JP5457433B2 - 広域ラムダセンサのための評価及び制御ユニット - Google Patents

Description

本発明は広域ラムダセンサのための評価及び制御ユニットに関する。

自動車において現行法で要求されている排ガス規制値を達成するためには、フィードバック制御された三元触媒が用いられている。この三元触媒は、一酸化炭素、炭化水素及び窒素酸化物などの排ガス成分を大幅に低減させるものである。三元触媒は、多数の小さな排気流路を備え本来の触媒反応を起こす貴金属粒子の蒸着されたセラミックス担体からなっており、排気ガスが高温の触媒表面に触れることで、前述した３つの排ガス成分が水蒸気Ｈ₂Ｏと窒素と二酸化炭素に分解される。

前述した排気ガス成分を相互に反応させるためには、エンジンはいわゆる理論空燃比運転を必要とし、この理論空燃比よりも濃厚であっても希薄であっても効果はなくなる。このことに対しては、ラムダセンサ（ラムダゾンデ）を用いることによって排ガス中の酸素含有量の測定と制御機器への測定値の供給が保証されている。この制御機器は例えば目下必要な混合気が供給されるように燃料噴射装置をフィードバック制御している。

混合比センサとして用いられる酸素センサは、例えば米国特許出願公開第４，５６８，４４３号明細書からも公知である。ここでの酸素センサでは、センサの測定素子が内部ガス拡散チャンバーを備えて構成されており、このガス拡散チャンバーが、測定すべきガスを含んだ外部空間と接続されている。測定素子は、予め定められた拡散抵抗のもとで導入される測定ガスが存在する内部ガス拡散チャンバー内の雰囲気ないしはガスの酸素濃度を求めるための測定装置を有している。この測定装置は、酸素濃度を示す出力信号を送出する。さらに前記測定素子は酸素ポンプ装置を有しており、この酸素ポンプ装置は測定装置の出力信号に依存したポンプ電流で作動する。それによってガス拡散チャンバー内の酸素濃度が予め定められた値に維持される。酸素ポンプ装置に供給されたポンプ電流は、空気／燃料混合気の燃焼によって発生した排気ガス、すなわち測定ガス中の酸素濃度を表すパラメータを検出するのに用いられる。

独国特許出願公開第１９８ ３８ ４６６号明細書からは、内燃機関のガス混合気、特に排気ガス中の酸素濃度を確定するための測定センサの駆動制御方法が公知である。この場合は酸素濃度に相応する、ネルンスト測定セルから供給された検出電圧が、回路装置によってポンプセルに対するポンプ電圧に変換される。ガス混合気中の酸素含有量に応じてアノード総電流またはカソード総電流がポンプセルを介して流れる。選択可能な期間に亘ってアノード限界電流が流れる測定センサの安定した作動のもとで、ポンプセル及び／又はネルンスト測定セルは、測定された検出電圧ないしは生じたポンプ電流に依存することなく供給される少なくとも１つの電圧パルスを、測定センサの減極が起きるように印加する。

独国特許出願公開第１０１ ４５ ８０４号明細書からは、特に自動車の排ガス後処理装置におけるガス混合気中の窒素酸化物を検出する窒素酸化物センサの作動方法が公知である。この場合はポンプセルの内部ポンプ電極と外部ポンプ電極との間でポンプ電流に作用するポンプ電圧が印加されている。このことを用いることによって第１の測定ガス空間内で酸素のポンピングによる一定の酸素分圧が生じる。ポンプ電圧は次のように制御される。すなわち濃淡セルの電極に一定の電圧値が生じるように制御される。第２の測定ガス空間に配置されるＮＯｘ反応型の第３の電極は第２のポンプセルとして作動する。そこではＮＯｘ濃度を示す限界電流が生じる。測定時間窓（期間）の範囲内でポンプ電流は遮断若しくはコントロールされて低減され、ＮＯｘ濃度が検出される。

独国特許発明第１０２ ２１ ３９２号明細書からは測定検出器を用いて測定ガス中のガス成分を測定するための方法及び装置が公知である。この測定検出器は、固体電解質に接続され濃厚ガスにさらされている外部電極と、固体電解質に接続されている電極とを有しており、それらの電極間では、固体電解質を流れるポンプ電流を用いて酸素がポンピングされる。この場合ポンプ電流は、基準電極と電極の間で流れる。ポンプ電流としては、同じパルス幅を有する多数の個別パルスを備えたパルスシーケンスが周期的に利用され、その場合のパルス幅はポンプ電流のレベルの設定のためにデジタルないしアナログ制御器によって設定される。

独国特許出願公開第１０１ ６３ ９１２号明細書からは、ガスセンサ、特にラムダセンサと、該センサの制御方法が開示されている。ここでのガスセンサは、測定ガスにさらされる第１の電極と、基準ガスにさらされる第２の電極を有している。さらに制御及び評価回路が設けられている。この制御及び評価回路は、システム全体の運転状態に関する信号を供給している。測定ガスが十分に基準ガスに相応しているか、若しくはガス成分の濃度が基準ガスに相応している運転状態のもとでは、制御及び評価回路が自動的に測定信号を予め定められた値と比較する。この手段は、腐食性のガス混合気に使用する場合において長い寿命と良好な測定精度を備えたガスセンサの提供を可能にする。

独国特許発明第１０２ １６ ７２４号明細書からは、燃料空気混合気で作動する内燃機関の排ガス中の酸素濃度を確定する広域ラムダセンサの作動のための方法が公知である。この方法では、内燃機関の希薄燃焼運転モード中の燃料のアフター噴射期間中、及び／又はラムダセンサの加熱期間にポンプ電圧の極性反転が繰り返される。ポンプ電圧の極性反転の繰り返しのためには、ポンプセルに一定の振幅を有する電圧パルスのパルスシーケンスが印加され、ネルンストセルのネルンスト電圧に依存した電圧パルスのパルス幅変調によって効果的なポンプ電流が設定される。またこれとは代替的に、ポンプセルへのポンプ電圧の極性反転の繰り返しに対して、一定のパルス幅を有する電圧パルスのパルスシーケンスを印加し、ネルンストセルのネルンスト電圧に依存した電圧パルスの振幅変化によって効果的なポンプ電流が設定されてもよい。パルスセルのパルスモードは内燃機関の希薄燃焼モードにおいても濃厚燃焼モードにおいても一貫して維持され得る。

独国特許出願公開第２００４ ０４７ ７９７号明細書からは、さらなるセンサ素子が公知であり、このセンサ素子は内燃機関の排ガス中の酸素分圧を検出するために設けられている。このセンサ素子は少なくとも１つの電気化学的測定セルを含んでおり、該電気化学的測定セルは第１の電極と第２の電極を有し、これらの電極は固体電解質によって電気的に接続されている。第２の電極は、ガスチャンバーに配設されており、このガスチャンバーは、触媒活性材料を有する第１の素子と拡散を制限する第２の素子を介して、センサ素子外部に存在している測定ガスと接続している。第１の素子は測定ガスの拡散方向に向けて少なくとも１ｍｍの長さを有している。このことはセンサ素子に次のようなことを可能にさせている。すなわち、測定ガスの酸素分圧をさらに速い応答速度で測定することを可能にさせている。さらにいわゆる不平衡な測定ガス若しくは多重成分の測定ガスにおいても正確な酸素分圧の測定を可能にしている。

さらに出願人によって開発された集積回路ＣＪ１２５も公知である。この集積回路は広域ラムダセンサのための制御及び増幅回路である。この回路は広域ラムダセンサとマイクロコンピュータの間で切り替えを行う。この回路の目的はとりわけ広域ラムダセンサから供給されたネルンスト電圧をアナログ評価方式で評価し、ネルンスト電圧に依存したポンプ電圧を広域ラムダセンサに供給することである。この集積回路に関する製品情報はインターネットアドレスwww.semiconductors.bosch.de/pdf/CJ125_product_Info.pdfから入手可能である。

発明の利点
請求項１の特徴部分に記載の評価及び制御ユニットは次のような利点を有している。すなわち、ポンプ電流制御器に対する実際値の検出の他に、さらに広域ラムダセンサの作動状態に関する情報が検出され、デジタルインターフェースから得られることである。このさらなる情報は、多岐に亘っての利用が可能である。例えばＣＡＲＢによるケーブル診断の実現や、広域ラムダセンサの電極端子ＲＥ，ＩＰＥ，ＡＰＥが各作動状態において０Ｖ〜Ｕｍａｘまでの許容可能な電圧範囲を逸脱しないことの保証、広域ラムダセンサの電極分極の連続的な監視、経年劣化に関する広域ラムダセンサの監視、限界電流センサが存在する場合のラムダ値１からの経過値の監視、及び存在するラムダセンサの作動準備の検出などが保証される。これにより、評価及び制御ユニットの機能性が拡張される。

この広域ラムダセンサの作動状態に関するさらなる情報を求めるために、ポンプ電流制御器に対する実際値の検出とラムダセンサの内部抵抗の検出のために設けられた、既存の信号処理ユニットが用いられる。

有利な実施形態によれば、信号処理ユニットから求められた広域ラムダセンサの作動状態に関するさらなる情報がアナログデジタル変換器を介してそこから直接デジタルインターフェースに供給される。このデジタルインターフェースからは前記さらなる情報が、遅滞なしで例えば接続されているマイクロコンピュータに供給可能である。このマイクロコンピュータも伝送されたさらなる情報を評価でき、場合によっては必要な応答、例えば燃料混合気の変更や警報信号の指示を迅速に進行させる。

代替的な実施形態によれば、前記信号処理ユニットによって求められた、広域ラムダセンサの作動状態に関するさらなる情報がアナログ−デジタル変換の後で評価及び制御ユニットのバッファメモリに一時記憶されるかないしは収集され、収集された情報はデータバーストの形態でデジタルインターフェースを介して出力される。

さらに別の代替的な実施形態によれば、前記信号処理ユニットによって求められた、広域ラムダセンサの作動状態に関するさらなる情報がアナログ−デジタル変換の後で評価及び制御ユニットのバッファメモリに所定のアドレスのもとで記憶される。これにより、例えば外部のマイクロコンピュータがデジタルインターフェースを介して、バッファメモリの適切なアドレス指定により、当該広域ラムダセンサの作動状態に関する所望のさらなる情報にアクセス可能になる。

有利には、前記評価及び制御ユニットは、１つのスイッチを介して評価及び制御ユニットの内部ポンプ電極端子に接続され、さらに別のスイッチを介して評価及び制御ユニットの外部ポンプ電極端子に接続された唯一のポンプ電流源を有する。このことは、これらのスイッチの適切な制御によって電流通流方向を所望のように編成することを可能にしている。

有利には前記ポンプ電流は、パルス形態のポンプ電流であって、固定の周波数と可変のデューティ比及び設定可能な極性を有している。このことは、可能にする。ポンプ電流制御器の実際値と、ラムダセンサの内部抵抗の実際値と、ラムダセンサの当該パルス形態のポンプ電流のパルス休止期間中の作動状態に関するさらなる情報を求めることを可能にする。

有利には前記信号処理ユニットは、各パルス休止期間においてポンプ電流制御器のための実際値を求めるためのデータを検出する。このことは、ポンプ電流の制御を、変更された実際値に迅速に対応させられる利点につながる。

さらに前記信号処理ユニットは有利には、順次連続するパルス休止期間中に広域ラムダセンサの作動状態に関するさらなる異なった情報を求めるためのデータを検出する。それらのデータは有利には周期的に検出される。このことは、各パルス休止期間において求められる情報の数を減少させ、信号処理ユニットに要求される速度を低減させることにつながる。

有利には前記評価及び制御ユニットはパラメータメモリを含んでいる。このパラメータメモリには、ＳＰＩを介してロードされる、デジタル制御器の所定の制御特性に相応するデータセットが記憶されている。このことは、評価及び制御ユニットが様々なタイプのラムダセンサ及び様々なメーカのラムダセンサと関連させて利用できる利点につながる。例えば評価及び制御ユニットは、基準電極を備えた本件出願人の広域ラムダセンサとその他のメーカの広域ラムダセンサを関連させて用いることが可能になる。また限界電流方式のセンサと関連させて用いることも可能である。

前記評価及び制御ユニットは独立した構成部材の形態で、それぞれ存在するラムダセンサと制御機器の間に接続されていてもよいし、代替的に制御機器の特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）の形態であってもよい。

様々なパラメータデータセットを評価及び制御ユニットに記憶する手段によれば、評価及び制御ユニットを様々なメーカのセンサと関連させて利用できるようにする前提条件が整う。

有利には、前記評価及び制御ユニットは、複数のさらなるスイッチを有しており、それらのスイッチング制御信号は制御回路から供給される。これらのさらなるスイッチを用いることにより、有利には、信号処理ユニットが目下の所望の測定値を得られるようにするための、評価及び制御ユニットのそれぞれ所望の１つの端子ないし複数の端子と、それぞれ所望の基準電位、例えばアースとの接続が達成される。測定値の供給とその評価は有利には非常に短い時間で行うことが可能である。それによりシステム全体が迅速に所要のステップを進行させることができるようになる。

本発明のさらなる有利な特性は以下の図面に基づく説明によって明らかとなる。

広域ラムダセンサとプラグとマイクロコンピュータに接続されている評価及び制御ユニットを示した図 パルス状のポンプ電流生成の一例を示した図 図１の信号処理ユニット５における信号処理の一例を示した図

実施例の説明
図１には本発明による評価及び制御ユニット、例えば開ループ及び閉ループ制御ユニット１が示されており、この評価及び制御ユニット１は、広域ラムダセンサ２と、制御機器、例えばマイクロコンピュータ（μＣ）３と、センサプラグ４に接続されている。またそれとは代替的に前記評価及び制御ユニット１は、波線３′によって表されているように制御機器がその中に集積されている構成ユニットであってもよい。さらにこの評価及び制御ユニット１は有利には特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）の形態で実現されていてもよい。

前記評価及び制御ユニット１は多数の端子を有している。これらの端子には適用抵抗端子ＲＩＲ、適用抵抗端子ＲＩＰ、較正用抵抗端子ＣＡＬ、基準電極端子ＲＥ、測定入力側ＲＥＭ、内部ポンプ電極端子ＩＰＥ、測定入力側ＡＰＭ、外部ポンプ電極端子ＡＰＥ、測定入力側ＭＥＭ、測定抵抗端子ＲＧ、測定入力側ＭＥＳ、電圧供給端子ＵＣ５、ＵＣ３、ＵＢ、ＵＣＳ、クロック入力側ＴＡＫＴ、クランクシャフト信号用入力側ＫＷ０、４つのＳＰＩ端子及び測定端子ＧＮＤが所属している。

前記評価及び制御ユニット１の基準電極端子ＲＥは、広域ラムダセンサ２の基準電極端子ＲＥに接続されている。評価及び制御ユニット１の内部ポンプ電極端子ＩＰＥは広域ラムダセンサ２の内部ポンプ電極端子ＩＰＥに接続されている。評価及び制御ユニット１の外部ポンプ電極端子ＡＰＥは、広域ラムダセンサ２の外部ポンプ電極端子ＡＰＥに接続されている。評価及び制御ユニット１の測定入力側ＭＥＳはオーム抵抗Ｒ_Codeを介して（これはセンサプラグ４の構成要素である）広域ラムダセンサ２の外部ポンプ電極端子ＡＰＥに接続されている。

前記評価及び制御ユニット１のクロック入力側ＴＡＫＴには、マイクロコンピュータμＣ３で生成されたクロック信号Ｔａｋｔを供給されている。評価及び制御ユニット１の入力側ＫＷ０にはマイクロコンピュータμＣ３によってクランクシャフト信号ＫＷ０が供給されている。このクランクシャフト信号ＫＷ０は、評価及び制御ユニット１で測定データが検出される時点においてエンジン制御部の時間経過と結合される。

さらにマイクロコンピュータ（μＣ）３はデータバスを介してＳＰＩインターフェースとして実現されるデジタルインターフェース８と接続されている。このデータバスを介してマイクロコンピュータμＣ３と評価及び制御ユニット１の間で双方向のデータ交換が行われる。

前記評価及び制御ユニット１の適用抵抗端子ＲＩＲはオーム抵抗Ｒ_iprefを介して基準電位と接続され、さらに評価及び制御ユニット１の内部において基準電流源１２と接続される。評価及び制御ユニット１の適用抵抗端子ＲＩＰはオーム抵抗Ｒ_ipを介してアースに接続され、さらに評価及び制御ユニット１の内部でポンプ電流源１１に接続される。評価及び制御ユニット１の較正用抵抗端子ＣＡＬはオーム抵抗Ｒ_calを介して基準電位と接続され、さらに評価及び制御ユニット１の内部においてスイッチＳ９を介して基準電流源１２と接続される。

前記評価及び制御ユニット１の基準電極端子ＲＥはオーム抵抗Ｒ_frを介して測定入力側ＲＥＭに接続される。この測定入力側ＲＥＭはコンデンサＣ_frを介して評価及び制御ユニット１の内部ポンプ電極端子ＩＰＥに接続されている。オーム抵抗Ｒ_frとＣ_frからなる直列回路に並列にさらなるコンデンサＣ_rが接続されており、このさらなるコンデンサＣ_rも広域ラムダセンサ２の基準電極ＩＰＥと広域ラムダセンサ２の内部ポンプ電極ＩＰＥの間に接続されている。

前記評価及び制御ユニット１の内部ポンプ電極端子ＩＰＥはコンデンサＣ_fpを介して測定入力側ＡＰＭに接続されている。この測定入力側ＡＰＭはオーム抵抗Ｒ_fpを介して評価及び制御ユニット１の外部ポンプ電極端子ＡＰＥに接続されている。コンデンサＣ_fpとオーム抵抗Ｒ_fpからなる直列回路に並列にコンデンサＣ_pが接続されており、このコンデンサＣ_pは広域ラムダセンサ２の内部ポンプ電極ＩＰＥと広域ラムダセンサ２の外部ポンプ電極ＡＰＥの間に接続されている。さらにコンデンサＣ_pに対して並列に、２つのコンデンサＣ_st1,Ｃ_st2からなる直列回路が接続されている。このコンデンサＣ_st1，Ｃ_st2の間の接続点はアースに接続されている。

前記評価及び制御ユニット１の外部ポンプ電極端子ＡＰＥは、コンデンサＣ_fmを介して測定入力側ＭＥＭと接続されている。この測定入力側ＭＥＭはオーム抵抗Ｒ_fmを介して評価及び制御ユニット１の測定入力側ＭＥＳに接続されている。コンデンサＣ_fmとオーム抵抗Ｒ_fmからなる直列回路に並列に測定抵抗Ｒ_messが接続されている。これはさらにプラグ４の抵抗Ｒ_Codeに並列に接続されている。

前記評価及び制御ユニット１の測定抵抗端子ＲＧはオーム抵抗Ｒ_GNDを介してアースに接続されている。評価及び制御ユニット１の測定入力側ＭＥＳはコンデンサＣ_st3を介してアースに接続されている。

前記評価及び制御ユニット１の内部では評価及び制御ユニット１の基準電極端子ＲＥがスイッチＳ１０を介して基準電流源１２に接続されている。さらにこの基準電極端子ＲＥは、２つのスイッチＳ８及びＳ１１からなる直列回路を介して基準電圧Ｘｖｍ*Ｕ_ccと接続される。スイッチＳ８とＳ１１の間の接続点はスイッチＳ４を介してアースに接続される。さらにこのスイッチＳ８とＳ１１の間の接続点は、前記評価及び制御ユニット１の内部ポンプ電極端子ＩＰＥにも接続されている。

前記評価及び制御ユニット１の内部ポンプ電極端子ＩＰＥは当該評価及び制御ユニット１の内部においてさらにスイッチＳ２を介して評価及び制御ユニット１の測定抵抗端子ＲＧに接続されている。外部ポンプ電極端子ＡＰＥは評価及び制御ユニット１の内部においてスイッチＳ１を介して評価及び制御ユニット１の測定抵抗端子ＲＧに接続されている。さらに前記評価及び制御ユニット１の外部ポンプ電極端子ＡＰＥは当該評価及び制御ユニット１の内部においてスイッチＳ３を介してアースＧＮＤに接続される。

前記評価及び制御ユニット１の測定抵抗端子ＲＧは当該評価及び制御ユニット１の内部においてスイッチＳ１２を介して評価及び制御ユニット１の測定入力側ＭＥＳに接続されている。この評価及び制御ユニット１の測定入力側ＭＥＳは当該評価及び制御ユニット１の内部においてスイッチＳ５を介してアースＧＮＤに接続されている。

前述したスイッチＳ１…Ｓ１２のスイッチ制御信号ｓ１…ｓ１２は、制御部１０によって供給される。この制御部１０は、これらのスイッチ制御信号を、制御機器３′から供給されるクロック信号Ｔａｋｔと、マイクロコンピュータμＣ３からデジタルインターフェース８を介して供給されるデータ信号及びコマンドと、デジタルポンプ電流制御器７の出力信号とに依存して生成する。前記デジタル制御器７の主な目的は、自身に供給された入力信号からポンプ電流制御信号を生成して前記制御部１０に供給することである。このポンプ電流制御信号はパルス状のポンプ電流のパルス幅とその通流方向を制御している。

前記デジタル制御器７は、前記制御部１０に提供する自身のポンプ電流制御器信号を求めるために、アナログデジタル変換器６を介して自身に供給された実際値信号と目標値信号との比較を実施し、この比較結果に応じてポンプ電流制御信号を生成する。

前記制御部１０の出力側は信号処理ユニット５とアナログデジタル変換器６にも接続されており、この接続は、クロック信号Ｔａｋｔと同期した時間制御信号をこれらの構成グループに供給するためである。

前記デジタル制御器７はバッファメモリ９ａに接続されている。このバッファメモリ９ａは、ポンプ電流パルス信号の極性及びデューティ比と、前述した広域ラムダセンサ２の作動状態に関するさらなる情報を記憶するために設けられている。この作動状態に関するさらなる情報をバッファメモリ９ａに記憶する目的は、前記広域ラムダセンサ２の作動状態に関するさらなる情報を集めて蓄積し、この蓄積されたさらなる情報郡をデータバーストの形態でデジタルインターフェース８を介して制御機器３に伝送することである。

これに対してさらに代替的に、前記ポンプ電流パルス信号の極性及びデューティ比と、前述した広域ラムダセンサ２の作動状態に関するさらなる情報をバッファメモリ９ａの所定のアドレスに蓄積するようにしてもよい。このケースでは外部の制御機器３に対して、次のような手段を提供することが可能になる。すなわち、バッファメモリ９ａの適切なアドレス指定によって、デジタルインターフェース８を介して前記広域ラムダセンサ２の作動状態に関する所望の情報に所期のようにアクセスする手段を提供することである。

さらに前記デジタル制御器７はパラメータメモリ９ｂにも接続されている。このパラメータメモリ９ｂには、前記デジタル制御器７の予め定められた制御特性に相応するデータセットが記憶されている。この制御特性は所定のタイプのラムダセンサ２に割当てられるものである。このようなパラメータメモリ９ｂを用いたそのつどの所要の制御特性の変更手段によって前記評価及び制御ユニット１は、様々なタイプのラムダセンサを使用することが可能になる。この評価及び制御ユニット１の汎用的な利用可能性は、特定用途向けＩＣの形態で当該評価及び制御ユニット１の大量生産を実現させ得る。それによりこの種の評価および制御ユニットの製造コストが比較的低く抑えられる。

信号処理ユニット５はポンプ電流制御器７に対する実際値の検出と、広域ラムダセンサ２の内部抵抗Ｒ_iの検出のための信号処理に用いられる。さらに本発明における信号処理ユニット５は、前述した広域ラムダセンサ２の作動状態に関するさらなる情報を求めるためにも設けられている。この目的を実施できるようにするために、前記信号処理ユニット５の入力側は、外部ポンプ電極端子ＡＰＥと、内部ポンプ電極端子ＩＰＥと、測定入力側ＲＥＭと、測定入力側ＡＰＭと、較正用抵抗端子ＣＡＬと、測定入力側ＭＥＭと、測定抵抗端子ＲＧに接続され、そこからそれぞれの所望の測定値の検出を可能にする入力信号を受け取る。所望の測定値を準備するために、差動増幅器の入力側が前記制御部１０によって制御されたマルチプレクサによってそのつどの検出すべき２つの電子に接続される。この差動増幅器は差分信号を増幅し、それを所定の電位に関連してＡＤＣに転送する。

前記制御部１０は、前記スイッチＳ６とＳ７のためのスイッチ制御信号Ｓ６及びＳ７を次のように生成する。すなわち内部ポンプ電極端子ないし外部ポンプ電極端子において、固定の周波数で可変のデューティ比でかつ設定可能な極性を備えたパルス状のポンプ電流が発生するように生成する。さらに前記制御部１０は、さらなるスイッチに対するスイッチ制御信号を次のように生成する。すなわち、そのつど所望の測定値がパルス状のポンプ電流信号の電流パルス期間中とパルス休止期間中に検出できるように生成する。

以下では図２に基づいてパルス状ポンプ電流Ｉ_pの生成を説明する。この場合図２の左方側にはセンサ２が示されており、図２の右方側にはセンサの等価回路が示されている。

図２の左方図には、センサ２の端子ＲＥ，ＩＰＥ，ＡＰＥと、電流Ｉ_pの方向と電圧Ｕ_p0、Ｕ_pの方向が示されている。

図２の右方側に示されている等価回路から明らかなことは、センサの端子ＡＰＥが、抵抗Ｒ_zuaとコンデンサＣ１並びに抵抗Ｒ_iapeからなる直列回路を介して切り替え点Ｋに接続されていることである。コンデンサＣ１においては電圧降下Ｕ_p0apeが生じている。このコンデンサＣ１に対して並列に電流源Ｉ(Ｏ₂)が設けられている。

センサの端子ＩＰＥは抵抗Ｒ_zuiとコンデンサＣ２からなる直列回路を介して切り替え点Ｋに接続される。コンデンサＣ２では電圧降下Ｕ_p0ipeが生じている。このコンデンサＣ２に並列に電流源Ｉ(Ｏ₂)が設けられている。

前記切り替え点Ｋはさらに、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ３及び抵抗Ｒ２からなる直列回路を介して端子ＲＥに接続されている。抵抗Ｒ１とコンデンサＣ３の間の接続点は、抵抗Ｒ３を介してコンデンサＣ１と抵抗Ｒ_iapeの間の接続点と接続される。前記端子ＡＰＥとＩＰＥの間からは電圧Ｕ_pが取り出し可能である。

電圧Ｕ_pに対しては以下の関係式が成りたつ。すなわち、
Ｕ_p＝Ｕ_p0＋（Ｒ_zua＋Ｒ_zui＋Ｒ_iape）*Ｉ_p
この場合、以下の式、
Ｕ_p0＝Ｕ_p0ape＋Ｕ_p0ipe
がなりたつ。

前記Ｕ_p0の値は、−２Ｖ〜＋２Ｖの間である。電極キャパシタンスは通常は１００μＦ以上である。このことは、クロック周期期間中の充電状態が維持され続けることにつながる。この場合以下のような作動ケース（図１参照）が生じ得る、すなわち、
１）Ｕ_p0＞０、Ｉ_p＞０の条件下で：スイッチＳ６及びＳ４が閉成するケース；
２）Ｕ_p0＜０、Ｉ_p＜０の条件下で：スイッチＳ７及びＳ３が閉成するケース；
３）Ｕ_p0＞０、Ｉ_p＜０の条件下で：スイッチＳ７及びＳ１が閉成するケース；
４）Ｕ_p0＜０、Ｉ_p＞０の条件下で：スイッチＳ６及びＳ２が閉成するケース。

この場合前記ケース１）と２）が標準状態に相当し、前記ケース３）と４）が逆パルスモードに相応する。

逆パルスモードにおけるスイッチＳ１ないしＳ２の閉成によって、有利には、電圧降下Ｉ_p・Ｒ_GND（図１参照）に基づいて端子ＡＰＥないしＩＰＥにおける電位がアース電位以下には低減しないことが達成される。電流パスの選択に関する決定はＵ_p0の極性に基づいて行われる。

評価及び制御ユニット１の基本機能、詳細にはポンプ電流制御は、２つの手段からなる。第１の手段では、制御器実際値としてパルス休止期間中の基準電極ＲＥにおける電圧が評価される。それにより、フィードバック制御が益々ネルンスト電圧に基づき、センサ中空チャンバー（ＩＰＥ）内のガス組成がアナログ方式の評価を伴うシステムよりも正確になる。電極キャパシタンスの再充電過程と（これは基準電圧のポンプ電流比例分に起因している）、それに伴う動特性の損失はこれによって回避される。ポンプ電流制御に対する第２の手段は、制御器実際値としてパルス周期期間中の平均電圧を用いることである。この場合シグマデルタ変換器が用いられる。このことはアナログモードのときの手法に相応している。アナログモードの欠点である、Ｕ_reのポンプ電流比例分の影響とそれに起因する動特性の損失は、次のことによって回避されるようになる。すなわち、制御器の目標値がＵ_reの電流比例分に相応して追従されることによって回避される。この電流比例分は前述した測定値検出装置によって差分値Ｕ_re（Ｉ_p）−Ｕ_re（Ｉ_p＝０）として検出され得る。

内部抵抗測定機能については２つの手段が挙げられる。第１の手段は、パルス休止期間中の基準電極における内部抵抗Ｒ_iの測定を実行することである。この場合負荷されていない電圧Ｕ_re（これはポンプ電流制御に対する実際値を表す）と、基準電流源１２によって負荷された電圧Ｕ_reの間で差分が形成される。第２の手段は、ＡＰＥとＩＰＥの間、すなわち無負荷（Ｉ_p＝０）と負荷（Ｉ_p＞０）の間のポンプ電圧の差分としてのポンプセルにおける内部抵抗Ｒ_iの測定を実行することである。この場合正の温度係数を有するプラチナからなるリード導体の不所望な抵抗値特性が温度測定感度を低下させるので、リード導体の信号成分を補償する必要性が生じる。このことは、Ｕ_re（Ｉ_p＞０）とＵ_re（Ｉ_p＝０）の間の差分が、内部ポンプ電極へのリード導体抵抗に対する尺度として評価され、内部抵抗測定値が修正される場合に一部可能となる。

冷間時のラムダセンサ（Ｒ_i−kalt＞１００kOhm）の場合、基準セルＲＥ−ＩＰＥが測定領域拡張のためにスイッチＳ８によって橋絡される。その結果内部抵抗の測定はスイッチの抵抗値を再現する。ラムダセンサ温度が作動領域（Ｒ_i≒６kOhm）に近づくと、このことは内部抵抗の測定によって識別可能である。値は冷間時のラムダセンサにおいても存在するので（Ｒ_i−kalt｜｜Ｓ８）、センサの内部抵抗は、冷間時の測定と目下の値から算出可能である。

平均して２０μＡである基準電極ＲＥにおける人為的な基準酸素ガスの生成、ないしは基準ポンプ電流の生成に対しては、同じ基準電流源１２が用いられる。この基準電流源１２を用いることによって基準電極における内部抵抗の測定も実施できる。平均値Ｉ_pref＝２０μＡは、８０μｓの内部抵抗−測定パルスと、パルス周期期間（２ｍｓ→各第３クロック周期毎）と、電流パルスの振幅Ｉ_pr＝５７０μＡから得られる。

ラムダセンサの調整状態に対するセンサ特性曲線の較正（Ｉ_pcal）は、ポンプセルが無電流であるときに実施される。それについてはポンプ電流源が測定抵抗に対して切り替えられ、その際プラグ４における調整抵抗も平行して切り替えられる。ポンプ電流源の電圧降下Ｒ_m＝Ｒ_mess｜｜Ｒ_code、設定されたデューティ比の乗算、定格値による除算Ｒ_mess、から目標特性曲線のポンプ電流Ｉ_p＝ｆ（Lambda）が得られる。電極ＡＰＥ及びＩＰＥにおいて測定される電荷状態（分極）は、基準グランドの選択のもとで考慮され、センサ端子において０Ｖから最大電圧Ｕ_Maxまでの許容される電圧範囲を逸脱することがないようにされる。

内部抵抗測定の較正は、基準電流源１２が基準電極ＲＥに接続されていないときに実施される。それに対して制御機器３においては基準電流源１２が正確な較正値Ｒ_calに切り替えられる。電圧降下Ｒ_col・Ｉ_prは、Ｒ_colが温度制御の目標値Ｒ_iに設定される場合には、内部抵抗測定に対する基準値となる。それによって信号処理ユニット５の誤差が補償される。その場合は内部抵抗測定は中断されない。

信号処理ユニット５のオフセット補正は他の信号を何も処理する必要がない場合に実施される。その際信号処理ユニット５の入力側はスイッチによって短絡され（Ｕ_e＝０）さらに別のスイッチによって所定の同相分（電位）が印加される。この場合はその他の測定値の検出のときと同じサンプリング時間が設定される。測定値の補正に対してはデジタル化された値が用いられる。オフセット補正は信号処理ユニット５の各増幅毎に実施され、さらに各アナログデジタル変換器毎に実施される。その際ラムダ信号流は中断されない。

デジタルインターフェース８を介したマイクロコンピュータに対するデータ伝送がデータバーストの形態で実施される場合には、まず複数のラムダ値ないしは複数のクロック周期のデューティ比が収集され、複数の内部抵抗情報や較正値と共にデータパケットで伝送される。エンジンの燃焼サイクルとの時間的な割当て調整を形成するために、制御機器によってクランクシャフトトリガ信号が供給され、この信号に基づいて各伝送毎にタイムマークが選定され得る。

以下のリストアップは、得られた測定値の利用に関する一例を示したものであり、これらの測定値は、それぞれ所定の作動条件のもとで当該評価及び制御ユニットの各端子において得られた電圧値である：
Ｕ_n0：ＲＥ−ＩＰＥ、Ｉ_p＝０，Ｉ_pr＝０
休止期間中のＵｎ検出に対する制御器実際値（Ｕ_n0−Regler）
Ｒ_i：ＲＥ−ＩＰＥ、Ｉ_p＝０，Ｉ_pr＞０→Ｕ_n；Ｒ_i≒Ｕ_n−Ｕ_n0
温度制御、ケーブル電圧降下診断ＲＥ、ＩＰＥ
Ｕ_p0：ＡＰＥ−ＩＰＥ、Ｉ_p＝０，Ｉ_pr＝０
黒化保護、経年劣化診断、Ｉ_pcal活性化
Ｒ_iape測定、限界電流モードのガイド量
Ｕ_p：ＡＰＥ−ＩＰＥ、Ｉ_p＞０，Ｉ_pr＝０
ケーブル電圧降下診断ＡＰＥ、ＩＰＥ、Ｒ_ipe測定
ＬＳＦ：ＬＳＦ−診断機能→Ｕ_n0−Ｕ_p0からのラムダ値ステップチェンジ
Ｒ_cal：Ｒ_cal−ＧＮＤ、Ｒ_calにおけるＩ_pr
較正Ｒ_i測定、ラムダ特性曲線に対するＩ_pref補正
Ｉ_pcal：ＡＰＥ−ＭＥＳ、Ｒ_messにおけるＩ_p
ポンプ電流−較正量
Ｒ_zu：ＲＥ−ＩＰＥ、Ｉ_p＞０，Ｉ_pr＝０
補正Ｒ_i測定 ポンプセル、目標値補正Ｕ_nav制御、ケーブル電圧降下識別
Ｒ_gnd：ＲＧ−ＧＮＤ、逆パルスモードにおけるＩ_p＞０
ケーブル電圧降下識別Ｒ_codeのためのＩ_p検出。

図３には信号処理ユニット５における信号処理のための２つの実施例が示されている。

図３ａに示されている実施例によれば、評価及び制御ユニット１の端子ＡＰＥ，ＩＰＥ，ＲＥＭ，ＡＰＭ，ＣＡＬ，ＭＥＭ，ＧＮＤ，ＲＧ，に存在する電位がマルチプレクサＭＵＸ１に印加されている。マルチプレクサＭＵＸ１は制御部１０からスイッチ制御信号ｓｍｕｘを供給され、それによって、後置接続されている差動増幅器Ｄｉｆｆにそれぞれ検出すべき２つの電位が転送される。図示の実施例ではＵ_epとＵ_emである。すなわち評価及び制御ユニット１の端子ＲＥＭとＩＰＥ、又はＡＰＭとＩＰＥ、又はＡＰＥとＭＥＭ、又はＣＡＬとＧＮＤ、又はＲＧとＧＮＤに存在している電位である。差動増幅器Ｄｉｆｆは差分信号を増幅し、所定の基準電位と共に後続のアナログデジタル変換器６に転送する。

図３ｂに示されている実施例では、評価及び制御ユニット１の端子ＲＥ，ＩＰＥ，ＡＰＥ，ＭＥＳ，ＲＧ，ＧＮＤ，ＣＡＬに存在している電位がマルチプレクサＭＵＸ２に印加されている。図１に示されている端子ＲＥＭ、ＡＰＭ及びＭＥＭ、並びにフィルタＲ_fr−Ｃ_fr，Ｒ_fp−Ｃ_fp，及びＲ_fm−Ｃ_fmがこの実施例では省かれている。図３ｂに示されているマルチプレクサＭＵＸ２にも、制御部１０からスイッチ制御信号ｓｍｕｘが供給されている。マルチプレクサＭＵＸ２の一方の出力側はオーム抵抗ＭＵＭとＲ_f1並びにコンデンサＣ_f1を介してアースに接続されている。マルチプレクサＭＵＸ２の他方の出力側は、オーム抵抗ＭＵＰとＲ_f2並びにコンデンサＣ_f2を介してアースに接続されている。

コンデンサＣ_f2のアースとは反対側の端子はオーム抵抗Ｒ_EPを介して差動増幅器Ｄｉｆｆの第１の入力側に接続されている。コンデンサＣ_f1のアースとは反対側の端子はオーム抵抗Ｒ_EMを介して差動増幅器Ｄｉｆｆの第２の入力側に接続されている。コンデンサＣ_f1のアースとは反対側の端子とコンデンサＣ_f2のアースとは反対側の端子の間にはコンデンサＣ_fdが接続されている。差動増幅器Ｄｉｆｆの入力側に供給されている信号は、評価及び制御ユニット１の端子ＲＥとＩＰＥ、又はＡＰＥとＩＰＥ、又はＡＰＥとＭＥＳ、又はＣＡＬとＧＮＤ、又はＲＧとＧＮＤに存在する電位である。差動増幅器Ｄｉｆｆは差分信号を増幅し、所定の基準電位と共に後続のアナログデジタル変換器６に転送する。

Claims (20)

1. 広域ラムダセンサのための評価及び制御ユニット（１）において、
   信号処理ユニット（５）と、
   前記信号処理ユニット（５）に接続されているアナログデジタル変換器（６）と、
   前記アナログデジタル変換器（６）に接続されているデジタルポンプ電流制御器（７）と、
   前記デジタルポンプ電流制御器（７）に接続されているデジタルインターフェース（８）と、
   前記デジタルポンプ電流制御器に接続されている制御部（１０）と、
   ポンプ電流を供給するためのポンプ電流源（１１）と、
   内部ポンプ電極端子（ＩＰＥ）と、
   外部ポンプ電極端子（ＡＰＥ）と、
   基準電極端子（ＲＥ）とを有しており、
   前記信号処理ユニット（５）は、広域ラムダセンサのポンプ電流制御器（７）に対する実際値を求めるために設けられ、さらに、
   前記信号処理ユニット（５）は、広域ラムダセンサの作動状態に関する情報を求めるために設けられており、
   前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、デジタルインターフェース（８）を介して出力され、
   前記ポンプ電流源（１１）は、スイッチ（Ｓ７）を介して内部ポンプ電極端子（ＩＰＥ）に接続され、さらに前記ポンプ電流源（１１）はスイッチ（Ｓ６）を介して外部ポンプ電極端子（ＡＰＥ）に接続されており、前記スイッチ（Ｓ６）及びスイッチ（Ｓ７）に対してスイッチ制御信号（ｓ６，ｓ７）を供給するために制御部（１０）が設けられており、前記制御部（１０）は、ポンプ電流制御器（７）のデジタル出力信号に依存してスイッチ制御信号（ｓ６，ｓ７）を供給し、それによって前記内部ポンプ電極端子ないし外部ポンプ電極端子（ＩＰＥ，ＡＰＥ）からパルス状のポンプ電流が送出されるように構成されていることを特徴とする評価及び制御ユニット。
2. 前記信号処理ユニット（５）によって求められた広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、アナログデジタル変換器（６）を介してそこから直接、デジタルインターフェース（８）に供給可能である、請求項１記載の評価及び制御ユニット。
3. 前記信号処理ユニット（５）によって求められた広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、アナログデジタル変換器（６）を介してバッファメモリ（９ａ）に転送されて当該バッファメモリに記憶され、さらに前記バッファメモリ（９ａ）に記憶されている情報が収集されてデータバーストの形態でデジタルインターフェース（８）に供給可能である、請求項１記載の評価及び制御ユニット。
4. 前記信号処理ユニット（５）によって求められた広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、アナログデジタル変換器（６）を介してバッファメモリ（９ａ）に転送されて当該バッファメモリに所定のアドレスで記憶され、さらに前記バッファメモリ（９ａ）に所定のアドレスで記憶されている情報がデジタルインターフェース（８）を介して所期のように呼び出し可能である、請求項１記載の評価及び制御ユニット。
5. 前記パルス状のポンプ電流は、固定の周波数、可変のデューティ比及び設定可能な極性を有している、請求項４記載の評価及び制御ユニット。
6. 以下の作動ケース、すなわち、
   Ａ：Ｕ_p0＞０，Ｉ_p＞０の条件下で：
   ポンプ電流源（１１）と外部ポンプ電極端子（ＡＰＥ）の間のスイッチ（Ｓ６）が閉じられ、内部ポンプ電極端子（ＩＰＥ）はアース（ＧＮＤ）に接続されるケース、
   Ｂ：Ｕ_p0＜０，Ｉ_p＜０の条件下で：
   ポンプ電流源（１１）と内部ポンプ電極端子（ＩＰＥ）の間のスイッチ（Ｓ７）が閉じられ、外部ポンプ電極端子（ＡＰＥ）がアース（ＧＮＤ）に接続されるケース、
   Ｃ：Ｕ_p0＞０，Ｉ_p＜０の条件下で：
   ポンプ電流源（１１）と内部ポンプ電極端子（ＩＰＥ）の間のスイッチ（Ｓ７）が閉じられ、外部ポンプ電極端子（ＡＰＥ）が抵抗（Ｒ_GND）を介してアース（ＧＮＤ）に接続されるケース、
   Ｄ：Ｕ_p0＜０，Ｉ_p＞０の条件下で：
   ポンプ電流源（１１）と外部ポンプ電極端子（ＡＰＥ）の間のスイッチ（Ｓ６）が閉じられ、内部ポンプ電極端子（ＩＰＥ）が抵抗（Ｒ_GND）を介してアース（ＧＮＤ）に接続されるケース、
   が設定されている、請求項５記載の評価及び制御ユニット。
7. 前記信号処理ユニット（５）は、パルス状のポンプ電流の電流パルス期間中とパルス休止期間中のポンプ電流制御器のための実際値と、広域ラムダセンサの内部抵抗と、広域ラムダセンサの作動状態に関する情報を求める、請求項１から６いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
8. 前記信号処理ユニット（５）は、各パルス休止期間中にポンプ電流制御器のための実際値を求めるためのデータを検出する、請求項７記載の評価及び制御ユニット。
9. 前記信号処理ユニット（５）は、順次連続するパルス休止期間中に広域ラムダセンサの作動状態に関するさらなる異なった情報を求めるためのデータを検出する、請求項７または８記載の評価及び制御ユニット。
10. 前記信号処理ユニット（５）は、広域ラムダセンサの作動状態に関する異なった情報を求めるためのデータを周期的に検出する、請求項９記載の評価及び制御ユニット。
11. 前記評価及び制御ユニットは基準電流源（１２）を含んでいる請求項１から１０いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
12. 前記評価及び制御ユニットは複数のさらなるスイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２）を有しており、前記制御部（１０）は前記さらなるスイッチのためのスイッチ制御信号（ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ８，ｓ９，ｓ１０，ｓ１１，ｓ１２）を供給するために設けられている、請求項１から１１いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
13. 前記制御部（１０）は、パルス休止期間中に所定のさらなるスイッチを閉成し、評価及び制御ユニットの所望の端子を所望の基準電位に接続させる、請求項１２記載の評価及び制御ユニット。
14. 前記評価及び制御ユニットは、前記デジタル制御器（７）の所定の制御特性に相応するデータセットが記憶されているパラメータメモリ（９ｂ）を有している、請求項１から１３いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
15. 前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、ケーブル短絡若しくはケーブル電圧降下の存在に関する情報を含む、請求項１から１４いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
16. 前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、広域ラムダセンサの異なる作動状態における広域ラムダセンサの電極の電荷状態に関する情報を含む、請求項１から１５いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
17. 前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、電極における過電圧に関する情報を含む、請求項１から１６いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
18. 前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、広域ラムダセンサの経年劣化に関する情報を含む、請求項１から１７いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
19. 前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、ラムダ値１からの経過値に関する情報を含む、請求項１から１８いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。
20. 前記広域ラムダセンサの作動状態に関する情報は、広域ラムダセンサの作動準備に関する情報を含む、請求項１から１９いずれか１項記載の評価及び制御ユニット。

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