JP6199886B2 - 広帯域ラムダセンサを監視する方法 - Google Patents

Description

本発明は、広帯域ラムダセンサの診断のために、ラムダセンサのポンプセル及び／又はネルンストセルの分極を決定する方法に関する。

広帯域ラムダセンサの出力信号は、広帯域ラムダセンサの作動パラメータを設定し監視するため及びケーブル接続を監視するために追加的に役立つ外部の回路によって評価される。その際に、広帯域ラムダセンサのネルンストセル及びポンプセルで分極電圧が発生し、この分極電圧は、ポンプ電圧の設定及び出力信号の評価の際に考慮される必要がある。分極電圧については、様々な種類の広帯域ラムダセンサのための理論的な値が設定されるが、実際の値は、センサの製造差異及び劣化の影響により、部分的に著しくこの理論的な値と異なっている。

出願人による独国特許出願公開第１０２００８００１６９７号明細書には、改良された回路が記載されており、この回路は、排気センサの作動に加えて、そこで排気センサとして利用される広帯域ラムダセンサの駆動状態についての情報を収集して格納し、デジタルインタフェースを介して上位のエンジン制御部へと転送することを可能にする。この構成によって、回路と広帯域ラムダセンサとの間のケーブル接続を、短絡及び切断について、及び、端子で許容される電圧の遵守について診断することが可能となる。排気センサの運用上の即用性が検出可能であり、排気センサの電極分極及び劣化が継続的に監視可能である。上記測定の実行のため及び様々な作動状態の設定のために、広帯域ラムダセンサは、制御論理部の連続的な切り替え状態において様々に電気的に接続され、対応して様々に電気的に負荷が掛けられる。その際に、以前の切り替え状態が測定に影響を与えるということが起こりうる。例えば、ある切り替え状態は、広帯域ラムダセンサのネルンストセルの望まれない分極に繋がる可能性があり、この分極によって、後続の切り替え状態においてネルンストセルのネルンスト電圧の測定値に誤りが発生する。

出願人による独国特許出願公開第１０２０１００００６６３号明細書には、内燃機関の排気管路内の広帯域ラムダセンサを駆動し、広帯域ラムダセンサの作動状態についての情報を収集する装置が記載されている。この装置によって、広帯域ラムダセンサの信号の制御及び評価のための電子部品の間のケーブル接続を、切断及び短絡について診断することが可能となる。さらに、この装置によって、供給線間のキャパシタ及び雑音防止措置に基づき必要になりうるような、電荷反転補正の調整が可能となる。

従来技術では、駆動中の広帯域ラムダセンサの分極の決定は、これまで非常に限定的に可能である。排気センサの劣化の影響により、このような決定は、内燃機関の様々な動作点での測定精度の改善のために有利であろう。

本発明の課題は、駆動中のセンサ素子、特に広帯域ラムダセンサ内のポンプセル及びネルンストセルの分極電圧の診断及び当該分極電圧への配慮を可能にする方法を提供することである。

本発明の課題は、第１の処理工程において、ポンプセル及び／又はネルンストセルに電圧インパルス又は電流インパルスが印加され、第２の処理工程において、ポンプセル及び／又はネルンストセルの電圧が決定され、又は、分極と関連する変数、若しくは、当該変数の時間的推移が決定され、分極のための基準として利用され、広帯域ラムダセンサの機能が、決定された分極を介して監視されることによって解決される。分極の決定は、１回又は複数回実行される電圧測定として、又は、エンジン制御部のポンプ電流調整器のような対応する制御部内での、分極の作用の決定によって行われる。分極と関連する変数は、ポンプ電流調整器の応答であってもよい。電圧測定は、電流パルスが同時に印加される過程の間、又は、パルス休止において行われてもよい。ネルンストセル及びポンプセルのために、分極を診断目的で利用することが可能である。ポンプセルの分極の決定は、対応付けられた制御装置内での計算仕様の補足を介して、ラムダ信号の精度の改善のために利用することが可能である。

本発明の発展形態において、第１の処理工程において、広帯域ラムダセンサの通常の駆動時に、ポンプセル及び／又はネルンストセルに、電圧インパルス又は電流インパルスが印加され、又は、第１の処理工程において、広帯域ラムダセンサの通常の駆動が中断され、診断サイクルにおいて、ポンプセル及び／又はネルンストセルに、設定された電圧インパルス又は電流インパルスが印加される。このように、広帯域ラムダセンサの診断は駆動中にも行うことが可能であり、従って、劣化を確認し、排気のラムダ値の決定の際に分極の影響を考慮することが可能である。電流インパルスによる印加は、例えばステップ応答の決定のために適しているような、定められ設定されたパルスの事前設定によって行ってもよい。

第１の処理工程において、ネルンストセルに、基準ポンプ電流を設定するため又は内部抵抗を決定するための単方向の電流パルスが流され、第２の処理工程において、単方向の電流パルスの後の予め設定された時間に、ネルンストセルの電圧、又は、分極と関連する変数が決定され、ネルンストセルの分極のための基準として利用される場合には、広帯域ラムダセンサの通常駆動の間に、ネルンストセルの分極を決定することが可能である。その際に、分極を特徴付けるための測定が、電流パルスに対して相対的な予め決められた時間に、電流パルスの前及び電流パルスの後に行われる。第２の過程における分極の評価は、ネルンスト電圧に対して応答するポンプ電流調整器を介して、ポンプ電流調整器の設計及びポンプ電流調整器内で利用される計算アルゴリズムに考慮して行われうる。

ポンプセルの分極を決定する方法の一実施形態では、第１の処理工程において、ポンプセルに、電流インパルスと反転パルスとの１対のパルスが印加され、第２の処理工程において、ポンプセルの電圧が、電流インパルス及び反転パルスの前、及び／又は、電流インパルス及び反転パルスの後の予め設定された時間に決定され、ポンプセルの分極のための基準として利用されることが構想される。その際に、電流パルスの高さは調整可能であってもよい。

本発明に係る方法の有利な構成において、第１の処理工程において、ポンプセルにパルスと反転パルスとが流され、第２の処理工程において、各パルス休止において、パルスの後の予め設定された時間に、前記ポンプセル上の第１の電圧が測定され、反転パルスの後の予め設定された時間に、ポンプセル上の第２の電圧が測定され、第１の電圧と第２の電圧との間の差分が、ポンプセルの分極のための基準として利用される。実際の構成では、ラムダ値が一定の際には、第１の測定サイクルにおいて、調整された駆動時に利用されるような電流インパルスの後で、通電していないポンプセルの電圧値Ｕｐ０１が決定される。第２の測定サイクルにおいて、予め設定された、例えばオイルガスの際に利用されるような公知の電流インパルスの後で、通電していないポンプセルで電圧値Ｕｐ０２が決定される。電圧値Ｕｐ０１とＵｐ０２との差分は、広帯域ラムダセンサの分極のための基準である。この差分が小さい場合には、ポンプセルは、弱く分極されているとしてレベル分けされ、電圧値の差分が大きい場合には、強く分極しているとしてレベル分けされる。

本発明の一実施形態では、第２の処理工程において、ポンプセルの電圧値が、各電流インパルスの間及び各電流インパルスの後の複数の予め設定された時間に決定され、電圧値の推移、又は、分極と関連する変数の推移が、広帯域ラムダセンサの作動パラメータ及び／又は排気パラメータを考慮して利用されることが構想される。これにより、ポンプセルの通電に対するステップ応答を特徴付けることが可能であり、ポンプセルの電圧推移によって、ポンプセルが分極している可能性についての情報が伝達される。分極の可能性を評価するために、追加的に、ラムダセンサの温度及び排気組成が利用される。

劣化によって、許容される規模を越えて分極電圧に対する需要が膨らんだ排気センサの検出は、広帯域ラムダセンサの分極を決定し、所定の限界値と比較し、分極が限界値を超える場合には広帯域ラムダセンサをエラーがあるとしてレベル分けすることで実現される。

高周波干渉及び高電圧入力を抑制するために、広帯域ラムダセンサの単線上に雑音防止キャパシタが設けられる。ポンプセルのポンプ電流がパルス化され、当該ポンプ電流がアナログ的には設定されず、即ち時間及び値が連続的に設定されない場合には、雑音防止キャパシタ及び接地に関わる更なる別のキャパシタを電荷反転させる電流が追加的にポンプセルに流れる。この電荷反転電流は、実際のポンプ電流の決定の際に考慮する必要がある。しかしながら、必要な補正は、排気の現在のラムダ値、排気の温度、及び、ポンプセルの分極に依存する。特に、理想的にはポンプ電流が流れない動作点ラムダ＝１において、エラー電流は、キャパシタの電荷反転により特に深刻な影響をもたらす。従って、広帯域ラムダセンサのポンプセルの分極が決定され、電荷反転補正が分極によって補正される場合には有利である。

以下では、本発明が図に示された実施例を用いて詳細に解説される。
広帯域ラムダセンサのポンプ電流のタイムチャートを示す。 広帯域ラムダセンサのポンプセルの電圧のタイムチャートを示す。

図１は、ポンプ電流のグラフ１０において、電流軸１１上に第１の時間軸１８に沿って、２セル広帯域ラムダセンサのポンプセルによる電流の時間的推移を示している。第１の電流パルス１２の後で、電流が時間的に推移する周期１４が始まり、この周期１４は、第３の電流パルス１７で終わる。第１の電流パルス１２の後にパルス休止１３が続き、このパルス休止１３の後に、第３の電流パルス１７とは反対の極性を有する第２の電流パルス１５が続く。第３の電流パルス１７のパルス開始１６は時間的に可変的に設定可能であり、周期１４の間のデューティサイクルを決定する。パルス開始１６を介して、周期１４の間にポンプセルを通る全ポンプ電流が設定され、又は、広帯域ラムダセンサのネルンストセルのネルンスト電圧に考慮して制御される。全ポンプ電流は追加的に、電流パルス１２、１５、及び１７の高さによって調整されてもよい。電流パルス１２、１５、及び１７は、本発明によれば、ポンプセルの分極を決定するためのポンプセルへの刺激を表す。

図２は、電圧のグラフ２０において、電圧軸２１上に第２の時間軸３０に沿って、パルス状の通電の間の広帯域ラムダセンサのポンプセルの電圧を示す。第１の過程３１、第３の過程３３、及び第５の過程３５において、通電無しで電圧測定が行われる。第２の過程３２において、正の電流パルスの間の電圧が測定され、第４の過程３４において、負の電流パルスの間の電圧が測定される。弱く分極したポンプセルでは第１の電圧推移２４が発生し、強く分極したポンプセルでは第２の電圧推移２５が発生する。第１の電圧推移２４に特徴的なことは、通電していない第３の過程３３の開始時の電圧と、同様に通電していない第５の過程３５の開始時の電圧と、の電圧差２８が、それぞれの前に存在する通電している第２の過程３２及び第４の過程３４に基づき発生することであり、この電圧差２８がポンプセルの分極化を特徴付けている。第２の電圧推移２５を有する強く分極したポンプセルの場合、通電していない第３の過程３３の開始時の電圧と、同様に通電していない第５の過程３５の開始時の電圧と、の間の電圧差２９が発生し、その際に、第２の電圧差２９は、第１の電圧差２８よりも大きい。

電圧差２８、２９の評価は、予め設定された限界値との比較の際に、広帯域ラムダセンサの劣化を評価し、場合によってはセンサをエラーがあるとしてレベル分けするために役立つ。通電される第２の過程３２及び第４の過程３４の終了時に、第１の電流パルス２２の後の電圧及び第２の電流パルス２６の後の電圧であって、その高さがポンプセルの分極に依存する上記電圧が調整される。通電された過程及び通電されていない過程３１、３２、３３、３４、及び３５に渡る全電圧推移２４、２５の評価も同様に、分極の評価のために利用することが可能である。

パルス状の通電の際には、例えば、高周波数干渉及び高電圧入力を抑制するために広帯域ラムダセンサの単線上に雑音防止キャパシタとして設けられるような、広帯域ラムダセンサ上の接地に関わるキャパシタを考慮する必要がある。これにより発生するいわゆる電荷反転エラーは、正しい平均的なポンプ電流を決定するための電荷反転補正において考慮する必要がある。電荷反転エラーは、排気組成についての内燃機関の作動状態、排気及び広帯域ラムダセンサの温度、並びに、ポンプセルの分極電圧に依存する。従って、本発明に基づいて改良された、ポンプセルの分極の決定によって、電荷反転補正も改善することが可能である。

Claims (7)

1. 広帯域ラムダセンサの診断のために、前記広帯域ラムダセンサのポンプセル及びネルンストセルの分極を決定する方法において、
   第１の処理工程において、前記ポンプセル及び前記ネルンストセルに電圧のインパルス又は電流のインパルスが印加され、
   第２の処理工程において、前記ポンプセル及び前記ネルンストセルの前記電圧又は電圧の推移が決定され、又は、前記分極と関連する変数、若しくは、当該変数の時間的推移が決定され、前記分極のための基準として利用され、前記広帯域ラムダセンサの機能が、決定された前記分極を介して監視され、前記広帯域ラムダセンサの前記分極が決定されて、予め設定された限界値と比較され、前記分極が限界値を超える場合には、広帯域ラムダセンサが、エラーがあるとしてレベル分けされ、所定の２回のタイミングにおいてそれぞれ測定された前記ポンプセルの電圧の差分が前記広帯域ラムダセンサの分極のための基準であり、前記差分が所定値より大きい場合に強く分極しているとしてレベル分けされることを特徴とする、方法。
2. 前記第１の処理工程において、前記広帯域ラムダセンサの通常の駆動時に、前記ポンプセル及び前記ネルンストセルに、電圧インパルス又は電流インパルスが印加され、又は、前記第１の処理工程において、前記広帯域ラムダセンサの前記通常の駆動が中断され、診断サイクルにおいて、前記ポンプセル及び前記ネルンストセルに、設定された電圧インパルス又は電流インパルスが印加されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の処理工程において、前記ネルンストセルに、基準ポンプ電流を設定するため又は内部抵抗を決定するための単方向の電流パルスが流され、前記第２の処理工程において、前記単方向の電流パルスの後の予め設定された時間に、前記ネルンストセルの電圧、又は、前記分極と関連する変数が決定され、前記ネルンストセルの前記分極のための基準として利用されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の処理工程において、前記ポンプセルに、電流インパルスと反転パルスとの１対のパルスが印加され、前記第２の処理工程において、前記ポンプセルの前記電圧が、前記電流インパルス及び前記反転パルスの前、及び／又は、前記電流インパルス及び前記反転パルスの後の予め設定された時間に決定され、前記ポンプセルの前記分極のための基準として利用されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の処理工程において、前記ポンプセルにパルスと反転パルスとが流され、第２の処理工程において、各パルス休止において、前記パルスの後の予め設定された時間に、前記ポンプセル上の第１の電圧が測定され、前記反転パルスの後の予め設定された時間に、前記ポンプセル上の第２の電圧が測定され、前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の差分が、前記ポンプセルの前記分極のための基準として利用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第２の処理工程において、前記ポンプセルの前記電圧の値が、各前記電流インパルスの間及び各前記電流インパルスの後の複数の予め設定された時間に決定され、前記電圧の値の推移、又は、前記分極と関連する変数の推移が、前記広帯域ラムダセンサの作動パラメータ及び／又は排気パラメータを考慮して、前記ポンプセルの前記分極のための基準として利用されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記広帯域ラムダセンサの前記ポンプセルの前記分極が決定され、電荷反転補正が前記分極を用いて補正されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法
   

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