JP2003500638A - 電気化学的ガスセンサによる燃焼混合物の定義されたリッチ／リーン制御のための方法 - Google Patents

電気化学的ガスセンサによる燃焼混合物の定義されたリッチ／リーン制御のための方法

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Abstract

(57)【要約】 電気化学的なガスセンサによって燃焼混合物の規定されたリッチ／リーン制御のための方法を提案する。該方法は、吸蔵段階において排気ガス中に存在する過剰のＮＯｘを吸蔵するＮＯｘ−吸蔵触媒の動作を可能にし、その際、触媒の吸蔵能力が尽きたことは排気ガス中のＮＯｘ−濃度の増加を認識することによって判明し、引き続く再生段階において吸蔵されたＮＯｘをリッチ排気ガス混合物を使用して変換させ、その際、反応の完了を触媒の後の排気ガスのλ値から知ることができる。ＮＯｘ−吸蔵触媒の動作のための方法の基礎となる電気化学的ガスセンサを、選択的に排気ガス中のＮＯｘ濃度及び酸素濃度が同一のガスセンサによって検出されるように動作させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念による電気化学的ガスセンサによる燃焼混合物
の定義されたリッチ／リーン制御のための方法に関する。
【０００２】 従来の技術 燃料節減の動きにおいて今日では内燃機関をリーン燃焼混合物で作動させる。
これでは、排気ガス触媒中で窒素酸化物ＮＯｘがもはや完全に反応浄化できなく
なる。それというのもそのために必要な還元性の成分がもはや十分な規模で存在
しないからである。その事実に基づいて、過剰のＮＯｘを吸蔵可能である、いわ
ゆる吸蔵触媒が使用される。しかしながら、ＮＯｘ−吸蔵触媒の吸蔵能力がなく
なると、その時に触媒を再生させる必要がある。このために、燃焼混合物は短時
間で、吸蔵されたＮＯｘを完全に変換し、新たな吸蔵段階を開始できるまでリッ
チに調節する。リッチ／リーン制御を効果的に実施可能にするためには、排気ガ
ス流中に流動方向においてＮＯｘ−吸蔵触媒の後にＮＯｘの検出のために吸蔵段
階の終わりに生じるＮＯｘ−濃度の増加を検出するガスセンサと同様に再生段階
の終わりに触媒から生じる非常に僅かな酸素含量を有するリッチな燃焼排気ガス
を分析する酸素濃度の検出のためのガスセンサも必要である。
【０００３】 ＮＯｘ−ガスセンサとしては、例えば特許出願ＤＥ−１９９１２１０２．８号
に記載されるような電気化学的なガスセンサを使用してよい。該センサは、酸素
イオンを導くセラミック製のプレーナ型の担体の異なる層レベルにそれぞれ１つ
のポンプセルを有する２つの検出ガス室を含んでいる。両方のポンプセルは、固
体電解質上に設けられたそれぞれ２つの電極からなる。検出ガスは第１の拡散孔
を介して第１の検出ガス室中に流入し、ここでは第１のポンプセルが持続的に低
い酸素分圧を酸素の汲み出し又は汲み入れによってもたらす。同様に第１の検出
ガス室に配置される濃淡セル（ネルンストセル）の電圧（起電力）の補助によっ
て、ポンプセルのポンプ電圧を介して第１の検出ガス室中の酸素分圧をもたらす
。第２の検出ガス室においては、検出ガス中のＮＯｘの濃度を、第２のポンプセ
ルにある電極の表面で、検出ガス中に含まれるＮＯｘを分解し、こうして得られ
る酸素をなおも検出ガス中に残存する酸素と一緒に送出することによって検出す
る。
【０００４】 排気ガス流中の酸素濃度を検出するために、他のガスセンサ、例えば酸素セン
サ（例えばλセンサを表す）が必要である。該装置の欠点は２つの別個のガスセ
ンサの設置あり、これは莫大な費用の損失は避けられない。
【０００５】 本発明の利点 請求項１の特徴部を有する本発明による方法は、特許出願ＤＥ−１９９１２１
０２．８号に記載されるような方法の基礎をなすＮＯｘ−ガスセンサが検出ガス
中のＮＯｘ濃度の検出のためだけでなく、そこに存在する酸素濃度の検出も対象
にするという利点を有している。これは別個の酸素センサを設置する必要が無く
、燃焼混合物の定義された制御を同一のセンサで可能にする。
【０００６】 従属形式請求項に挙げられる措置によって、有利には請求項１に挙げられる方
法の有利な開発が可能である。更に従属形式請求項に記載されるように、酸素検
出のためのガスセンサの動作のために検出の正確さの要求に応じて複数の異なる
可能性が存在し、かつ該方法は場合による制御技術的要求により良好に適合させ
ることが可能である。
【０００７】 図面 本発明を図面に示されるガスセンサを伴って以下の記載において詳細に説明す
る。図面は本発明による方法の実施のために使用できるガスセンサの断面図を示
している。
【０００８】 実施例 図面は本願の方法の基礎となるガスセンサのプレーナ型のセンサ素子１０の原
則的な構造を示している。該センサ素子１０は、例えば酸素イオンを導く多数の
固体電解質層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ及び１
１ｈを有する。これらの固体電解質層１１ａ〜１１ｈはこの場合、セラミックシ
ートとして作成され、プレーナ型のセラミック体を形成する。
【０００９】 該センサ素子１０は第１の検出ガス室１３及び第２の検出ガス室１５を含み、
これらはそれぞれ異なる層レベルにおいて重なって存在する。両方の検出ガス室
１３、１５とは無関係に、例えば他の層レベルにおいて１つの空気参照通路１９
が配置されており、これは空気雰囲気と連結している。センサ素子１０は更に２
つのガス流入孔２１を有し、これらは検出ガスを第１の検出ガス室１３に導く。
第１の検出ガス室１３への入口に、検出ガスの拡散方向において第１の拡散仕切
２３が構成され、これらは例えば多孔性セラミック材料からなる。
【００１０】 検出ガスの拡散方向において、検出ガス室１３と１５との間に他の拡散仕切２
５が構成されている。第２の検出ガス室１５は、例えば環状に構成されているの
で、第２の拡散仕切２５は同様に環状の形態をとる。
【００１１】 第１の検出ガス室１３において、第１の内側電極２８及び第２の内側電極３１
が配置されている。固体電解質層１１ａの外側の大表面上には、直接排気ガスに
曝されている第１の外側電極２９が存在する。第２の検出室１５中に、本願の実
施例では２つの向かい合った環状の部分電極からなる第３の内側電極３５が存在
する。空気参照通路１９中には、空気雰囲気に曝される更なる外側電極３３が存
在する。
【００１２】 センサ素子１０をＮＯｘ−センサとして動作可能にするために、検出ガス室１
５中に配置された第３の内側電極３５は、ＮＯｘを触媒的に分解できる材料から
構成されている。かかる材料は、例えばロジウム又はロジウム／白金合金である
。流動方向にある内側電極２８、３１はＮＯｘ−分解に関する触媒活性を実質的
に有さないことが重要である。全ての電極のための電極材料は、ここでは自体公
知のようにセラミックシートを焼結させるためのサーメットとして使用される。
【００１３】 センサ素子１０のセラミック基体において、ここには示されていない２種の電
気的な絶縁層の間に抵抗加熱器３９が更に埋め込まれている。該抵抗加熱器は必
要な動作温度へのセンサ素子の加熱に役に立つ。
【００１４】 ＮＯｘ−吸蔵触媒の動作のための定義されたリッチ／リーン制御 内燃機関をリーン燃焼混合物で動かすときには、排気ガス触媒上に過剰の未変
換の窒素酸化物ＮＯｘが存在する。これらは、ＮＯｘ−吸蔵触媒の場合には内部
に吸蔵され、まずはリッチな燃焼混合物で作動させた再生段階において変換され
る。
【００１５】 前記のセンサ素子１０は本発明による方法に従って、ガスセンサが流動方向で
ＮＯｘ−吸蔵触媒の後に配置され、リーン段階の間に、ＮＯｘ−ガスセンサとし
て動作するように操作する。ＮＯｘ−吸蔵触媒の吸蔵能力がなくなると同時に、
これは触媒の後の排気ガス中のＮＯｘの高められた濃度で確認できるようにする
。これを、ガスセンサから検出し、リッチ燃焼混合物による再生段階の導入に導
かれる。該段階においてＮＯｘ−吸蔵触媒にλ値＜１を有するリッチな排気ガス
混合物を供給するが、吸蔵触媒中で開始するＮＯｘ−還元に基づいて排気ガスは
約１のλ値で触媒から出ていく。吸蔵触媒中に吸蔵されるＮＯｘが完全に変換さ
れると同時に、触媒の後の排気ガスにおいてλ値が低下する。再生段階において
、前記のガスセンサはλセンサとして動作し、これによってＮＯｘ−変換の完了
後に低下するλ値が検出され、吸蔵段階の再導入へと導かれる。
【００１６】 センサ素子１０の、ＮＯｘセンサとしての動作様式からのλセンサとしての動
作様式への切り換えのために、示されていない規定の切換装置が使用される。切
換装置を使用して、センサ素子１０の電極は必要な動作様式に応じて切り換えら
れる。
【００１７】 ＮＯｘ−センサとしての動作様式 センサ素子１０をＮＯｘ−センサとして使用する場合には、第１の外側電極２
９及び第１の内側電極２８を第１のポンプセルのポンプ電極として動作させる。
第２の内側電極３１は参照電極として作用する他の外側電極３３を有する濃淡セ
ルとして切り換えることができる。電極２８、２９にポンプ電圧を印加し、第１
の検出ガス室１３を使用して酸素の汲み出し又は汲み入れによって一定の酸素分
圧が調整される。この場合には、電極２８、２９に印加されたポンプ電圧を、濃
淡セルの電極３１、３３で一定の電圧値が調整されるように制御する。
【００１８】 一定の酸素分圧に調整された検出雰囲気は、拡散仕切２５を介せば第２の検出
ガス室１５に到達する。第２の検出ガス室１５において、第３の内側電極３５が
存在し、これらは参照電極３３と一緒に更なるポンプセルとして動作する。この
場合、触媒材料に基づいて第３の内側電極３５はＮＯｘ−感受性電極として作用
し、そこでＮＯｘは反応ＮＯｘ→１／２Ｎ２＋ｘ／２Ｏ２のように分解される。
こうして生じたポンプ流は遊離の酸素及びＮＯｘの触媒的分解によって汲み出さ
れる酸素を表す。
【００１９】 酸素センサとしての動作様式 図面に示されるセンサ素子１０の構成は、酸素濃度の検出のためにいわゆるワ
イドバンドセンサとしても使用できる。この種のセンサはポンプセルと濃淡セル
との組合せによって構成される。電極２８、２９を有する第１のポンプセルは、
濃淡セルの電極３１、３３で事前に規定された電圧に達するような範囲でセンサ
素子１０の検出ガス室１３に、もしくはそこから酸素を移送することを保証する
。酸素濃度に比例する検出シグナルの１つとして、ポンプセルの電極２８、２９
の間に流動するポンプ流が事前に規定された電位の調整のために考慮される。
【００２０】 内側電極２８を、これがＮＯｘ−分解に関して触媒的に不活性であり、かつ検
出ガスの熱動力学的平衡調節がポンプ電極表面上で不可能であるように作成する
ことは該装置に対する問題点としてみなされる。しかしながら、このことはλ値
の正確な検出のためには必要である。但し、ＮＯｘは再生操作の間に排気ガスに
過剰に存在するリッチガス成分、例えばＣＯと反応し、こうして酸素センサの電
位形成に取り入れられる。酸素センサとしての動作様式は、従ってＮＯｘに関し
ても精密である。
【００２１】 本発明の目的は、ただしλ値の正確な検出ではなく、低下したλ値を制御技術
に基づいて検出することである。
【００２２】 基礎となるセンサ素子１０による他の実施態様は、ポンプセルとして電極２８
、２９を必要としないか、もしくは濃淡セルのために無条件に電極３１、３３を
使用する必要はないが、種々の電極の組合せがポンプセル及び濃淡セルのために
考えられることにある。このように、前記の可能性の他に、従来の濃淡セルの電
極３１、３３を第１のポンプ電極として使用でき、かつ第２のポンプセルの電極
３３、３５を濃淡セルとして切り換えることができる。
【００２３】 基礎となるセンサ素子１０での他の有利な実施態様は、第１の外側電極２９及
び第２の外側電極３３をネルンストセルとして動作させ、その際第１の外側電極
２９は排気ガス側の電極を表し、かつ第２の外側電極３３は慣用のワイドバンド
センサの空気参照電極を表すことにある。再生作業の間に、該センサはλ≒１に
関して３００〜５００ｍＶの電圧信号を示す。再生操作の終わりに低下する酸素
濃度は３００〜５００ｍＶから約８００ｍＶへの電圧足跡として検出される。
【００２４】 本発明による方法の実施のために、前記のセンサ素子１０の構成だけが適当な
わけではない。またＮＯｘ−感受性センサとしての前記の動作様式又は酸素濃度
の検出のためのガスセンサとしての動作様式が可能な他のセンサ素子の態様も考
えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明による方法の実施のために使用できるガスセンサの断面図を示し
ている。
【符号の説明】
１０ センサ素子、 １１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ，１
１ｇ，１１ｈ 固体電解質層、 １３ 第１の検出ガス室、 １５ 第２の検出
ガス室、 １９ 空気参照通路、 ２１ ガス流入孔、 ２３ 拡散仕切、 ２
５ 拡散仕切、 ２８ 第１の内側電極、 ２９ 第１の外側電極、 ３１ 第
２の内側電極、 ３３ 外側電極、 ３５ 第３の内側電極、 ３９ 抵抗加熱
器
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年５月２日（２００１．５．２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 27/416 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２７Ｃ ３２７Ｇ ３２７Ｅ ３１１Ｇ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＣＮ，Ｊ Ｐ，ＫＲ，ＵＳ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＮＯｘ−吸蔵触媒の動作のための燃焼混合物の定義されたリ
    ッチ／リーン制御にあたり、該触媒はリーンに調整された燃焼混合物の場合には
    吸蔵段階においてＮＯｘを吸蔵し、かつリッチに調整された燃焼混合物の場合に
    は再生段階において吸蔵されたＮＯｘを変換し、その際、流動方向においてＮＯ ｘ −吸蔵触媒の後で、吸蔵段階の監視のためにＮＯｘ−濃度を考慮し、かつ再生
    段階の監視のためには燃焼排気ガス中の酸素濃度を考慮する方法において、ＮＯ ｘ −濃度及び酸素濃度を同一の電気化学的ガスセンサによって検出することを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項２】 電気化学的ガスセンサとして少なくとも２つのポンプセル及
    び１つの濃淡セルを有するガスセンサを使用し、吸蔵段階の間で燃焼排気ガス中
    に含まれるＮＯｘ−濃度を検出するために第１のポンプセルを使用して酸素移送
    によって低い酸素分圧をもたらし、濃淡セルを酸素濃度の制御のために、かつ第
    ２のポンプセルを遊離酸素及びＮＯｘの分解によって得られる酸素の移送のため
    に考慮し、かつ燃焼排気ガス中に含まれる酸素濃度の検出のためにポンプセルを
    使用して酸素移送によって低い酸素分圧をもたらし、かつ濃淡セル又はポンプセ
    ルの１つを酸素濃度のコントロールのために用いる、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 酸素濃度の検出のために、両者のうち第１のポンプセルが再
    生段階の間に酸素移送によって低い酸素分圧をもたらし、濃淡セルを酸素濃度の
    コントロールのために用いる、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 酸素濃度の検出のために両者のうち第２のポンプセルが再生
    段階の間に濃淡セルとして動作し、酸素濃度のコントロールのために用いられる
    が、一方で濃淡セルはポンプセルとして動作し、酸素移送によって低い酸素分圧
    をガスセンサにおいてもたらす、請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 第１の外側電極（２９）及び第２の外側電極（３３）を電圧
    検出的な検出原理によって機能する濃淡セル（ネルンストセル）に切り換え、か
    つ電極（２９、３３）の間に生じる電位差を酸素濃度の検出のための検出シグナ
    ルとして考慮する、請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】 リーンに調整された燃焼混合物が存在する間のガスセンサの
    検出シグナルが、規定のＮＯｘ−濃度を超過する場合に再生段階の開始を生じさ
    せる、請求項２記載の方法。
  7. 【請求項７】 リッチに調整された燃焼混合物が存在する間のガスセンサの
    検出シグナルが、規定の酸素濃度を超過する場合に吸蔵段階の開始を生じさせる
    、請求項２記載の方法。
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