专利名称：用于诊断气体浓度测量装置异常性的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于诊断气体浓度测量装置异常性的方法和装置。
背景技术：
在相关技术中，在包括汽油发动机的内燃机的燃烧控制中，有一种已知的燃烧控制方法，其中燃料供给量置于响应预定部分废气浓度的反馈控制之下，通过控制供给内燃机的空气与燃料的混合气体的空气/燃料比来减少废气中的CO、NOX和HC。
作为用于控制这种空气/燃料比的气体传感器，已知有氧气传感器、全范围空气/燃料比传感器(也称作UEGO传感器)和NOX(氧化氮)传感器。氧气传感器设置有电池(cell)，所述电池在其基于氧化锆等的固体电解质的两个表面上都有电极，使其中一个电极暴露于样本气体中，而另一个电极暴露于空气中，以便通过在样本气体和空气之间产生的电势差来测量样本气体的浓度。全范围空气/燃料比传感器设置有两个电池，该电池在其固体电解质的两个表面设置有电极，其间有测量腔，通过扩散阻尼件(diffusion resistance member)把样本气体引入测量腔，由此可检测氧气浓度从高到低的各种样本气体。而NOX传感器通过另外设置一个电池来测量NOX的气体含量。
而且，近来汽车采用适于自动诊断的气体浓度测量装置，如前面所述，在利用气体传感器控制发动机的燃烧时，该检测装置可向驾驶员通知传感器和传感器控制器的异常(所谓的车上自诊断)。
在这些气体浓度测量装置中，实际上通过在电池上设置加热器将所述电池保持在预定的温度(大约800℃)并激活该电池(温度升高到使氧离子可经过固体电解质充分传导的状态)，从而使气体传感器电池工作而与废气的温度无关。作为用于诊断这种气体浓度测量装置异常性的方法，已知有在电池激活状态下诊断短路或断开异常的诊断方法(见J-A-11-107830)。
同时，在前述的异常诊断方法中，异常诊断处于通过加热器使电池保持在预定温度的状态(换句话说，在电池激活状态)，因此存在的问题是，在相关时间通过使异常诊断电流流过电池，根据电池电压进行异常诊断的情况下，有可能使用于异常诊断所需要的电压不输出到该电池的相应两端。
即，在电池激活的状态，该电池具有接近于零的内阻。例如，在电池电极中的一个对地短路(也称作GND)的情况下，电池的电势差变成接近于零。这样产生的问题是不知道那一个电极对地短路。
为了避免这种问题，考虑增加在电池激活状态下流过该电池的异常诊断电流，但是这需要电源有很大的容量，这样导致成本增加。同时，还有另一个问题，即大电流流过电池导致电池加速变坏。
发明内容
针对这些问题提出本发明，因此本发明的目的是在气体浓度测量装置中发生异常的情况下能够进行异常诊断而不损坏气体传感器。
为了解决该问题，本发明的第一方面是用于诊断气体浓度测量装置的异常的方法，该气体浓度测量装置包括气体传感器，该气体传感器包括用于输出与样本气体空间中的预定气体的浓度成比例的信号的传感装置，该传感装置包括固体电解质和成对设置在该固体电解质上的电极，和用于将该传感装置加热到激活温度的加热部分，在该温度下输出与预定气体的浓度成比例的信号，从外部对该加热部分供给能量；测量部分，用于根据该传感装置的输出信号测量样本气体空间中的预定气体的浓度，该测量部分电连接于该气体传感器的传感装置的电极，该方法包括在该传感装置被加热到激活温度的状态下，当该测量部分和该气体传感器的传感装置之间的任何连接点上的电压变成预定的异常电压值时，限制供给该加热部分的能量；然后诊断该气体传感器的异常性。
据此，在气体浓度测量装置中发生诸如短路等异常的情况下，通过限制供给加热部分的能量使该加热部分的温度降低。这样将传感装置的温度降低到低于激活温度。因为这样导致增加该传感装置的内阻，因此通过在该传感装置的这种高内阻状态下进行异常诊断，必然能够确定异常性。
因此，在异常诊断电流传导至该感装置的情况下，例如，在该传感装置产生大电势差的时候，根据该传感装置的电压进行诊断异常，由于电流供给是在传感装置的高内阻状态下进行，因此能够进行可靠的异常诊断。
在这里，激活温度表示这样的温度，在此状态下，诸如氧离子的离子可在固体电解质中充分传导。
同时，还有使用由具有固体电解质和成对设置在其上的电极的多个电池构成的传感装置作为气体浓度测量装置的传感器的传感装置的情况。优选地，通过使用由多个电池构成的这种传感装置的气体浓度测量装置诊断异常的方法在本发明的第二方面中实施。
也就是，在气体浓度测量装置中，该传感装置优选包括经过扩散阻尼件与样本气体空间连通的测量腔；和多个电池，每个电池设置成面向该测量腔，并具有固体电解质和成对设置在该电解质上电极，构造该测量部分使得电连接于该传感装置的多个电池，并且根据该多个电池的输出信号测量该样本气体空间的预定气体的浓度，其中，当该测量部分和该气体传感器的多个电池之间的任何连接点上的电压变成异常电压值时，限制供给该加热部分的能量。
同样，在气体浓度测量装置中，如同上面一样，具有由多个电池构成的传感装置(例如，具有两个电池的全范围空气/燃料比传感器，或具有三个电池的NOX传感器)作为传感器，在发生诸如电路短路等异常的情况下，限制供给加热部分的能量，以降低该加热部分的温度。这也将电池的温度降低到低于激活温度。因为这样增加了电池的内阻，通过在该电池的高内阻状态下进行异常诊断，能够可靠地了解异常性。
根据本发明的第三方面，使用这种传感器的气体浓度测量装置的异常诊断，优选通过连接点向传感装置供给预定的电流并且在供给电流时所检测的连接点检测电压之间做比较来进行异常诊断。
这样能够可靠地确定发生异常的内容和位置。
当进行异常诊断时，异常诊断所需要的传导到传感装置的电流幅值可以减少到最少，因此，能够进行异常诊断而不损坏传感装置。
同时，根据本发明的第四方面，为了通过限制能量的供给将传感装置的温度降低到低于激活温度，优选地，供给加热部分的能量关闭预定的时间。
通过断开对加热部分的能量供给的简单方式，能够降低传感装置的温度。
其次，为了实现前述目的，本发明的第五方面是一种用于诊断气体浓度测量装置异常的装置，该气体测量装置包括气体传感器，该气体传感器用于输出与样本气体空间的预定气体的浓度成比例的信号的传感装置，该传感装置包括固体电解质和设置在该固体电解质上的成对的电极，和加热部分，用于将该传感装置加热到激活温度，在该温度下输出与预定气体成比例的信号，该加热部分由外部供给能量；以及测量部分，用于根据该传感装置的输出信号测量该样本空间的预定气体的浓度，该测量部分电连接于该气体传感器的传感装置的电极。用于诊断气体浓度测量装置异常的装置包括判定部分，用于确定该测量部分和该传感装置之间的连接点上的电压是否是预定的非正常电压值；能量供给控制部分，用于当连接点的电压由判定部分确定为非正常电压值时，限制对该加热部分的能量供给；以及异常诊断部分，用于在通过能量供给控制部分限制能量供给之后诊断该气体传感器的异常。
据此，如前所述，诸如在气体浓度测量装置中发生电路短路等异常的情况下，限制对加热部分的能量供给，以将传感装置的温度降低到低于激活温度并增加该传感装置的内阻。因此，根据在本发明第一方面提出的诊断异常的方法，能够可靠地进行异常诊断。
同时，如前所述，该气体浓度测量装置包括使用具有由多个电池构成的传感装置的气体传感器的气体浓度测量装置。使用由多个电池构成的传感装置的气体浓度测量装置优选构造成如本发明第六方面所说明的。
也就是，在气体浓度测量装置中，该传感装置包括测量腔，其通过扩散阻尼件与样本气体腔连通；和多个电池，每个电池设置成面向该测量腔，并且具有固体电解质和成对设置在该固体电解质上的电极；构造测量部分构使得其电连接于该传感装置的多个电池，并根据该多个电池的输出信号测量该样本气体空间的预定气体的浓度；判定部分，判定该测量部分和该传感装置的多个电池之间的连接点上的电压是否是预定的非正常电压值；以及能量供给控制部分在该连接点之间的电压被该判定部分判定为非正常电压值时限制该加热部分的能量供给。
通过以这种方式构造气体浓度测量装置，根据在本发明第二方面提出的异常诊断方法，能够可靠地进行异常诊断。
用于使用这种气体传感器的气体浓度测量装置的异常诊断部分优选如本发明第七方面所说明的，包括电流供给部分，用于通过该连接点向传感装置供给预定电流；和电压检测部分，用于在用该电流供给部分供给电流时检测该连接点上的电压，其中该异常诊断部分通过在由该电压检测部分所检测的该连接点的检测电压之间进行比较来诊断异常。
这样能够可靠地确定所发生的异常的内容和部位。
当进行异常诊断时，经过该传感装置的电流可以减小到用于异常诊断所需要的最小幅值，因此能够进行异常诊断而不损坏该传感装置。
为了将传感装置的温度降低到低于激活温度，优选地，如本发明第八方面所提出的，通过能量控制部分将加热部分的能量供给断开预定的时段。
这样通过断开加热部分的能量供给的简单方式，能够降低传感装置的温度。
图1是气体浓度测量装置的结构图；图2是示出电子控制单元5略图的电路图；图3是示出在传感器驱动电路52的各种操作模式中开关状态的图；图4是示出用于识别发生在该端子的异常模式的识别条件的图；图5是主流程图，示出在微型计算机7中执行的处理步骤；以及图6是子程序流程图，示出在微型计算机7中执行的处理步骤的流程。
具体实施例方式
下面根据
本发明的实施例。
图1是示出本发明适用的气体浓度测量装置1的结构示意图。在本实施例中的气体浓度测量装置1用于测量包含在内燃机废气中的氧气浓度。
如图1所示，在本实施例中的气体浓度测量装置1具有气体传感器2，和电子控制单元5(以下也称作ECU 5)，该控制单元电连接于该气体传感器2，可测量样本气体的氧气浓度等。
该气体传感器2包括能够检测废气中的样本气体的氧气浓度的传感器装置10以及把该传感装置保持在激活温度的加热器70。
该传感器装置10是全范围空气/燃料比传感器，其具有泵电池(pump cell)14，隔热层15，氧气浓度检测电池24以及加强板30，按照所说的次序一个放在另一个上面。
该泵电池14由片状的成对设置在传导氧离子的固体电解质11a的正面和背面的第一泵电极(pump electrode)12a和第二泵电极12b构成。其中，第一泵电极12a与线L3的一端电连接，同时，第二泵电极12b与线L2的一端电连接。该线L3、L2的另一端分别电连接于该ECU 5的第三和第二链接端子T3、T2。
类似于泵电池14，氧气浓度检测电池24由片状的成对设置在传导氧离子的固体电解质11c的正面和背面的第一检测电极13a和第二检测电极13b构成。其中，第一检测电极13a电连接于第二泵电极12b，因此，第二泵电极12b和第一检测电极13a连接于线L2的一端。同时，线L1的一端连接于第二检测电极13b。线L1的另一端电连接于该ECU 5的第一连接端子T1。
在这里，电解质11a、11c由基于锆的材料构成。泵电极12a、12b和检测电极13a、13b由基于铂的多孔材料构成。
绝缘层15设置在泵电池14和氧气浓度检测电池24之间，以便在泵电池14和氧气浓度检测电池24之间电绝缘。该绝缘层15由基于矾土的材料构成。
在该泵电池14和该氧气浓度检测电池24之间，由绝缘层15围绕形成测量腔20。泵电池14的第二泵电极12b和氧气浓度检测电池24的第一检测电极13a设置成在该测量腔20中面对。绝缘层15部分地由与样本气体侧和与测量腔20连通的多孔的扩散层18构成，以便将废气的样本气体引进测量腔20。该多孔的扩散层18用于样本气体引入测量腔20中的扩散控制。该多孔扩散层18由基于矾土的多孔材料形成。
加强板30设置在该氧气浓度检测电池24的表面，与测量腔20相对，以便把第二检测电极13b置于它们之间。这样在整体上确保传感器装置10的强度。
同时，该加强板30从外侧屏蔽该氧气浓度检测电池24的第二检测电极13b，以围绕该第二检测电极13b形成一个封闭空间。在这样的装置结构中，通过沿着从该氧气浓度检测电池24的第二检测电极13b到第一检测电极13a的方向流动很小的电流ICP，朝第二检测电极13b抽运氧气。在围绕该第二检测电极13b的封闭空间中聚集的氧气被用作在该传感器装置10中检测样本气体的氧气浓度的参考氧气。为此，该第二检测电极13b也叫做自生成参考电极13b。
该加强板30在尺寸上近似等于构成该泵电池14的固体电解质11a、11c和该氧气浓度检测电池24的尺寸，并且由基于陶瓷的板状材料形成。
加热器70是平的并且与传感器装置10的泵电池14相对地布置。由基于矾土的材料构成的该加热器70在其内具有由基于铂的材料构成的加热金属线72。该加热器70根据从加热器控制电路60供给的电能来控制，使该传感装置的温度在550-900℃。该加热金属线72具有与线L4、L5的一端电连接的各端。该线L4、L5的另一端分别电连接于该ECU 5的加热器控制电路60。应当注意，该加热器70对应于本发明所述的加热部分。
通过加热器70将该电池保持在550-900℃，该电池的固体电解质层处于完全传导氧离子的状态，即所谓的激活状态。由于这个原因，使泵电池14能够用于运送氧离子，并且使氧气浓度检测电池24能够产生与测量腔20和自生成参考电极13b之间氧气浓度差成比例的电压。
该电子控制单元5包括电连接于该传感器装置10并用于控制该传感器装置10的传感器控制电路50、电连接于该加热器70并用于控制该加热器70的加热器控制电路60、以及用于控制该传感器控制电路50和该加热器控制电路60的微型计算机7。
其中，虽然没有示出，但是该微型计算机7包括用作中央处理单元的CPU、用于储存数据和程序等的RAM和ROM、以及用于从外部电路输入信号和向外部电路输出信号的输入和输出端口。根据存储在该RAM中的程序等，控制微型计算机7执行诸如操作或数据传输的指令。在该微型计算机7中，输入到其输入端口的信号反映在输入端口寄存器的内容中，而存储在该输出寄存器的内容作为输出端口的信号被输出。
该传感器控制电路50具有端子Vs+、COM和Ip+。这些端子电连接于该ECU 5的第一至第三连接端子T1-T3。因此，该传感器装置10的第二检测电极13b通过线L1和第一连接端子T1电连接于端子Vs+。该传感器装置10的第二泵电极12b和第一检测电极13a通过线L2和第二连接端子T2电连接于端子COM。而且该传感器装置10的第一泵电极12a通过线L3和第三连接端子T3电连接于端子Ip+。
在传感器装置10中，该样本气体中的氧气通过多孔扩散层18扩散到测量腔20中，与样本气体的氧气浓度成比例。在供给发动机的空气-燃料混合物保持在理想配比比例的情况下，由于测量腔20和该封闭空间之间的氧气浓度差，该传感器装置10具有特性，可在氧气浓度检测电池24中生成电动力450mV，提供围绕该第二检测电极13b的氧气浓度参考。也就是，在该第一和第二检测电极13a、13b之间产生450mV的电势差。
同时，包含在废气中的氧气浓度随着供给发动机的混合物的空气/燃料比例的变化而变化。这引起传感器装置10的测量腔20中的气体中的氧气浓度的变化。因此，在本实施例的气体浓度测量装置1中，把通过泵电池14的电流Ip置于以后将说明的传感器控制电路50的控制之下，并且在第一和第二检测电极13a、13b之间提供450mV电势差。即，通过泵电池14抽运氧气，使得在测量腔20中的气体变得等于理想配比的空气/燃料比。根据电流Ip，能够测量该样本气体的氧气浓度。
下面根据图2说明ECU 5的结构和操作。图2是示出该ECU 5的略图的电路图。
如图2所示，该ECU 5包括用于控制传感器装置10的传感器控制电路50、用于控制该加热器的能量控制的加热器控制电路60和用于控制该传感器控制电路50和加热器控制电路60的微型计算机7。
该传感器控制电路50包括传感器驱动电路52，用于驱动-控制构成该传感器装置10的泵电池14和氧气浓度检测电池24；异常检测电路53，用于当作为该传感器装置10和该传感器驱动电路52之间的连接点的端子Vs+、COM和Ip+上的任何各端子电压超过了预定电压范围时，向该微型计算机7输出异常检测标记DIAG＝1；以及端子电压输出电路54，用于把端子Vs+、COM和Ip+上的端子电压输出到微型计算机7。该传感器控制电路50例如由ASIC(器具专用IC)实现。
该传感器控制电路52包括运算放大器32，用于流动电流Ip以驱动该泵电池14；PID控制电路56，用于把氧气浓度检测电池24的电压控制成目标电压(例如450mV)；恒流源46，用于使恒定电流Icp流到氧气浓度检测电池24，以便该自生成参考电极13b处的氧气浓度保持恒定；恒压源48，用于供给电流Ip的控制目标电压；端子Vs+、COM和Ip+，用由于连接在该传感器驱动电路52和该传感器装置10之间；端子P1、P2和Pout，用于分别提供确定PID控制电路56的控制特性的装置；以及开关SW1-SW7，用于根据从微型计算机7输出的操作模式转换信号来改变该传感器驱动电路52的操作模式。注意，Vs+、COM和Ip+分别连接到第一至第三连接端子T1、T2、T3。
构成该泵电池14的一对电极中的第一泵电极12a通过线L3和第三端子T3连接于端子Ip+。该第二泵电极12b通过线L2和第二端子T2连接于端子COM，该端子COM为传感器装置10提供公用参考电压。该第二泵电极12b除了连接于端子COM之外，还通过线L2、第二连接端子T2和电阻R1连接于Vcent。构成氧气浓度检测电池24的一对检测电极中的第二检测电极13b通过线L1和第一连接端子T1连接于端子Vs+，而该第一检测电极13a通过线L2和第二连接端子T2连接于端子COM。
电阻R7、电阻R8和运算放大器32连接到端子Ip+。其中，该电阻R7的一端连接于端子Ip+，而电阻R7的另一端通过开关SW6连接于5V电源。电阻R8的一端连接于端子Ip+，而电阻R8的另一端通过开关SW7接地。这里，电阻R7、R8的电阻值优选大约是50kΩ，以便当传感器驱动电路52的操作模式是后面所述的气体浓度测量模式时防止电流泄露。该运算放大器32具有PID控制电路56通过电阻R2与其连接的反向输入端子、3.6V电压施加在其上的非反向输入端子以及通过开关SW3连接于端子Ip+的输出端子。这些构成了控制传感器装置10的负反馈电路。
该PID控制电路56和运算放大器32、34连接到端子COM。其中，该PID控制电路56具有相对于控制目标电压450mV从氧气浓度检测电池24对输出电压的偏差ΔV做PID操作的功能，并且将其控制到控制目标电压(如，450mV)。该PID控制电路56由PID控制电路40、电阻R3-R5以及连接到端子P1和P2以确定该PID控制电路56的控制特性的电容C1-C3构成。PID控制电路56通过运算放大器42连接于端子Vs+，用于把该氧气浓度检测电池24的输出电压输入到该PID控制电路56。该PID控制电路56通过开关SW2连接于端子Pout。该端子Pout通过电阻R2连接到端子Vcent，并最终连接到该运算放大器32的非反向输入端子。该PID控制电路56通过开关SW2和电阻R1、R2连接于端子COM。注意，该PID控制电路56的输出通过开关SW2来控制接通-断开。
该恒压源48连接于该PID控制电路40。该恒压源48是用于向PID控制电路56供应控制目标电压450mV的电路，以控制电流Ip。
该运算放大器32的非反向输入端子通过电阻R1连接于端子COM。
该运算放大器34通过开关SW1连接到端子Vcent。运算放大器34是一种电路，如后面所述其供给异常识别电流以诊断该传感器装置10的异常。
该恒流源46和运算放大器42、44连接到端子Vs+。其中，恒流源46通过开关SW5连接于端子Vs+。该恒流源46是供应恒定电流Icp(例如，17μA)流向氧气浓度检测电池24的电路，以保持该氧气检测电池24的自生成参考电极13b周围的氧气浓度不变。该运算放大器44通过开关SW4连接于端子Vs+。该运算放大器44类似于运算放大器34，是供给异常识别电流以便诊断该传感器装置10的异常的电路，对此后面还将提及。该运算放大器34具有连接于端子Vs+的非反向输入端子。
端子Vs+和端子Ip+之间插入一个由电阻R6和电容C4的串连电路形成的防振荡电路59，以便防止该传感器驱动电路52振荡。
在这样构成的传感器驱动电路52中，开关SW2、SW3、SW5、SW6和SW7接通，而开关SW1和SW4断开，以便测量样本气体的氧气浓度。当样本气体处于燃料过多供给(富燃料)的状态时，相对于理想配比的空气/燃料比，该测量腔20中的氧气浓度不足，该氧气浓度检测电池24的输出电压高于控制目标电压450mV。因此引起输出电压Vs相对于控制目标电压偏差ΔVs。该偏差ΔVs是由该PID控制电路56来PID操作的并且由运算放大器32反馈的。因此，使电流Ip流向泵电池14，以便通过泵电池14把将不足的氧气量泵入测量腔20。
而当样本气体处于燃料供给不足的情况(贫燃料)时，相对于理想配比的空气/燃料比，在测量腔20中的氧气浓度过大，该氧气检测电池24的输出电压Vs低于控制目标电压450mV。因此类似于上述，所述运算放大器32反馈偏差ΔVs。这使得电流Ip流过该泵电池14，以便由泵电池14把过多的氧气量泵出该测量腔20。
以这种方式，在本实施例的气体测量装置1中，测量用于泵电池14控制的电流Ip，使得该氧气浓度检测电池24的输出电压为450mV，因此能够测量样本气体的氧气浓度。注意，构造本实施例的气体测量装置1，通过电阻R2来电压转换流过该泵电池14的电流Ip，并且把该电阻R2的电压(具体说，端子Vcent和Pout之间的电压)通过未示出的微分放大器电路输出到微型计算机7的输入端口。根据在微型计算机7测量的氧气浓度，可有效控制发动机燃烧。
其次，该异常检测电路53由窗口比较器58a、58b、58c和OR电路58d构成。该窗口比较器58a、58b、58c具有各自的并联到OR电路输出端子的输出端子。虽然在图中略去了连接线，但是该比较器具有分别连接于端子Vs+、COM、IP+的输入端子。
构造该窗口比较器58a、58b、58c，使得当端子Vs+、COM、IP+上的端子电压在预定的电压范围内时输出低电平信号，当这些端子上的端子电压超过预定的电压范围时输出高电平信号。
端子Vs+的电压通常保持在4.05V，这是COM端子上的基准电压3.6V加氧气浓度检测电池24的输出电压Vs(450mV)的值。但是由于某些原因在连接于端子Vs+(也称作Vs+线)的线L1等短路于电源电势或地电势的情况下，Vs+端子电压变成电源电压或接地电压。因此过大的异常电流流过传感器装置10，该电流可能会损坏传感器装置10。为此，构造窗口比较器58a，用于把Vs+端子电压与预定的阈值相比较，当Vs+端子电压超过该阈值时输出高电平信号。具体说，该窗口比较器58a的阈值的上限设置为9V或在考虑到传感器控制电路50的电源电压变化的情况下从电源电压减去预定值(例如1.5V)的预定电压。同时，该阈值的下限设置为1V，这是考虑到接地电平为0V的接地浮动。因此，提供这样的结构使得当Vs+端子电压升高到高于上限9V或预定值时，或当Vs+端子电压下降到低于下限1V时，该窗口比较器58a输出高电平信号。
该端子COM电压通常由运算放大器32控制在基准电压3.6V。但是，由于某种原因，在连接于端子COM(也称作线COM)的线L2等短路于电源电势或接地电势的情况下，该端子COM电压变成电源电势或接地电势。为此，构造窗口比较器58b，用于把端子COM电压与预定的阈值比较，当端子COM电压超过该阈值时输出高电平信号。特别地，类似于窗口比较器58a，窗口比较器58b的阈值的上限设置为9V或预定值。同时，该阈值的下限设置为1V。因此，这样构成的结构，当端子COM电压升高到高于上限9V或预定值时，或当端子COM电压降低到低于该下限1V时，该窗口比较器58b输出高电平信号。
在端子Ip+，当连接于端子Ip+(也称作Ip+线)的线L3等由于某种原因短路于电源电势或接地电势的情况下，该Ip+端子电压变成电源电势或接地电势。为此，构造窗口比较器58c，用于把Ip+端子电压与预定阈值相比较，当Ip+端子电压超过该阈值时输出高电平信号。具体说，类似于窗口比较器58b，对于输入Ip+端子电压的窗口比较器58c，按照其间包含有基准电压3.6V的方式，其上限值设置为9V或预定电压值，并且而其下限值设置为1V。提供这样的结构，使得当Ip+端子电压升高到高于上限9V或预定电压值时，或当Ip+端子电压下降到低于下限1V时，该窗口比较器58c输出高电平信号。
该OR电路58d计算来自窗口比较器58a、58b、58c的信号的逻辑和。当存在来自窗口比较器58a、58b、58c中任何一个的高电平信号输入时，对异常检测标记DIAG赋值为DIAG＝1，并且输出给微型计算机7。当在端子Vs+、COM、Ip+的端子电压各在预定电压范围内时，该异常检测电路53对该异常检测标记DIAG赋值为DIAG＝0，并将其输出给微型计算机7。以这样的方式，在线Vs+、COM、Ip+中任何一个发生短路异常并且端子Vs+、COM、Ip+的端子电压超过阈值到异常电压值时(换句话说，当传感器装置10中发生异常时)，该异常检测电路53可把异常检测标记DIAG赋值为DIAG＝1。注意，该窗口比较器58a、58b、58c对应于本发明中提出的判定部分。
当该传感器驱动电路52的操作模式是下面将描述的异常诊断模式时，该端子电压输出电路54是用于将端子Vs+、COM、Ip+的端子电压输出给微型计算机7的电路。注意，虽然在附图中连接线被略去，但是端子电压输出电路54的输入端子分别连接于端子Vs+、COM、Ip+。
该微型计算机7连接于传感器驱动电路52、异常检测电路53和端子电压输出电路54。具体说，当该异常检测电路53的异常检测标记DIAG、该端子电压输出电路54的输出信号和电阻R2上的电压信号连接于该微型计算机7的输入端口时，稍后将提及的用于改变该传感器驱动电路52操作模式的转换信号(具体说，用于控制开关SW1-SW7的接通-断开的控制信号)连接于该微型计算机7的输出端口。因此，该微型计算机7能够控制传感器驱动电路52的操作模式，并且用于获得有关在该传感器装置10、端子上的端子电压和样本气体的氧气浓度测量上存在/不存在异常的信息。同时，该微型计算机7根据来自异常检测电路53和端子电压输出电路54的输入信号，进行传感器装置10的异常诊断。注意，该微型计算机7对应于本发明所述的电压检测部分和异常诊断部分。
加热控制电路60具有未示出的加热器供能开关。该加热控制电路60根据来自微型计算机7的信号来控制加热器供能开关的接通-断开，并且反过来对来自电池的电能进行PWM控制，从而控制对加热器70的能量供给。这样能够将传感器装置10的温度控制在550-900℃。
同时，加热器控制电路60将加热器供能开关的接通-断开占空比(duty ratio)调节为占空比为0％，因而停止对加热器70的能量供给。注意，该加热器控制电路60对应于本发明的能量供给控制部分。
在本实施例的传感器驱动电路52中，通过使开关SW1-SW7以接通/断开对气体浓度测量模式、保护模式或异常检测模式进行操作模式的转换。
气体浓度检测模式是用于进行发动机燃烧控制的操作模式。在传感器装置10中没有发生异常情况的正常状态下，传感器驱动电路52处于该操作模式。在这种操作模式中，在传感器驱动电路52中开关SW2、SW3、SW5、SW6、SW7被接通，而开关SW1、SW4被断开，如图3所示。
当按这种方式使开关SW2、SW3、SW5、SW6、SW7接通并且使SW1、SW4断开时，根据作为负反馈电压的氧气浓度检测电池24的输出电压，泵电池14置于由运算放大器32控制的负反馈控制之下。可以通过测量电流Ip来测量该样本气体的氧气浓度。因此，根据所测量的氧气浓度可有效进行发动机燃烧控制。
保护模式是当异常检测电路53确定端子Vs+、COM、Ip+中任何一个的端子电压在预定电压范围之外时，从传感器驱动电路52到传感器装置10的所有输出被断开的操作模式(换句话说，传感器驱动电路52和传感器装置10之间电切断)，因此，可保护该传感器装置10。
在这种操作模式中，由于在传感器驱动电路52中所有的开关SW1-SW7如图3所示都被断开，从运算放大器32、34、44，PID控制电路40和恒流源46输入的信号被断开，从而在该传感器装置10和该传感器驱动电路52之间电切断。因此，这样防止异常电流连续流向传感器装置10，因此电保护传感器装置10。
异常诊断模式是在车辆运行期间在传感器装置10上发生异常时诊断该异常性的异常端子和异常内容的操作模式。
在这种操作模式中，加热器控制电路60的加热器供能开关首先被控制到占空比为0％，因此，停止从加热器控制电路60对加热器70的能量供给。通过停止对加热器70的能量供给，该传感器装置10的温度降低到非激活温度(在本实施例中低于550℃)，因此减少泵电池14和氧气浓度检测电池24的内阻。
在停止对加热器70的能量供给之后，传感器气驱动电路52的开关SW1、SW4、SW6、SW7接通而开关SW2、SW3、SW5断开，如图3所示。
按照这种方式，由于开关SW3断开，没有从运算放大器32供给电流来驱动泵电池14。同时，由于开关SW2断开，没有电流从PID控制电路40供给，因此停止对泵电池14的电流控制。从而不执行泵电池14的负反馈控制。
由于开关SW1、SW4、SW6、SW7导通，所以从运算放大器34、44向泵电池14和氧气浓度检测电池24供给电流。注意，运算放大器34、44对应于本发明的电流供给部分。
当从运算放大器34、44输出的电流流到电池14、24(以下也称作异常识别电流)时，在各端子(端子Vs+、COM和Ip+)处的相应的端子电压(也分别称作电压Vs+、电压COM和电压Ip+)从端子电压输出电路54输入到微型计算机7中。该微型计算7比较输入的端子电压，并识别该端子电压落入图4中所示的条件中的那个条件，从而确定异常端子和异常内容。
具体说，在线Vs+、COM和Ip+的任何一个上发生对地电势短路(也称作GND短路)的情况下，当端子电压满足关系电压Vs+＜电压COM并且电压Vs+＜电压Ip+时，那么GND短路发生在线Vs+上。当端子电压满足关系电压Ip+＜电压COM并且电压Ip+＜电压Vs+时，那么GND短路发生在线Ip+上。在其他情况下，确定GND短路发生在线COM上。
同样，在线Vs+、COM和Ip+的任何一个上发生对电源电势短路(以下也称作VB短路)的情况下，当端子电压满足关系电压Vs+＞电压COM并且电压Vs+＞电压Ip+时，那么VB短路发生在线Vs+上。当端子电压满足关系电压Ip+＞电压COM并且电压Ip+＞电压Vs+时，那么VB短路发生在线Ip+上。在其他情况下，确定VB短路发生在线COM上。
在这里，考虑到泵电池14和氧气浓度检测电池24的输出电压根据样本气体的氧气浓度而发生变化，从运算放大器34、37输出的异常识别电流设定为5mA或更大。设置这个电流，使得在供给异常识别电流时出现在端子上的电压大于为响应样本气体的氧气浓度而由泵电池14或氧气浓度检测电池24输出的电压。这样能够正确地进行异常诊断。
现面根据图5和图6说明在微型计算机7上进行的流程。
图5是示出在微型计算机7上执行的处理流的主流程图，而图6是在图5中的主流程调用的子程序的流程图。
如图5所示，当在汽车加电时，微型计算机7开始其处理，并且在内部初始化该微型计算机7之后使加热器控制电路60向加热器70供给能量(步骤S100)。在激活该传感器装置10之后，该微型计算机7向传感器驱动电路52输出信号，用于把操作模式转换到气体浓度测量模式(转换到气体浓度测量模式信号)(步骤S101)。通过把所述转换到气体浓度测量模式信号输入到传感器驱动电路52，其开关SW2、SW3、SW5、SW6、SW7被接通，而开关SW1、SW4被断开。这样将传感器驱动电路52的操作模式转换到气体浓度测量模式。在步骤S102，执行关于样本气体的氧气浓度的测量处理。
在步骤S103，确定从异常检测电路53输出的异常检测标记DIAG是否DIAG＝1。如果不是DIAG＝1，即如果传感器装置10的端子电压的每个都在预定的电压范围内(当在传感器装置10中没有发生异常时)，过程返回到步骤S102，在步骤S102重复执行测量样本气体的氧气浓度。
而如果在步骤S103，DIAG＝1，则传感器驱动电路52断开开关SW1-SW7，把传感器驱动电路52的运行模式设置成保护模式(步骤S104)。这样该传感器装置10和该传感器驱动电路52之间被电切断，以防止由于异常电流流入该传感器装置10而损坏该传感器装置10。
在步骤S105，确定DIAG＝1是否继续。如果DIAG＝1继续，则该过程进到步骤S106，在步骤S106递增异常性记数N，接着该过程进到S108。如果DIAG＝1不再继续，则该过程进到步骤S107，在步骤S107，递减异常性记数N，接着该过程进到S108。
在步骤S108，确定该异常性记数N是否等于或大于预定记数。如果该异常性记数N等于或大于预定记数，则建立在该传感器装置10中发生异常的事实，并且该过程进到步骤S110。如果该异常性记数N不等于也不大于预定记数，则该过程进到步骤S109。
在步骤S109，确定该异常性记数N是否等于零，如果该异常性记数N＝0，则确定该传感器装置10没有发生异常，并且该过程返回到步骤S101。其后，该过程进行到步骤S102，在步骤S102，重复执行测量样本气体的氧气浓度的处理。如果在步骤S109，异常性记数不等于0，则重复执行S105-S108的处理。
在步骤S110，执行端子电压读取。参考图6来说明对端子电压的读取。在端子电压读取中，加热器控制电路60的加热器供能开关首先被控制成占空比为0％，以停止向加热器70供给能量(S200)。然后利用该微型计算机7具有的未示出的计时器，该过程等待预定的时段(100毫秒-1秒，例如1秒)(步骤S201)。执行该过程等待预定时段的原因是由于以下的理由。即，即便在通过将该加热器控制电路60的加热器供能开关控制成占空比为0％而停止对加热器70的能量供给的情况下，该泵电池14和氧气浓度检测电池24的温度不是立即降低到非激活温度。因此，执行等待预定时段的过程直到该泵电池14和氧气浓度检测电池24的温度降低到非激活温度。同时，该传感器驱动电路52具有振荡防止电路59。通过将该传感器驱动电路52的操作模式设置为保护模式使该传感器装置10和传感器驱动电路52之间被电切断，此后的预定时段内在端子(Vs+、COM、Ip+)处的端子电压瞬态地处于不稳定状态。在这样的不稳定状态下，不能正确地获得该端子上的电压。为此，执行预定时段的等待过程直到每个端子的电压变成稳定状态。在等待预定时段之后，该过程进到S202。
在步骤S202，用于把操作模式转换为异常诊断模式的信号(转换到异常诊断模式信号)被输出到传感器驱动电路52。通过输入所述转换到异常诊断模式信号，该传感器驱动电路52接通开关SW1、SW4、SW6、SW7，并且断开开关SW2、SW3、SW5。这样将传感器驱动电路52的操作模式转换到异常诊断模式。
在步骤S203读取端子Vs+的端子电压，该电压从端子电压输出电路54输出。该读取的端子电压Vs+储存在该微型计算机7的未示出的RAM中。
在步骤S204，用于将操作模式转换为保护模式的信号(转换到保护信号)输出到传感器驱动电路52。通过将所述转换到保护信号输入到传感器驱动电路52，开关SW1-SW7被断开。这样将感器驱动电路52的操作模式转换为保护模式。
在步骤S205，类似于S201，该过程等待预定的时段，并且然后进到S206。在步骤S206，转换到诊断模式信号输出到传感器驱动电路52。通过将转换到诊断模式信号输入到传感器驱动电路52，开关SW1、SW4、SW6、SW7被接通，而开关SW2、SW3、SW5被断开。这样将传感器驱动电路52的操作模式转换到异常诊断模式。
在步骤S207，读取端子电压COM，该电压从端子电压输出电路54输出。该读取的端子电压COM储存在该微型计算机7的未示出的RAM中。
在步骤S208，转换到保护模式信号被输出到传感器驱动电路52。通过将转换到保护模式信号输入到传感器驱动电路52，开关SW1-SW7被断开。这样将感器驱动电路52的操作模式转换为保护模式。
在步骤S209-S212，进行类似于上面的处理，即在步骤S209等待预定时段之后，通过在步骤S210将转换到异常诊断模式信号输出到传感器驱动电路52，把传感器驱动电路52的操作模式转换到异常诊断模式。其后，在步骤S211，读取端子电压Ip+。该读取的端子电压Ip+储存在该微型计算机7的未示出的RAM中。在步骤S212，通过将转换到保护模式信号输出到传感器驱动电路52，传感器驱动电路52的操作模式转换为保护模式。
然后过程进到主流程(图5)的异常端子识别步骤(S111)。在S111，根据图4所示的识别条件来识别在S203、S207和S111储存在微型计算机7的RAM中的端子电压，从而确定所发生异常的内容和端子。该识别结果储存在该微型计算机7的未示出的RAM中。通过异常端子识别，确定在传感器装置10中发生的异常是GND短路还是VB短路，并且确定发生的异常是Vs+、COM、Ip+端子中的那个端子。
当汽车电源断开之后，该过程结束。
以这种方式，在本实施例的该气体浓度测量装置1中，由窗口比较器58a、58b、58c检测在该传感器装置10和该传感器驱动电路52之间的连接点(端子Vs+、COM、Ip+)是否存在有异常电压发生。在任何连接点发生异常电压的情况下，该传感器驱动电路52的运行模式转换成保护模式，在该传感器装置10和该传感器驱动电路52之间做电切断，因此避免异常电流继续流入该传感器装置10，因此保护该传感装置不受损坏。
同时，在本实施例的该气体浓度测量装置1中，在该传感器装置10的异常诊断期间，通过使异常诊断所需要的异常识别电流供给预定的时段，能够进行异常诊断而不损坏该传感装置。
而且，在本实施例的该气体浓度测量装置1中，在异常诊断期间，停止对加热器供给能量，以将传感器装置10的电池(泵电池14和气体浓度检测电池24)的温度降低到低于电池的激活温度。结果，电池的内阻增加。因此，在这种状态，流过该电池的异常识别电流增大该电池电极之间的电势差，与电池处于激活温度的状态相比，能够更加可靠的进行异常诊断。
而且，在本实施例的该气体浓度测量装置1中，设置电阻7和电阻8，相对于端子Ip+它们分别是上拉电阻和下拉电阻，以便在异常诊断期间向端子Ip+施加预定的电压(在本例中是2.5V)。因此，由于在异常诊断期间电池的高内阻，即使在线Vs+发生GND短路，也不会发生电压Ip+变得不稳定，从而保证异常诊断。
在说明书中的“断开”、“切断”不仅包括完全不导通状态，而且还包括不影响电路、传感器等运行的微小电流流过的状态。
虽然到现在为止已经对本发明的实施例进行了说明，但是本发明不限于前述实施例，而可以采用属于本发明技术范围内的各种形式。
例如，虽然该实施例采用全范围空气/燃料比例传感器作为传感器装置10，但是这不是限制性的，也就是，可以应用通过对传感器装置10添加一个电池而具有两个测量腔的NOX传感器。
此外，也能够应用由一个电池构成的氧气传感器。
在该实施例中，在异常诊断期间，通过接通-断开加热器供能开关使占空比为0％，从而停止对加热器供能，将传感装置的温度降低到低于激活温度。但是将传感装置的温度降低到低于激活温度的方法不限于这种方法。例如，通过减少对加热器的能量供给也能够降低传感器的温度，该能量供给小于气体浓度测量所需的能量供给，这是通过在异常诊断中把加热器供能开关的接通-断开占空比减小到小于使传感器温度到激活温度的占空比实现的。
在本申请中要求外国优先权的每个外国专利申请的整个公开内容并入此处以供参考，如同在此全文叙述。
权利要求
1.一种用于诊断气体浓度测量装置中异常的方法，该气体浓度测量装置包括气体传感器，该气体传感器包括用于输出与样本气体空间中的预定气体的浓度成比例的信号的传感装置，该传感装置包括固体电解质和成对设置在该固体电解质上的电极，和用于将该传感装置加热到激活温度的加热部分，在该温度下输出与该预定气体的浓度成比例的信号，从外部对该加热部分供给能量；以及测量部分，用于根据该传感装置的输出信号来测量所述样本气体空间中的预定气体的浓度，该测量部分电连接于该气体传感器的传感装置的电极，该方法包括在该传感装置被加热到激活温度的状态下，当该测量部分和该气体传感器的传感装置之间的任何连接点上的电压变成预设的异常电压值时，限制对该加热部分的能量供给；以及然后诊断该气体传感器的异常。
2.如权利要求1所述的诊断异常的方法，其中该传感装置包括通过扩散阻尼件与该样本气体空间连通的测量腔；和多个电池，每个电池设置成面向该测量腔，并具有固体电解质和成对设置在该固体电解质上的电极，构造该测量部分使得其电连接于该传感装置的多个电池，并且根据该多个电池的输出信号测量该样本气体空间中的预定气体的浓度，其中，当该测量部分和该气体传感器的多个电池之间的任何连接点上的电压变成异常电压值时，限制对该加热部分的能量供给。
3.如权利要求1所述的诊断异常的方法，其中，通过所述连接点向所述传感装置供给预定的电流，并且在供给电流期间在所检测的各连接点的检测电压之间做比较，由此来进行异常诊断。
4.如权利要求1所述的诊断异常的方法，其中，通过把所述能量供给关闭预定的时间来限制对所述加热部分的能量供给。
5.一种用于诊断气体浓度测量装置中异常的装置，该气体测量装置包括气体传感器，该气体传感器包括用于输出与样本气体空间的预定气体的浓度成比例的信号的传感装置，该传感装置包括固体电解质和设置在该固体电解质上的成对电极，和加热部分，用于将该传感装置加热到激活温度，在该温度下输出与所述预定气体的浓度成比例的信号，该加热部分由外部供给能量；以及测量部分，用于根据该传感装置的输出信号测量该样本气体空间中的预定气体的浓度，该测量部分电连接到该气体传感器的传感装置的电极，用于诊断气体浓度测量装置中异常的装置包括判定部分，用于判定该测量部分和该传感装置之间的各连接点上的电压是否是预定的异常电压值；能量供给控制部分，用于当该判定部分判定任何所述连接点上的电压是异常电压值时，限制对该加热部分的能量供给；以及异常诊断部分，用于在通过该能量供给控制部分限制能量供给之后诊断该气体传感器的异常。
6.如权利要求5所述的用于诊断异常的装置，其中该传感装置包括测量腔，其通过扩散阻尼件与该样本气体空间连通；和多个电池，每个电池设置成面向该测量腔，并且具有固体电解质和成对设置在该固体电解质上的电极；构造该测量部分以使得电连接于该传感装置的多个电池，并根据该多个电池的输出信号测量该样本气体空间中的预定气体的浓度；该判定部分判定在该测量部分和该传感装置的多个电池之间的连接点上的电压是否是预定的异常电压值，以及在任何所述连接点上的电压被该判定部分判定为异常电压值时，该能量供给控制部分限制该加热部分的能量供给。
7.如权利要求5所述的用于诊断异常的装置，包括电流供给部分，用于通过该连接点向该传感装置供给预定电流；和电压检测部分，用于在通过该电流供给部分供给电流时检测该连接点上的电压，其中，该异常诊断部分通过在该电压检测部分所检测的各连接点上的检测电压之间进行比较来诊断异常。
8.如权利要求5所述的用于诊断异常的装置，其中，该能量供给控制部分把对该加热部分的能量供给关闭预定的时段。
全文摘要
在传感装置的激活状态下，当传感装置和传感器控制电路之间的连接点上的电压变成预定的异常电压值时，在该传感器控制电路和连接点之间进行电切断。然后停止对加热器的能量供给以便将电池的温度降低到激活温度之下，因而增加该电池的内阻。因此该传感器控制电路按不损坏该传感装置的程度向该传感装置供给电流，从而在这时检测连接点上的电压。通过在相应的各连接点上的检测电压之间进行比较，识别该传感装置发生异常的内容和位置。
文档编号F02D41/00GK1800843SQ200510135730
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者井上义规, 稻垣浩, 家田典和 申请人:日本特殊陶业株式会社