JP2003510588A - ガスゾンデの機能監視及び／又は再生のための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定された機能能力に応じて、ガスゾンデの機能監視及び／又は再生のための方法を提供する。 【解決手段】 加熱可能なガス分子検出ゾンデセラミックと、チャンバ（１）に配置された第１のポンプ電極（３）と、内燃機関の排気ガスに配置された第２のポンプ電極（２）とを有するガスゾンデの機能監視及び／又は再生のための方法において、第１と第２のポンプ電極との間にポンプ電源による第１のポンプ電圧で第１のポンプ電流を測定し、前記第１のポンプ電圧と異なる第２のポンプ電圧で第２のポンプ電流を測定し、第１と第２のポンプ電流の差（ΔＩ）が所定値をオーバーした時に、所定の飽和ポンプ電圧によるポンプ電流と、記憶された最小ポンプ電流とを比較し、その差（ΔＩプラス）が所定値をオーバーした時に、前記飽和電圧よりも大きな電源による再生電圧を印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、請求項１の上位概念に基づく、特に、内燃機関のためのラムダ・ゾ
ンデ或いはＮＯｘセンサとして使用する、ガスゾンデの機能監視及び／又は再生
のための方法に関する。

【０００２】 自動車の排気ガス中の酸素濃度或いは酸化窒素濃度の測定のための二室式のＮ
Ｏｘ限界電流センサは、かなり以前から知られており、例えば刊行物、ＳＡＥ技
術論文シリーズ第９６０３３４号、“厚膜ＺｒＯ₂・ＮＯｘセンサ”（SAE Techn
ical Paper Series No. 960334,“Thick Film ZrO₂ NOx Sensor”）から知るこ
とが出来る。この種のセンサは、内燃機関の排気ガスと連絡している２つのチャ
ンバの中に入れられた、酸素イオン伝導性セラミック、好ましくは酸化ジルコニ
ウム、を有している。排気ガスの中並びに上記のチャンバの中に、複数の電極が
配置されている。セラミックの多孔性の領域を通して、内燃機関の排気ガスと直
接連絡している第１のチャンバの中では、２つの電極によって酸素が電気化学的
に汲み出される。その際に、一つのチャンバの中に配置されている陰極で酸素分
子の還元が行なわれる。酸素イオン伝導性セラミックの中で、その様にして発生
した酸素イオンが次いで、印加電圧によって、排気ガスの流れの中に配置されて
いる陽極へ運ばれ、ここで還元の反転が行なわれる、即ち酸素イオンから電子の
付加によって酸素分子ができる。使用された或いは再生された電子は、電流とし
て測定することができる。

【０００３】 動作時間が長くなると、エージングによって電流密度の低下が起こる。 本発明の課題は、測定された機能能力に応じて、ガスゾンデの再生を可能にす
る、冒頭に述べられた種類のガスゾンデの機能監視及び／又は再生のための方法
を提案することである。

【０００４】 この課題は、請求項１のメルクマールによって解決される。本発明に基づく方
法は、単に排気ガスゾンデの機能性を監視することができるだけでなく、排気ガ
スゾンデのエージングが確認された時に、飽和電圧より大きな再生電圧の印加に
よってソンデの再生を行なうことができる、という利点を持っている。

【０００５】 その際、好ましくはゾンデの試験のためのステップと再生電圧の印加は、前も
って与えられている閾値を下回るまで、複数回、好ましくは５回、繰り返される
。この閾値を下回らない場合には、故障メッセージが出力される。

【０００６】 再生電圧に関していえば、再生電圧は、ポンプ電圧と同じ極性であることがで
きるが、再生電圧がポンプ電圧と反対の極性をもつことも可能である。再生電圧
は、内燃機関の希薄な燃焼運転時、過膿な燃焼運転時、或いは空気量率 λ＝１
の時に印加することができる。

【０００７】 診断信号をセットするため或いはセンサ部分のエラーメモリの中へ値を入力す
るためには、再生電圧の印加の際に生じる電流或いはこの電流のためのその他の
尺度、例えば時間を、再生電圧が印加されている間に測定することが有利である
。

【０００８】 本発明のその他の利点及びメルクマールは、本発明の一つの実施例についての
以下の説明並びに図面の対象である。 実施例の説明 図１には、例えば、この特許が関連している刊行物、ＳＡＥ技術論文シリーズ
第９６０３３４号、Ｎｏｂｕｈｉｄｏ Ｋａｔｏ、Ｋｕｎｉｈｉｋｏ Ｎａｋａｇ
ａｋｉ、 及び Ｎｏｒｉｙｕｋｉ Ｉｎａ 著：“厚膜ＺｒＯ₂ ＮＯｘセンサ”
（SAE Technical Paper Series No. 960334,“Thick Film ZrO₂ NOx Sensor”）
１３６頁以下、から知ることのできる、それ自体として既知のＮＯｘ二室式セン
サが示されている。

【０００９】 図１に示されている自動車の排気ガスのためのセンサは、酸素イオン伝導性セ
ラミック、例えばＺｒＯ₂製の複数の層を含んでいる。このセンサは、２つのチ
ャンバ１及び４を備えており、これ等のチャンバは、酸素イオン伝導性セラミッ
クの層を通して排気ガスと連絡している。第１の電極２は、内燃機関の排気ガス
の中に配置されており、これに対向して第２の電極３がチャンバ１の中に置かれ
ている。

【００１０】 酸素イオン伝導性セラミックの多孔性の領域を通して、排気ガスと直接連絡し
ている第１のチャンバ１の中では、電極２、３によって酸素が電気化学的に汲み
出される。その際に、陰極として働く電極３で次の反応が起こる。 （還元）： Ｏ₂（ガス相）＋４ｅ^-（陰極）→２Ｏ^2-（酸素イオン伝導） 酸素イオン伝導性セラミックの中では、次いで、Ｏ^2-イオンが、電極２、３に対
して印加されている電圧によって陽極として働く電極２に向かって運ばれ、この
電極２で次の分解反応（上記の反応の逆反応）が行なわれる。

【００１１】 ２Ｏ^2-（酸素イオン伝導）→Ｏ₂（ガス相）＋４ｅ^-（陽極） 使用された或いは再生された電子は、電気の流れとして測定することができる。
汲み出しによって生じた第１のチャンバ内の低い酸素濃度は、参照記号１１、１
２によって示されている別の２つの電極の間に測定可能な電圧をもたらす。この
電圧は、電極２、３の間に印加された電圧の制御のために用いることができる。

【００１２】 第１のチャンバとセラミックの多孔性の部分によって結合されている第２のチ
ャンバ４の中では、ＮＯｘが別の２つの電極５、６（これ等の電極の内電極５は
陰極として、又もう一つの電極６は陽極として働く）の助けによって取り除かれ
る。ＮＯｘ電極５でＮ₂とＯ₂へ分解され、その際、酸素は上に述べられた様に汲
み出される（還元）。電極３及び５は、測定されるべきＮＯｘが先ず第２のチャ
ンバ４の中で還元される様な材料で作られる。これ等の電極は、例えばプラチナ
合金或いはプラチナ・ロジウム合金から作られる。

【００１３】 ポンプ電圧が十分に高い場合には、測定されるべき電気の流れは、拡散バリヤ
ーとして働く多孔性の部分によって制限される（限界電流）。このことは、測定
されるべき電気の流れは、一定の印加電圧（限界電圧）の上方ではそれ以上は上
昇しないということを意味している。この限界電圧の上方で測定される電気の流
れは、大抵の場合に生じるオフセット電流について言えば、それぞれチャンバの
前に存在している酸素或いは窒素の濃度に比例している（限界電流センサ）。そ
の際、センサは、２つのチャンバ１、４にはできるだけ小さな電圧が印加される
様に運用される。この電圧は、限界電圧よりも僅かに高く、例えば持続的運用の
際に印加される。できるだけ低い限界電圧は、限界電圧よりも小さい一定の印加
電圧の場合に且つ定められた外部条件の下で、できるだけ大きな電気の流れが得
られる様に運用される電極によって達成することができる。

【００１４】 以下に、この種のＮＯｘ二室式センサの機能性及び／又は再生の試験のための
方法が、図１、図２、及び図３と関連して説明される。電極２、３或いは５、６
と、そのために用意されている電流測定装置７及びポンプ電源８との間には、例
えばスイッチ９が備えられており、該スイッチによって電極２、３或いは５、６
を電源８から遮断することができる。このスイッチ９は、自動車の定められた運
転条件の下で、酸素／酸化窒素の汲み出しによって第１／第２のチャンバ１又は
４の中で一定のポンプ電圧をオーバーした時に、或いはポンプ電源８からのより
低い電圧の接続が嘗て持続運転の際に用いられていた電圧による電流よりも低い
電流を生成した時に、開かれる。この方法は、次のステップを有している。

【００１５】 ａ） 先ず第１のポンプ電圧（例えば１〔Ｖ〕、図２参照）が印加され、その
際に生じる第１のポンプ電流が測定される。 ｂ） 次いで、前記第１のポンプ電圧に比べてより高い或いはより低い第２の
ポンプ電圧が印加され、その際に生じる第２のポンプ電流が測定される。そこで
、図２に略示されている様に、例えば第２のポンプ電圧として０．９〔Ｖ〕を印
加することができる。

【００１６】 ｃ） その上で、前記第１と第２のポンプ電流の差ΔＩが形成される。 ｄ） この差ΔＩが、前もって与えられており且つ、例えば、電流測定装置７
に記憶されている値をオーバーした時に、前もって実験的に求められた飽和ポン
プ電圧が印加され、その際に生じるポンプ電流が、前もって記憶されていた最小
ポンプ電流と比較される。

【００１７】 ｅ） 最小ポンプ電流と、飽和ポンプ電圧の際に生じるポンプ電流との差（Δ
Ｉプラス）が形成される。 ｆ） この差（ΔＩプラス）が、前もって与えられていた値をオーバーした時
に、もう一つの電源１０から、前記飽和電圧よりも大きく且つ、例えば、７〔Ｖ
〕の電圧の再生電圧が、前もって与えられた時間の間、例えば５秒間、印加され
る。

【００１８】 前記第１と第２のポンプ電流の差（ΔＩ）の値が、前もって与えられているも
う一つの閾値を下回るまで、即ち前もって定められている電流密度の値或いはこ
の電流密度の値の一部が到達されるまで、上記のステップａ）からｆ）までが複
数回、好ましくは５回、反復され、また、複数回の反復の後でこれが達成されな
い場合は、故障メッセージが出力される。

【００１９】 上記の最後の場合には、センサは最早再生可能ではなく、使用できなくなる。 上記のステップａ）からｄ）までによって、センサがエージングしているか否
かがチェックされる。エージングしている場合には、第１と第２のポンプ電流の
差ΔＩは、前もって与えられて記憶されている値からずれている。ステップｄ）
からｆ）までによって先ず、センサがそもそも再生可能であるか否かがチェック
され、最小ポンプ電流と、飽和ポンプ電圧の下で生じるポンプ電流との差が、前
もって与えられている値をオーバーしていれば、再生が可能である。再生が可能
であれば、再生電圧が、飽和電圧よりもはるかに高く、例えば上に述べられた様
に２〔Ｖ〕の飽和電圧に対して７〔Ｖ〕の再生電圧の印加によって，或る時間の
間（例えば５秒間）実施される。再生電圧は差（ΔＩプラス）に依存しているの
で、同じく差ΔＩから求めることができるということが理解される。その際、再
生電圧は、ポンプ電圧と同じ極性か或いは交番極性とすることができ、希薄な燃
焼運転時、或いは過膿な燃焼運転時、或いは空気量率 λ＝１ の時に印加する
ことができる。

【００２０】 更に、再生電圧が電極に印加される時間を延長し又測定することができる。こ
の時間或いは又達成された電流の値を、診断信号を発生し或いはセンサ部分のエ
ラーメモリ（図中には示されていない）に値を入力するために、制御装置に伝え
ることができる。

【００２１】 図３に示されている様に、外部電源１０は、スイッチ９の切換えによってＮＯ
ｘセンサの電極２、３或いは５、６に対して印加することができる。この場合に
は、ポンプ電源８は切り離される。しかしながら、外部電源１０はまた、ポンプ
電源８の一部として設計することもでき、この場合に、ポンプ電源８は、上に述
べられたセンサの再生を可能にするために、性能をより高くしておかなければな
らない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の技術から知られているＮＯｘ二室式センサを示す。

【図２】 本発明に基づく、ガスゾンデの機能性の試験及び／又は再生のための方法を図
式的説明している、センサで測定可能な電流とポンプ電圧との関係を示す。

【図３】 本発明に基づく方法を実施するための回路装置を示す。

───────────────────────────────────────────────────── 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 27/46 ３３１ (72)発明者 ティーメン−ハンドラー，サビネ ドイツ連邦共和国 70435 シュトゥット ガルト，ハイムシュテッテンシュトラーセ 29

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱可能なガス分子検出ゾンデセラミックと、チャンバ（１）
   の中に配置された第１のポンプ電極（３）と、内燃機関の排気ガスの中に配置さ
   れた第２のポンプ電極（２）とを有し、特に内燃機関のためのラムダ・ゾンデ或
   いはＮＯｘセンサとしての使用するためのガスゾンデの機能監視及び／又は再生
   のための方法であって、前記第１と第２のポンプ電極との間にポンプ電源によっ
   てポンプ電圧が印加され、それによって、チャンバ（１）の内部に酸素分子の電
   気化学的汲み出しによって酸素分圧が生じる、ガスゾンデの機能監視及び／又は
   再生のための方法において、 ａ） 第１のポンプ電圧を印加し、且つ第１のポンプ電流を測定するステップ
   と、 ｂ） 前記第１のポンプ電圧に比べてより高い或いはより低い第２のポンプ電
   圧を印加し、且つ第２のポンプ電流を測定するステップと、 ｃ） 前記第１と第２のポンプ電流の差（ΔＩ）を形成するステップと、 ｄ） 差（ΔＩ）が前もって与えられていた値をオーバーした時に、前もって
   求められた飽和ポンプ電圧を印加し、その際に生じるポンプ電流と、前もって記
   憶されていた最小ポンプ電流とを比較するステップと、 ｅ） 前記最小ポンプ電流と、前記飽和ポンプ電圧の際に生じるポンプ電流と
   の差（ΔＩプラス）を形成するステップと、 ｆ） 前記最小ポンプ電流と、前記飽和ポンプ電圧を印加した時に生じるポン
   プ電流との差（ΔＩプラス）が前もって与えられていた値をオーバーした時に、
   前記飽和電圧よりも大きな、もう一つの電源によって生成された再生電圧を印加
   するステップと、 からなることを特徴とするガスゾンデの機能監視及び／又は再生のための方法。
2. 【請求項２】 前記第１と第２のポンプ電流の差（ΔＩ）の値が、前もって与
   えられているもう一つの閾値を下回るまで、前記のスステップａ）からｆ）まで
   を複数回、好ましくは５回の反復を行い、或いは、複数回の反復の後に、これが
   達成されない場合に故障メッセージを出力することを特徴とする請求項１の方法
   。
3. 【請求項３】 前記再生電圧が、前記ポンプ電圧と同じ極性であることを特徴
   とする請求項１又は２の方法。
4. 【請求項４】 逆の極性をもつ前記外部（再生）電圧が、前記ポンプ電圧と同
   じ程度の電圧であることを特徴とする請求項１又は２の方法。
5. 【請求項５】前記の再生電圧が、内燃機関の希薄な燃焼運転時に印加されるこ
   とを特徴とする請求項１ないし４の何れかの方法。
6. 【請求項６】 前記再生電圧が、内燃機関の過濃な燃焼運転時に印加されるこ
   とを特徴とする請求項１ないし４の何れかの方２
7. 【請求項７】 前記再生電圧が、内燃機関の空気量率 λ＝１ の時に印加さ
   れることを特徴とする請求項１ないし４の何れかの方法。
8. 【請求項８】 前記再生電圧の印加の際に生じる電流の値を測定し且つメモリ
   に記憶することを特徴とする請求項１ないし７の何れかの方法。