(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定電圧を酸素センサ（１１）に印加して、酸素センサ（１１）を流れ酸素濃度の尺度を示す電流量を補正されていない測定信号（Ｓ＿Ｎ）として求める酸素センサ信号測定装置を具備し、内燃機関（１３）からの排気ガスの流れの中に配置されている加熱される電流測定形酸素センサ（１１）のセンサ信号のための評価装置（１０）において、
前記酸素センサ（１１）に交流電圧を印加して前記酸素センサ（１１）の内部抵抗を求めるように形成した抵抗測定装置（２０）を具備し、
前記酸素センサ（１１）の内部抵抗がほぼ一定のままであるように前記酸素センサ（１１）のヒータ装置（１８）を制御するように形成した閉ループ制御装置（２１）を具備し、
補償装置（２２）をさらに具備し、前記補償装置（２２）が、
内燃機関の所定の校正動作状態において前記内部抵抗を得るために、車両の最初の作動時の状態である前記酸素センサ（１１）の新状態で必要なヒータ電圧のための尺度である新状態値（Ｕｈ＿Ｏ）を求め記憶するように形成した新状態値検出装置を有し、
内燃機関の校正動作状態において前記内部抵抗を得るために、後の実際の作動時の状態である前記酸素センサ（１１）の瞬時状態で必要なヒータ電圧のための尺度である瞬時状態値（Ｕｈ＿Ｍ）を求めるように形成した瞬時状態値検出装置を有し、
新状態値に対する瞬時状態値の変化から、前記測定信号を補正する補正値（ＫＦ）を求めるように形成した補正値検出装置（２５，２６）を有し、
補正されていない測定信号を前記補正値と数学的に論理結合して補正された測定信号（Ｓ＿Ｋ）を求めるように形成した補正装置（２３）を有することを特徴とする加熱される電流測定形酸素センサのセンサ信号のための評価装置。
【請求項２】
補償値検出装置（２２）を、補正係数（ＫＦ）を形成するように形成し、
補正装置が、補正されていない測定信号（Ｓ＿Ｎ）に補正係数を乗算する乗算装置（２３）であることを特徴とする請求項１に記載の加熱される電流測定形酸素センサのセンサ信号のための評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、内燃機関からの排気ガスの流れの中に配置されている加熱される電流測定形酸素センサのセンサ信号のための評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下において酸素センサを略称する限界電流形酸素センサの機能を、分かりやすいように図５に基づいて燃料濃度の低い混合気の酸素含量に対して説明する。所定動作温度においてポンプ電圧Ｕｐを横軸にとってポンプ電流ｉｐを縦軸にとってその関係が示されている。この動作温度は例えば、１００Ωの内部抵抗のにおいて８５０℃である。ポンプ電圧が酸素センサに印加されると、ただちにセルの拡散室の中に侵入した排気ガスの中のＯ2分子がＯ2-イオンに還元され、Ｏ2-イオンは、酸素センサ材料に印加されている電界によりこの電界を通過して拡散室からポンピングされて排出される。小さいポンプ電圧の場合には電流は抵抗のみにより制限され、従ってｉｐ・Ｕｐ特性はまず初めに線形に経過する。しかし排気ガスの中に非常に僅かなＯ2分子しか存在しなければ、比較的僅かなポンプ電圧でもすでにポンプ電流は飽和状態になる。この場合が図５に、最低に位置する実線曲線により示されている。飽和レベルが高ければ高いほど、混合気の燃料濃度は低い。
【０００３】
内燃機関からの排気ガスの流れの中でこのような酸素センサを実際に使用する場合、ポンプ電圧は通常は、ポンプ電流が飽和領域内にある程度の大きい値に予め設定されている。これによりこの電流は、酸素センサの拡散室の中に侵入した排気ガスの酸素含有量のための直接の尺度となる。念のために、ポンプ電圧を酸素含有量に依存して変化させる測定方法も存在する、すなわち酸素量が小さいほど小さいポンプ電圧を使用する測定方法も存在することを付記する。図５から確かに、より小さい酸素含有量に対してより小さいポンプ電圧を使用できるが、しかしそれでもなお、特性の飽和領域内で測定を行うとの条件はまだ満足されていることが分かる。本発明では、ポンプが一定に保持されるか、又は酸素含有量に依存して変化されるかは重要でなく、従ってこれに関する詳細は省く。
【０００４】
図５で実線により示されている特性は、新状態の酸素センサにおいて成り立つとする。しかし、酸素センサの老化とともにその内部抵抗は増加する。分かりやすいように図５では、内部抵抗は、長い使用期間の後にそれぞれ同一の温度において初期内部抵抗の１／２にすぎないと仮定されている。この場合、図５で破線により示されているようにポンプ電流は非常に強く抵抗により制限され、ポンプ電流は、非常に低い燃料濃度の混合気では、図５に垂直線により示されている実際の上の使用で印加されるポンプ電圧においてまだその飽和値に到達していない。従って、実際の酸素濃度により定まる限界電流が測定されるのではなく、より低い電流が測定され、これは、酸素濃度が誤って測定されることを意味する。これを防止するために酸素センサは、電気化学セルが一定の内部抵抗を保持するように閉ループ制御される。これにより、前述の特性の勾配は、酸素センサが老化してもそのままであるが、しかし酸素センサ温度は、酸素センサの老化とともに上昇する。
【０００５】
しかし、内部抵抗の外に、酸素センサの出力信号の大きさは、温度にも強く依存する、何故ならば拡散状態は温度とともに強く変化するからである。温度に起因する測定誤差を除去するために、酸素センサのヒータの内部抵抗の測定を介して一定の酸素センサ温度を保持するように閉ループ制御する（米国特許第４７０８７７７号明細書参照）か、又は酸素センサ温度を測定し、酸素濃度を示す酸素センサ測定信号を、測定された温度を用いて補正することが公知である（ドイツ特許第３８４０２４８号明細書を参照）。
【０００６】
前述のことは本質的に、ポンプセルを介してＯ2-イオンを拡散室からポンピングして流出又は流入させて低い又は高い燃料濃度の混合気を測定できるようにする２セル形酸素センサにも当てはまる。ポンピングは、酸素センサセルである第２のセルが常に所定の一定電圧を示すように行われる。このような酸素センサも、老化とともに内部抵抗が増加し、これにより、使用可能なポンプ電圧が、実際に必要なＯ2-搬送全体を行うには十分ではなくなくおそれがある。一定の内部抵抗を保持するように閉ループ制御する場合にはこの困難は回避できるが、しかし前述のように温度上昇に起因する測定誤差が発生する。
【０００７】
本発明の電流測定計酸素センサには、前述の機能を有する１セル及び２セル形酸素センサがある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、酸素センサ信号の老化に起因する測定誤差を補償し、これにより老化酸素センサも使用でき、しかもその際に有毒ガスの放出量が増加しない、内燃機関からの排気ガスの流れの中に配置されている加熱される電流測定形酸素センサのセンサ信号のための評価装置を提供することにある。
【０００９】
上記課題は本発明により、酸素センサに交流電圧を印加して酸素センサの内部抵抗を求めるように形成した抵抗測定装置を具備し、
酸素センサの内部抵抗がほぼ一定のままであるように酸素センサのヒータ装置を制御するように形成した閉ループ制御装置を具備し、補償装置を具備し、補償装置が、内燃機関の所定の校正動作状態において内部抵抗を得るために、車両の最初の作動時の状態である酸素センサの新状態で必要なヒータ電圧のための尺度である新状態値を求め記憶するように形成した新状態値検出装置を有し、内燃機関の校正動作状態において内部抵抗を得るために、後の実際の作動時の状態である酸素センサの瞬時状態で必要なヒータ電圧のための尺度である瞬時状態値を求めるように形成した瞬時状態値検出装置を有し、新状態値に対する瞬時状態値の変化から、測定信号を補正する補正値を求めるように形成した補正値検出装置を有し、補正されていない測定信号を補正値と数学的に論理結合して補正された測定信号を求めるように形成した補正装置を有することにより解決される。
【００１０】
本発明の評価装置は、老化に起因する酸素センサ信号の変化を補正値を用いて補償できるように内燃機関の所定動作状態において常に繰返し新校正測定を行う。この場合に非常に重要なのは、（ヒータではなく）酸素センサが一定抵抗を保持するように常に閉ループ制御され、このために前述の所定動作状態で必要なヒータ電圧が、酸素センサの老化状態のための尺度として用いられることである。このやり方では、酸素センサの老化とともに酸素センサをより強く加熱して、内部抵抗を一定保持しなければならず、従って一方では、測定信号は内部抵抗の変化により狂わないが、しかし他方では、測定信号は、温度に起因する誤差を受ける。しかし、温度に起因する誤差は、非常に正確にヒータ電圧の変化から導出でき、従ってこの誤差は非常に簡単に補償でき、その際に温度センサは不要である。
【００１１】
【実施例】
図１は、内燃機関１３の排気管１２の中に配置されている加熱される限界電流形酸素センサ１１のための評価装置１０を示す。内燃機関の吸気管１４の中には絞り弁１５が配置され、絞り弁１５から負荷信号検出装置１６により負荷信号Ｌが取出される。内燃機関の中の回転数センサ１７は回転数信号ｎを供給する。
【００１２】
限界電流形酸素センサ１１は、加熱装置１８と２つの測定電極１９．１及び１９．２と一緒に概念的に示されており、測定電極１９．１及び１９．２には前記のポンプ電圧Ｕｐが印加され、このポンプ電圧Ｕｐによりポンプ電流ｉｐが流れる。限界電流形酸素センサ１１から出力され老化補償されない限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｎにより示されている。
【００１３】
図１の評価回路１０は内部抵抗測定装置２０と、ヒータ電圧閉ループ制御装置２１と、補償装置２２と乗算器の形の補正装置２３とを有する。補償装置２２は、新状態値メモリ２４と、減算器２５と、特性曲線段（特性データメモリ）２６と、補正値メモリ２７とから成る。
【００１４】
内部抵抗測定装置２０は、例えば１〜５ｋＨｚの領域内の交流電圧を限界電流形酸素センサ電極１９．１及び１９．２に印加することにより限界電流形酸素センサ１１の内部抵抗Ｒｓを測定する。内部抵抗測定装置２０は、測定された抵抗値をヒータ電圧閉ループ制御装置２１に出力し、ヒータ電圧閉ループ制御装置２１でこの抵抗値は実際値として例えば１００Ωの限界電流形酸素センサ内部抵抗目標値と比較される。ヒータ電圧閉ループ制御装置は、測定された限界電流形酸素センサ内部抵抗が可及的に正確に目標値に保持されるようなヒータ電圧Ｕｈを出力する。
【００１５】
限界電流形酸素センサの内部抵抗Ｒｓは、限界電流形酸素センサの老化で例えば８５０℃のある特定の温度において増加するが、しかし他方では限界電流形酸素センサ内部抵抗Ｒｓは温度の上昇とともに減少するので、限界電流形酸素センサ内部抵抗をヒータ電圧閉ループ制御装置２１を用いて一定に保持することは、限界電流形酸素センサ温度が限界電流形酸素センサの老化とともに上昇することを意味する。しかし限界電流形酸素センサ温度の増加とともに、補償されていない限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｎはますます狂う。この狂いは補償されなければならず、このために、内部抵抗目標値を調整するために内燃機関のある特定の動作状態で印加されなければならないヒータ電圧Ｕｈが使用される。この補償は、補償装置２２から前述の方法で実行される。
【００１６】
自動車の最初の作動の後、老化校正が、内燃機関の所定の校正動作状態例えばアイドリング又はエンジンブレーキ作動が設定されるとただちに行われる。このような動作状態は限界電流形酸素センサ１１が、限界電流形酸素センサヒータがスイッチオフの場合に例えば７００℃等から例えば数度のずれている非常に狭い温度ずれ領域の中の温度をとる動作状態である。すなわちこの場合、限界電流形酸素センサの所定の内部抵抗を得るために調整しなければならないヒータ電圧Ｕｈは、限界電流形酸素センサの老化状態の尺度である。限界電流形酸素センサの新状態ではこの電圧は例えば９Ｖであり、例えば１００Ωの所定内部抵抗に到達するために８５０℃の温度を得る。この電圧Ｕｈ＿Ｏは新状態としてメモリ２４に記憶される。
【００１７】
自動車が後に実際に動作する際、校正動作は、内燃機関が校正動作状態に到達する都度に新たに行われる。限界電流形酸素センサ１１が老化するにつれ、１００Ωの所定限界電流形酸素センサ内部抵抗に到達するために必要な温度が上昇する。内燃機関は校正動作状態で常に同一の熱量を供給するので、より高い温度を得るために必要な熱量は、ヒータ装置１８からより高いヒータ電圧Ｕｈの印加により得なければならない。
【００１８】
実際の校正動作で測定されたヒータ電圧Ｕｈ＿Ｍは、限界電流形酸素センサ１１の瞬時状態を示す値である。この電圧から、メモリ２４に記憶されている新状態値Ｕｈ＿Ｏが減算され、この差を用いて特性曲線段２６から補正係数ＫＦ＿Ｍが読出され、補正係数ＫＦ＿Ｍと、補正されていない限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｎは乗算器２３で乗算され、これにより、補正された限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｋが得られる。補正係数ＫＦの瞬時値ＫＦ＿Ｍは、新状態の補正係数ＫＦ＿Ｏである１より常に小さい、何故ならば限界電流形酸素センサの老化とともに、所定の限界電流形酸素センサ電圧を維持するために限界電流形酸素センサ電圧を上昇しなければならず、限界電流形酸素センサ電圧が上昇するとともにそしてひいては限界電流形酸素センサ温度が上昇するとともに限界電流形酸素センサ信号値が、一定の酸素濃度において上昇するからである。従って、補正されていない限界電流形酸素センサ信号は、補正係数により小さくされなければならない。
【００１９】
次に前述の経過を図２〜図４を用いて補足的に説明する。
【００２０】
図２では、自動車の初めての作動の後にステップｓ２．１で、内燃機関が初めて校正動作状態で作動されているかどうかが常時調べられる。イエスの場合、ステップｓ２．２で、所定の限界電流形酸素センサ内部抵抗が設定された新状態値Ｕｈ＿Ｏが測定される。この値はステップｓ２．３で記憶される。補正係数メモリ２７にはすでに補正係数ＫＦのための値１が記憶されている。
【００２１】
自動車の後での作動の際、ステップｓ３．１で、内燃機関が校正動作状態に到達したかどうかが常時調べられる。これは、負荷信号Ｌ及び回転数ｎの実際値が所定値領域と比較されることにより調べられ、負荷信号Ｌ及び回転数ｎの実際値が双方ともに、それぞれ所属の値領域内にある場合には、これは、校正動作状態にあることを意味する。校正動作状態にある場合すなわちイエスの場合、ステップｓ３．２でヒータ電圧Ｕｈ＿Ｍが測定される。その際、ヒータ電圧閉ループ制御装置２１が、非校正動作状態におけるように不変のままさらに動作する、すなわち所定の限界電流形酸素センサ内部抵抗が守られるように動作する。ステップｓ３．３で新状態値Ｕｈ＿Ｏは瞬時状態値Ｕｈ＿Ｍから減算され、ステップｓ３．４では、この差に所属の補正係数ＫＦが特性曲線段２６から読出され、メモリ２７に記憶される。
【００２２】
内燃機関が、校正動作状態とは別の動作状態で動作している場合、ステップｓ４．１で、補正されていない限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｎが、所定の限界電流形酸素センサ内部抵抗において検出される。ステップｓ４．２で補正係数ＫＦが補正係数メモリ２７から読出され、乗算器２３で、補正されていない限界電流形酸素センサ信号と乗算される。これにより、補正された限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｋが得られる。
【００２３】
前述の校正はとりわけ、一定の酸素濃度においてヒータ電圧の変化と限界電流形酸素センサ信号の変化との間に本質的に線形の関係が成り立つ場合に好適である。これに対してこの関係が非線形である場合、変形された特性曲線の中で縦軸座標値としての補正係数を、差瞬時状態値−新状態値を横軸にとって表わすのではなく、パーセント瞬時状態値／新状態値を横軸にとって表わすと有利であることもある。この場合、減算器２５の代りに除算器２５が設けられる。特性曲線段を、減算器及び除算器の出力側で使用するのではなく、すでに新状態値メモリ２４の入力側で使用することも可能である。この場合にはこの特性曲線は、電圧差又は電圧商を横軸にとるのではなく調整にヒータ電圧を横軸にとって縦軸座標値として示される補償係数との関係を示す。この特性曲線からすでに新状態のために補償係数が読出され記憶される。後の校正状態で、補正係数ＫＦを形成するために新状態値−補償係数により割られた新補償係数が読出される。いかにして補正係数が具体的に定められるかとは無関係に補正係数が、補正されていない限界電流形酸素センサ信号の、限界電流形酸素センサ内部抵抗を補償するために必要なヒータ電圧上昇に起因する温度上昇による変化を補正することが重要である。
【００２４】
本実施例では補正係数が求められる、すなわち、補正されていない限界電流形酸素センサ信号Ｓ＿Ｎと乗算される補正値が求められる。しかし、補正加数を求め、この補正加数を限界電流形酸素センサ信号に加算することも可能である。どのようにして補正値を求めるか、どのようにして補正値を数学的に、補正されていない測定信号と論理結合するかは、実際の上では限界電流形酸素センサの特性と熱系統全体とに依存する。ただ重要なのは、限界電流形酸素センサ内部抵抗を持続的に一定に保持し、この措置に起因して発生する温度誤差を、限界電流形酸素センサの老化にもかかわらず内部抵抗を一定に保持するために必要なヒータ電圧変化を検出することにより補償することにある。
【００２５】
本発明の評価装置により限界電流形酸素センサを老化にもかかわらず従来の技術に比して大幅に長く使用でき、しかもその際に有毒ガスの放出量が増加しない。しかしこの場合でも限界電流形酸素センサを無限界に長く使用することはできない。限界電流形酸素センサを交換しなければならない時点を検出するために、補正係数を閾値と比較すると好適である。補正係数が閾値を越えると、ただちに交換が必要であることが表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】加熱される限界電流形酸素センサの限界電流形酸素センサ信号のための老化補償装置を有する評価装置のブロック回路図である。
【図２】限界電流形酸素センサの新状態を示す値を求めるための、図１の評価装置により行われる動作を説明するフローチャートである。
【図３】限界電流形酸素センサの老化状態を検出する動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図２及び図３のフローチャートにより検出された値を利用して限界電流形酸素センサの測定信号を補正する動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】限界電流形酸素センサのための周知のポンプ電流／ポンプ電圧線図である。
【符号の説明】
１０  評価装置
１１  限界電流形酸素センサ
１２  排気管
１３  内燃機関
１４  吸気管
１５  絞り弁
１６  負荷信号検出装置
１７  回転数センサ
１８  ヒータ装置
１９．１及び１９．２  電極
２０  内部抵抗測定装置
２１  ヒータ電圧閉ループ制御装置
２２  補償装置
２３  補正装置
２４  新状態メモリ
２５  減算器
２６  特性曲線
２７  補正値メモリ
ｉｐ  ポンプ電流
Ｋ＿Ｆ  補正係数
ＫＦ＿Ｍ  補正係数ＫＦの瞬時値
ＫＦ＿Ｏ  補正係数
Ｌ  負荷信号
ｎ  回転数
Ｓ＿Ｋ  補正された限界電流形酸素センサ信号
Ｓ＿Ｎ  補正されていない限界電流形酸素センサ信号
Ｕｈ  ヒータ電圧
Ｕｈ＿Ｍ  瞬時状態ヒータ電圧値
Ｕｈ＿Ｏ  新状態値ヒータ電圧値
Ｕｐ  ポンプ電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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