、本発明に基づく不感帯制御の好ましい実施態様の概略図を示す。FIG. 3 shows a schematic diagram of a preferred embodiment of deadband control according to the present invention. 図4は、本発明に基づく不感帯制御のための、関連する好ましい閾値の概略図を示す。FIG. 4 shows a schematic diagram of relevant preferred thresholds for deadband control according to the present invention.

図1は、センサセラミックの温度とセンサ或いはゾンデの内部抵抗Riとの間の関係を示しており、ここでは、新しい(new)センサのゾンデ内部抵抗が劣化した(aged)センサのゾンデ内部抵抗と対比されている。実線は、新しいセンサの内部抵抗を示している。破線は、劣化したセンサの内部抵抗を示している。この例では、ゾンデの定格温度が780℃の場合、内部抵抗は新しいセンサの場合220オームである。従って、この値では定格内部抵抗となる。しかしながら、劣化したゾンデの場合には、定格内部抵抗が220オームの時に、温度は820℃となり、ずっと高くなる。従って、ゾンデ内部抵抗がゾンデヒーターの温度制御の際に一定の目標値として用いられていると、劣化したゾンデは、過熱作動されてしまうことになる。   FIG. 1 shows the relationship between the temperature of the sensor ceramic and the internal resistance Ri of the sensor or sonde, where the new sensor's internal resistance and the sensor's internal resistance are degraded. Contrast. The solid line shows the internal resistance of the new sensor. The broken line indicates the internal resistance of the deteriorated sensor. In this example, if the rated temperature of the sonde is 780 ° C., the internal resistance is 220 ohms for the new sensor. Therefore, this value is the rated internal resistance. However, in the case of a degraded sonde, when the rated internal resistance is 220 ohms, the temperature is 820 ° C., which is much higher. Therefore, if the internal resistance of the sonde is used as a constant target value during the temperature control of the sonde heater, the deteriorated sonde will be overheated.

ゾンデが長い使用期間の後に過熱作動されてしまうのを防ぐために、本発明に基づく方法は、能動的に加熱されるセンサのヒーターの作動のために不感帯制御を用いている。ラムダゾンデの場合を例に取ると、特にゾンデの内部抵抗がガイド値として用いられ、その際ゾンデヒーターは、ゾンデ内部抵抗が一定のRi=目標値 に向けて制御されるのではなく、定められた目標帯(不感帯)の中にあるように調節されるように、制御される。これによって、制御の基礎とされている値についての劣化現象、特に温度制御のために適しているゾンデ内部抵抗についての劣化現象、を考慮することができる。制御値として適当な目標帯を予め設定することによって、ゾンデは、ゾンデの全使用期間全体で見てゾンデが過熱作動されたり或いはゾンデが許されない程強く冷却されたりすること無しに、できる限り定格温度の近くで作動することができる。   In order to prevent the sonde from being overheated after a long period of use, the method according to the invention uses dead-zone control for the operation of the actively heated sensor heater. Taking the case of lambda sonde as an example, in particular the internal resistance of the sonde is used as a guide value, in which the sonde heater is not controlled towards a constant Ri = target value, but the sonde internal resistance is fixed. It is controlled so that it is adjusted to be within the target zone (dead zone). As a result, it is possible to take into account the deterioration phenomenon regarding the value which is the basis of the control, in particular the deterioration phenomenon regarding the internal resistance of the sonde suitable for the temperature control. By presetting an appropriate target zone as a control value, the sonde is rated as much as possible without the sonde being overheated or being cooled so hard that the sonde is not allowed over the entire period of use of the sonde. Can operate near temperature.

ヒーターの作動の場合におけるこの不感帯制御は、エンジン作動ポイントに依存した予備制御と組み合わせられることが好ましい。そのために,好ましくは予備制御マップは、例えば新しい中間層ゾンデを使用した時の定常運転で、特性マップ全体にわたって、ゾンデの定格温度に対応する一定の定格内部抵抗が得られるように、適用される。内燃機関の運転の間には、様々な理由から、この定格内部抵抗からのずれが生じ得る。例えば、予備制御特性マップは定常運転の中で適用されたものなので、動的な走行運転では定格内部抵抗のオーバーや割り込みが生じる。例えば、プラグやワイヤハーネスに起因するゾンデのヒーター回路の中での高い過渡抵抗は、ゾンデの過熱不足をもたらし、またこれによってより高い内部抵抗を生じさせることがある。予備制御の中では考慮されないその他の影響も、ゾンデの冷却や加熱を、またそれによってより高い或いはより低い内部抵抗をもたらすことがある。それ等の様々なケースでは、固定の内部抵抗の目標値を用いて、定格内部抵抗を目指した別の制御を行うことができる。しかしながら、ゾンデの老化現象の結果、ゾンデ内部抵抗がゾンデの使用期間の間に変化し、そのために、センサ要素温度が定格温度に等しくなると、内部抵抗が定格内部抵抗をオーバーしてしまうということが生じる。この場合には、一定の内部抵抗の目標値を用いた制御は、好ましい結果をもたらさないであろう。更に、そのような一定の内部抵抗の目標値を用いた制御は、ゾンデの過熱作動を引き起こすこともあろう。従って、本発明によれば、特性マップ予備制御は、不感帯ヒーター制御と組合わされている。この場合には、ガイド値としてゾンデ内部抵抗Riが用いられ、その際、定格内部抵抗の周辺に定められている不感帯の中では制御装置の増幅率が0に設定されている。この措置によって、内部抵抗が不感帯の中に入るや否や、制御器の制御介入が凍結される。このことが、例えば図2に示されている。図の下側の部分に、時間に対する制御器の変化が示されている。図の上側の部分には時間に対するゾンデ内部抵抗Riの、不感帯40の境界の中と外における変化が示されている。内部抵抗が不感帯40によって定められている閾値21又は22を越えるや否や、制御器が起動される。ゾンデ内部抵抗Riが不感帯40の中、従って境界21と22の中にあれば、制御器は作動しない、即ち制御器の制御介入は凍結されている。   This dead band control in the case of heater operation is preferably combined with preliminary control depending on the engine operating point. For this purpose, the preliminary control map is preferably applied so that a constant rated internal resistance corresponding to the rated temperature of the sonde is obtained over the entire characteristic map, for example in steady operation when using a new intermediate layer sonde. . Deviations from this rated internal resistance can occur during operation of the internal combustion engine for various reasons. For example, since the preliminary control characteristic map is applied during steady operation, the rated internal resistance is exceeded or interrupted during dynamic traveling operation. For example, high transient resistance in the heater circuit of a sonde caused by plugs and wire harnesses can cause the sonde to overheat and thereby cause higher internal resistance. Other effects that are not taken into account in the preliminary control can also lead to cooling and heating of the sound and thereby higher or lower internal resistance. In these various cases, another control aiming at the rated internal resistance can be performed using the target value of the fixed internal resistance. However, as a result of the aging phenomenon of the sonde, the internal resistance of the sonde changes during the usage period of the sonde, so that when the sensor element temperature becomes equal to the rated temperature, the internal resistance exceeds the rated internal resistance. Arise. In this case, control using a constant internal resistance target value will not give a favorable result. In addition, control using such a constant internal resistance target value may cause overheating of the sonde. Thus, according to the present invention, the characteristic map preliminary control is combined with the dead zone heater control. In this case, the sonde internal resistance Ri is used as a guide value, and the gain of the control device is set to 0 in the dead zone defined around the rated internal resistance. This measure freezes the control intervention of the controller as soon as the internal resistance enters the dead zone. This is illustrated, for example, in FIG. In the lower part of the figure, the change of the controller with respect to time is shown. In the upper part of the figure, the change of the internal resistance Ri of the sound with respect to time is shown inside and outside the boundary of the dead zone 40. As soon as the internal resistance exceeds the threshold 21 or 22 defined by the dead zone 40, the controller is activated. If the sonde internal resistance Ri is in the dead zone 40 and thus in the boundaries 21 and 22, the controller does not operate, i.e. the control intervention of the controller is frozen.

図3は、特性マップ予備制御手段31と、重畳された不感帯制御手段32とを備えた本発明に基づく、ゾンデヒーターの制御の一例を示している。特性マップ予備制御手段31には、例えば排気ガス温度35と排気ガス質量流量36とが送り込まれる。不感帯制御手段32を機能させる不感帯制御器は、例えばPI制御器として作られている。内部抵抗が不感帯の中にある時には、P成分は0となる一方、不感帯の中のI成分は、不感帯の外で学習された値に留まっている。即ち、内部抵抗値が不感帯の中にある時には予備制御と学習されたI成分だけが制御値の計算の中に取り入れられる。計算された制御値は、ゾンデヒーター33の制御装置の中へ送り込まれる。内部抵抗測定器34で測定された内部抵抗値Ri_istは、目標値Ri_sollと共に不感帯制御手段32で処理される。例えば、このために制御差Ri_soll−Ri_istが、通常のPI制御器へ入力されることもある。それによって、PI制御器は、Ri_istが不感帯の中にある時に、制御差を0にセットする不感帯制御器となる。これによって、自動的に制御器のP成分は0となる。I成分は凍結される。Ri_istが不感帯の外にある時には、制御差はそのまま変化無しにPI制御器に引渡される。   FIG. 3 shows an example of the control of the sonde heater according to the present invention including the characteristic map preliminary control means 31 and the superimposed dead zone control means 32. For example, the exhaust gas temperature 35 and the exhaust gas mass flow rate 36 are sent to the characteristic map preliminary control means 31. The dead zone controller that causes the dead zone control means 32 to function is made, for example, as a PI controller. When the internal resistance is in the dead zone, the P component is 0, while the I component in the dead zone remains at the value learned outside the dead zone. That is, when the internal resistance value is in the dead zone, only the I component learned as the preliminary control is taken into the calculation of the control value. The calculated control value is fed into the control device of the sonde heater 33. The internal resistance value Ri_ist measured by the internal resistance measuring device 34 is processed by the dead zone control means 32 together with the target value Ri_soll. For example, the control difference Ri_soll-Ri_ist may be input to a normal PI controller for this purpose. Thereby, the PI controller becomes a dead zone controller that sets the control difference to 0 when Ri_ist is in the dead zone. As a result, the P component of the controller automatically becomes zero. The I component is frozen. When Ri_ist is outside the dead zone, the control difference is passed to the PI controller without change.

図4は、センサ要素の温度が同じ場合に、内部抵抗値が使用年数に伴って高くなって行くラムダゾンデの場合の、不感帯40の境界或いは閾値の可能な設定を示している。不感帯の下側の境界についての可能な領域41は、新しいゾンデが過熱されるRi閾値42と新しいゾンデの定格内部抵抗43との間に設定される。不感帯40の上側の境界についての可能な領域44は、劣化したゾンデが過熱されるRi閾値45と新しいゾンデがなお機能可能なRi閾値46との間に設定される。ここで、「機能可能」という表現は、暖機状態のエンジンの場合と暖機運転中のエンジンの場合とでは異なる意味を持つことがある。暖機状態のエンジンの場合、機能可能性は、例えば信号精度とゾンデのダイナミクスに関する要求が満たされるということを意味しているのに対して、暖機運転中のエンジンの場合には、機能可能性は単に、混合気の状態を示すゾンデの能力を意味していることがある。   FIG. 4 shows a possible setting of the boundary or threshold value of the dead band 40 in the case of a lambda sonde where the internal resistance value increases with the years of use when the temperature of the sensor elements is the same. A possible area 41 for the lower boundary of the dead zone is set between the Ri threshold 42 at which the new sonde is overheated and the rated internal resistance 43 of the new sonde. The possible region 44 for the upper boundary of the dead zone 40 is set between the Ri threshold 45 at which the degraded sonde is overheated and the Ri threshold 46 at which the new sonde is still functional. Here, the expression “functional” may have different meanings for a warm-up engine and a warm-up engine. In the case of a warm-up engine, functionability means, for example, that the requirements for signal accuracy and sonde dynamics are met, whereas in the case of a warm-up engine, it can function. Sex may simply mean a sonde's ability to indicate the state of the mixture.

老化したゾンデの定格値47は、一般に不感帯40の上側の境界に関する可能な領域44の中にある。老化したゾンデの機能可能性に関するRi閾値48は、一般に不感帯40の上側の境界に関する可能な領域44の上側にある。不感帯の下側或いは上側の境界に関する可能な領域41及び44の中の矢印は、不感帯制御器の作用方向を示している。不感帯の中では制御器の増幅率は0にセットされる。下の表は、例として新しいゾンデと古いゾンデの場合の様々な温度と内部抵抗値に関する数値を示している。   The aged sonde rating 47 is generally within the possible region 44 for the upper boundary of the deadband 40. The Ri threshold 48 for the functionality of an aged sonde is generally above the possible region 44 for the upper boundary of the dead zone 40. The arrows in the possible areas 41 and 44 with respect to the lower or upper boundary of the dead zone indicate the direction of action of the dead zone controller. Within the dead zone, the controller gain is set to zero. The table below shows numerical values for various temperatures and internal resistance values for the new and old sondes as an example.

Figure 0006130095
Figure 0006130095

新しいゾンデを用いた時の特性マップ予備制御の定格内部抵抗は、例えばRi_nom=100オームである。この場合の不感帯の下側の境界のための可能な領域は、80オーム<Ri_min<100オームである。不感帯の上側の境界のための可能な領域は、240オーム<Ri_max<400オームである。   The rated internal resistance of the characteristic map preliminary control when using a new sonde is, for example, Ri_nom = 100 ohms. A possible area for the lower boundary of the deadband in this case is 80 ohms <Ri_min <100 ohms. A possible area for the upper boundary of the dead zone is 240 ohms <Ri_max <400 ohms.

それ故、不感帯の下側の境界は、新しいゾンデの過熱を防止するために用いられている。それ故、この境界は、Ri劣化の無い新しいゾンデを用いて定められる。内部抵抗値が不感帯の下側の境界を割り込むと、加熱出力が、またそれと共にゾンデ温度が低下する。不感帯の上側の境界は、新しいゾンデの許されない程強い冷却を、また同時に劣化したゾンデの過熱を防止するために用いられている。それ故、この境界は、新しいゾンデがなお機能可能であるように、また最大Ri劣化ゾンデが過熱されないように、定められる。この場合重要なことは、劣化したゾンデの過熱のためのRi閾値が、新しいゾンデの機能可能性のための閾値よりも小さいということである。何故なら、そうでなければ、新しいゾンデも古いゾンデも確実に且つ機能可能に作動することのできる重複領域ができなくなってしまうからである。内部抵抗値が不感帯の上側の境界をオーバーすると、加熱出力が、またそれに伴ってゾンデ温度が高められる。   Therefore, the lower boundary of the dead zone is used to prevent overheating of the new sonde. This boundary is therefore defined using a new sonde without Ri degradation. When the internal resistance value falls below the lower boundary of the dead zone, the heating power and, along with that, the sonde temperature decreases. The upper boundary of the dead zone is used to prevent unacceptably strong cooling of the new sonde and at the same time prevent overheating of the degraded sonde. This boundary is therefore defined so that the new sonde is still functional and the maximum Ri-degraded sonde is not overheated. What is important in this case is that the Ri threshold for overheating of the degraded sonde is smaller than the threshold for the functionality of the new sonde. This is because otherwise there will be no overlap area where both the new and old sondes can operate reliably and functionally. When the internal resistance value exceeds the upper boundary of the dead zone, the heating output and the sonde temperature are increased accordingly.

不感帯制御器と不感帯の下側或いは上側の境界設定は、ゾンデの信号精度を最適化するために、実際にはその時々の可能な領域の中で、ゾンデ内部抵抗がこの領域を制御器の過渡振動時に外れることがなく且つできる限りぴったりと不感帯の上に留まっているように、定められることが好ましい。   The lower and upper bounds of the dead zone controller and dead zone are actually the sonde's internal resistance that can be used to optimize the signal accuracy of the sonde. It is preferable that it is determined so that it does not come off during vibration and stays on the dead zone as closely as possible.

21 不感帯の下側の境界(閾値)
22 不感帯の上側の境界(閾値)
31 特性マップ予備制御手段
32 不感帯制御手段
33 ゾンデヒーター
34 内部抵抗測定器
35 排気ガス温度
36 排気ガス質量流量
40 不感帯
41 不感帯の下側の境界の可能な領域
42 新しいゾンデが過熱されるRi閾値
43 新しいゾンデの内部抵抗
44 不感帯の上側の境界の可能な領域
45 劣化したゾンデが過熱されるRi閾値
46 新しいゾンデがなお機能することの出来るRi閾値
47 老化(劣化)したゾンデの定格値
48 老化(劣化)したゾンデの機能可能性に関するRi閾値
21 Lower boundary of the dead zone (threshold)
22 Upper boundary (threshold) of dead zone
31 Characteristic map preliminary control means 32 Dead zone control means 33 Sonde heater 34 Internal resistance measuring device 35 Exhaust gas temperature 36 Exhaust gas mass flow rate 40 Dead zone 41 Possible area of lower boundary of dead zone 42 Ri threshold value 43 over which new sonde is overheated New sonde internal resistance 44 Possible area of upper boundary of dead zone 45 Ri threshold 46 at which degraded sonde is overheated Ri threshold at which new sonde can still function 47 Aged (degraded) sonde rating 48 Ri threshold for functional possibility of degraded sonde

Claims (6)

能動的に加熱される排気ガスセンサのヒーター(33)の作動のための方法において、
前記ヒーター(33)の作動のために不感帯制御(32)が実施され、前記不感帯制御(32)のためのガイド値が、前記排気ガスセンサの内部抵抗であること、
前記不感帯制御は、測定された内部抵抗値(Ri_ist)と内部抵抗の目標値(Ri_soll)の制御差(Ri_soll−Ri_ist)を処理するPI制御器によって実施されること、
前記内部抵抗値が不感帯の中にあるときに、前記PI制御器のP成分を0にセットし、I成分を凍結する不感帯制御が実施され、さらに前記ヒーターの目標電圧を計算する予備制御が実施されること、
前記内部抵抗値が不感帯の外にあるときに、前記制御差が前記PI制御器に引き渡され、さらに前記予備制御が実施されること、
前記予備制御(31)は、排気ガス温度および排気ガス質量流量が送り込まれる特性マップにより実現することができること、
を特徴とする方法。
In a method for operation of an actively heated exhaust gas sensor heater (33),
Dead zone control (32) is performed for the operation of the heater (33), and the guide value for the dead zone control (32) is the internal resistance of the exhaust gas sensor,
The dead zone control is performed by a PI controller that processes a control difference (Ri_soll−Ri_ist) between a measured internal resistance value (Ri_ist) and a target value (Ri_soll) of the internal resistance,
When the internal resistance value is in the dead zone, the P component of the PI controller is set to 0, dead zone control is performed to freeze the I component, and preliminary control is performed to calculate the target voltage of the heater. Being
When the internal resistance value is outside the dead band, the control difference is handed over to the PI controller, and the preliminary control is further performed;
The preliminary control (31) can be realized by a characteristic map into which exhaust gas temperature and exhaust gas mass flow rate are sent,
A method characterized by.
前記不感帯制御の不感帯(40)の下側の境界(21;41)が、内部抵抗閾値(42)として、未使用の排気ガスセンサの過熱作動で予め設定された、新しい排気ガスセンサの内部抵抗値と、新しい排気ガスセンサの定格内部抵抗(43)との間にあることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The lower boundary of the dead band control dead zone (40) (21; 41) is, as the internal resistance threshold (42), preset by the superheated work movements of the exhaust gas sensor unused, the internal resistance value of the new exhaust gas sensor When a method according to claim 1, characterized in that between the nominal internal resistance of the new exhaust gas sensor (43). 前記不感帯制御の不感帯(40)の上側の境界(22;44)が、内部抵抗閾値(45)として、使用された排気ガスセンサの過熱作動で予め設定された、使用された排気ガスセンサの内部抵抗値と、新しい排気ガスセンサが機能可能な内部抵抗(46)との間にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。 The upper boundary of the dead band control dead zone (40) (22; 44) is, as the internal resistance threshold (45), preset by the superheated work movement of the exhaust gas sensor is used, the internal resistance of the exhaust gas sensor is used 3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the value is between an internal resistance value (46) at which the new exhaust gas sensor can function. 測定された前記内部抵抗の値(Ri_ist)と目標の前記内部抵抗の値(Ri_soll)が不感帯制御器で処理され、前記不感帯制御器と、前記不感帯制御の不感帯(40)の下側の境界(21;41)と上側の境界(22;44)が、前記排気ガスセンサの内部抵抗が前記境界によって囲まれている領域を、前記不感帯制御の過渡振動の際に外れないように定められていることを特徴とする請求項1に記載の方法。   The measured value of the internal resistance (Ri_ist) and the target value of the internal resistance (Ri_soll) are processed by a dead zone controller, and the lower boundary of the dead zone controller and the dead zone (40) of the dead zone control (40) 21; 41) and the upper boundary (22; 44) are determined so that the region where the internal resistance of the exhaust gas sensor is surrounded by the boundary is not removed during the transient vibration of the dead zone control. The method of claim 1, wherein: 演算装置或いは制御装置で実行されると、請求項1ないし4のいずれかに記載の方法のステップを実施するコンピュータプログラム。   A computer program that, when executed by an arithmetic device or a control device, implements the steps of the method according to claim 1. 前記プログラムが演算装置或いは制御装置で実行されるときに、請求項1ないし4のいずれかに記載の方法を実施するための、機械読み取り可能な媒体に記憶されたプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品。   A computer program product comprising program code stored on a machine readable medium for performing the method according to any of claims 1 to 4 when the program is executed on a computing device or control device.
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