JP2001255300A - 測定ガスの酸素含有量を測定するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定ガスの酸素含有量を、ラムダの値が０．
８〜約２０の広帯域においてできるだけ正確で簡単な方
法で測定する。 【解決手段】 本発明による方法では、測定ガスの酸素
含有量の測定が第１の測定セル及び第２の測定セルによ
りシリアルに行われ、測定ガスの酸素含有量が０．８〜
１．４のラムダの範囲では第２の測定セルにより、１〜
２０のラムダの範囲では第１の測定セルにより測定され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセンサを使用して測
定ガスの酸素含有量を測定するための方法、及び前記方
法によりセンサを使用するための方法に関する。ここ
で、センサは酸素イオンを伝導する固体電解質を有し、
この固体電解質は測定ガスを基準ガスから分離し、少な
くとも１つの基準電極を基準ガス側に有し、第１の測定
電極及び第２の測定電極を測定ガス側に有し、第１の測
定電極が拡散制限層によりカバーされる。センサの中で
は、（カバーされた第１の測定電極、固体電解質、及び
基準電極により形成される）第１の測定セルが限界電流
則に従って電流滴定的に作動し、第２の測定セルがそれ
に対して並列であり、この第２の測定セルは第２の測定
電極、固体電解質、及び基準電極により形成され、電位
差滴定的に作動する。

【０００２】

【従来の技術】DE 197 57 112 Alは、ガス混合物中の酸
素及び／又は空気／燃料比ラムダ、並びに少なくとも１
つの他の気体成分を測定するための一般的概念によるガ
スセンサを記載している。酸素イオンを伝導する固体電
解質の測定ガス側の測定電極と基準ガス側の基準電極
は、同じ又は異なる測定原理に基づいて、異なる気体成
分を表す少なくとも２つの測定信号をここで同時に生成
する。更に詳細には、図７は電位差滴定的酸素測定、並
びに電流滴定的酸素及び窒素酸化物測定を同時に行うた
めのチューブ形のガスセンサの断面図を示す。特定の気
体成分中の個々のセンサ信号の目標値は定められない。

【０００３】DE 43 20 881 Alは、ガス混合物中のラム
ダ値を測定するためのセンサを開示している。このセン
サではステップ形のセンサ特性を有する加熱されたラム
ダプローブ及び広帯域のセンサ特性を有する他の加熱さ
れたラムダプローブが併用される。ステップ形のセンサ
特性を有するラムダプローブの出力信号は、広帯域のセ
ンサ特性を有するラムダプローブを較正するために使用
される。ここで開示されたステップ形のセンサ特性を有
するラムダプローブはラムダ＝１において抵抗を急増さ
せ、広帯域のセンサ特性を有するラムダセンサは抵抗を
連続的に変化させ、０．８〜１．２の範囲のラムダで線
形に変化させることが好ましい。２つの抵抗性ラムダ−
プローブのための検出材料として、酸素−検出層が使用
される。１．２より大きいラムダの測定は、このセンサ
装置では不可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この問題は、０．８〜
約２０の広帯域においてできるだけ正確で簡単な方法で
ラムダを測定できる方法を利用可能にすることを提起す
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この問題は次の方法で解
決される。この方法では、測定ガスの酸素含有量の測定
が第１の測定セル及び第２の測定セルによりシリアルに
行われ、測定ガスの酸素含有量が０．８〜１．４のラム
ダの範囲では第２の測定セルにより、１〜２０のラムダ
の範囲では第１の測定セルにより測定される。特定のラ
ムダが測定ガスに存在する場合にのみ、そこから測定セ
ルの出力信号の使用及び／又は評価が続く。従って、こ
の方法は測定範囲の「シリアル切り換え」を含み、それ
により０．８〜約２０の範囲のラムダの正確な測定が可
能になり、ラムダの値が高くても低くても測定精度は高
い。電子制御ユニットにより、適切な出力信号の選択は
簡単な方法に帰着する。従って、例えば、０．８〜１．
４のラムダに関して、第２の電位差滴定的に作動する測
定セルの出力信号は、（好ましくは自動車の）燃焼動作
の間の種々の調整又は制御の測定のために使用でき、１
〜約２０のラムダに関して、第１の測定セルの出力信号
はその目的のために使用できる。１〜１．４のラムダの
範囲では、第１の測定セルの出力信号及び第２の測定セ
ルの出力信号の両方が使用可能であり、評価はシリアル
な方法又はパラレルな方法のどちらでも行うことができ
る。

【０００６】ここでは都合のよいことに、もしラムダの
範囲が１〜１．４であれば、平衡が第２の測定セルの電
位差滴定出力信号と第１の測定セルの電流滴定出力信号
の間で生じる。この出力信号の平衡は、電子制御ユニッ
トを使用して固定ラムダ値において又は特定の時間間隔
で起こり得る。しかし、（例えば自動車の）電子制御ユ
ニットを使用する出力信号の平衡はまた、特定のエンジ
ンデータによっても起こされ得る。

【０００７】もし第２の測定セルが電子制御ユニットに
記憶された較正値及び／又は出力信号目標値を使用して
定期的に較正されるなら、測定ガスがラムダ値１のとき
に、測定の精度は更に増大する。次に、第１の測定セル
が、第２の測定セルを使用して更に正確な方法で較正で
きる。出力信号の純粋に温度に関係するシフトを測定し
て考慮に入れるために、測定セルの現在温度の追加記録
はこれら較正動作に対して好都合である。

【０００８】本発明によると、この方法を実施するため
に、酸素イオンを伝導する固体電解質を有するセンサが
適切に使用でき、固体電解質は測定ガスを基準ガスから
分離し、少なくとも１つの基準電極を基準ガス側に有
し、第１の測定電極及び第２の測定電極を固体電解質の
測定ガス側に有し、測定電極は互いに独立して配置さ
れ、第１の測定電極は拡散制限層によりカバーされる。

【０００９】或いは、本発明による方法を実施するため
に、酸素イオンを伝導する固体電解質を有するセンサが
非常に都合がよく、固体電解質は測定ガスを基準ガスか
ら分離し、少なくとも１つの基準電極を基準ガス側に有
し、第１の測定電極及び第２の測定電極を固体電解質の
測定ガス側に有し、測定電極は互いに独立して配置さ
れ、第１の測定電極は拡散制限層によりカバーされ、固
体電解質から電気的に絶縁されて配置された温度センサ
及び／又は電気加熱素子を有する。

【００１０】実施例として、以下の図は本発明による方
法を実施するための酸素センサを示す。以下の２つの実
施例は、本発明による方法に対して前記の図からの酸素
センサを使用するための可能性を与える。この点に関し
て、上記（０．８〜１．４、１〜約２０、及び１〜１．
４）で与えられるラムダの３つの範囲から取られた、実
施例で選択された特別のラムダ値は、本発明の概念を明
確にするに過ぎないことを指摘しておく。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は酸素イオンを伝導する一端
が閉じたチューブ形の固体電解質１を有する酸素センサ
を示し、固体電解質１は基準ガス側２を測定ガス側から
分離する。この分離は壁部７によりここで表示されるだ
けであり、壁部７では酸素センサが（図示されない）ハ
ウジングを用いて取り付けられる。（例えば、イットリ
ウムをドープしたＺｒＯ_２で作られた）固体電解質１の
基準ガス側２に、基準電極３ａ、３ｂが配置される。固
体電解質１の測定ガス側には、測定電極４が配置され
（電源ラインを含めて表示されない）、測定電極４は基
準電極３ｂ及び固体電解質１と共に測定セルを形成し、
測定セルは電位差滴定的に作動してラムダを測定するよ
うに使用される。また、測定電極５が固体電解質１の測
定ガス側に配置され（電源ラインを含めて表示されな
い）、測定電極５は拡散制限層６でカバーされ、基準電
極３ａ固体電解質１と共にもう１つの測定セルを形成
し、もう１つの測定セルは電流滴定的に作動してラムダ
を測定するように使用される。

【００１２】図２は、図１の酸素センサの断面を示す。
図１に対して既に記載された素子に加えて、（例えば白
金で作られた）電気加熱素子８が存在する。加熱素子８
は、固体電解質１から（例えば、酸化アルミニウムで作
られた）電気絶縁層９により絶縁されて配置される。加
えて、ここでは図示されない温度センサを、例えば基準
ガス側２に配置できる。

【００１３】

【実施例】（実施例１）本発明による方法の実施は、図
１又は図２による酸素センサが取り付けられた自動車の
排気ガスシステムで行える。エンジンを始動するとす
ぐ、酸素センサは作動温度まで加熱素子８により加熱さ
れ、排気ガスのラムダが両方の測定セルを用いて測定さ
れる。両方の測定セルの出力信号を使用して、電子制御
ユニットは測定ガス中のラムダが１より大きいか小さい
かを調べ、ラムダが１．１以下のときに電位差滴定的に
作動する測定セルの出力信号を使用し、ラムダが１．１
より大きいときに電流滴定的に作動する測定セルの出力
信号を使用して、例えば、自動車の燃料供給を制御す
る。排気ガス中のラムダ値の連続的な増加に関して、出
力信号の使用が、ラムダ１．１において電位差滴定的に
作動する測定セルから電流滴定的に作動する測定セルへ
変化する。

【００１４】（実施例２）実施例１は、以下の追加のス
テップにより最適化できる。もし１．１のラムダが電位
差滴定測定セルを用いて測定されたら、酸素センサの電
流滴定測定セルの電流の出力信号が較正される。電子制
御ユニットに記憶されたラムダ−電流のテーブルを使用
して、出力信号目標値が決定され、出力信号目標値は電
流滴定的に作動する測定セル（ここではアンペア単位の
電流）に対する１．１のラムダに対応する。出力信号目
標値は測定された出力信号と比較され、もしズレがなけ
れば、電流滴定的に作動する測定セルの較正に着手す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】１つの電位差滴定的に作動する測定セル、及び
１つの電流滴定的に作動する測定セルを有する酸素セン
サの縦断面図である。

【図２】追加の加熱素子を有する図１の酸素センサの断
面図である。

【符号の説明】

１ 固体電解質 ２ 基準ガス側 ３ａ、３ｂ 基準電極 ４、５ 測定電極 ５ 測定電極 ６ 拡散制限層 ７ 壁部 ８ 加熱素子 ９ 電気絶縁層

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 方法 測定ガスの酸素含有量を酸素イオ
   ンを伝導する固体電解質を有するセンサを使用して測定
   するための方法であって、前記固体電解質は前記測定ガ
   スを基準ガスから分離し、少なくとも１つの基準電極を
   基準ガス側に有し、第１の測定電極及び第２の測定電極
   を前記測定ガス側に有し、前記第１の測定電極が拡散制
   限層によりカバーされ、前記センサでは前記カバーされ
   た第１の測定電極、前記固体電解質、及び前記基準電極
   により形成された第１の測定セルが限界電流則に従って
   電流滴定的に作動し、第２の測定セルが前記第１の測定
   セルに対して並列であり、前記第２の測定セルは前記第
   ２の測定電極、前記固体電解質、及び前記基準電極によ
   り形成され、電位差滴定的に作動し、前記測定ガスの酸
   素含有量の測定がシリアルな方法で前記第１の測定セル
   （３ａ、１、５、６）及び前記第２の測定セル（３ｂ、
   １、４）により行われ、前記測定ガスの酸素含有量が
   ０．８〜１．４のラムダの範囲では前記第２の測定セル
   （３ｂ、１、４）により測定され、１〜２０のラムダの
   範囲では前記第１の測定セル（３ａ、１、５、６）によ
   り測定されることで特徴づけられる方法。
2. 【請求項２】 １〜１．４のラムダの範囲で、前記第２
   の測定セル（３ｂ、１、４）の電位差滴定出力信号と前
   記第１の測定セル（３ａ、１、５、６）の電流滴定出力
   信号の間で平衡が起こることを特徴とする、請求項１に
   記載の方法。
3. 【請求項３】 前記出力信号の平衡が電子制御ユニット
   を使用して固定ラムダ値で行われることを特徴とする、
   請求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】 前記出力信号の平衡が電子制御ユニット
   を使用して特定の時間間隔で行われることを特徴とす
   る、請求項２に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記出力信号の平衡が電子制御ユニット
   を使用して特定のエンジンデータにより起こされること
   を特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記第２の測定セル（３ｂ、１、４）が
   ０．８〜１のラムダの範囲で電子制御ユニットに記憶さ
   れたを使用して較正されることを特徴とする、請求項１
   から５の何れか１つに記載の方法。
7. 【請求項７】 前記第１の測定セル（３ａ、１、５、
   ６）が前記第２の測定セル（３ｂ、１、４）を使用して
   較正されることを特徴とする、請求項１から６の何れか
   １つに記載の方法。
8. 【請求項８】 酸素イオンを伝導する固体電解質（１）
   を有し、前記固体電解質（１）は測定ガスを基準ガスか
   ら分離し、少なくとも１つの基準電極（３ａ、３ｂ）を
   前記基準ガス側（２）に有し、第１の測定電極（５）及
   び第２の測定電極（４）を前記固体電解質（１）の測定
   ガス側に有し、測定電極（４、５）は互いに独立して配
   置され、前記第１の測定電極（５）が拡散制限層（６）
   によりカバーされることを特徴とするセンサ。
9. 【請求項９】 酸素イオンを伝導する固体電解質（１）
   を有し、前記固体電解質（１）は測定ガスを基準ガスか
   ら分離し、少なくとも１つの基準電極（３ａ、３ｂ）を
   前記基準ガス側（２）に有し、第１の測定電極（５）及
   び第２の測定電極（４）を前記固体電解質（１）の測定
   ガス側に有し、測定電極（４、５）は互いに独立して配
   置され、前記第１の測定電極（５）が拡散制限層（６）
   によりカバーされ、前記固体電解質（１）から電気的に
   絶縁されて配置された温度センサ及び／又は電気加熱素
   子（８）を有することを特徴とするセンサ。