JP2006527843A - 複数の排ガス成分を測定するための装置と方法 - Google Patents

Abstract

本発明は外部電極（６）、２つの測定セル（４，８）、周囲空気に曝されている基準電極（１１）および回路を備えた測定センサ（１）を有する排ガス測定システムに関する。前述の回路はポンプ電流（Ｉｐ０，Ｉｐ１）における酸素イオンを測定セルと外部電極との間にポンピングする。またこの回路は制御ユニット（Ｃ）を有し、この制御ユニット（Ｃ）は測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２）を検出し、検出されたネルンスト電圧を評価して第２のポンプ電流を目標値に調整し、また第１の動作モードと第２の動作モードとの間で切り換え可能である。第１の動作モードにおいては第２の動作モードよりも第２のポンプ電流の目標値が高く、第１の動作モードにおいては第３のポンプ電流（Ｉｐ２）を用いて酸化物含有量が測定され、第２の動作モードにおいては第１のポンプ電流を用いて排ガスの酸素含有量またはラムダ値が測定される。

Description

本発明は、測定すべき排ガスに曝されている外部電極、第１の測定セル、第１の測定セルに接続されており且つ内部に測定電極が配置されている第２の測定セル、周囲空気に曝されている基準電極を有し、ここで測定セルは個体電解質内にあり、全ての電極は個体電解質と接触している形式の内燃機関の排ガスを検出する測定センサと、酸素イオンを第１のポンプ電流で第１の測定セルと外部電極との間においてポンピングし、酸素イオンを第２のポンプ電流で第２の測定セルと外部電極との間においてポンピングし、酸素イオンを第３のポンプ電流で測定電極と外部電極との間においてポンピングし、且つ測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧を検出し、この検出されたネルンスト電圧を評価して第２のポンプ電流を目標値に調整する制御ユニットを包含する回路とを備えたガス測定システムに関する。

さらに本発明は、測定すべき排ガスに曝されている外部電極、第１の測定セル、第１の測定セルに接続されており且つ内部に測定電極が配置されている第２の測定セル、周囲空気に曝されている基準電極を有し、ここで測定セルは個体電解質内にあり、全ての電極は個体電解質と接触している形式の測定センサ、並びに酸素イオンを第１のポンプ電流で第１の測定セルと外部電極との間においてポンピングし、酸素イオンを第２のポンプ電流で第２の測定セルと外部電極との間においてポンピングし、酸素イオンを第３のポンプ電流で測定電極と外部電極との間においてポンピングし、且つ測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧を検出し、この検出されたネルンスト電圧を評価して第２のポンプ電流を目標値に調整する回路のための動作方法に関する。

測定センサおよび回路を備えたそのようなシステムは内燃機関の排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するために慣例のものであり、例えばEP 816 836 A2に記載されている。システムの測定センサは酸素イオン透過性の酸化ジルコニウムからなるボディ内に２つの測定セルを有する。このシステムにおいて以下の測定コンセプトの回路が実現される：測定ガスが拡散バリアを介して供給される第1の測定セルにおいては、第1の酸素イオンポンプ電流を用いて第１の酸素濃度が調節され、この際ＮＯｘの分解は可能な限り行われるべきではない。別の拡散バリアを介して第１の測定セルと接続されている第２の測定セルにおいては、酸素含有量が第２の酸素イオンポンプ電流を用いてさらに低減される。酸素イオンポンプ電流を調節するために、回路はそれぞれの測定セルにおいてネルンスト電圧を取り出し、この際基準電極が曝されている酸素含有量、通常の場合周囲空気の酸素含有量が常に参照される。さらに、測定セルの第２の酸素イオンポンプ電流およびネルンスト電圧が目標値に調整される。

第２の測定セルに設けられている測定電極におけるＮＯｘの分解は、ＮＯｘ濃度に対する尺度である第３の酸素イオンポンプ電流を生じさせる。測定センサ全体が電気ヒータを用いて例えば７５０℃の温度に高められる。

前述のＮＯｘ測定システムは排ガス内の酸化物を検出することができる。しかしながら、他の種類のガス成分またはガスパラメータに関しては十分に適したものではない。そのような成分に関してはこれまで別個のセンサを使用せざるを得なかった。このことは殊に、酸素測定のために前述のＮＯｘ測定システムに加えて別個の酸素センサまたはラムダセンサを使用することが公知である自動車技術の分野に該当する。複数のセンサによって惹起されるコストはもちろん望ましいものではない。

したがって本発明が基礎とする課題は、付加的なセンサコストを要することなく複数のガス成分を検出することができるよう冒頭で述べた測定システムを発展させることである。

この課題は本発明によれば、回路の制御ユニットを第１の動作モードと第２の動作モードとの間で切り換え可能であり、第１の動作モードにおいては第２の動作モードよりも第２のポンプ電流に対する目標値が高く、また第１の動作モードにおいては第３のポンプ電流の値からガス内の酸化物含有量に関する測定信号が導出され、第２の動作モードにおいては第１のポンプ電流から排ガスの酸素含有量またはラムダ値に関する測定信号が導出される、冒頭で述べたような排ガス測定システムでもって解決される。

さらにこの課題は、第１の動作モードおよび第２の動作モードが設けられており、第１の動作モードにおいては第２の動作モードよりも第２のポンプ電流に対する目標値が高く選択され、また第１の動作モードにおいては第３のポンプ電流の値からガス内の酸化物含有量に関する測定信号が導出され、第２の動作モードにおいては第１のポンプ電流から排ガスの酸素含有量またはラムダ値に関する測定信号が導出される、排ガスを検出する測定センサのための冒頭で述べたような動作方法でもって解決される。

すなわち本発明によれば、排ガスの酸化物含有量（例えばＮＯｘ）の内の１つを測定するためのそれ自体公知であるセンサが２つの異なる動作モードで駆動され、その結果２つの物質的な排ガスパラメータの検出が測定センサを用いた動作モード間の簡単な切換によって行われる。この際本発明によれば、２つの排ガス成分の同時的な測定が故意に省略される。一見不利であるようなこのアプローチは僅かな手間で２つの成分の高精度の測定を可能にする。動作モードを非常に高速に切り換えることができるので、多数の適用事例に関してほぼ同時の測定が達成される。

目下測定されている排ガス成分を選択するために、回路は測定センサの制御を例えばEP 0 816 836 A2またはDE 199 07 947 A1に記載されているように適切に調節する。

本発明は、最初に発明者によりもたらされた認識、すなわちポンプ電流が第２の測定室における満足のいく酸化物測定を不可能にした値に調節される場合には、第１の測定セルにおいては酸素含有量またはラムダ値に対する尺度を良好な精度でもって取得できるという認識を使用する。同時に、第２の測定室において酸化物濃度を十分に正確に測定するために、測定センサの第１の測定室における希薄すなわち酸素の乏しいガス組成が必要とされるので、この第１の測定室では第２の測定室において依然として検出されるべき酸化物の還元は行われない。したがって酸化物測定のために第１の測定室における混合気は完全な化学反応が行われておらず、したがって混合気は依然として窒素酸化物を含有する。したがって第１の測定室における酸素濃度測定またはラムダ測定は、第２の測定室における正確な酸化物測定にとって最適な条件では、回避可能な大きなエラーをともなうことになる。

本発明により第２の測定室からの第２のポンプ電流に対する目標値を選択することによって、２つの動作モードにおいては相応の排ガス成分（酸素ないしラムダまたは酸化物）の測定にとって最適な条件がそれぞれ達成される。すなわち本発明は、従来技術においてこれまで得ようと努力されていた酸素含有量ないしラムダ値の同時的で精確な測定を時間的に切り離された測定に代替する。ここでオットー内燃機関においては排ガスのラムダ値が検出され、ディーゼル内燃機関においては酸素含有量が検出される。同様に酸素イオンポンプ電流もそれぞれ反対の経過を有する（ディーゼルにおいてはセルへ、オットーにおいてはセルから）。

第２の動作モードにおいて酸素含有量ないしラムダ値を可能な限り精確に測定するために、第１の測定セルにおいて基準電極に対するネルンスト電圧を所定の目標値に調節することは好適である。目標値が４５０ｍＶである場合には、最大限の測定精度が与えられている最適点が達成される。したがって、制御ユニットが第２の動作モードにおいて第１の測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧を目標値、殊に４５０ｍＶに調整する排ガス測定システムの実施形態が有利である。動作方法に関しては同様に、第２の動作モードにおいて第１の測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧が目標値、殊に４５０ｍＶに調整される有利な実施形態が設けられている。

択一的または付加的に、酸素含有量またはラムダを精確に測定するための本発明の排ガス測定システムにおいては、制御ユニットが第１のポンプ電流および第２のポンプ電流を用いて第１の測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧を調整するための基準調整（Fuehrungsregelung）を実施することができる。動作方法に関しては、第１のポンプ電流および第２のポンプ電流を用いて第１の測定セルと基準電極との間のネルンスト電圧を調整するために基準調整が実施される場合には同様の利点が達成される。

動作モードの切換を所定の時間パターンにしたがい行うことができる。しかしながら切換が固定の時間的な順序に至らない別の判定基準に従うべき場合には、測定システムはどの排ガスパラメータがまさに測定されているかを示す必要がある。したがって、回路が物質的なパラメータ（酸化物または酸素ないしラムダ）に関する測定信号および動作モードまたは測定される物質的なパラメータを示す部分を含む出力信号を供給する排ガスシステムの構成は好適である。本発明による動作方法において同様にこの利点が、排ガス成分濃度を示す部分および動作モードまたは測定される排ガス成分を示す部分を含む出力信号が供給される場合に達成される。

動作モードの切換を排ガスシステムにおいて自立的に行うことができ、例えば時間に関して予め設定されている所定の切換を実施することができる。ただし多くの用途に関しては、排ガスシステムの回路が第１の動作モードと第２の動作モードを切り換えるための制御入力部を有する場合には有利である。

以下では本発明を図面を参照して例示を目的としてさらに詳細に説明する。唯一の図面は所属の回路を備えたＮＯｘ測定センサの概略的な断面図を示す。

図示されているＮＯｘ測定センサＭは内燃機関の排ガスの２つの排ガスパラメータ、すなわちＮＯｘ濃度および酸素含有量（ディーゼル装置の場合）ないしラムダ値（オットー装置の場合）を検出する。測定センサＭは、実施例においては殊にコントローラとして構成されている制御装置Ｃを包含する回路と共に、２つの動作モードで機能することができる測定システム１を形成する。第１の動作モードではＮＯｚ濃度が測定され、第２の動作モードでは内燃機関の排ガスの酸素含有量ないしラムダ値が測定される。動作モードは制御装置Ｃによって測定センサＭにおいて調節される電気的な量に関して区別される。

固体電解質、例えばＺｒＯ_２から構成されている測定センサＭは測定すべき排ガスを拡散バリア３を介して受け取り、この排ガスのＮＯｘ濃度および／または酸素含有量ないしラムダ値が検出されるべきものである。測定センサＭ全体が電気ヒータ１３によって動作温度に高められる。排ガスは拡散バリア３を通過して第１の測定セル４に拡散する。この測定セル４におけるガスの酸素含有量ないしラムダ値が、第１の測定セル４に設けられている第１の電極５と基準セル１２に配置されている基準電極１１との間の第１のネルンスト電圧Ｖ０を取り出すことによって測定される。基準セル１２は周囲空気に対して十分に隔離されており、周囲圧力が変化した際には圧力を補償調整するための適切な措置が講じられている。

第１の回路装置を介して第１の測定セル４において所定の酸素濃度が調節される。このために第１のネルンスト電圧Ｖ０が制御装置Ｃによって実現されている調整器によって取り出され、この調整器は第１の電極５と外部電極６との間における測定センサＭの固体電解質２に第１の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ０を流すドライバ電圧Ｖｐ０を供給する。したがって第１の測定セル４内には所定の酸素濃度が存在し、この酸素濃度は電極５と基準電極１１との間のネルンスト電圧Ｖ０を介して測定される。調整に必要とされる第１の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ０の測定は測定抵抗Ｒ０ｍおよび電圧計Ｖ０ｍを介して行われる。これらは例えば内部抵抗を備えたＡ／Ｄ変換器によって実現されている。

第２の測定セル８は別の拡散バリア７を介して第１の測定セル４と接続されている。この拡散バリア７を通過して第１の測定セル４内に存在するガスが第２の測定セルに拡散する。

第２の測定セルにおいては第２の回路装置が第２の酸素濃度を調節する。このために、第２の電極９と基準電極１１との間では第２のネルンスト電圧Ｖ１が取り出され、やはり制御装置Ｃとして実現されている調整器に供給され、この調整器が第２のドライバ電圧Ｖｐ１を準備し、この第２のドライバ電圧Ｖｐ１を用いて第２の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ１が第２の測定セル８から流れ、第２の測定セル８における酸素含有量がさらに低減される。ここでもまた第２の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ１の調整のために測定抵抗Ｒ１ｍと電圧計Ｖ１ｍが使用される。

制御装置は第２の回路装置を用いて、第２の測定セル８内に所定の酸素濃度が生じるように、第２の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ０を調整する。

言及したポンプ電流の調整は動作モードに応じて異なるように行われる。第１の動作モードにおいては酸化物、例えばＮＯｘの測定を行うことができるようにするために、第１の測定セルにおける所定の酸素濃度は、ＮＯｘが実行されているプロセスには関係しない、殊に分解されないように選択される。ＮＯｘは第２の測定セル８内で触媒的に構成することができる測定電極１０において、第３の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ２としてこの測定電極１０から外部電極６へとポンピングされる。この第１の動作モードでは測定セル８内の残存酸素含有量は、第３の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ２が実質的に、測定電極１０におけるＮＯｘの分解に由来する酸素イオンによってのみ流れる程度に十分低減されるので、第３のポンプ電流Ｉｐ２は測定セル８、したがって測定すべき排ガス内のＮＯｘ濃度に対する尺度を表す。

第３の酸素イオンポンプ電流Ｉｐ２は測定抵抗Ｒ２ｍおよび電圧計Ｖ２ｍを介して求められ、前述のポンプ電流と同様に、定電極１０と基準電極１１との間のネルンスト電圧Ｖ２を取り出す制御装置Ｃによって設定されるドライバ電圧、この場合にはＶｐ２によって流される。

第１の動作モードに関しては第２のネルンスト電圧Ｖ１および第３のネルンスト電圧Ｖ２ならびに第３のポンプ電流Ｉｐ１が一定の値に調整される。この調整は第１のポンプ電流Ｉｐ０および第３のポンプ電流Ｉｐ２を変更することにより行われる。ＮＯｘ濃度を十分に正確に検出するために制御装置Ｃは希薄な混合気を測定センサＭの第１の測定室４において調節し、したがってこの測定室４においては窒素酸化物の還元は行われず、これによって混合気は第１の測定室において完全な化学反応が行われておらず、依然として窒素酸化物を含んでいる。

窒素酸化物を検出するための第１の動作モードに関しては以下のことが該当する。第１のポンプ電流Ｉｐ０はＶ１に対する目標値が維持されるように調節される。第３のポンプ電流Ｉｐ２はＶ２に対する目標値が維持されるように調節される。

第２の動作モードに関しては制御装置Ｃが第２のネルンスト電圧Ｖ１ならびに第２のポンプ電流Ｉｐ１に対する目標値を、第１の測定室４において別の所定の第１のネルンスト電圧Ｖ０、有利には４５０ｍＶの値が生じるように制御する。第１のポンプ電流Ｉｐ０は排ガスの酸素含有量またはラムダ値に対する尺度として使用され、恒常的に、構造様式に応じてそれどころか殊に線形に、測定量に依存する。

第１のポンプ電流Ｉｐ０が酸素含有量ないしラムダ値に対する十分に正確な尺度として使用することができるので、第１の測定室４における基準調整も行うことができ、この際第１のネルンスト電圧Ｖ０が調整信号として使用される。

したがって酸素含有量ないしラムダ値を検出するための第２の動作モードに関しては以下のことが該当する。第１のポンプ電流Ｉｐ０はＶ１，Ｉｐ１に対する目標値が維持され、したがってＶ０が化学量論的な関係、例えば４５０ｍＶを示すように調節される。第３のポンプ電流Ｉｐ２は必要とされない。または、線形のラムダセンサから公知であるように、直接的にＩＰ０−Ｖ０調整（例えば４５０ｍＶ）が実現される。

制御装置Ｃは２つの部分からなる出力部を有する。出力部の第１の部分には動作モードを示す信号、例えば測定されるガスを符号化した信号が供給される。出力部Ａの第２の部分においては濃度値を示す信号が出力される。入力部Ｓを介して制御装置Ｃは動作モードの調節を行うことができる。択一的または付加的に、入力部Ｓを介して例えば内燃機関の制御装置から、排ガスパラメータ（酸化物含有量または酸素含有量ないしラムダ値）を測定するためのガス測定システムに対する要求を入力することができる。入力部Ｓを介する入力をアナログ式またはディジタル式に行うことができ、また出力側Ａもアナログ信号またはディジタル信号を供給することができる。

所属の回路を備えたＮＯｘ測定センサの概略的な断面図。

Claims (9)

1. ガス測定システムであって、
   −測定すべき排ガスに曝されている外部電極（６）と、第１の測定セル（４）と、該第１の測定セルに接続されており且つ内部に測定電極（１０）が配置されている第２の測定セル（８）と、周囲空気に曝されている基準電極（１１）とを有し、ここで前記測定セル（４，８）は個体電解質（２）内にあり、全ての電極（１０，１１）は該個体電解質（２）と接触している形式の内燃機関の排ガスを検出する測定センサと、
   −第１のポンプ電流（Ｉｐ０）で酸素イオンを前記第１の測定セル（４）と前記外部電極（６）との間においてポンピングし、第２のポンプ電流（Ｉｐ１）で酸素イオンを前記第２の測定セル（８）と前記外部電極（６）との間においてポンピングし、第３のポンプ電流（Ｉｐ２）で酸素イオンを前記測定電極（１０）と前記外部電極（６）との間においてポンピングし、且つ前記測定セル（４，８）と基準電極（１１）との間のネルンスト電圧（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２）を検出し、検出されたネルンスト電圧（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２）を評価して前記第２のポンプ電流（Ｉｐ１）を目標値に調整する制御ユニット（Ｃ）を包含する回路とを備えたガス測定システムにおいて、
   前記制御ユニット（Ｃ）は第１の動作モードと第２の動作モードとの間で切り換え可能であり、前記第１の動作モードにおいては前記第２の動作モードよりも前記第２のポンプ電流（Ｉｐ１）に対する目標値が高く、前記制御ユニット（Ｃ）は前記第１の動作モードにおいては前記第３のポンプ電流（Ｉｐ２）の値から排ガス内の酸化物含有量に関する測定信号を導出し、前記第２の動作モードにおいては前記第１のポンプ電流（Ｉｐ０）から排ガスの酸素含有量またはラムダ値に関する測定信号（７）を導出することを特徴とする、ガス測定システム。
2. 前記制御ユニット（Ｃ）は前記第２の動作モードにおいて前記第１の測定セル（４）と前記基準電極（１１）との間のネルンスト電圧（Ｖ０）を目標値、殊に４５０ｍＶに調整する、請求項１記載のガス測定システム。
3. 前記制御ユニット（Ｃ）は前記第１のポンプ電流（Ｉｐ０）および前記第２のポンプ電流（Ｉｐ１）を用いて、前記第１の測定セル（４）と前記基準電極（１１）との間の前記ネルンスト電圧（Ｖ０）を調節するための基準調整を実施する、請求項２記載のガス測定システム。
4. 前記制御ユニット（Ｃ）は、排ガス成分含有量を示す部分および動作モードまたは測定される排ガス成分を示す部分を含む出力信号（Ａ）を供給する、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス測定システム。
5. 第１の動作モードと第２の動作モードを切り換えるための制御入力部（Ｓ）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス測定システム。
6. 測定すべき排ガスに曝されている外部電極（６）と、第１の測定セル（４）と、該第１の測定セルに接続されており且つ内部に測定電極（１０）が配置されている第２の測定セル（８）と、周囲空気に曝されている基準電極（１１）とを有し、ここで前記測定セル（４，８）は個体電解質（２）内にあり、全ての電極（１０，１１）は該個体電解質（２）と接触している形式の内燃機関の排ガスを検出する測定センサ、並びに第１のポンプ電流（Ｉｐ０）で酸素イオンを前記第１の測定セル（４）と前記外部電極（６）との間においてポンピングし、第２のポンプ電流（Ｉｐ１）で酸素イオンを前記第２の測定セル（８）と前記外部電極（６）との間においてポンピングし、第３のポンプ電流（Ｉｐ２）で酸素イオンを前記測定電極（１０）と前記外部電極（６）との間においてポンピングし、且つ前記測定セル（４，８）と基準電極（１１）との間のネルンスト電圧（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２）を検出し、検出されたネルンスト電圧（Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２）を評価して前記第２のポンプ電流（Ｉｐ１）を目標値に調整する制御ユニット（Ｃ）を包含する回路のための動作方法において
   第１の動作モードおよび第２の動作モードが設けられており、前記第１の動作モードにおいては前記第２の動作モードよりも前記第２のポンプ電流（Ｉｐ１）に対する目標値が高く、前記第１の動作モードにおいては前記第３のポンプ電流（Ｉｐ２）の値からガス内の酸化物含有量に関する測定信号を導出し、前記第２の動作モードにおいては前記第１のポンプ電流（Ｉｐ１）から排ガスの酸素含有量またはラムダ値に関する測定信号を導出することを特徴とする、ガス測定システム。
7. 前記第２の動作モードにおいて前記第１の測定セル（４）と前記基準電極（１１）との間のネルンスト電圧（Ｖ０）を目標値、殊に４５０ｍＶに調整する、請求項６記載の方法。
8. 前記第１のポンプ電流（Ｉｐ０）および前記第２のポンプ電流（Ｉｐ１）を用いて、前記第１の測定セル（４）と前記基準電極（１１）との間の前記ネルンスト電圧（Ｖ０）を調節するための基準調整を実施する、請求項７記載の方法。
9. 排ガス成分濃度を示す部分および動作モードまたは測定される排ガス成分を示す部分を含む出力信号（Ａ）を供給する、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。

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