JP2003510589A - 混合電位排気ガス・ゾンデの作動方法および該方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部分的に非常に大きな交差感度があっても、排気ガスの個別成分に対して高い選択度を可能にする、混合電位排気ガス・ゾンデの作動方法およびその方法を実施する装置を提供する。 【解決手段】チャンバの中に配置され、基準大気に曝されている第１の電極を持つ加熱可能のゾンデセラミックと、内燃機関の排気ガスの中に配置された第２のガス分子検出用電極とを備え、第１と第２の電極との間にポンプ電圧源によってポンプ電圧が印加されて、チャンバに酸素分子の電気化学的汲み出しによって低下された酸素分圧が生成される、内燃機関のための混合電位排気ガス・ゾンデの作動方法において、電極に対して、外部から希望する反応の熱力学的平衡電圧から外れた一定電圧を印加し、電極を通して低下する電流を測定し且つ評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 技術の現状 この発明は、独立の請求項１、３、５、および６の上位概念に基づく混合電位
排気ガス・ゾンデの作動方法および該方法の実施するための装置に関する。

【０００２】 混合電位排気ガス・ゾンデは、例えば、内燃機関の炭化水素濃度の測定のため
のガス・センサとして、或いは内燃機関の排気ガス中の酸化窒素成分の測定のた
めのＮＯｘゾンデとして用いられる。

【０００３】 混合電位排気ガス・ゾンデは、構造的にはλソンデに類似しており、例えばボ
ッシュ社の“Kraftfahrtechnisches Taschenbuch（自動車走行技術ポケットブッ
ク）”第２２版、１９９５年、４９０頁以下から知ることが出来る。

【０００４】 既知の混合電位排気ガス・ゾンデの場合に、信号は２つの電極の間の電圧とし
て、電極間の短絡電流を通じて、或いは電極間で測定することができ、且つ抵抗
の電圧降下の測定によって決定される。

【０００５】 この発明の課題は、部分的に非常に大きな交差感度がある場合でも、排気ガス
の個別成分に対してできるだけ可能な高い選択度を可能にする、混合電位排気ガ
ス・ゾンデの作動方法を提案することである。

【０００６】 更に、技術的に簡単な構造と出来るだけ少ない数の構成部品で上記の方法の実
施を可能にする回路装置を提案することもこの発明の課題である。 発明の利点 最初に述べられた課題は請求項１のメルクマールによって解決される。

【０００７】 熱力学的平衡電圧とは異なる一定の外部電圧の印加によって、ゾンデは、検出
されるべき個々の排気ガス成分に合わせて或る程度調整することが出来る。 上記の一定の外部電圧は、前もって、好ましくは実験的に求められる。

【０００８】 この課題は更に、請求項３のメルクマールによっても解決される。この場合に
も、排気ガス・ゾンデは、排気ガスの個々のガス成分の検出に合わせて或る程度
調整される。

【０００９】 その際、ゾンデ・セラミックに印加されるべき電流の大きさは実験的に確定さ
れる。 熱力学的平衡電圧或いは熱力学的平衡電流とは異なる電圧或いは電流によって
、ゾンデの感度を顕著に引き上げることが出来る。

【００１０】 この発明の後に述べられた課題は更に、請求項５及び６のメルクマールを持つ
回路装置によって解決される。 電圧分極された電流測定、即ち、一定の外部電圧の下で混合電位排気ガス・ゾ
ンデの電極での低下した電流の測定は、技術的に非常に簡単な方法で反転演算増
幅器によって実現可能である。反転演算増幅器の非反転入力端には分圧器が接続
され、その反転入力端には排気ガス・ゾンデの電極が接続されており、またその
フィードバック回路の中には基準抵抗器が配置されている。

【００１１】 電流分極された電圧測定、即ち、ゾンデ・セラミックに一定の電流を負荷した
時に電極同士の間で調節されるべき電圧の測定は、技術的に簡単な方法で非反転
演算増幅器によって可能となる。非反転演算増幅器の非反転入力端には分圧器が
、その反転入力端には基準抵抗が、またそのフィードバック回路の中には排気ガ
ス・ゾンデが配置されている。

【００１２】 一つの有利な実施例では、切換え手段が備えられており、該切換え手段によっ
て２つの回路装置の間で切り替えが可能である。 本発明のその他の利点及びメルクマールが、本発明の以下の説明並びに実施例
の図面による開示の対象である。

【００１３】 実施例の説明 図１は、壁面が１．１で示されている排気ガス・パイプの上の排気ガス・ゾン
デ１．２を断面図で示している。この壁面１．１は、内燃機関の排気ガス（左）
を周囲の空気（右）から分離している。排気ガス・ゾンデ１．２は、その排気ガ
ス側に、排気ガスに曝された電極１．４ともう一つの電極１．５との間に、固体
電解質１．３を備えている。電極１．５と関係している基準ガス量１．６は、カ
ナル１．９を通して周囲の空気と直接接触している。電極１．５は、測定用リー
ド線１．１０に結合されており、電極１．４は、測定線１．１１に結合されてい
る。

【００１４】 安定した基準ガス大気の維持のためには、ポンプ電流Ｉｐによる酸素の供給が
、時間平均で、発生する酸素損失を上回っていることが重要である。その様な損
失は、電極内の電圧の測定によって、電圧の測定がそれ自体既知のやり方で測定
用抵抗器を通じて電流測定に還元される際に、不可避的に発生する。排気ガス・
ゾンデの１〔Ｖ〕のオーダーの出力電圧の電圧の測定の領域では、一般にメガオ
ーム級の測定用抵抗が用いられる。その結果、測定電流はマイクロアンペア級と
なる。電解質のために、この電流は基準ガス量からの酸素イオンによって引受け
られるので、基準ガス量内の酸素濃度は測定によって引き下げられる。

【００１５】 そこで測定パルスは、測定パルスが時間平均で必要なポンプ電流を供給する様
に、その高さと時間的長さについて調整することが出来る。 本発明の基本的思想は、センサ電極１．４、１．５に対して一定の外部電位を
加え或いは一定の外部電流を流すことによって、ガス選択度の改善を達成するこ
とである。これによって、信号形成を個々のガスに合わせて或る程度調整し、ま
た、それによって選択度を改善することが出来る。一定の外部電位、即ち熱力学
的平衡電圧とは異なる一定の外部電圧が印加される場合には、その際に生じる電
流が測定され且つ評価される。一定の電流が流される場合には、その際に生じる
電位或いはその際に生じる電圧が測定され且つ評価される。

【００１６】 特に、妨害となる電極反応の熱力学的平衡電圧よりも高い電圧を印加すること
によって、妨害反応の動きに対して、妨害要素が希望する反応に関与しない様に
影響を与えることが可能である。

【００１７】 図４には、電圧分極電流測定のための回路装置の一つの実施例が示されている
が、この例では、排気ガス・ゾンデの電極１．４、１．５に熱力学的平衡電圧と
は異なる一定の外部電圧が印加され、電極１．４、１．５を通して降下された電
流が測定され且つ評価される。この回路は演算増幅器を含んでおり、該演算増幅
器のフィードバック回路、即ちその反転入力端とその出力端との間に基準抵抗器
（Ｒ１）が接続されている。反転入力端には、排気ガス・ゾンデがアースとの間
に接続されている。演算増幅器の非反転入力端には、Ｒ２で示されている分圧器
が取り付けられている。この非反転入力端と出力端との間には、差動差増幅器が
配置されており、該差動増幅器のアースに対する出力信号が測定信号となる。排
気ガス・ゾンデの内部抵抗或いは電位が変化すると、演算増幅器は、排気ガス・
ゾンデに印加されている電圧を、帰還抵抗として働いている基準抵抗器Ｒ１を介
して再調整する。演算増幅器の非反転入力端と出力端との間の信号は、センサを
通って流れる電流に比例しており、差動増幅器によって増幅される。

【００１８】 上記の回路装置の回路は更に、３連切換えスイッチＳ１を備えており、該切換
えスイッチによって図５に示されている回路装置へ切換えることが出来る。図５
に示されている回路装置は電流分極電圧測定を示しており、この電圧測定の場合
には、ゾンデ・セラミックに一定の電流を流すことが可能であり且つ生じた電圧
を測定し且つ評価することが出来る。図５に示されている回路装置は、図４に示
されている回路装置と、演算増幅器の反転入力端に基準抵抗器Ｒ１が接続されて
いるのに対して、排気ガス・ゾンデが今度は演算増幅器のフィードバック回路内
に配置されているということによって異なっている。非反転入力端には、分圧器
Ｒ２が接続されている。今度の場合に、差動増幅器は、排気ガス・ゾンデを通し
て降下した電圧（この電圧が測定信号として評価される）を増幅する。この回路
の場合に、排気ガス・ゾンデには、分圧器を用いて、即ち分圧計Ｒ２を用いて調
整された電圧によって、また抵抗器Ｒ１によってのみ決定される電流が流される
。排気ガス・ゾンデは、演算増幅器のフィードバック回路の中に置かれているか
ら、排気ガス・ゾンデの内部抵抗は、流された電流に対して何の影響も与えない
。排気ガス・ゾンデを通した電圧の降下は、差動増幅器を介して測定される。

【００１９】 例として、図２には、分極電圧＋２９０ｍＶの場合に電圧分極電流測定（図４
参照）によって測定された炭化水素（４５０〜４５ｐｐｍ）の混合電位（参照数
字１）並びに酸化窒素の混合電位（参照数字２）が示されている。

【００２０】 電極がマイナスに分極されると、炭化水素の混合電位形成の信号振幅は、マイ
ナスの分極が進むと共に小さくなる（参照数字１ａ）。酸化窒素の信号は、先ず
分極電圧の降下と共に低下し、逆転し、次いでマイナスの分極電圧の増加と共に
、分極電圧が−５００ｍＶの時に、１００ｍＶ上昇する（参照数字２ａ）。

【００２１】 図３には、ポンプ電圧或いは分極電圧に対する炭化水素の混合電位形成信号（
交差感度）の振幅のグラフが示されている。 図３から理解される様に、ポンプ電圧−６００ｍＶの時に、炭化水素の交差感
度は無いので、酸化窒素成分だけの測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術において知られている排気ガス・ゾンデを示す。

【図２】 分極されたＮＯｘの混合電位ゾンデで測定可能なゾンデ電圧の時間的変化を示
す。

【図３】 本発明によって用いられた混合電位排気ガス・ゾンデの場合における、ポンプ
電圧に対する炭化水素の交差感度のグラフを示す。

【図４】 混合電位排気ガス・ゾンデの電圧分極電流測定のための、本発明に基づく回路
装置の実施例を示す。

【図５】 混合電位排気ガス・ゾンデの電流分極電圧測定のための、本発明に基づく回路
装置の実施例。を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュマン，ベルント ドイツ連邦共和国 71277 ルーテスハイ ム，ダイムラーシュトラーセ 23 (72)発明者 ブレーマー，ベルンハルト ドイツ連邦共和国 70435 シュトゥット ガルト，マルクグレニンガー・シュトラー セ 69 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BL11 BL19 BL20 BM04 BM09

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバ（１．６）の中に配置され、基準大気に曝されている
   第１の電極（１．５）を有する加熱可能のゾンデ・セラミック（１．３）と、内
   燃機関の排気ガスの中に配置されたガス分子検出用の第２の電極（１．４）とを
   備え、前記第１と第２の電極との間にポンプ電圧源によってポンプ電圧が与えら
   れ、チャンバ（１．６）の中に、酸素分子の電気化学的な汲み出しによって幾分
   低下された酸素分圧が生成される、内燃機関のための混合電位排気ガス・ゾンデ
   の運転方法において、 電極（１．４、１．５）に対して、希望する反応の熱力学的平衡電圧とは異な
   る一定の外部電圧を与え、且つ電極（１．４、１．５）を通して低下する電流を
   測定し且つ評価するということ、 を特徴とする内燃機関のための混合電位排気ガス・ゾンデの作動方法。
2. 【請求項２】 前記排気ガスの個々の成分の個別の混合電位を検出するための
   最適電圧を実験的に求めることを特徴とする請求項１の作動方法。
3. 【請求項３】 チャンバ（１．６）の中に配置され、基準大気に曝されている
   第１の電極（１．５）を有する加熱可能のガス分子検出用のゾンデ・セラミック
   （１．３）と、内燃機関の排気ガスの中に配置された第２の電極とを備え、前記
   第１と第２の電極（１．４）との間にポンプ電圧源によってポンプ電圧が与えら
   れ、チャンバ（１．６）の中に、酸素分子の電気化学的な汲み出しによって幾分
   低下された酸素分圧が生成される、内燃機関のための混合電位排気ガス・ゾンデ
   の作動方法において、 前記ゾンデ・セラミックに一定の電流を与え、且つその際に電極（１．４、１
   ．５）の間に生じる電圧を測定し且つ評価し、この電圧が希望する反応の熱力学
   的平衡電圧とは異なっていること、 を特徴とする内燃機関のための混合電位排気ガス・ゾンデの作動方法。
4. 【請求項４】 前記排気ガスの個々の成分の個別の混合電位を検出するための
   電流を実験的に求めるということを特徴とする請求項３の作動方法。
5. 【請求項５】 反転演算増幅器であって、その非反転入力端には分圧器（Ｒ２
   ）が、その反転入力端には排気ガス・ゾンデが、またそのフィードバック回路の
   中には基準抵抗器（Ｒ１）が配置されている前記反転演算増幅器と、前記反転演
   算増幅器の前記非反転入力端と前記出力端との間の電圧差を増幅して測定信号と
   して送り出す（電圧分極電流測定、図４）差動増幅器とを特徴とする請求項１又
   は２の運転方法を実施する装置。
6. 【請求項６】 非反転演算増幅器であって、その非反転入力端には分圧器（Ｒ
   ２）が、その反転入力端には基準抵抗器（Ｒ１）が、またそのフィードバック回
   路の中には排気ガス・ゾンデが配置されている前記非反転演算増幅器と、センサ
   の電圧差を増幅して測定信号として送り出す（電流分極電圧測定、図５）差動増
   幅器とを特徴とする請求項３又は４の運転方法を実施するための装置。
7. 【請求項７】 切換え手段が備えられており、該切換え手段によって電圧分極
   電流測定のための装置を電流分極電圧測定のための回路装置へ切り替えることが
   可能なことを特徴とする請求項５又は６の装置。