JP2008541030A - ガス用の測定センサの作動方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの始動後に測定センサの作動準備が完了するまでの時間を短縮する、される、ガス用の測定センサ、特にλセンサの作動方法および装置を提供する。
【解決手段】測定センサがヒータを有し、車両の少なくとも１つの運転変数が決定され、測定センサが、決定された運転変数の関数として加熱される、ガス用の測定センサの作動方法において、内燃機関の始動前に、測定センサが第１の温度に加熱され、この第１の温度は、最大でも測定センサが決して熱衝撃を受けないように選択され、高温始動条件が存在したとき、内燃機関の始動前に、測定センサが作動温度に加熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス用の測定センサ、特にλセンサの作動方法に関するものである。さらに、本発明は、このような測定センサの作動装置に関するものである。

ドイツ特許公開第１００５２００５号から、内燃機関の始動後において凝縮水によるセラミックの熱衝撃を回避するために、はじめに、測定センサの保護管が８０℃−１５０℃の間の水の蒸発温度付近の温度に加熱される、ガス用の測定センサが既知である。この方法は、センサの取付位置における全ての水分を蒸発させるように働き、このようにして、場合により発生する測定センサのセラミック・エレメント上の堆積を回避することができる。このいわゆる保護管加熱モード内のある待ち時間後において、測定センサは、例えば３００℃−４５０℃またはそれ以上の作動温度に加熱される。典型的なλセンサに対しては、センサのこの作動温度ないしは制御準備の完了は、エンジン始動後の約１５秒以降に達成される。

この時間は、最近の排ガス規制値を順守するためにはきわめて長すぎるものであり、その理由は、始動時のこのときに制御が行われないことにより、排気ガス・エミッションが高い値に到達することがあるからである。さらに、より高い加熱勾配が必要であり、これにより、センサ・エレメントは、それに対応する高い熱機械的荷重を受けることになる。最終的に、場合により保護管内に存在する凝縮水もまた、保護管加熱過程の間に完全に蒸発可能ではない。このことは、一方で、高い熱衝撃危険を導く。

本発明による方法は、従来技術に比較して、内燃機関の始動前に、測定センサが加熱されるという利点を有している。この投入方式により、エンジンの始動後に測定センサの作動準備が完了するまでの時間が明らかに短縮される。したがって、例えば、ＥＵ４／ＵＬＥＶまたはＳＵＬＥＶ基準案のような最近の排ガス法規に対する規制値の順守は本質的に容易となる。さらに、熱機械的耐久性が向上される。

さらに、測定センサを第１の温度にまでのみ加熱し、この場合、さらに、この第１の温度は、最大でも測定センサが決して熱衝撃を受けないように選択されていることが有利である。第１の温度は、排気系内の測定センサの保護管ないしはセラミックもまた露点温度以上に存在するように決定されていることが好ましく、これにより、保護管内における凝縮水の集積の危険およびこれに関連する熱衝撃危険が著しく低減される。

さらに、加熱を、決定された運転変数の関数として決定することが有利である。即ち、温度経過が、例えば測定センサまたは排気系の温度、停止時間、バッテリ電圧等のような支配している条件に適合可能であることが有利である。

特に、高温始動条件が存在したとき、測定センサを、第１の温度にのみならず必要な作動温度にまで加熱することが有利であり、これにより、測定センサは、内燃機関の始動後直ちに作動準備が完了している。

目的に適った形態は、温度上昇が可変加熱電圧を介して設定されるように設計されている。即ち、はじめに露点温度がきわめて短時間内に達成され、それに続いて温度上昇がより緩やかに実行可能なように適合されることが有利であり、これにより、熱衝撃の危険はさらに低減可能である。

他の実施形態は、測定センサが、はじめに第１の加熱電圧で加熱され、それに続いて第２の加熱電圧で第１の温度に加熱されるように設計され、この場合、さらに有利な形態においては、第１の加熱電圧が第２の加熱電圧より高くなっている。この方法は、加熱電圧を変化させることによってのみ有利な温度上昇が形成可能であるという利点を有している。はじめに、第１の高い加熱電圧を介して、センサが熱衝撃を受けることなく、存在する水分を蒸発可能な温度が達成可能であることが有利である。このような中間温度に到達したのち、本発明により、第１の加熱電圧より低い第２の加熱電圧によってより緩やかな温度上昇を形成することが行われ、このようにして、機械的ないしは熱的応力が測定センサを危険な状態にすることなく、第１の温度を達成することができる。この方法により、測定センサ内に従来技術から既知の方法よりも低い加熱勾配が発生するので、測定センサの熱機械的耐久性が向上される。

さらに、本発明により、測定センサの加熱が、制御装置の起動機能（ｗａｋｅ−ｕｐ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ）により開始されることが提案される。さらに、測定センサの加熱が、ドア接点、補助ヒータ、座席接点および／またはその他の操作要素の作動化により開始されてもよい。これらのユーザ要素の作動化は、制御装置によりユーザ事象として登録され且つそこにおいて制御装置のいわゆる起動機能を操作し、この起動機能を介して次に再び測定センサの加熱が開始されるか、または作動化が測定センサに直接作用し且つ加熱を開始するように、ユーザ要素が設計されている。

最後に、本発明により、内燃機関の始動前に、装置が測定センサのヒータに加熱電圧を印加する、ガス用測定センサの作動装置が設けられている。
本発明の実施例が図面に示され、以下にこれを詳細に説明する。

本発明は、本質的に、エンジン始動後にできるだけ急速にセンサの作動温度、したがって制御能力を達成するために、エンジンの始動前に、測定センサ、特にλセンサを予熱することを強調している。このために、センサ、特にセンサのセラミックを、８０℃−約３００℃の第１の温度に加熱するように設計されている。この温度は、水分が存在していても熱衝撃を与えることはなく、しかもそれ以上のセンサの加熱を明らかに容易にする。さらに、この場合、場合により存在するセンサの保護管は、存在する凝縮水が蒸発するほどに、ないしは測定センサの付近にさらに凝縮水がもはや堆積しないほどに加熱される。

図１は、本発明の可能な形態を例として示している。図１に示すように、制御装置３０を介して直接的にのみならず、最終段２０を介して間接的にもまた、λセンサ１０を操作し、ないしはλセンサ１０に電圧または電流を供給するように設計され、この場合、最終段２０は制御装置３０により操作される。制御装置３０は、さらに、ユーザ事象４０を受け取り、このユーザ事象の関数として、直接または最終段２０を介して間接的にλセンサ１０を操作する。ユーザの特定の事象が、直接、即ち制御装置を介することなく、測定センサに作用し且つ測定センサの加熱を開始するように設計されていてもよい。

いわゆる起動機能を有する制御装置は、内燃機関の遮断状態において、外部事象、特にユーザ事象を検出し且つ適切にそれに応答することができる。特に、制御装置が、特定の操作要素の作動化により、少なくとも測定センサの制御を開始するように設計されていてもよい。即ち、例えば、ドライバが無線操作によりまたは車のキーにより車のドアを開放したとき直ちに、ドア接点の作動化により予熱過程を開始するように設計されていてもよい。しかしながら、予熱過程が、無線スイッチまたはタイム・スイッチを介して補助ヒータの作動化により開始されてもよい。さらに、例えばドライバがドライバ・シートに座ったとき直ちに作動される座席接点を介して作動化を行うこともまた考えられる。他の操作要素を介しての他の作動化可能性もまた考えられる。

予熱過程をできるだけ短くして時間を最適利用するために、本発明により、より高い初期電圧により急速な温度上昇を達成し、次に、それに続いて、エンジンの始動まで連続的により低い電圧でさらに加熱するように設計されている。

図２に、例として、従来技術から既知の測定センサの時間温度線図が曲線１００で示され、本発明による温度線図が曲線２００で示されている。通常の方法においては、測定センサのヒータは、内燃機関の始動時または始動後の始動時点ｔ＿Ｓにおいて投入され、これにより、典型的には、作動温度Ｔ＿Ｂは、エンジン始動後の約１５秒以降においてはじめて達成される。ここで、本発明により、事象時点ｔ＿Ｅにおいてユーザ事象が存在したとき直ちに、測定センサを加熱するように設計されている。この場合、例として、曲線２００は可変加熱電圧による加熱を示す。事象時点ｔ＿Ｅにおいて、測定センサをできるだけ急速に加熱するために、はじめに、第１の高い加熱電圧の印加により急な温度勾配が示される。この場合、測定センサにおける熱衝撃を回避するために、温度は、第１の温度の下側に保持されることが好ましい。特定の中間温度に到達したのちに、またはその他の基準に基づき、測定センサの加熱を遅くする第２の加熱電圧が印加される。この場合、第２の加熱電圧は第１の加熱電圧より小さい。第２の加熱電圧は、例えば、第１の温度が漸近的に達成されるように選択可能である。始動時点ｔ＿Ｓにおいて、測定センサは既に第１の温度に加熱され、これにより、作動温度Ｔ＿Ｂへの加熱は短時間内に行われ、したがって、測定センサの作動準備の完了および制御能力は、従来作動されてきた測定センサにおいてよりも明らかに時間的により急速に提供される。

代替態様として、加熱が操作または制御により行われてもよく、即ち支配している条件に個々に適合されてもよい。特に、その高温始動条件を考慮するように設計されてもよい。

高温始動条件は、一般に、内燃機関が運転温度に到達したのちに、内燃機関が短時間だけ遮断されたときに存在する。このような条件においては、排気系はまだ高温であるので、内燃機関の新たな始動においては、排気系には凝縮水が存在しないことから出発可能である。さらに、内燃機関の始動時において、センサの取付位置手前における排気系の壁が十分急速に加熱されるので、凝縮により発生する水分量（壁膜）がきわめて少ないとき、または構造手段により、場合により発生する壁膜が内燃機関の排気ガス流れにより飛散可能ではないので、水滴がセンサ上に当たらないことが保証されているとき、または構造手段により、センサ取付位置手前に水分蓄積部（例えば、サイフォン）が発生しないことが保証されているとき、それを高温始動条件とみなすことができる。

他の形態において、センサを、第１の温度Ｔ＿１に加熱するのみならず、作動温度Ｔ＿Ｂにまで加熱することが考えられる。始動前に作動温度にまでこのように加熱することは、例えば、内燃機関の停止時間が短いことに基づき、排気系が十分高い温度を有しているので、凝縮水が排気系内に存在しないことが想定可能であるときに行われてもよい。特に、車両の他の運転変数を決定し、決定された運転変数の関数として測定センサを加熱することが行われてもよい。例えば、バッテリ電圧がきわめて低いとき、予熱が全く行われなくても、または短縮されてもよい。内燃機関の停止時間または排気系内温度の関数として、特定の加熱方式ないしは予熱方式が決定されてもよい。

本発明による予熱方式はエンジンの始動後における測定センサないしはλセンサの作動準備を急速に完了させる。
このような予熱は熱耐久性を向上し、また最終的に測定センサのセラミックおよび場合により存在する保護管の範囲内における凝縮水を低減させる。

さらに、このような方法は、測定センサのきわめて急激な加熱において発生する、いわゆる微細霜化（Ｌｅｉｄｅｎｆｒｏｓｔｓｃｈｅｎ）現象の欠点を回避する。例えば水滴が高温のセラミック・エレメントに接触した場合、接触点に熱伝導性が低減される水蒸気ゾーンが発生し、この水蒸気ゾーンはセラミックの局部冷却を弱め、したがってある程度の熱保護を可能にする。しかしながら、この効果は冷却を完全には阻止しないので、例えば、５００℃以上の作動温度におけるセラミック・エレメントのきわめて高い温度においては、それにもかかわらず、エレメントを破損させる熱応力が発生するであろう。

他の実施形態においては、加熱電圧を、パルス幅変調を介して変化させるように設計されている。即ち、供給電圧、例えばバッテリ電圧から容易に直接出発可能であり、また変調のパルス／休止比の選択により、センサ加熱のために対応する有効な電圧ないしは加熱電力が選択可能である。

バッテリの過大な負荷を回避するために、加熱を時間的に制限すること、または加熱の中断のための他の基準を設けるように設計されていてもよい。特に、メーク接点の新たな操作または車両の閉鎖等により、予熱が遮断されるように設計されていてもよい。このとき、測定エレメントの予熱は、設けられている操作要素の新たな操作において、ないしは新たなユーザ事象においてはじめて再び作動化される。即ち、エンジンの始動ごとに、測定センサの予熱過程が先行することが保証可能である。高温始動の場合、即ち、例えば内燃機関の新たな始動において高温の排気系を有する内燃機関の始動の場合、例えば排気温度または停止時間を介して、新たな予熱過程が必要ないことが検出可能である。これにより、既に高温の測定センサの過熱が回避可能である。

さらに、測定センサの温度が直接測定され且つ測定センサにおける測定温度に対応して予熱過程が作動化されることが考えられる。

図１は、本発明による装置の原理図を示す。 図２は、測定センサの本発明による温度線図および従来技術から既知の温度線図を示す。

Claims (7)

1. 測定センサがヒータを有し、車両の少なくとも１つの運転変数が決定され、測定センサが、決定された運転変数の関数として加熱される、ガス用の測定センサの作動方法において、
   内燃機関の始動前に、測定センサが第１の温度に加熱され、この第１の温度は、最大でも測定センサが決して熱衝撃を受けないように選択されていること、および
   高温始動条件が存在したとき、内燃機関の始動前に、測定センサが作動温度に加熱されること、
   を特徴とするガス用の測定センサの作動方法。
2. 温度上昇が可変加熱電圧を介して設定される請求項１に記載の作動方法。
3. 測定センサが、はじめに第１の加熱電圧で加熱され、それに続いて第２の加熱電圧で加熱される請求項１または２に記載の作動方法。
4. 第１の加熱電圧が第２の加熱電圧より高い請求項３に記載の作動方法。
5. 少なくとも１つの加熱電圧が、パルス幅変調を介して設定される請求項３または４に記載の作動方法。
6. 測定センサの加熱が、制御装置の起動機能および操作要素の作動化の少なくともいずれかにより開始されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の作動方法。
7. 内燃機関の始動前に、加熱センサのヒータに加熱電圧を印加し、測定手段によって車両の運転変数を決定し、決定された運転変数の関数として測定センサを加熱する、測定センサの作動装置において、
   内燃機関の始動前に、測定センサを第１の温度に加熱し、この第１の温度は、最大でも測定センサが決して熱衝撃を受けないように選択されていること、および
   高温始動条件が存在したとき、測定センサを作動温度に加熱すること、
   を特徴とする測定センサの作動装置。

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