JPH04501170A - ラムダセンサの加熱制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ラムダセンサの内部抵抗の検出並びに内部抵抗を用いた加熱制御の方法及び装置 本発明は、ラムダセンサ回路から出力される出力電圧値を用いてラムダセンサの 内部抵抗を検出する方法及び装置に関する。更に、本発明は検出した内部抵抗を 用いて加熱制御する方法に関する。

従来の技術 ＤＥ　３１１７７９０Ａ１　（ＵＳ　４．４１９．１９０）には、センサに交流 電流を給電することにより内部抵抗を測定する方法が記載されている。交流電圧 成分がセンサ直流電圧成分と分離され、交流電流と交流電圧から内部抵抗が検出 される。使用周波数は、好ましくは約５０００Ｈｚである。測定した内部抵抗と 内部抵抗の目標値の差から制御偏差が形成され、それによりセンサの加熱が制御 される。この内部抵抗測定方法の欠点は、別に交流電源並びに交流電圧処理回路 が必要となることである。また利点は、内部抵抗の検出によりセンサ電圧に負荷 がかからないので、短い時間間隔で内部抵抗を測定できることである。

ＥＰ−０２５８５４３Ａ２には、ラムダセンサの内部抵抗を検出する方法が記載 されており、同方法では、負荷抵抗を接続することによりセンサに周期的に負荷 がかけられる。負荷抵抗を用い負荷のかかった状態並びにかからない状態で測定 された電圧から内部抵抗が計算される。その内部抵抗をしきい値と比較すること により、センサが動作状態になったかどうかが調べられる。この方法では、負荷 抵抗とスイッチが必要になるだけであるので、回路コストは最小になる。欠点は 、負荷をかけた後センサ電圧が緩慢にしか回復しないので、ラムダセンサが閉ル ープ制御モードにあるときには、この方法では内部抵抗を検出できないことであ る。すなわち、センサ電圧は、およそｌＯ〜１５　ｍ　ｓ毎に測定しなければな らないが、センサ電圧は、負荷がかかると約１００ｍ５後にしか回復しない。

本発明の課題は、最小の回路コストで実施でき通常のセンサ電圧の測定を害しな いラムダセンサの内部抵抗検出方法及び装置を提供することである。更に本発明 は、この方法を実施する装置を提供することである。更に、本発明の課題は、検 出された内部抵抗を加熱制御に利用する方法を提供することである。

発明の利点 本発明の内部抵抗検出方法は、請求の範囲第１項の特徴により、また対応する装 置は、請求の範囲第４項の特徴により示される。請求の範囲第６項には、本発明 の加熱制御方法が記載されている。

全ての内部抵抗検出方法に対して請求の範囲第５項の内容は特に好ましい。同項 によれば、検出した内部抵抗が濃い及び薄いラムダ値に対する所定の関係を考慮 して補正される。この考えは、センサ温度が変化しない場合も、ラムダ値が濃い 値から薄い値あるいは逆に大きく変化したときには内部抵抗が変化するという認 識に立脚している。この考え方は、とりわけ、内部抵抗が温度変化に基ずくので はなく、ラムダ値の変化に基づいて変化する場合には、センサ加熱電力を太き（ 変化させないようにするのに利用される。

本発明の内部抵抗検出方法は、オンオフされる直流逆電圧を直列抵抗を介してセ ンサに印加することを特徴とする。逆電圧をオンしたとき並びにオフしたときラ ムダセンサ回路の出力電圧が測定され、測測定された出力電圧の値から既知の回 路の抵抗値を用いて内部抵抗が計算される。このために、本発明装置では、従来 の装置に比較して更に直列抵抗を有する直流電圧源並びにスイッチが部品として 必要になるだけである。

よく知られたように、測定された内部抵抗を用いて内部抵抗の制御偏差値がめら れる。この値は、本発明の加熱制御変化させる。ラムダ値がかなり薄い場合、す なわち特にエンジンブレーキ時には使用できない方法を用いて内部抵抗が検出さ れる場合には、好ましい実施例によれば内部抵抗の実際値が強制的に段階的に増 大される。このようにして、センサがエンジンブレーキ中に冷却してしまう恐れ があるときは、そのとき内部抵抗が検出できないときでも、平均加熱電力が増大 されるようになる。

図面 以下図面に示す実施例に従い本発明の詳細な説明する。

第１図は、ラムダセンサの内部抵抗を検出する装置の回路図である。

第２図は、加熱制御方法を示す流れ図である。

第３図は、エンジンブレーキ時センサの内部抵抗の実際値が強制的に増大される 方法を説明する流れ図である。

実施例の説明 第１図の回路図は、センサｌＯの等価回路を有している。この回路はセンサ電圧 ＵＳを出力するセンサ直流電圧源１３と、抵抗値Ｒｓを有するセンサ内部抵抗１ ２からなっている。このセンサ１０には、直流逆電圧源１１からの値ＵＧの逆電 圧が直列抵抗１４を介してスイッチ１５により印加される。スイッチは、好まし くは半導体、特にトランジスタにより実現される。スイッチはオンオフされて開 閉する。この状態がパルス列により示されている。好ましくは、スイッチは１０ ｍ５毎に３００μｓ閉成される。

センサ端子間の降下電圧は差動増幅器１６に入力され、その出力電圧は、マイク ロコンピュータ１８の一部であるＡ／Ｄ変換器１７に入力される。

スイッチ１５が閉じている場合には、上述した抵抗並びに電圧源を有する回路に 電流Ｉが流れる。センサ端子間には以下の測定電圧ＵＭが発生する。

ＵＭ＝　ＩＲ５＋　ＵＳ　（１） 更に以下の関係が成立する。

ＵＧ＝　ＩＲＶ＋　ＩＲＳ＋　ＵＳ　（２）式（１）を電流Ｉについて解き、こ の値を式（２）に代入すると、センサの内部抵抗Ｒ５について Ｒ３＝　ＲＶ　（ＵＮ　−ＵＳ）　／　（ＵＧ　−ＵＭ）　（３）が得られる。

電圧ＵＭは、スイッチが閉じたときに測定される電圧であり、電圧ＵＳは、スイ ッチが開放したとき、すなわちセンサに電流が流れないときの電圧である。逆電 圧の値は、好ましくは＋５Ｖであり、直列抵抗の値ＲＶはわかっているので、式 （３）から内部抵抗値Ｒ３を計算できる。

ラムダセンサの周囲条件を考えると、ＩＭΩ以上の抵抗値を測定するのは好まし くない。というのは、例えば湿度及び汚れにより測定結果がかなり相違してしま うからである。１０Ω以下の抵抗では、電流が大きくなり、自己加熱が無視でき なくなる。直列抵抗とセンサの内部抵抗は直列に接続されており分圧器として測 定されるので、両抵抗値は互いに余り大きく異なってはならない。センサの内部 抵抗が直列抵抗と異なっても最大でｌＯの倍数までにすると好ましいことがわか った。

従って、直列抵抗によりセンサ内部抵抗のＩＯの２乗の範囲がカバーされる。上 述した１０Ω（センサ温度は約９００°Ｃ）からＬＭΩ（センサ温度は約２５０ °Ｃ）の抵抗範囲は、１０の５乗に渡るので、３つの異なる直列抵抗、例えば６ ８Ω、３．３にΩ、１５０にΩが必要になる。約６５０から９００°Ｃの通常の 動作温度だけで測定を行なう場合には、最小値の直列抵抗で十分である。

直流の逆電圧をオンオフして印加することは、ラムダセンサ１０に直流で負荷を かけることを意味する。上述した電圧、抵抗及びデユーティ比では、負荷は小さ いのでセンサの寿命は損なわれることはない。直流の負荷をかけることの他の副 次効果として、センサ電圧Ｕは負荷のかからない場合より約５０から１００　ｍ 　Ｖだけ増大することに注意しなければならない。

直流電圧がオンした後約ＩＯ秒で付加電圧が形成され、オフ時には同じぐらいの 時間でなくなる。この電圧の変化は、一定なので、センサ信号処理時に考慮しな ければならない。

上述した電圧上昇は、場合によつては分極効果により発生する。この電圧変化は 、センサに負荷抵抗が接続される冒頭に説明した内部抵抗検出回路において発生 する電圧変化とは異なるものである。後者の場合、負荷をかける毎にセンサ電圧 が顕著に減少し、約１００　ｍ　ｓ後に再び回復する。高速に順次測定を行なう ことができな（なるこのような時間特性は、第１図に記載の方法では存在しない 。

上述した方法では、センサの内部抵抗は、センサ温度だけでな（、ラムダ値が濃 いか薄いかにも関係することが判明している。その場合、ラムダ値がどの程度濃 いか薄いかは問題にならない。濃いから薄いあるいは逆の変動があると、この変 動が僅かであっても内部抵抗値に変動が現れる。その変動値は、約５から１０℃ の温度変動時に発生する大きさである。

内部抵抗は、通常温度に関係した量の値を検出するためにだけ測定されるので請 求めた内部抵抗値をラムダ値を考慮して補正するのが好ましい。

これは、第２図に図示した例では以下のようにして行なわれる。すなわち、ステ ップＳ１で内部抵抗Ｒ３が検出された後、ステップｓ２でラムダ値が濃いかが判 断される。濃い場合には、検出したラムダ値を不変にして用いる。これに対して 、ラムダ値が濃くない場合には請求めた内部抵抗値をステップＳ３において所定 差ΔＲｍだけ増大させる。値を増大させた後他の目的に使用する。このような処 置により、以後用いられる抵抗値は、ラムダ値に変動があっても同じ値になり、 それによリラムダ変動、従って本来の抵抗値変動により起こされた場合、温度変 動と間違えられることはない。

内部抵抗の温度依存性は、例えば冒頭に述べたＤＥ　３１１７７９０ＡＩに記載 されているように加熱制御に利用され、また冒頭に述べたＥＰ−０２５８５４３ Ａ２に記載されているようにセンサの動作準備状態を検出するのに利用され、ま た未公開のＤＥ　３７２７５７３Ａ１に示されているようにラムダ値の温度に関 係した補正に利用される。測定した内部抵抗値を加熱制御に用いる方法をすでに 一部説明した第２図の流れ図を用いて説明する。

すでに述べたステップＳ２あるいはＳ３に続くステップＳ４において、内部抵抗 の目標値Ｒｓｏｌｌから検出したセンサ内部抵抗値Ｒ５を引（ことにより制御偏 差値ΔＲｉが形成される。ステップＳ５においてこの制御偏差値を用いてデユー ティ比τがめられる。具体的には、デユーティ比は、内部抵抗の実際値が目標値 に比較して小さいほど小さくされる。そのためにステップＳ６において、センサ は、周波数一定でオンオフされる加熱電圧源によりセンサ内部抵抗が小さいほど 、すなわち実際の温度が目標温度より大きいほど、加熱が少なくなるように制御 される。ステップＳ６に続いて再びステップｓｌに戻り、実際の内部抵抗値が再 び検出される。

第２図において、ステップｓｌの前にマークＡが、またその後にマークＢが図示 されている。マークＡとＢ間の処理の変形例が第３図に示されている。この変形 例の理由は以下の通りである。

内部抵抗を検出するのに、第１図に基づいて説明した方法、あるいはＤＥ　３１ １７７９０Ａ１の方法を用いる場合には、エンジンブレーキ時にも信頼性のある 測定値が得られる。それに対して例えば特にエンジンブレーキ時の極端に薄い運 転時に見られるように、センサに負荷がかかっていないときもまた負荷のかかり ているときでもセンサ電圧が数ｍＶＬかない小さい値となるときには、ＥＰ−０ ２５８５４３Ａ２あるいはＤＥ　３７２７５７３Ａ１の方法では信頼性のある検 出が最早不可能になる。内部抵抗の測定ができなくなる場合には、ステップｓ４ の目標値と実際値の比較は不可能になる。

従って第３図に図示した変形例が設けられ、ステップｚｌにおいてセンサ電圧Ｕ Ｓが最小電圧Ｕ　ＭＩＮ以下に減少したかどうかが調べられる。減少していない 場合には、すでに説明したステップｓｌに進み、その後マークＢに達する。それ に対して、減少している場合には、ステップｚ２において前の処理でめたセンサ 内部抵抗値Ｒ５が所定の差値ΔＲ３だけ増大される。ステップｚ２による処置に より、実際値が全熱検出できない場合でも、内部抵抗の実際値は次第に高く、従 ってセンサ温度は次第に低い値に指示されるようになる。これにより、センサ加 熱電力が増大され、エンジンブレーキにより起こされる冷却が防止される。

なお、第１図に図示した方法は、センサ回路が第１図のように簡単に構成できな いような場合にも適用することができる。

第１図は、最も簡単な例、すなわち電圧取り出し点が直接センサ端子に接続され る例である。しかし、通常センサには常時基準電圧が印加されている。センサ電 圧が、この基準電圧に近いあるいは一致する電圧と交差すると、常に制御方向が 変化する。このようなラムダセンサ回路の場合も、オンオフされる直流逆電圧を 直列抵抗を介してセンサに印加することができる。そのとき処理式は、常時印加 される基準電圧並びに負荷抵抗の値が入ってくるので、上述した式（１）〜（３ ）よりも複雑になる。

直流逆電圧源Ｉ３は、好ましくはすでにある電圧源から得られる電圧を分圧する ことにより得られる。好ましくは、エンジン制御装置で得られるような高精度の 基準電圧源の出力電圧が利用される。

補正書の写しくａ訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成３年４月１２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ラムダセンサ回路から出力される出力電圧値を用いてラムダセンサの内部抵 抗を検出する方法において、オンオフされる直流逆電圧を直列抵抗を介してセン サに印加し、逆電圧をオンしたとき並びにオフしたときの出力電圧を測定し、 前記各出力電圧の値、直列抵抗の値、逆電圧の値並びに、必要に応じてラムダセ ンサ回路の他の抵抗の値から内部抵抗を計算することを特徴とするラムダセンサ の内部抵抗検出方法。 ２）逆電圧をオンオフするとき小さなデューティ比を用い、センサの直流電圧負 荷を可能な限り小さくすることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 ３）オン時間が３００μｓで１００Ｈｚのオンオフ周波数を用いることを特徴と する請求の範囲第２項に記載の方法。 ４）ラムダセンサ回路から出力される出力電圧値を用いてラムダセンサの内部抵 抗を検出する装置において、直列抵抗（１４）を有する直流電圧源（１１）と、 直流電圧源の電圧をオンオフさせてセンサ（１０）に印加させるスイッチ（１５ ）とから構成されることを特徴とするラムダセンサの内部抵抗検出装置。 ５）ラムダセンサ回路から出力される出力電圧値を用いてラムダセンサの内部抵 抗を検出する方法、特に請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載 の方法において、検出した内部抵抗値を薄い及び濃いラムダ値に対する所定の関 係を用いて補正することを特徴とするラムダセンサの内部抵抗検出方法。 ６）センサ内部抵抗の目標値とセンサ内部抵抗のそれぞれの測定値間の差から得 られる制御偏差を用いてセンサの加熱を制御する方法において、 周波数が一定でデューティ比が可変の加熱電圧をオンオフし、前記デューティ比 を制御偏差の値に従って変化させることを特徴とするセンサ加熱制御方法。 ７）前記周波数が２０〜１００Ｈｚであることを特徴とする請求の範囲第６項に 記載の方法。 ８）センサ電圧が最小値以下になり、この場合内部抵抗を検出できない内部抵抗 検出方法が用いられるとき、内部抵抗の実際値を強制的に段階的に増大させるこ とを特徴とする請求の範囲第６項又は第７項に記載の方法。