(57)【要約】【課題】混合気体内の酸素濃度を求めるために広い温度範囲にわたって高い精度で測定センサの温度を求めることが可能な、温度の決定方法を提供する。【解決手段】混合気体内の、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を測定するための測定センサの温度の決定方法において、酸素濃度に対応する、ネルンスト測定セル（１２）によって提供される検出電圧が評価され、前記測定センサが加熱装置（５０）を用いて作動温度に調整される。第１の温度範囲においてネルンスト測定セル（１２）の内部抵抗が算出され、該内部抵抗からネルンスト測定セル（１２）の温度が推定される。第２の温度範囲において加熱装置（５０）の内部抵抗が求められ、該内部抵抗からネルンスト測定セル（１２）の温度が推定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合気体内の、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を測定するための測定センサの温度の決定方法であって、前記酸素濃度に対応する、ネルンスト測定セル（１２）によって提供される検出電圧が評価され、前記測定センサが加熱装置（５０）を用いて作動温度に調整される、測定センサの温度決定方法において、
第１の温度範囲においてネルンスト測定セル（１２）の内部抵抗が算出され、該内部抵抗からネルンスト測定セル（１２）の温度が推定されること、及び
第２の温度範囲において加熱装置（５０）の内部抵抗が求められ、該内部抵抗からネルンスト測定セル（１２）の温度が推定されること、
を特徴とする、測定センサの温度の決定方法。
【請求項２】
加熱装置（５０）の前記内部抵抗は、加熱装置（５０）がオフに切り換えられている間に求められることを特徴とする請求項１に記載の決定方法。
【請求項３】
前記第１の温度範囲及び前記第２の温度範囲は重なり合わないことを特徴とする請求項１又は２に記載の決定方法。
【請求項４】
前記第１の温度範囲及び前記第２の温度範囲は重なり合うことを特徴とする請求項１又は２に記載の決定方法。
【請求項５】
前記第１の温度範囲において且つ前記第２の温度範囲において、ネルンスト測定セル（１２）の前記内部抵抗が算出され、該内部抵抗からネルンスト測定セル（１２）の前記温度が推定され、同時に加熱装置（５０）の前記内部抵抗が求められ、該内部抵抗からネルンスト測定セル（１２）の前記温度が推定されること、及び
このようにして求められた両方の前記温度に基づいて、前記測定センサの温度が推定されること、
を特徴とする請求項４に記載の決定方法。
【請求項６】
前記第１の温度範囲は前記測定センサの前記作動温度未満において終端すること、及び
前記第２の温度範囲は前記測定センサの前記作動温度を超えたところで始まること、
を特徴とする請求項３に記載の決定方法。
【請求項７】
予め設定可能な温度範囲において、好ましくは前記測定センサの前記作動温度の直下において、ネルンスト測定セル（１２）の前記内部抵抗も、加熱装置（５０）の前記抵抗も求められ、ネルンスト測定セル（１２）の前記内部抵抗と加熱装置（５０）の前記抵抗とを比較することによって、加熱装置（５０）の前記抵抗の温度特性線の絶対値が較正されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の決定方法。
【請求項８】
前記絶対値の較正は新たな状況において一回だけ行われ、記憶され、前記測定センサの耐用年数にわたって使用されることを特徴とする請求項７に記載の決定方法。
【請求項９】
コンピュータ上で実行されると請求項１ないし８のいずれかに記載の決定方法の全てのステップを実施する、コンピュータプログラム。
【請求項１０】
機械可読媒体に記憶されているプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品であって、前記プログラムがコンピュータ又は制御機器上で実施されると請求項１ないし８のいずれかに記載の決定方法を実施する、コンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合気体内の、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を測定するための測定センサの温度を決定する方法に関する。
本発明の主題はまた、本方法を実施するための、コンピュータプログラム、及び、機械可読媒体上に記憶されているプログラムコードを含むコンピュータプログラム製品である。
【背景技術】
【０００２】
ドイツ公開特許第１９８ ３８ ４５６号から、混合気体内の、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を求めるために測定センサを温度調整する、上記の種類に属する方法が既知である。この方法では、酸素濃度に対応する、ネルンスト測定セルによって提供される検出電圧が評価され、測定センサが加熱装置を用いて作動温度に調整され、実際の作動温度がネルンスト測定セルの交流電流内部抵抗の測定から算出される。製造に起因する抵抗値の変動を除去するために、この方法では、測定センサの始動及び／又は再始動時に、ネルンスト測定セルの電極のリード線の交流電流内部抵抗が算出され、算出された実際の交流電流内部抵抗は作動温度の算出時に考慮される。ネルンスト測定セルの内部抵抗に基づいて測定センサの作動温度を求めることは、限定された範囲内においてのみ可能である。これは、測定センサを形成する電解質の抵抗の温度特性曲線は、その推移に起因して、限定された温度範囲内でしか正確な測定を可能にしないためである。さらに、この特性曲線は、リード線抵抗に起因して様々なオフセットを有する。また、この特性曲線は印刷技術上のミスによって誤差を有する。
【発明の開示】
【０００３】
それに対して、本発明による方法は、混合気体内の酸素濃度を求めるために広い温度範囲にわたって高い精度で測定センサの温度を求めることが可能であるという利点を有する。このために、本発明によれば、第１の温度範囲においてネルンスト測定セルの内部抵抗が算出され、この内部抵抗からネルンスト測定セルの温度が推定されること、及び、第２の温度範囲において加熱装置の内部抵抗が求められ、この内部抵抗からネルンスト測定セルの温度が推定されることが意図されている。このような測定センサの作動範囲を、それぞれにおいてネルンスト測定セルの温度を正確に求めることが可能であるように選択される複数の温度範囲に分割することによって、測定センサの作動範囲全体にわたって正確に温度を求めることが可能になる。
【０００４】
従属請求項に記載されている措置によって、独立請求項によって提示されている方法の有利なさらなる構成及び改善が可能である。
したがって、好ましくは、加熱装置がオフに切り換えられている場合に第２の温度範囲において加熱装置の内部抵抗が求められ、この内部抵抗からネルンスト測定セルの温度が推定される。ここで、例えば加熱装置が同期して制御される場合は常に、電圧／電流が加熱装置に印加されないサイクル時間を活用することができる。
【０００５】
有利な一実施の形態では、両方の温度範囲が重なり合うのではなく、互いに分離していることが意図されている。この場合、好ましくは、第１の温度範囲は測定センサの作動温度未満において終端し、これに対して第２の温度範囲は測定センサの作動温度を超えたところで始まる。これは、第１の温度範囲、すなわち作動温度未満の低い方の温度においては、電解質抵抗の温度特性曲線が急な勾配を有し、この限りでは温度と共に大幅に変化し、したがって高い分解能を可能にするため、この温度範囲においてネルンスト測定セルの内部抵抗を測定することによって非常に正確に温度を求めることが可能であるという利点を有する。これに対して、測定センサを超えたところで始まる第２の温度範囲においては、加熱装置の内部抵抗を求めることに基づいて測定センサの温度が算出される。この第２の温度範囲は、加熱装置の内部抵抗の特性曲線が直線状に延び、温度が高い範囲においても、十分に高い分解能を可能にする勾配を有するという着想に基づく。
【０００６】
これに対して、別の実施の形態では、温度範囲が重なり合うことが意図されている。この場合、ネルンスト測定セルの温度は、ネルンスト測定セルの内部抵抗を求めることからも、また加熱装置の内部抵抗を求めることからも算出される。すなわち、同じ温度範囲において異なる測定方法で２つの測定が行われ、このようにして２つの温度値が得られる。この場合、好ましくは、以下の点に関して参照される、上記で既に言及したドイツ公開特許第１９８ ３８ ４５６号において説明されているように、そのリード線成分が補償されている、ネルンスト測定セルの内部抵抗が使用される。第２の温度値は、この値を表層的に妥当なものとするために活用される。
【０００７】
ここで、加熱装置の内部抵抗の温度特性曲線をその絶対値に関して較正するために、方法の一実施の形態では、予め設定可能な温度範囲において、好ましくは測定センサの作動温度の直下において、ネルンスト測定セルの内部抵抗も、加熱装置の抵抗も求められ、ネルンスト測定セルの内部抵抗と加熱装置の抵抗とを比較することによって、加熱装置の抵抗の温度特性曲線の絶対値が較正されることが意図されている。したがって、換言すると、較正は、ネルンストセルの内部抵抗を求めることによって非常に正確に温度を求めることが可能である温度範囲において行われる。
【０００８】
この較正は、新たな状況において一回だけ行われ、記憶され、測定センサの耐用年数にわたって使用される。この限りにおいて、この場合では加熱装置の内部抵抗が既知であるため、ネルンスト測定セルの内部抵抗の変化に起因して引き起こされる誤差を補償することが可能である。
【０００９】
較正が行われる温度範囲において、さらなる最適化のためにさらに、オフセット誤差と、特性曲線の質を劣化させる比例誤差との区別が、オンに切り換えられている加熱装置の内部抵抗とオフに切り換えられている加熱装置の内部抵抗とを比較することによって、ミアンダ形状にされている加熱装置のミアンダ抵抗（Maeanderwiderstand: meander resistance）とリード線抵抗との比を推定することが可能であることによって行われる。このようにしてオフセット誤差を比例誤差から区別することができ、オフセット誤差は較正によって除去されるため、直線形の特性曲線の比例誤差を補償することもできる。
【００１０】
本発明の実施例は、添付の図面において示されており、以下の説明においてより詳細に説明されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１には、測定センサ１０が、測定ヘッドの断面図において示されている。測定センサ１０は、平らな広帯域測定センサとして形成されており、幾つかの個別の互いに重なり合って配置されている層から成る。これらの層は、例えば、フィルムキャスティング、打抜き、スクリーン印刷、積層、切断、焼結等によって構造化することができる。層構築の達成は既知であるため、本明細書内ではより詳細には言及しない。
【００１２】
測定センサ１０は、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度を求めるために用いられ、それによって、内燃機関を作動させるのに用いられる、燃料空気混合気を調整設定するための制御信号が得られる。測定センサ１０は、ネルンスト測定セル１２と、ポンプセル１４とを有する。ネルンスト測定セル１２は、第１の電極１６と第２の電極１８とを有し、これらの電極の間に固体電解質２０が配置されている。電極１６は、拡散バリア２２を介して、測定される排気ガス２４に曝されている。測定センサ１０は、排気ガス２４が入ることができる測定孔２６を有する。測定孔２６の底部において拡散バリア２２が延在し、内部に電極１６が配置されている中空室２８が形成される。ネルンスト測定セル１２の電極１８は、参照（基準）空気通路３０内に配置されており、参照空気通路３０内に加えられる参照ガス、例えば空気に曝されている。固体電解質２０は、例えば、イットリウム酸化物安定化されたジルコニウム酸化物から成り、一方、電極１６及び１８は、例えば、白金及びジルコニウム酸化物から成る。
【００１３】
測定センサ１０は、ここでは略示されているにすぎない回路装置３２に接続されている。この回路装置は、測定センサ１０の信号の評価及び測定センサ１０の制御のために用いられる。ここで、電極１６及び１８は入力３４及び３６のそれぞれに接続されており、これらの入力にネルンスト測定セル１２の検出電圧ＵＤが印加される。
【００１４】
ポンプセル１４は、第１の電極３８と第２の電極４０とから成り、これらの電極の間に固体電解質４２が配置されている。電解質４２は同様に、例えばイットリウム酸化物安定化されたジルコニウム酸化物から成り、一方、電極３８及び４０は同様に、白金及びジルコニウム酸化物から成ることができる。電極３８は同様に中空室２８内に配置されており、したがって同様に拡散バリヤ２２を介して排気ガス２４に曝されている。電極４０は、多孔性である保護層４４によって被覆されているため、排気ガス２４に直接曝されている。電極４０は回路装置３２の入力４６に接続されており、一方、電極３８は電極１６に接続されており、電極１６と共に回路装置３２の入力３４に接している。
【００１５】
測定センサ１０は加熱装置５０をさらに備える。この加熱装置はいわゆるミアンダ状発熱体によって形成されており、回路装置３２の入力５２及び５４に接続されている。入力５２及び５４には、調整回路５６を用いて加熱電圧ＵＨを印加可能である。
【００１６】
測定センサの機能は以下の通りである。排気ガス２４が、測定孔２６及び拡散バリヤ２２を介して中空室２８内に、したがってネルンスト測定セル１２の電極１６とポンプセル１４の電極３８とに加えられる。測定される排気ガス中に存在している酸素濃度に基づいて、電極１６と参照ガスに曝されている電極１８との間に酸素濃度差が生じる。接続端子３４を介して電極１６は、一定の電流を供給する、回路装置３２の電流源に接続されている。電極１６及び１８において存在する酸素濃度差に基づいて、所定の検出電圧（ネルンスト電圧）ＵＤが生じる。ここでネルンスト測定セル１２は、排気ガス２４内に存在しているのは高い酸素濃度か又は低い酸素濃度かを検出するλセンサとして動作する。酸素濃度に基づいて、内燃機関を作動させるのに用いられる燃料空気混合気を濃縮混合気とするか又は希薄混合気とするかが明らかとなる。濃縮領域から希薄領域への移行又はその逆の移行のときに、検出電圧ＵＤは低下又は上昇する。
【００１７】
回路装置３２を用いて、電極３８又は４０の間でポンプセル１４に印加されるポンプ電圧ＵＰを算出するために検出電圧ＵＤが使用される。検出電圧ＵＤを介して、燃料空気混合気が濃縮領域にあることが信号通知されるか又は希薄領域にあることが信号通知されるかに応じて、ポンプ電圧ＵＰは負又は正であり、その結果、電極４０はカソード又はアノードとして接続される。対応して、回路装置３２の測定装置を介して測定可能であるポンプ電流ＩＰが生じる。ポンプ電流ＩＰを用いて、酸素イオンが電極４０から電極３８に又はその逆にポンピングされる。測定されたポンプ電流ＩＰは、内燃機関を作動させるのに用いられる燃料空気混合気を調整設定するための装置を制御するために用いられる。
【００１８】
調整装置５６を介して、回路装置３２の出力５４及び５２に加熱電圧ＵＨを印加可能であり、その結果、加熱装置５０をオン又はオフに切り換えることができる。加熱装置５０によって測定センサ１０に約７８０℃を超える作動温度をもたらすことができる。排気ガス２４の速度変動及び／又は排気ガス２４の温度変動に基づいて、測定センサ１０に、排気ガス２４を介して所定の変動する熱エネルギーが加えられる。排気ガス２４を介する測定センサ１０の加熱に応じて、加熱装置５０をオン又はオフに切り換えることが必要である。測定センサ１０の実際の作動温度を算出するために、回路装置３２は測定回路５８を有する。この測定回路を介して、回路装置３２までのリード線も含むネルンスト測定セル１２の交流電流内部抵抗が測定可能である。ネルンスト測定セル１２の交流電流内部抵抗は温度に依存しているため、ネルンスト測定セル１２の測定された交流電流内部抵抗によって作動温度を推定することができる。算出された作動温度に応じて、測定回路５８は加熱制御部（調整装置）５６に信号６０を提供する。
【００１９】
ネルンスト測定セル１２の交流電流内部抵抗の算出自体は既知であり、例えば、その内容全体が本明細書において参照されるドイツ公開特許第１９８ ３８ ４５６号の第４段落５７行目〜第６段落１０行目から読み取れる。ネルンスト測定セル１２の電解質抵抗ＲＩを介する測定は、ＮＴＣ効果（NTC-Effekt）を利用して行われる。
【００２０】
この抵抗の測定に基づいて、温度が求められ、対応して加熱力が調整され、その結果、センサが作動温度に調整される。センサが内部においてではなく、排気ガスによってのみ加熱される限り、抵抗測定を介して周辺温度又は排気ガス温度を求めることができる。しかし、この測定は、約８００℃までの限定された温度範囲内においてのみ可能である。この温度外の測定は容易には可能ではない。
【００２１】
これより、周辺温度又は排気ガス温度を求めることに関しては、特に、８００℃を超える高い温度が対象となる。ネルンストセル１２の内部抵抗の特性曲線が温度にわたってプロットされている図２ａに示されているように、抵抗特性曲線は、指数関数的減少に起因して、この温度範囲においては温度にわたって平坦に延びる。さらに、特性曲線２１０の許容誤差は拡大される。これは、製造に起因してばらつくリード線抵抗の、温度に依存する傾向が強い、関連する成分のみが増加するためである。この理由から、ネルンストセル１２又はさらにポンプセルの電解質抵抗に基づいて高い温度を求めることは大きな誤差を有する。
【００２２】
ネルンストセル１２の内部抵抗、すなわち電解質の抵抗とは異なり、加熱装置５０の金属抵抗は、８００℃を超える高い温度範囲内でより急勾配で直線状に、温度と共に上昇する（図２ｂに示す）。ただし、加熱装置５０の内部抵抗は、ネルンストセル１２の内部抵抗よりも規模が概ね小さく、その結果、例えばリード線抵抗による気付かれないオフセットが、加熱装置５０の内部抵抗と周辺温度又は排気ガス温度との相関の誤差を上昇させる。ここで、このような測定センサが約５００℃〜約１２００℃の広い温度範囲内において高い精度で作動するのを可能にするために、図３に示されているように、第１の温度範囲においてネルンストセル１２の内部抵抗Ｒｉを用いて温度が求められ、第２の温度範囲において加熱装置の内部抵抗Ｒｉに基づいて温度が求められることが意図されている。ネルンストセル１２の内部抵抗Ｒｉが温度にわたって大幅に低下する、範囲Ｉによって示されている第１の温度範囲では、測定センサの温度の算出は、この内部抵抗を求めることによって算出される。ネルンストセル１２の内部抵抗が温度にわたってわずかにしか変化しない、範囲ＩＩによって示されている第２の温度範囲では、測定センサの温度は、加熱装置５０の内部抵抗を算出することによって求められる。
【００２３】
範囲Ｉによって示されている範囲において、付加的に加熱装置５０の内部抵抗の温度を求め、そのようにして算出された温度値を、ネルンストセル１２の内部抵抗の算出によって得られた温度値と比較することも意図することができる。ここで、このようにして求められた両方の温度の平均値も計算することができる。同じことが、範囲ＩＩによって示されている領域においても対応して適用される。本方法はさらに、当該技術分野において追加の複雑でない測定方法を必要とするリード線抵抗のオフセットも求めると共に、加熱装置５０の内部抵抗の温度特性曲線を継続中の動作において又は始動段階において較正することが可能である。以下でさらに詳細に説明されるこの較正によって、向上した精度で加熱装置５０の内部抵抗を測定することができる。これは以下の利点を有する。
【００２４】
加熱装置５０の印刷技術によって変化する抵抗に起因する、加熱装置５０の内部抵抗の、誤差を有する温度特性曲線が生じない。
様々なリード線抵抗に起因する、加熱装置５０の内部抵抗の温度特性曲線の気付かれないオフセットが除去される。
【００２５】
追加の温度センサを省くことができる。
ここで、加熱装置５０の内部抵抗の温度特性曲線の較正は、温度ＴＫにおいてネルンストセル１２の内部抵抗の温度特性曲線２１０に基づいて正確に温度が求められるように行われる。ここで、この測定又は複数回のこのような測定に基づいて、加熱装置５０の内部抵抗の特性曲線がその絶対値に関して較正される。ここで、範囲ＩＩ内の高い温度では、加熱装置５０の内部抵抗のこのようにして較正された温度特性線に基づいて温度が求められる。
【００２６】
上記において説明された温度測定は、加熱装置がオフに切り換えられている場合に行われる。この場合、同期して制御される加熱器では、温度測定は常に、電流／電圧が加熱器に印加されない時間間隔中に行われる。
【００２７】
この場合、検出は、例えば図４に示されているように、加熱装置がバッテリ電圧ＵＢａｔを印加されているのではなく、例えば電気スイッチ４１０によって測定回路に接続されているときに行うことができる。この測定回路は分路抵抗Ｒｓｈｕｎｔを含み、この分路抵抗において、当該分路抵抗によって降下する電圧降下が電圧計４２０によって測定され、ひいては内部抵抗が求められる。ここで、分路抵抗Ｒｓｈｕｎｔは、例えば３オームの値を有することができ、この値は非常に正確に抵抗を求めることを可能にする。これは、加熱装置がオフに切り換えられている場合、分路抵抗Ｒｓｈｕｎｔが大きいときも、この抵抗によって生じる損失は加熱装置の電力を低減しないためである。
【００２８】
測定センサ１０の２つの大幅に異なる温度における加熱装置５０の内部抵抗の比較から、ミアンダ抵抗とリード線抵抗との比を推定することができる。このようにして、ミアンダ状発熱体に関連付けられる誤差２４０を、リード線に関連付けられる誤差２５０（図２ｂを参照されたい）から区別することができる。すなわち、加熱装置の抵抗はリード線抵抗及びミアンダ抵抗によって形成され、特にミアンダ抵抗は温度に対する依存性を示す。ここで、例えば２つの温度において、例えば車両の始動直後と、既にセンサの作動温度が７８０℃に達している時間とにおいて抵抗が測定されると、加熱装置５０の抵抗変化が算出され、この抵抗変化から、当該抵抗変化に比例するミアンダ抵抗を算出することができる。このミアンダ抵抗によって、加熱装置５０の抵抗からリード線成分を求めることができる。これによって、オフセット誤差も比例誤差から区別することができる。
【００２９】
オフセット誤差及び比例誤差の補償は、２つ以上の温度における２つ以上の測定点に基づいて行うこともできる。このための前提条件は、ネルンストセル１２の内部抵抗の温度特性線２１０によって正確に温度を求めることに基づく、上述の点ＴＫにおける特性曲線２２０の較正である。
【００３０】
加熱装置５０の内部抵抗ＲＨの測定はさらに、図５に示されている回路によって、電界効果トランジスタ５１０の無電流出力に並列に接続されている分路を介して行うこともできる。この場合、この分路ＲＳｈｕｎｔ２は、例えば１キロオームの値を有する。この場合、加熱装置をオンとオフとの間で切り換える必要はない。
【００３１】
上述の方法は、例えば、コンピュータ、特に内燃機関の制御機器上でコンピュータプログラムとして実装することができ、当該機器において実行することができる。プログラムコードは、制御機器によって読み取ることができる機械可読媒体に記憶することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による方法が適用される測定センサの断面図である。
【図２ａ】温度にわたるネルンストセルの内部抵抗の図である。
【図２ｂ】温度にわたる加熱装置の内部抵抗の図である。
【図３】ネルンストセルの抵抗及び加熱装置の内部抵抗の、図に示されている温度特性曲線に基づいて測定センサを温度調整する、本発明による方法の図である。
【図４】加熱装置の内部抵抗を検出する回路の図である。
【図５】加熱装置の内部抵抗を検出するさらなる回路の図である。
【図１】
2009537839.tif 000003
【図２ａ】
2009537839.tif 000004
【図２ｂ】
2009537839.tif 000005
【図３】
2009537839.tif 000006
【図４】
2009537839.tif 000007
【図５】
2009537839.tif 000008
【国際調査報告】
2009537839.tif 000009
2009537839.tif 000010
2009537839.tif 000011
2009537839.tif 000012