JP6440811B2 - 広帯域ラムダセンサの電気応答をシミュレーションするテストベンチ - Google Patents

広帯域ラムダセンサの電気応答をシミュレーションするテストベンチ Download PDF

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Description

本発明は、広帯域ラムダセンサを制御するエンベデッドシステムの開発に関する。
ラムダセンサは、内燃機関、例えば内燃機関を備えた自動車において、空燃比λ、すなわち、燃料に対する燃焼空気の比率の尺度量を監視するために用いられる。多くのラムダセンサは、負に帯電した酸素イオンが高温の二酸化ジルコニウム層を通る際に発生する電流の測定を基礎としている。こうしたラムダセンサの最も簡単な形態はネルンストセルとして知られている。著しく大きな測定インターバルを有するようにネルンストセルを拡張したものが広帯域ラムダセンサである。広帯域ラムダセンサは、主として2つの二酸化ジルコニウム層とその間に設けられる測定ギャップとから形成され、この測定ギャップは、チャネルを介して、自動車の排気ガス流をガスと交換する。ポンピング電圧により、酸素イオンが排気ガスから測定ギャップへ輸送され、これにより、測定ギャップ内の空燃比が平衡値λ=1に維持される。このために必要なポンピング電流が測定され、そこから、排気ガス流中の空燃比が推定される。広帯域ラムダセンサの動作の詳細な説明は図1に即して行う。
ラムダセンサには、通常、その調整および読み出しのための制御装置、例えば電子制御装置が対応して設けられている。自動車制御装置は、その大量生産前に、典型的には煩雑な開発および評価のプロセスを経由するが、これには制御装置のプロトタイプのテストベンチでのテストも含まれる。テストベンチは、リアルタイムかつ実際に近い状態で制御装置の環境をシミュレートできるように、つまり、制御装置の制御信号を読み込んで処理し、さらに制御装置が待機する入力データ、例えばセンサ値を妥当かつ実際に近い状態で形成してこの制御装置に供給するように構成されていなければならない。具体的には、制御装置は、電流(制御装置の側から見たポンピング電流)を生じさせるためにポンピング電圧をテストベンチへ印加できなければならず、テストベンチはこの電流から、制御装置が測定ギャップ内の空燃比を推定できるようにするための値を計算しなければならない。
従来技術では、制御装置のポンピング電圧を単純な抵抗に印加することが公知である。この例は、出願人によるDS2680I/Oユニットの取扱説明書(Produktbeschreibung SCALEXIO, 23頁,"Special I/O Channels"以降、https://www.dspace.com/de/gmb/home/products/hw/simulator_hardware/scalexio.cfmからPDFで呼び出し可能)に見出される。しかし、オーム抵抗の電流‐電圧特性曲線(以下では電気応答と称する)は、実際の広帯域ラムダセンサの電気応答とは大きく異なる。最近では、広帯域ラムダセンサの制御機器には、電気応答の偏差を識別してエラーとして評価する診断機能が設けられることが多くなっている。ただし、これは、必要な測定結果の形成に必須の、実際に近い状態での環境シミュレーションへの要求には合致しない。
こうした背景から、本発明の課題は、ベンチテストにおいて、制御装置から広帯域ラムダセンサに印加されるポンピング電圧に対する電気応答の妥当性を改善することである。
この課題は、各独立請求項記載のテストベンチまたはテスト方法により解決される。有利な構成形態は各従属請求項の対象となっている。
したがって、本発明の対象は、広帯域ラムダセンサを駆動制御するように構成された制御装置用のテストベンチである。テストベンチは、制御装置によるポンピング電圧が印加される第1の端子と第2の端子とを有する電気回路を含み、ポンピング電圧は、この電気回路を介して降下する。また、テストベンチは、ポンピング電圧によって電気回路内に生じる電流を考慮して、広帯域ラムダセンサの測定ギャップの酸素濃度を表す実際値、または、制御装置が待機する、酸素濃度を導出可能な指示値を計算する。指示値は、特に、広帯域ラムダセンサのネルンストセルを介して降下する拡散電圧、または、ネルンストセルを通って流れる拡散電流であってよい。
テストベンチはさらに、制御装置がテストベンチのデータ出力側の実際値を読み出すことができるよう、データ出力側に実際値を供給するように構成されている。
電気回路では、ポンピング電圧が第1の極性を有する場合に第1のダイオードを通って電流が流れ、ポンピング電圧が第2の極性を有する場合に第2のダイオードを通って電流が流れるよう、第1のダイオードと第2のダイオードとが並列接続されている。
したがって、本発明の進歩的な点は、ポンピング電圧が印加される単純な抵抗を、少なくとも2つのダイオードを上述した配置で含む幾分か複雑な電気回路によって置換するところにある。こうした単純な構成のみで、この電気回路は、広帯域ラムダセンサの電気応答を高い信頼性で定性的にシミュレートすることに適する。本発明の有利な構成段階では、電気回路にさらなる電気素子が付加される。研究によれば、上述したさらなる素子によって、市販されているかまたは開発段階にある実際の広帯域ラムダセンサの電気応答を定量的にもシミュレートできるので、こうした実際の広帯域ラムダセンサの制御装置の、ポンピング電流に対する電気応答の妥当性への要求が高い場合にも、制御装置をエラーなく実際に近い状態でテストできることが判明した。
一構成段階では、第1の電気抵抗は第1のダイオードに直列接続され、第2の電気抵抗は、第1のダイオードには直列接続されないが第2のダイオードに直列接続される。第1の抵抗および第2の抵抗により、λのきわめて高い値またはきわめて低い値についての電気応答の傾きを制御できる。
別の構成段階では、広帯域ラムダセンサの二酸化ジルコニウム層の寄生容量をシミュレートするために、第1のダイオードと第2のダイオードとにキャパシタンスが並列接続される。
さらに別の構成段階では、第3の抵抗は、第1のダイオードと第2のダイオードとに直列接続され、特にはキャパシタンスにも直列接続される。特に有利には、第3の抵抗は、二酸化ジルコニウム層の導電率の温度依存性をシミュレートするための制御可能抵抗である。この場合、テストベンチは、好ましくは、例えばソフトウェアモジュールによって、広帯域ラムダセンサのポンピングセルに温度を対応づけ、特性曲線に基づいてこの温度にポンピングセルの電気抵抗を対応づけ、制御可能抵抗の電気抵抗を温度に対応する電気抵抗へ適応化するように構成される。
ポンピングセルとは、広帯域ラムダセンサの二酸化ジルコニウム層であって、測定ギャップと排気ガス流との間に配置され、排気ガス流と測定ギャップとの間で酸素イオンを交換するように構成および配置された層であると理解されたい。電気回路は、こうしたポンピングセルの電気応答のシミュレートのために設けられる。
一実施形態では、テストベンチはまた、広帯域ラムダセンサを駆動制御するように構成された制御装置を含み、この制御装置は、データ出力側から実際値を読み出し、第1の端子および第2の端子にポンピング電圧を印加し、このポンピング電圧を駆動制御することにより、実際値を、制御装置に記憶された目標値へ適応化するように構成される。制御装置は、この実施形態では特に、テスト体としてテストベンチに組み込まれており、例えば、テストベンチによりエラーのない動作を検査されるべきプロトタイプである。テスト体は、この場合、実際値、すなわち、通常のケースではネルンストセルを介して降下する電圧を読み込み、これを測定ギャップでの空燃比λの指示値として評価するように構成される。さらに、テスト体は、ポンピング電圧を駆動制御することにより、測定ギャップでの空燃比λを制御し、実際値を、制御装置に記憶された目標値へ適応化するように構成される。
本発明を以下に図面に即して詳細に説明する。ここで、同じ要素には同じ参照番号を使用している。各図は概略的なものであり、その垂直方向および水平方向の寸法は導出可能な相互の幾何学的関係を表してはいない。
制御装置を有する典型的な広帯域ラムダセンサと広帯域ラムダセンサのポンピングセルの電気応答を示す図である。 広帯域ラムダセンサの制御装置をテストするための従来技術から公知のテストベンチを示す図である。 好ましい構成による、広帯域ラムダセンサの制御装置をテストするための本発明のテストベンチを示す図である。
図1には、本発明を理解するために、典型的に自動車内に設けられた広帯域ラムダセンサLPRがこれを駆動制御する制御装置Cとともに示されている。制御装置Cは電子制御装置として構成されている。広帯域ラムダセンサは、二酸化ジルコニウム(ZrO)から成る2つの膜PC,NCを含み、これらの膜の間に、ガスが充填された測定ギャップMが設けられている。2つの膜の両側は、ガス透過性の電極ELによってコーティングされている。
一方の膜はポンピングセルPCと称され、他方の膜はネルンストセルNCと称される。広帯域ラムダセンサLPRは、ポンピングセルPCの外側に設けられている電極ELが自動車の排気ガス流内に位置し、ネルンストセルNCの外側に設けられている電極ELが外気に接するように、自動車内に配置されている。外気は、例えば、広帯域ラムダセンサLPRへのチャネルを介して導通される。二酸化ジルコニウムは、約300℃から、温度上昇にしたがって、負イオン化した酸素を導通可能となる。広帯域ラムダセンサLPRを自動車の始動後に迅速に動作温度に移行させるために、2つのヒータプレートHが設けられている。
ポンピングセルPCによって駆動される拡散チャネルDCHを介して、測定ギャップMは排気ガス流とガスを交換する。したがって、広帯域ラムダセンサLPRがオフの場合には、測定ギャップMの酸素濃度は、排気ガス流中の酸素濃度に等しい。酸素濃度は、値λ=1が酸素と燃料との補償比を表す空燃比λによって特徴づけられる。値λ>1は酸素過剰(「リーン混合気」)を表し、値λ<1は燃料過剰(「リッチ混合気」)を表す。
電極ELでは酸素原子がイオン化され、ついでイオンがポンピングセルPCまたはネルンストセルNCを通って拡散しうる。周囲空気における酸素の割合が大きくなると、ネルンストセルNCを介して降下する拡散電圧Uが発生し、この拡散電圧Uを測定ギャップMにおける空燃比λに対する指示値として使用可能である。つまり、拡散電圧Uから直接に、測定ギャップにおける空燃比λを導出できる。値U=0.450Vの拡散電圧が、例えば補償空燃比λ=1として評価される。制御装置Cは、拡散電圧Uを測定し、測定された拡散電圧Uを読み込むように構成されている。
制御装置Cはさらに、ポンピングセルPCを介して降下するポンピング電圧UをポンピングセルPCに印加するように構成されている。ポンピング電圧Uは、ポンピングセルを通る酸素イオンのポンピング電流Iを、極性に応じて、排気ガス流から測定ギャップMへまたは逆方向で生じさせ、これにより測定ギャップ内のλ値を制御する。制御装置Cは、拡散電圧Uを測定し、測定ギャップ内のポンピング電圧Uを駆動制御して、拡散電圧を値U=0.450Vへ調整することにより、補償空燃比λ=1を維持するように構成されている。制御装置Cは、同様にポンピング電流Iを測定するようにも構成されており、上述した維持に必要なポンピング電流Iから排気ガス流中のλ値を導出する。
また、図には、ポンピングセルPCの第1の電気応答ER1、すなわち、ポンピング電圧Uに対するポンピング電流Iを示したポンピングセルPCの特性曲線も、定性的な表現で示されている。電極ELでの酸素イオンの形成はポンピング電流Iの流れ方向に応じて異なる化学プロセスに基づくため、第1の電気応答ER1は原点対称ではない。排気ガス流から測定ギャップへの流れ方向では、酸素イオンは主として水分子から形成され、反対の流れ方向では主として酸素分子から形成される。
図2には、従来技術から公知の、制御装置C用の第1のテストベンチTS1が示されている。第1のテストベンチTS1は、制御装置CがポンピングセルPCに代えてポンピング電圧Uを印加する抵抗Rを含む。差動増幅器CMPは、抵抗Rを通って流れるポンピング電流Iを測定するように構成されている。第1のテストベンチTS1は、プロセッサMCを含み、このプロセッサMCは、ポンピング電流Iを差動増幅器CMPから読み出し、自身に格納されているソフトウェアモデルを用いてポンピング電流Iを考慮して拡散電圧Uの値を計算し、この拡散電圧Uの値を第1のテストベンチTS1のデータ出力側OPに供給するように構成されている。制御装置Cは、このデータ出力側OPから拡散電圧Uの値を読み出すように構成されている。
プロセッサMC上のソフトウェアモデルは、制御装置Cの環境シミュレーションである。拡散電圧Uを計算するためには、ポンピング電流Iのほか、ソフトウェアモデルによって計算される別の量、または、第1のテストベンチTS1の物理コンポーネントから伝送されてくる別の量、例えば、真の負荷から、もしくは、センサのシミュレーションのために構成されている第1のテストベンチTS1の付加コンポーネントから伝送されてくる量も考慮される。特に、ソフトウェアモデルは、広帯域ラムダセンサLPRのシミュレーションと、排気ガス流中の酸素濃度値を設定する排気ガス流のシミュレーションとを含む。基本的に、ソフトウェアモデルは任意の複雑さで構成可能であって、例えば内燃機関のシミュレーション、さらに、仮想の自動車の別のコンポーネント、および、仮想の自動車が走行マヌーバを実行する仮想環境を含むことができる。差動増幅器CMPによって測定されるポンピング電流Iは、ソフトウェアモデルにより、シミュレートされた広帯域ラムダセンサLPRのポンピングセルPCを通る酸素イオンのポンピング電流であると解釈される。
したがって、第1のテストベンチTS1は、制御装置Cに自動車の動作を仮想提示するように構成されている。制御装置Cは、ポンピング電圧Uを印加し、シミュレートされた拡散電圧Uを応答として受け取る。拡散電圧Uは、第1のテストベンチTS1により、ソフトウェアモデルにおける広帯域ラムダセンサLPRのシミュレーションから計算され、制御装置Cがポンピング電圧Uを駆動制御することによって制御可能である。
抵抗Rの電気応答は、第2の電気応答ER2として示されている。第1のテストベンチTS1の欠点は、第2の電気応答ER2が原点を通る直線であって、第1の電気応答ER1とは異なるということである。制御装置Cが第2の電気応答ER2の妥当性を検査するための診断機能を含む場合、制御装置Cのエラーが報告されてしまう。
図3には、本発明の有利な実施形態を実現する第2のテストベンチTS2が示されている。第2のテストベンチTS2では、抵抗Rが電気回路CRCによって置換されており、この電気回路CRCによって、広帯域ラムダセンサLPRのポンピングセルPCの電気応答ER1、例えば第1の電気応答ER1を定量的にシミュレートできる。以下では、図2との相違点のみを説明する。なお、図2,図3において同じ参照番号を付してある要素は、同じ要素として構成されているものと見なされたい。
テストベンチTS2はポンピング電圧が印加される第1の端子V1および第2の端子V2を含み、このポンピング電圧は電気回路CRCを介して降下する。制御装置Cは、自身が印加するポンピング電圧Uが電気回路CRCを介して降下するように、第1の端子V1と第2の端子V2とに接続されている。電気回路CRCの電気応答は第3の電気応答ER3として示されているが、これは、広帯域ラムダセンサLPRのポンピングセルPCの電気応答、例えば第1の電気応答ER1のシミュレーションである。
電気回路CRCでは、第1のダイオードD1と第2のダイオードD2とが反対向きの導通方向で並列接続されており、これにより、ポンピング電圧Uの極性に応じて、ポンピング電流が、第2のダイオードD2を流れずに第1のダイオードD1を流れるか、または、第1のダイオードD1を流れずに第2のダイオードD2を流れるかのいずれかとなる。第1のダイオードD1および第2のダイオードD2をこのように配置するのみで、第1の電気応答ER1の定性的なシミュレーションが達成される。
第1の抵抗R1は第1のダイオードD1に直列に接続されており、第1の抵抗R1および第2の抵抗R2は第2のダイオードD2に直列に接続されている。第1の抵抗R1および第2の抵抗R2は、U=0近傍のダイオードジャンプ以外のポンピング電圧Uの強い正の値および強い負の値に対して、第3の電気応答ER3の傾きを制御する。研究によって、第1のダイオードD1、第2のダイオードD2、第1の抵抗R1および第2の抵抗R2を適切に選択すれば、実際の広帯域ラムダセンサのポンピングセルの電気応答を定量的にも高精度でシミュレートでき、これにより、制御装置Cが駆動制御するポンピング電圧Uのスペクトル全体において、電気回路CRCを通るポンピング電流Iが実際の広帯域ラムダセンサLPRのポンピングセルPCを通るポンピング電流Iに高精度に相応することが判明している。このために、実際の広帯域ラムダセンサのポンピングセルの電気応答は、上述した各モジュールを選択する前に測定される。
ポンピングセルPCの電気応答の他の相をシミュレートするために、電気回路はさらに、コンデンサCPおよび第3の制御可能抵抗R3の形態のキャパシタンスを含む。コンデンサCPは、第1のダイオードD1と第2のダイオードD2と第1の抵抗R1と第2の抵抗R2とに並列接続されており、ポンピングセルPCの寄生容量をシミュレートする。コンデンサCPのキャパシタンスは、この場合、実際の広帯域ラムダセンサのポンピングセルの寄生容量に等しくなるようにまたは類似するように選定される。
第3の抵抗R3は、第1のダイオードD1と第2のダイオードD2と第1の抵抗R1と第2の抵抗R2とコンデンサCPとに直列に接続されており、ポンピングセルPCの電気抵抗の温度依存性をシミュレートする。このために、プロセッサMCは、第3の抵抗R3を駆動して、シミュレートされる広帯域ラムダセンサのポンピングセルPCに、メモリアドレスから読み出された温度またはソフトウェアモデルに基づいて計算された温度を対応づけ、この温度に、テストベンチTS2のメモリに格納されている特性曲線に基づいてポンピングセルPCの電気抵抗を対応づけ、第3の抵抗R3の電気抵抗を温度に対応する電気抵抗へ適応化するように構成されている。このために、例えば、ソフトウェアモデルに含まれている内燃機関のシミュレーションによって排気ガス流の温度を計算でき、熱伝導モデルに基づいて排気ガス流の温度からポンピングセルの温度を計算できる。
差動増幅器CMPは、第1の抵抗R1を通って流れる電流を測定できるように配置されている。差動増幅器CMPのこうした配置によって、ポンピング電流Iの測定のために、ポンピングセルPCを通るポンピング電流Iに対応する電流、すなわち、第1のダイオードD1または第2のダイオードD2を通って流れる電流のみを考慮すればよく、コンデンサCPを通って流れる電流を考慮せずに済むという利点が得られる。

Claims (14)

  1. 広帯域ラムダセンサ(LPR)を駆動制御するように構成された制御装置(C)用のテストベンチ(TS2)であって、
    前記テストベンチ(TS2)は、前記制御装置(C)によるポンピング電圧Uが印加される第1の端子(V1)および第2の端子(V2)を有する電気回路(CRC)を含み、前記ポンピング電圧Uは、前記電気回路を介して降下し、
    前記テストベンチ(TS2)は、前記ポンピング電圧Uによって前記電気回路内に生じる電流Iを考慮して、前記広帯域ラムダセンサ(LPR)の測定ギャップ(M)の酸素濃度を表す実際値または酸素濃度を導出可能な指示値を計算し、前記テストベンチ(TS2)のデータ出力側(OP)に、前記制御装置(C)によって読み出し可能な実際値を供給するように構成されている、
    テストベンチ(TS2)において、
    前記ポンピング電圧Uが第1の極性を有する場合に第1のダイオード(D1)を通って電流が流れ、前記ポンピング電圧Uが第2の極性を有する場合に第2のダイオード(D2)を通って電流が流れるよう、前記電気回路(CRC)において前記第1のダイオード(D1)と前記第2のダイオード(D2)とが並列接続されている
    ことを特徴とするテストベンチ(TS2)。
  2. 前記指示値は、前記広帯域ラムダセンサ(LPR)のネルンストセル(NC)を介して降下する拡散電圧U、または、前記ネルンストセル(NC)を通って流れる拡散電流である、
    請求項1記載のテストベンチ(TS2)。
  3. 前記電気回路(CRC)は、前記第1のダイオード(D1)に直列接続された第1の抵抗(R1)と、前記第1のダイオード(D1)には直列接続されず前記第2のダイオード(D2)に直列接続された第2の抵抗(R2)とを含む、
    請求項1または2記載のテストベンチ(TS2)。
  4. 前記電気回路(CRC)は、前記第1のダイオード(D1)と前記第2のダイオード(D2)とに並列接続されたキャパシタンス(CP)を有する、
    請求項1から3までのいずれか1項記載のテストベンチ(TS2)。
  5. 前記電気回路(CRC)は、前記第1のダイオード(D1)と前記第2のダイオード(D2)とに直列接続された第3の抵抗(R3)を含む、
    請求項1から4までのいずれか1項記載のテストベンチ(TS2)。
  6. 前記第3の抵抗(R3)は、制御可能抵抗である、
    請求項5記載のテストベンチ(TS2)。
  7. 前記テストベンチ(TS2)は、前記第3の抵抗(R3)を駆動制御し、前記広帯域ラムダセンサ(LPR)のポンピングセル(PC)に温度を対応づけ、前記テストベンチのメモリに格納されている特性曲線に基づいて前記温度に前記ポンピングセル(PC)の電気抵抗を対応づけ、前記第3の抵抗(R3)の電気抵抗を前記温度に対応する電気抵抗へ適応化するように構成されている、
    請求項6記載のテストベンチ(TS2)。
  8. 前記テストベンチ(TS2)は、前記広帯域ラムダセンサ(LPR)を駆動制御するように構成された制御装置(C)を含み、
    該制御装置(C)は、データ出力側(OP)から前記実際値を読み出し、前記第1の端子(V1)および前記第2の端子(V2)に前記ポンピング電圧Uを印加し、前記ポンピング電圧Uを駆動制御することにより、前記実際値を、前記制御装置(C)に記憶された目標値へ適応化するように構成されている、
    請求項1から7までのいずれか1項記載のテストベンチ(TS2)。
  9. 広帯域ラムダセンサ(LPR)を駆動制御するように構成された制御装置(C)用のテスト方法であって、
    前記広帯域ラムダセンサ(LPR)のポンピングセル(PC)に印加されるべく設けられ、前記制御装置(C)によって駆動制御されるポンピング電圧Uが、電気回路(CRC)を介して降下するよう、前記制御装置(C)を前記電気回路(CRC)に接続し、
    前記ポンピング電圧Uを考慮して、前記広帯域ラムダセンサ(LPR)の測定ギャップ(M)の酸素濃度を表す実際値または酸素濃度を導出可能な指示値を計算する、
    テスト方法において、
    前記ポンピング電圧Uが第1の極性を有する場合に第1のダイオード(D1)を通って電流が流れ、前記ポンピング電圧Uが第2の極性を有する場合に第2のダイオード(D2)を通って電流が流れるよう、前記電気回路(CRC)において前記第1のダイオード(D1)と前記第2のダイオード(D2)とを並列接続する、
    ことを特徴とするテスト方法。
  10. 第1の抵抗(R1)を前記第1のダイオード(D1)に直列接続し、
    第2の抵抗(R2)を、前記第1のダイオード(D1)にではなく、前記第2のダイオード(D2)に直列接続する、
    請求項9記載のテスト方法。
  11. 前記広帯域ラムダセンサ(LPR)の前記ポンピングセル(PC)の電気応答を測定し、
    前記電気回路(CRC)の電気応答が前記ポンピングセル(PC)の前記電気応答に定量的に追従するよう、前記第1のダイオード(D1)、前記第2のダイオード(D2)、前記第1の抵抗(R1)および前記第2の抵抗(R2)を選定する、
    請求項10記載のテスト方法。
  12. キャパシタンス(CP)を前記第1のダイオード(D1)と前記第2のダイオード(D2)とに並列接続する、
    請求項9から11までのいずれか1項記載のテスト方法。
  13. 前記制御装置(C)は、前記ポンピング電圧Uを駆動制御することにより前記実際値を目標値へ適応化するように構成されており、かつ前記実際値を読み出すように構成されている、
    請求項9から12までのいずれか1項記載のテスト方法。
  14. 制御可能抵抗(R3)を前記第1のダイオード(D1)と前記第2のダイオード(D2)とに直列接続し、
    前記広帯域ラムダセンサのポンピングセルに温度を対応づけ、
    該温度を特性曲線に基づいて前記ポンピングセル(PC)の電気抵抗に対応づけ、
    前記制御可能抵抗(R3)の電気抵抗を、前記温度に対応する電気抵抗へ適応化する、
    請求項9から13までのいずれか1項記載のテスト方法。
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