(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極及び内部抵抗を有するλセンサの内部抵抗の決定装置であって、
コンピュータあって、該コンピュータの内部信号によってオン状態及びオフ状態に切り換えられるスイッチを有するコンピュータポート及び信号入力端を有するコンピュータと、
その正極が前記コンピュータポートの前記スイッチ及び測定抵抗を介して前記λセンサの正極と結合されている第１の電源と、
前記λセンサの正極と、前記コンピュータの前記信号入力端の前に接続されたアナログ／ディジタル変換器との電気的な直接結合手段と、
前記λセンサに並列接続された直列回路であって、前記λセンサのネルンスト電圧の約１／２の電圧に相当する電圧の第２の電源と、前記λセンサの運転時の温度における該λセンサの内部抵抗の約１／２に相当する抵抗との直列接続からなる直列回路と、
を具備し、
前記コンピュータは、前記信号入力端に入力される信号、並びに、前記第１の電源の電圧及び前記測定抵抗の抵抗値から、前記λセンサの内部抵抗を計算し、
前記コンピュータは、前記コンピュータポートの前記スイッチの切り換え状態が、前記第１の電源及びλセンサの正極の接続が周期的に開閉するように所定の時間内で周期的に変化する
ことを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項２】
請求項１記載の内部抵抗決定装置において、前記コンピュータポートの出力能力を考慮した測定電流強度が０．５〜１ミリアンペアの範囲で与えられるように前記第１の電源の電圧及び前記測定抵抗が選定されることを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の内部抵抗決定装置において、前記コンピュータポートの前記スイッチが３〜５秒ごとに約５〜２０ミリ秒の間接続されることを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載の内部抵抗決定装置において、前記λセンサは、基準ガスが注入されており、該λセンサの内部抵抗を測定するために該λセンサに流れる電流は、前記基準ガスの雰囲気を保持するための注入電流として機能し、前記コンピュータは、基準ガスの雰囲気への周期的な酸素の補給を規定するように、前記コンピュータポートのスイッチを制御することを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項５】
請求項４記載の内部抵抗決定装置において、前記λセンサに流れる電流は該電流を時間的に平均した場合に１０〜５０マイクロアンペアとなるように、前記コンピュータポートの前記スイッチが開閉されることを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項６】
請求項１〜３いずれかに記載の内部抵抗決定装置において、前記コンピュータポートの前記スイッチが約２００ミリ秒ごとに５〜２０ミリ秒の間接続されることを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項７】
請求項１〜４いずれかに記載の内部抵抗決定装置において、前記λセンサの求めるべき内部抵抗が、前記測定抵抗と、前記スイッチがオン状態である負荷時及び前記スイッチがオフ状態である無負荷時の前記λセンサの電圧の差を分子とした前記第１の電源の電圧及び前記測定抵抗の接続状態でのλセンサの電圧の差の商との積に比例することを表す以下の式
R3∝RBEL×（Eloaded−Eunloaded）／（Esupply source−Eloaded）
ただし、R3：λセンサの内部抵抗
RBEL：測定抵抗の抵抗値
Eloaded：負荷時のλセンサの電圧
Eunloaded：無負荷時のλセンサの電圧
Esupply source：第１の電源の電圧
により計算されることを特徴とする内部抵抗決定装置。
【請求項８】
請求項７記載の内部抵抗決定装置において、前記コンピュータは、前記スイッチのオン状態の開始時点から約１〜５ミリ秒後に、前記λセンサの電圧を読み取ることを特徴とする内部抵抗決定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ネルンスト形λセンサの内部抵抗を決定する装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
λセンサの内部抵抗は主として温度の影響を受け、したがってセンサ温度の代替値として利用される。センサ温度の検出は種々の目的に有用である。とくに、たとえばアメリカの環境庁ＣＡＲＢから要求されているように、センサ温度の検出によりセンサの加熱の診断が可能である。種々の内部抵抗の決定方法が既知である。1 つの既知の方法として、両方の信号成分が周波数フィルタで分離できるようにセンサに必要な周波数とは異る周波数の交流信号をセンサに印加する方法がある。フィルタリングされた後に得られる交流信号の振幅は、センサの温度、したがってセンサの内部抵抗の関数であり、したがって温度代替値として適している。
【０００３】
欧州特許第３７７６００号から既知の内部抵抗の決定においては、センサの正極が周期的に測定抵抗を介してアースに接続される。両方のサイクル期間において、信号は前置増幅器を介してコンピュータに伝送され、コンピュータはその信号と回路の既知の値とからセンサの内部抵抗を計算する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最小ハードウエア構成を用いてセンサの内部抵抗を測定する装置及び方法を提供することが本発明の課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明による、可変切換状態を有する少なくとも１つのコンピュータポートおよび信号入力端を有し、前記信号入力端に存在する可変の値およびその他の所定の固定値からλセンサの内部抵抗を計算するコンピュータと、その正極が前記コンピュータポートおよび測定抵抗を介して前記λセンサの正極と結合されている電源と、前記λセンサの正極と、前記コンピュータの前記信号入力端の前に設けられたアナログ／ディジタル変換器との電気的な直接結合とを有する、正極を備えたλセンサの内部抵抗の決定装置によって解決される。
【０００６】
また、上記課題は、本発明の上記λセンサの内部抵抗の決定装置によりλセンサ内部抵抗を決定する方法において、求めるべき内部抵抗が、抵抗ＲＢＥＬと、負荷時及び無負荷時のセンサ電圧の差を分子とした供給電圧及び負荷時のセンサ電圧の差の商との積に比例するとして計算されることを特徴とする本発明による方法によって解決される。
【０００７】
回路の電流値、電圧値および抵抗値の決定のために目ざす理想の場合、スイッチング・トランジスタを介挿しないで、コンピュータポートを介してセンサ正極と供給電源電圧の正極が直接周期的に接続されることが行われ得る。
【０００８】
この場合、内部抵抗の決定に必要な追加ハードウェアは測定抵抗に限定され、回路のコストに関する利点は明らかである。
【０００９】
センサの正極がアースに周期的に接続されるのではなく、供給電源の正極に接続されることがとくに有利である。センサの正極は基準ガスに面した電極により構成され、一方負極は排気ガスに面した電極で構成されている。基準ガスが注入されたセンサにおいては、基準ガスはある程度センサ内部への酸素の補給により形成されねばならない。センサの正極が内部抵抗の決定のために供給電圧の正極に接続されることにより、内部抵抗の決定のために流れる電流が、同時に注入された基準ガス雰囲気を維持するポンプ電流として動作することになる。電流はセンサ電解質内で負の酸素イオンにより運搬され、負の酸素イオンは、正極にすなわち排気ガスから基準雰囲気に注入される。
【００１０】
閉時間の変更により、基準ガスが注入されたセンサおよび空気基準のセンサの場合における診断の目的から希望する内部抵抗の決定と、ならびに基準ガスが注入されたセンサに対する周期的なポンプ電流制御とが実施できることはとくに有利である。したがって、本発明の装置による診断は、両方のセンサ形式に対しハードウェアを変更することなく使用できる。したがって、最初空気基準で開発された診断のためのセンサは、センサ形式を切り換えるか、場合によっては付随的にポート操作のソフトウェア範囲を変更することが必要である。
【００１１】
さらに、正確な測定の意味で、センサの電圧値を読み取る走査時点を狭い公差に固定できることは有利である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図面により説明する。
【００１３】
図１において、参照番号１は排気ガスセンサの等価回路を示し、それは、ネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）電圧ＵＳを供給する原電源２と、Ｒｉの内部抵抗３を有する。センサ１のネルンスト電圧の約半分、すなわち約４５０ミリボルトを供給する電源４と、センサ１の増大する加熱の結果使用可能になったときのセンサ１の内部抵抗の値に対応する抵抗５とからなる直列回路がセンサ１に並列に接続されている。センサ１の正極は、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）６を介してコンピユータ入力端７に接続されている。さらに、正極は、ＲＢＥＬの測定抵抗または負荷抵抗８とコンピュータポート９とを介してたとえば５ボルトの供給電源に接続されている。例として図２にその時間線図が示されているように、コンピュータ内部信号ＢＲＩＰＵＶによりコンピュータポートは前記接続を開閉する。図に示すように、接続はポートによって例えば周期的な５秒ごとに約１０ミリ秒間閉じられる。
【００１４】
この閉時間は次の背景に基づいている。センサ信号の測定は１０ミリ秒の閉時間内で実施される。したがって、３ないし５秒ごとに、コンピュータポートが前記接続を約１０ミリ秒間閉じている間に負荷の測定を行うことが好ましい。この閉時間の場合、規則的な測定の脱落数はマイナスには作用しない。
【００１５】
図３は、アナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）に供給される、得られたセンサ電圧の電圧線図（カーブ１）を、測定パルス、負荷パルスまたはポンプパルス（カーブ２）および測定時点が読み取れるカーブ３と共に示している。値は新しいセンサに対し２４０オームの内部抵抗において求められている。カーブ１は測定パルスの負荷により最初は電圧跳躍形の抵抗（オーミック）特性を示し、次いで指数関数的に上昇する容量特性を示す。このことから、センサの電圧値を測定パルスの最初で読み取るか最後で読み取るか、即ち測定時点はＲｉの値にかなりの影響を与えることがわかる。したがって、正確な測定のためにセンサ電圧値を読み取るための走査時点３ａを狭い公差で設定することが好ましい。実験により、試験パルスの開始から約３ミリ秒後が最適な時点として確認された。
【００１６】
比例的な跳躍の高さのみを測定することが理想的である。しかし、この方法は、センサ信号が場合によっては電磁的な外乱の侵入を抑制するために事前にフィルタリングされ、そのため測定値を検出する前にこのフィルタリングが行われる過渡時間を待たなければならないので、実際の運転においては不可能である。
【００１７】
図４は、かなり高い内部抵抗（２．４キロオーム）に対する、すなわちより低温のセンサに対する図３に対応する線図を示す。
【００１８】
両方のセンサ電圧カーブから、センサが測定パルスのターンオフ後に前の電位に再び戻るために必要な回復時間が明らかに認められる。この回復効果のために約３０ミリ秒の間はセンサ電圧の測定または場合によってはその補正を行わないほうがよい。
【００１９】
求めるべき内部抵抗は、抵抗ＲＢＥＬと、負荷時および無負荷時のセンサ電圧の差を分子とする供給電圧（たとえば５Ｖ）および負荷時のセンサ電圧の差の商との積に比例する。
【００２０】
図５は、本発明のとくに有利な使用例として基準ガスが注入されたセンサを示す。
【００２１】
図５は、壁５．１によって図示した排気管内の排気ガスセンサ５．２の断面を示す。この壁は内燃機関の排気ガス（左側）を周囲空気（右側）から分離している。排気ガスセンサは、その排気ガス側の部分内に、排気ガスに露出されている測定電極５．４と基準電極５．５との間に固体電解質５．３を有している。基準電極５．５と結合している基準ガス容積５．６は、排気ガスとも周囲空気とも直接に接触はしていない。基準ガス容積内に発生するおそれのある過剰圧力は、周囲空気との間接的な結合、たとえば多孔質に構成された測定リード５．１０を通じて解放される。
【００２２】
安定した基準ガス雰囲気を維持するために、時間的に平均して、生じた酸素消費を上回る酸素をポンプ電流Ｉｐによって供給することが重要である。この消費は、電圧ＵＳ＝Ｕｎの測定において、電圧測定を測定抵抗を介して電流測定で行う場合に必ず発生する。排気ガスセンサの出力電圧Ｕｎの１ボルトの大きさの電圧の測定の場合には普通メガオーム範囲の抵抗が使用される。その結果、マイクロアンペア範囲の測定電流が流れる。電解質ではこの電流は酸素イオンとして基準ガス容積から搬出され、基準ガス容積の酸素濃度は測定によって低下する。
【００２３】
測定パルスは、時間的に平均して、必要なポンプ電流を供給するようにその高さと継続時間が決定される。
【００２４】
２００ミリ秒ごとに１０ミリ秒間与えられる１ミリアンペアの測定パルスは、典型的な自動車両への使用に対して十分な２５マイクロアンペアの時間平均ポンプ電流を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を示す。
【図２】コンピュータポート操作の閉時間の説明図を示す。
【図３】測定／ポンプパルスとそれに対応するセンサ電圧の時間線図を示す。
【図４】内部抵抗がかなり高いとき、すなわちより低温のセンサに対する図３に対応する時間線図を示す。
【図５】本発明によりとくに効果を発揮する注入基準ガス式センサを示す。
【図１】
0004242935.tif 000002
【図２】
0004242935.tif 000003
【図３】
0004242935.tif 000004
【図４】
0004242935.tif 000005
【図５】
0004242935.tif 000006