(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲空気で満たされた基準空気導管（１３）内に設けられかつ酸素イオン透過性の固体電解質に固定されている基準電極（１１）と、炭化水素分子を検出する加熱可能なセンサ電極（１２）の発生電圧が炭化水素濃度に対する尺度である前記センサ電極（１２）と、を備えた内燃機関用炭化水素センサの感度の決定方法において、
前記センサ電極（１２）に存在する電圧（Ｕ）を短時間短絡し、その場合電圧の時間経過を測定し、この測定結果から炭化水素センサの感度を決定することを特徴とする内燃機関用炭化水素センサの感度の決定方法。
【請求項２】
短絡後電圧が再び所定の電圧値に到達するまでの経過時間である時定数（τ）からセンサの感度を決定することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
測定を反復し、時定数（τ）を平均化し、この平均値から感度を決定することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
所定の電圧値（ＵV）が短絡前に前記センサ電極に存在する電圧（Ｕ）の約２／３の値であることを特徴とする請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
短絡時間が０．５秒より小さい値であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
それ自身既知のエンジン制御装置により求められた内燃機関の運転パラメータが１つまたは複数の測定の開始時に記憶され、１つまたは複数の測定の終了時に求められた内燃機関の運転パラメータと比較され、終了時に求められた運転パラメータが開始時に求められた運転パラメータから所定の公差値の範囲内で異なるときのみ、測定時に得られた時定数（τ）がその後の処理に考慮されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記酸素イオン透過性の固体電解質は、セラミックであることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項８】
周囲空気で満たされた基準空気導管（１３）内に設けられかつ酸素イオン透過性の固体電解質に固定されている基準電極（１１）と、炭化水素分子を検出する加熱可能なセンサ電極の内部抵抗（Ｒｉ）が炭化水素濃度に対する尺度である前記センサ電極（１２）と、を備えた内燃機関用炭化水素センサの感度の決定装置において、回路ユニット（３０）が設けられ、前記回路ユニット（３０）は、操作可能なスイッチ手段によりセンサ電極（１２）に存在する電圧を短絡可能である前記スイッチ手段を操作可能であり、および短絡の前、短絡中および短絡後に、この電圧を測定しかつ評価することを特徴とする内燃機関用炭化水素センサの感度の決定装置。
【請求項９】
回路ユニット（３０）がそれ自身既知のエンジン制御の一部であることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
スイッチ手段が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項８または９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素分子を検出する加熱可能なセンサ電極であって炭化水素濃度に対する尺度として電圧を発生するセンサ電極を備えた内燃機関用炭化水素センサの感度を決定する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
米国連邦規則は、自動車のすべてのエミッション関連構成部分（たとえば噴射装置、触媒等）の機能が運転中オンボード手段（オンボード診断、ＯＢＤ）を用いてモニタされなければならない、と規定している。内燃機関を備えた車両、ディーゼル車の場合、排気ガス値を改善するためにたとえば酸化触媒だけでなくＮＯｘ触媒、いわゆるノックス除去（Ｄｅｎｏｘ（ドイツ語））触媒もまた使用される。ここでこのような触媒の機能をモニタするために炭化水素センサ（ＨＣセンサ）が使用され、炭化水素センサは実質的に混合ポテンシャル原理に基づきかつその構造に関して、それ自身既知のλセンサに著しく類似している。炭化水素センサは炭化水素を検出する電極被覆層においてのみ実質的にこのλセンサとは異なり、その他の構造は同じである。
【０００３】
炭化水素センサにより内燃機関の排気ガス中の炭化水素濃度が測定され、この測定結果からたとえば酸化触媒またはノックス除去触媒の機能の能力を推定可能である。
【０００４】
このような炭化水素センサにおいては、長期運転中に感度が著しく低下することが問題である。この結果、長期間運転したとき大きな誤差が発生し、したがって触媒のモニタリングはオンボード診断の範囲内ではもはや不可能となる。したがって、このような炭化水素センサを長期間安定させるために、劣化を何らかの方法で防止するか、または劣化により発生する感度低下をいずれかの方法で補償しなければならない。
【０００５】
炭化水素センサの感度の既知の決定方法において、運転時間カウンタおよびあらかじめ決定されている劣化特性曲線を介して、炭化水素センサにより測定されかつ劣化により誤差のある測定値が補正される。しかしながら、この場合、例えば制御装置および／またはセンサを交換したとき、運転時間カウンタは常に再び正しい状態に合わせなければならず、これがきわめて手数をかけることになるという欠点がある。
【０００６】
他の既知の方法においては、運転中既知のガス濃度との比較が行われる。しかしながら、この方法は、内燃機関のエミッションが時間の経過中変化し、したがって基準を形成することができないので、走行運転中は不可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、内燃機関用炭化水素センサの感度のこの種の決定方法を、技術的にできるだけ簡単に実現できる方法で、劣化とは無関係にかつできるだけその他のエンジン運転データの測定とは無関係に炭化水素センサの感度を確実に決定可能なように形成することが本発明の課題である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題は、発明の属する技術分野の欄に記載のような内燃機関用炭化水素センサの感度の決定方法において、本発明により、センサ電極に存在する電圧を短時間短絡し、その場合電圧の時間経過を測定し、この測定結果から炭化水素センサの感度を決定することにより解決される。
【０００９】
この測定方法により、炭化水素センサの動特性が運転中に決定され、この測定結果から炭化水素センサの感度を決定可能であることはとくに有利である。このようにして、炭化水素センサにおける劣化に基づく感度の補償が技術的に簡単に実現できる方法で可能である。
【００１０】
すなわち、時間の経過と共に、センサの動特性の不利な変化に基づきセンサの感度が低下することがわかっている。センサは劣化の増大と共に反応が遅くなり、これにより感度が鈍ってくる。
【００１１】
純原理的に、電圧の時間経過の測定およびこの電圧の時間線図からのセンサの感度の決定は種々の方法で行うことができる。
【００１２】
センサの動特性を直接測定するとくに有利な実施形態は、短絡後電圧が再び所定の電圧値に到達するまでの経過時間を測定し、その結果からセンサの感度を決定するように設計されている。このように測定された時定数から、たとえば特性曲線を介して補正係数が求められ、それに続く測定において炭化水素センサから出力された電圧がこの補正係数と乗算される。
【００１３】
実際の走行運転において炭化水素濃度は測定過程中常に一定であるわけではないので、このことによる測定上の問題を解決するために、とくに有利な実施形態は、測定を反復し、センサ電極における電圧が所定の電圧値に到達するまでのそれぞれの測定された経過時間が平均化され、その平均値から炭化水素センサの感度を決定するように設計されている。
【００１４】
所定の電圧値が短絡前にセンサ電極に存在する電圧の約２／３の値であることが好ましい。
【００１５】
短絡時間が０．５秒より小さい値であることが有利である。
【００１６】
実際の走行運転中において変化する炭化水素濃度を測定過程中において考慮する方法の他のとくに有利な実施形態は、それ自身既知のエンジン制御装置により求められた内燃機関の運転パラメータが１つまたは複数の測定の開始時に記憶され、１つまたは複数の測定の終了時に求められた内燃機関の運転パラメータと比較され、終了時に求められた運転パラメータが開始時に求められた運転パラメータから所定の公差値の範囲内で異なるときのみ、測定時に得られた時定数がその後の処理に考慮されるように設計されている。
【００１７】
この方法の最後に記載した２つの実施形態は相互に組み合わせてもよいことは有利である。
【００１８】
本発明の課題は、さらに、炭化水素分子を検出する加熱可能なセンサ電極の発生電圧が炭化水素濃度に対する尺度である前記センサ電極を備えた内燃機関用炭化水素センサの感度の決定装置において、回路ユニットが設けられ、前記回路ユニットは、操作可能なスイッチ手段によりセンサ電極に存在する電圧を短絡可能である前記スイッチ手段を操作可能であり、そして短絡の前、短絡中および短絡後にこの電圧を測定しかつ評価する、内燃機関用炭化水素センサの感度の決定装置によってもまた解決される。
【００１９】
とくに有利な実施形態は、回路ユニットがそれ自身既知のエンジン制御の一部であるように設計されている。このようにして、追加の回路ユニットを設けなくてもよい。
【００２０】
スイッチ手段は電界効果トランジスタであるのが好ましい。
【００２１】
本発明のその他の特徴および利点はいくつかの実施形態に関する以下の説明ならびに図面から明らかである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図４からわかるように、炭化水素センサは、実質的に、周囲空気で満たされた基準空気導管１３内に設けられかつセラミック本体１０に固定されている基準電極１１と、内燃機関の排気ガス内に設けられているセンサ電極１２と、基準電極１１およびセンサ電極１２の加熱用加熱装置１５とを含む。加熱装置１５は、セラミック内に絶縁されて設けられた、基板からなる加熱抵抗を形成している。セラミックは酸化ジルコニウム（ＺＲＯ2）から構成されている。このセラミックは加熱状態において酸素イオンの導体である。セラミックの酸素イオン透過性が達成されるまでセンサは加熱装置１５により加熱される。
【００２３】
上記のように基準空気導管１３内に通常の周囲空気が存在し、周囲空気は約１８％の酸素を含んでいる。ここで基準電極１１およびセンサ電極１２に異なる酸素濃度が存在する場合、濃度勾配が発生する。高い濃度を有する側の酸素成分は電子を受け取り、これにより酸素イオンとなる。これはセラミック１０内を通過する。酸素濃度の低い側において酸素イオンはその電子を再び放出し、酸素分子としてセラミックを離れかつ測定すべきＨＣ分子を酸化する。
【００２４】
イオンの流れにより電極に電圧が発生する。この場合発生する電界はイオンに力を与え、イオンは拡散の抵抗を受ける。このように平均電圧が発生し、この平均電圧を測定することができ、これは炭化水素濃度に対する尺度である。
【００２５】
ここで、このような炭化水素センサの感度は劣化の増大と共に低下することがわかっている。このような炭化水素センサは米国において規定されているオンボード診断（ＯＢＤ）の範囲内で内燃機関を有する自動車における触媒のモニタリングのために使用されるので、炭化水素センサは確実なモニタリングのために必要な測定感度を有していなければならない。
【００２６】
ここで測定感度は劣化の増大と共に低下し、これにより確実なモニタリングがもはや保証されないので、炭化水素センサの感度を連続的にモニタすることもまた必要である。このモニタリングは図１に示す装置を用いて行うことが有利である。
【００２７】
図１からわかるように、センサ電極はＨＣ濃度に比例する電圧を出力し、センサ電極の交流内部抵抗Ｒｉは加熱制御のための温度信号として働き、センサは所定の温度に調節するために制御される加熱装置１５を有しているが、このセンサ電極は制御装置たとえばマイクロコントローラ３０と結合されている。この場合、センサ電極に発生された電圧はアナログ／ディジタル変換器を介してマイクロコントローラ３０に供給され、マイクロコントローラ３０は測定すべき炭化水素信号を計算する。
【００２８】
マイクロコントローラ３０から電界効果トランジスタＦＥＴに制御ラインが通じ、この電界効果トランジスタＦＥＴによりセンサ電極に存在する電圧が短時間、原則として＜０．５秒の間短絡可能である。この短絡の前、短絡中、および短絡後、センサ電極に存在する電圧が連続的にマイクロコントローラ３０に供給される。
【００２９】
この電圧の評価は、それぞれ新しいセンサおよび劣化したセンサの電圧経過を示す図２および３からよくわかる。
【００３０】
センサ電極１２に存在する電圧（センサ電圧Ｕ）を時間ｔに関して示す図２からわかるように、センサ電圧ＵはＦＥＴにより形成された短絡によって急激に低下する（時間ｔ１）。短絡終了後、電圧がほぼ短絡前の電圧値に対応する電圧値をとるまで、炭化水素センサしたがって電圧Ｕがほぼ指数形状に再び「回復」する。
【００３１】
ここで、この電圧経過に基づき、電圧が所定の電圧値ＵVに到達するまでの経過時間τが測定されることにより炭化水素センサの感度が決定される。この電圧値ＵVは短絡前のセンサ電極における電圧値の約２／３倍に対応する。この時間τは劣化の増大と共に低下する炭化水素センサの動特性に対する尺度であり、したがって炭化水素センサの感度に対する尺度である。
【００３２】
図２に示す新しい炭化水素センサにおいては、τは約０．５秒の値を有している。
【００３３】
図３においては構造は同じであるが劣化した炭化水素センサの電圧経過が示されている。図３からわかるように、炭化水素センサは「回復」し、したがって短絡後センサ電圧はその他の測定条件は同じとして劣化により図２に示す炭化水素センサよりも実質的に反応が遅くなる。図３に示す炭化水素センサの反応が遅くなった動特性に基づき、時定数τは１．８秒となり、したがって炭化水素センサの感度が実質的に鈍いことを示している。
【００３４】
このように決定された時定数τは特性曲線群内に記憶しておいてもよく、この特性曲線群の出力に、センサ電極にかかっている電圧すなわちＨＣ信号のための乗算係数が存在している。したがって、炭化水素センサの感度の補正を簡単に行うことができる。まず時定数τが計算され、この時定数τは特性曲線群の入力値である。特性曲線群から補正値が求められ、この補正値を用いて最終的にＨＣ値が補正される。
【００３５】
測定感度を上昇させるために、および測定中炭化水素濃度を一定に保持するために、測定を複数回反復しかつ時定数の平均値を形成することが可能である。
【００３６】
測定の他の変更形態は、測定開始時に内燃機関の運転パラメータが測定され、記憶され、測定の終了時に内燃機関の運転パラメータと比較されるように設計されている。運転パラメータが所定の値で異なるかぎり、運転パラメータがさらにある所定の公差値の範囲内で異なるようになるまで測定が反復される。このようにして、炭化水素濃度が測定中ほぼ一定となるようにすることができる。
【００３７】
最後に記載したこの方法の２つの実施形態は、精度をさら上昇するために組み合わせてもよい。
【００３８】
上記の方法および上記の装置は、感度の決定が他の装置たとえば運転状態カウンタ等とは無関係に技術的に比較的簡単な方法で行うことが可能であるという大きな利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関のための炭化水素センサの感度の決定装置である。
【図２】本発明の方法により本発明による装置を用いて求められた新しい炭化水素センサの電圧時間線図である。
【図３】本発明の方法により本発明による装置を用いて求められた劣化した炭化水素センサの電圧時間線図である。
【図４】既知の炭化水素センサの略構造図である。
【符号の説明】
１０  セラミック本体
１１  基準電極
１２  センサ電極
１３  基準空気導管
１５  加熱装置
３０  マイクロコントローラ
ＦＥＴ  電界効果トランジスタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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