JP2008530543A - ガス測定センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、測定ガス中のガス成分の濃度、殊に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するガス測定センサに関する。このガス測定センサは固体電解質（１４）上に配置されている電極ペア（１２，１３）を有する。これらの電極（１２，１３）は外部ポンプ電極（１２）と、拡散バリア（１６）を介して供給される測定ガスに接する内部ポンプ電極（１２）とから構成されており、またこれらの電極（１２，１３）はクロック制御され、クロック周期毎に極性が交番する電位が印加されている。付加的な電極を要することなくガス測定センサの測定精度を改善するために、拡散バリア（１６）と内部ポンプ電極（１３）との間に中空部（１７）が配置されており、この中空部（１７）は固体電解質（１４）を介してポンピングされる酸素のための蓄積体積として使用される。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている、測定ガス中のガス成分の濃度、殊に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するガス測定センサに関する。

内燃機関の排ガス中のλ値を検出するための公知のガス測定センサまたはガスセンサ（M. OhsugaおよびY. Ohyamaによる"A study on the oxygen-biased wide range air-fuel ratio sensor for rich and lean air-fuel ratios", Sensors and Actuators, 9 (1986)、第２８７〜３００頁）においては固体電解質上に配置されている電極ペアの外部ポンプ電極が雰囲気に曝され、また内部ポンプ電極が調節された厚さの拡散バリアによって覆われ、この拡散バリアは排ガスと接している。電極ペアはクロック制御され、内部ポンプ電極および外部ポンプ電極には交互に異なる大きさの電位が印加され、これにより酸素の雰囲気から拡散バリアへの汲み入れポンピング（汲み入れポンピングフェーズ）と、酸素の拡散バリアから雰囲気への汲み出しポンピング（汲み出しポンピング）とが交互に行われる。汲み入れポンピングフェーズにおいては内部ポンプ電極から外部ポンプ電極にバイアス電流と称される電流が流れ、また汲み出しポンピングフェーズにおいては外部ポンプ電極から内部ポンプ電極に検出電流または測定電流と称されるポンプ電流が流れる。各汲み出しポンピングフェーズにおけるこの電流値はサンプルホールド回路を用いて検出され、排ガスのλ値としての酸素濃度に関する尺度を供給する。各汲み入れポンピングフェーズにおけるこの電流値も同様にサンプルホールド回路を用いて検出され、電気ヒータに対する制御信号を供給する。この電気ヒータを用いて固体電解質の温度が一定値に調整される。

電極ペアをクロック制御するために、この電極ペアは４つの電子スイッチから構成されているスイッチブリッジのブリッジ分岐内に配置されており、これらの電子スイッチのうち一方の２つの対角線分岐内にある２つのスイッチはクロック発生器のクロックパルスによって制御され、他方の２つの対角線分岐内にある２つのスイッチは反転され且つクロック半周器だけシフトされたクロックパルスによって制御される。それぞれのスイッチペアを交互に制御することによって、電極ペアにはクロック周期毎に極性が交番する電位が印加され、汲み入れポンピングフェーズにおいては内部ポンプ電極と外部ポンプ電極との間に例えば０．３Ｖの電位差が生じ、また汲み出しポンピングフェーズにおいては外部ポンプ電極と内部ポンプ電極との間に例えば０．１Ｖの電位差が生じる。

発明の利点
請求項１の特徴を備えた本発明によるガス測定センサは、測定ガス中のガス成分の濃度を検知する際、殊に排ガス中の酸素濃度ないし空燃比（λ）を検出する際の測定精度が実質的により高いという利点を有する。拡散バリアと固体電解質上に配置されている内部ポンプ電極との間に中空部を設けることにより一定の酸素濃度の領域が生じ、この領域は貯蔵体積として使用される。したがって冒頭で述べたようなガスセンサとは異なり酸素を拡散バリアに供給する必要はなく、これにより拡散バリアは短縮され、この短縮された拡散バリアに基づき測定信号は劣化されない。冒頭で述べた公知のガスセンサのように本発明によるガス測定センサは２つの電極しか有しておらず、これにより廉価な製造および広範なλ測定領域が実現され、これにより排ガスのリッチ領域は実質的に拡大される。交番的な電位で電極を動作させることにより、酸素に関する電極のポンプ能力は改善される。

さらなる請求項に記載されている構成によって、請求項１に記載されたガス測定センサの有利な発展形態および改善形態が実現される。

本発明の有利な実施形態によれば、排ガスのガス成分ないしλ値の濃度に対する尺度として、１つまたは複数のクロック周期にわたり測定されて平均化されたポンプ電流が使用される。択一的にガス成分の濃度に対する尺度として、汲み入れポンピングフェーズおよび汲み出しポンピングフェーズにおいて測定され、クロックの周期持続時間よりも著しく長い時定数でフィルタリングされたポンプ電流が使用される。

本発明の有利な実施形態によれば、汲み入れポンピングフェーズにおいて中空部に供給される酸素量は、測定ガス中の目下の酸素濃度に依存して調整される。これによって、一方では排ガスのリッチ領域において測定領域が所望のように拡大され、他方では排ガスのリーン領域においてポンプ電極に不必要に負荷を掛けないようにするために、ポンピングにより汲み入れられる酸素量が大幅に低減される。

供給される酸素量を調整するために、有利には汲み入れポンピングフェーズにおいて流れるポンプ電流、いわゆるバイアス電流がガス成分の測定された濃度に依存して調整される。バイアス電流を設定する代わりに所定の電荷量を設定することもでき、これにより等価の酸素量が中空部にポンピングされる。このことはバイアス電流を一定に維持することが非常に困難である場合には有利である。

図面
以下では図面に示した実施例に基づき本発明を詳細に説明する。ここで、
図１は内燃機関の排ガス測定用のガス測定センサのセンサ素子の概略的な長手軸方向の断面図を示し、
図２はリーンガス運転モードのガス測定センサの機能を説明するためのグラフを示し、
図３はリッチガス運転モードのガス測定センサの機能を説明するためのグラフを示し、
図４はセンサ素子および制御装置を備えたガス測定センサのブロック回路図を示し、
図５から図８はガス測定センサのセンサ素子の種々の修正形態の概略的な長手軸方向の断面図をそれぞれ示し、
図９は図８によるセンサ素子および制御装置を備えたガス測定センサのブロック回路図を示す。

実施例の説明
ここで説明するガス測定センサまたはガスセンサは測定ガス中のガス成分の濃度を検出するために使用され、また有利には内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するためのラムダセンサとして使用され、このラムダセンサによりいわゆるλ値として表される内燃機関の排ガス中の空燃比が検出される。したがって以下ではλ値を検出するためのその種のガス測定センサについて説明する。

ガス測定センサまたはガスセンサは図１において概略的な長手軸方向の断面図で示されているセンサ素子１１を有し、このセンサ素子１１は通常の場合ハウジング内に収容されており、またガス感応部でもって排ガスに曝されている。ガス感応部内には電極ペアが配置されており、この電極ペアは導体路および端子プラグを介して、ハウジングから突出し且つ制御装置１０（図４）に案内されている端子線路に接続されている。電極ペアは外部ポンプ電極１２および内部ポンプ電極１３を包含し、これらの２つの電極は固体電解質ボディ１４上に配置されている。この固体電解質ボディ１４は例えばイットリウムで安定化された酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）から構成されている。図１には詳細に示していないが、固体電解質ボディ１４は複数の固体電解質層または固体電解質フィルムが重ねられ積層化されたものから構成されており、この積層体の中には電気的な抵抗ヒータ１５が配置されている。この抵抗ヒータ１５はここでは図示していない絶縁層内に埋め込まれている。抵抗ヒータ１５は固体電解質ボディ１４を一定の動作温度に調整するために使用される。外部ポンプ電極１２は固体電解質ボディ１４の外面上に配置されており、したがって排ガスに直接曝されている。これに対し内部電極１３には拡散バリア１６を介してのみ排ガスが到達する。図１の実施例においては、固体電解質ボディ１４の内部に中空部１７が形成されており、この中空部１７には固体電解質ボディ１４の外面に開口しているチャネル１８が繋がっている。内部ポンプ電極１３は中空部１７内で固体電解質ボディ１４上に取付けられており、チャネル１８は拡散バリア１６を形成するために多孔性のセラミック材料、例えばＺｒＯ₂またはＡｌ₂Ｏ₃によって完全に充填されている。

電極ペア１２，１３は制御装置１０（図４を参照されたい）のクロック発生器２７によって選択されたクロック周波数およびクロック比でもってクロック制御され、各クロック周期Ｔにおいて２つのポンプ電極１２，１３には極性が交番する電位が印加される。図２および図３のグラフには、５０％のクロック比で電極ペアに印加される電圧が破線で示されている（曲線ａを参照されたい）。この実施例では半クロック周期に相当するいわゆる汲み入れポンピングフェーズＡにおいては、内部ポンプ電極１３に正の電位が印加される（また外部電極１２には負の電位が印加される）。これによって負に帯電した酸素イオンは拡散バリア１６を通過して内部ポンプ電極１３へと移動する。酸素イオンの流れの結果として、汲み入れポンピングフェーズにおいては正の電荷の移動と解されるポンプ電流−Ｉｐ（バイアス電流とも称される）が内部ポンプ電極１３から外部ポンプ電極１２へと流れる。汲み入れポンピングフェーズＡに続き、この実施例においてはやはり半クロック周期にわたる汲み出しポンピングフェーズＢにおいては、外部ポンプ電極１２に正の電位が印加される（また内部ポンプ電極１３には負の電位が印加される）。その結果、負に帯電した酸素イオンが拡散バリア１６を介して外部ポンプ電極１２へと移動し、ポンプ電流＋Ｉｐが外部電極１２から内部電極１３へと流れる。クロック比、クロック周波数また印加される電圧も可変でよいことを言及しておく。外部ポンプ電極１２から内部ポンプ電極１３への正の電荷の移動を表すポンプ電流Ｉｐの経過は図２および図３において実線で示されている（曲線ｂを参照されたい）。電極ペア１２，１３がこのようにクロック制御されることにより、汲み出しポンピングフェーズＡにおいては酸素がポンピングにより固体電解質を通過して中空部１７へと汲み入れられ、汲み出しポンピングフェーズＢにおいては酸素がポンピングにより中空部１７から固体電解質を介して汲み出される。固体電解質を通過してポンピングされる酸素の他に種々の排ガス成分も中空部１７に達し、それらの排ガス成分は内部ポンプ電極１３における電気化学的な反応により酸素を排出するか、酸素と結合する。これによって中空部１７において全体的に生じる酸素当量濃度Ｃ_O2はリーン運転モードについての図２およびリッチ運転モードについての図３においてそれぞれ一点鎖線で示されている（曲線ｃを参照されたい）。図２および図３におけるグラフでは、実行されるメカニズムを明瞭に説明するために、理想化された比率を基礎としていることを言及しておく。実際には曲線ｂの経過は図示されているように跳躍的に変化するものではなく、継続的に比較的緩やかな勾配で経過する。

リーン運転モード（図２を参照されたい）では、汲み出しポンピングフェーズＡにおいて中空部１７に酸素当量濃度Ｃ_O2が発生する（曲線ｃの上昇側縁を参照されたい）。汲み出しポンピングフェーズＢにおいては先ず中空部１７内に存在する酸素がポンピングにより汲み出される（曲線ｃの下降側縁を参照されたい）。中空部１７内に酸素がもはや存在しなくなると、ポンプ電流Ｉｐが低下する（曲線ｂの下降側縁を参照されたい）。拡散バリア１６を介して中空部１７に拡散されるリーンガスは酸素ももたらし、この酸素は同様にポンピングにより汲み出される（曲線ｂの水平な区間を参照されたい）。クロック周期にわたり平均的なポンプ電流Ｉｐが生じ（曲線ｄを参照されたい）、この平均的なポンプ電流Ｉｐは拡散バリア１６を介して流れるガス流と当量であり、また排ガス中の酸素濃度、したがって空燃比に対する尺度を供給する。各クロック周期において流れるポンプ電流Ｉｐは制御装置１０（図４を参照されたい）のシャント２９および差動増幅器３０から成る測定段２８を介して測定され、複数のクロック周期にわたり平均化される（図４におけるブロック１９を参照されたい）。択一的に測定段２８において測定されたポンプ電流Ｉｐは、クロックの周期持続時間よりも著しく長い時定数でフィルタリングされる（図４におけるブロック１９を参照されたい）。

図３にはリーン運転モードに関して図２に基づき説明した特性がリッチ運転モードに関して示されている。汲み入れポンピングフェーズＡにおいては中空部１７にポンピングにより汲み入れられた酸素が、既にこの中空部１７に存在するか、拡散バリア１６を介して中空部１７へと拡散したリッチガス、しかも気体成分ＣＨ₄と反応し、このリッチガスは酸素との結合によりＣＯ₂およびＨ₂Ｏを発生させる。反応後も残存する酸素は中空部１７に酸素当量濃度Ｃ_O2を生じさせるが（曲線ｃの上昇する側縁を参照されたい）、この濃度はリーン運転モードのものよりも低い。汲み出しポンピングフェーズＢにおいては先ず中空部１７内に存在する酸素がポンピングにより汲み出される（曲線ｃの下降側縁を参照されたい）。中空部１７内に酸素がもはや存在しなくなると、ポンプ電流Ｉｐが０に低下する（曲線ｂの下降側縁を参照されたい）。中空部１７においては拡散したリッチガスが集合し、これにより酸素需要が生じる（曲線ｃの斜めに延びる負の区間を参照されたい）。得られたポンプ電流Ｉｐの平均値（曲線ｄ）はやはり拡散バリア１６を通過するガスの流れに対応し、また１よりも小さいλ値に対する尺度を表す。

汲み入れポンピングフェーズＡにおいて流れるポンプ電流−Ｉｐ、いわゆるバイアス電流によって、リッチガス運転モード（燃料過剰）におけるガス測定センサの測定領域の拡大が達成される。リーン運転モード（空気過剰）においては、このバイアス電流は不利に作用する。何故ならば、バイアス電流は中空部１７における電気化学的な反応により生じる酸素量、したがってポンピングすべき酸素をさらに増加させ、その結果電極１２，１３には不必要に大きな負荷が加えられ、電極がより早く劣化することになるからである。この問題を解決するために、汲み入れポンピングフェーズＡにおいてはポンピングにより中空部１７に汲み入れられる酸素量が、排ガス中の酸素濃度、すなわち空燃比に依存して調整される。この調整は、クロック比を変更するか、バイアス電流−Ｉｐを可変に適用することにより、リーン運転モードにおけるバイアス電流−Ｉｐを十分小さくし、電極１２，１３への負荷を低減することにより達成することができる。バイアス電流を調整するために制御装置１０のブロック１９においては低減可能なラムダ信号が使用され、このラムダ信号はフィルタ２０、例えばＰＩＤフィルタに供給される。フィルタ２０の出力はバイアス電流の大きさを決定する。

択一的に制御装置１０においてはラムダ信号に依存する所定の一定のバイアス電流が設定されるのではなく、当量の酸素量として中空部１７にポンピングされる所定の電荷量が設定される。このことはバイアス電流を一定に維持することが非常に困難である場合には有利である。

制御装置１０においてはセンサ素子１１の内部抵抗を継続的に測定するために、サンプルホールド回路３１が差動増幅器３０の出力側に接続されている。このサンプルホールド回路３１はクロック周期毎に一度バイアス電流−Ｉｐをサンプリングし、次回の測定まで保持する。この測定された抵抗値を用いることにより固体電解質の温度をセンサ素子１１内に設けられている抵抗ヒータ１５でもって一定の動作温度に調整することができる。

図５，６および７には３つのセンサ素子１１が長手軸方向の断面図で示されており、これらはポンプ電極１２，１３、中空部１７および拡散バリア１６の配置に関して変更されている。図５によるセンサ素子においては中空部１７および拡散バリア１６が同心円のリングとして構成されており、拡散バリア１６は固体電解質ボディ１４の外面に開口されているガス流入チャネル２１を包囲し、中空部１７は拡散バリア１６を包囲する。２つのポンプ電極１２，１３は固体電解質を介して隔てられているリング電極として実施されており、ここでもまた外部ポンプ電極１２は固体電解質ボディ１４の外面上においてガス流入チャネル２１を同心で包囲するように取付けられており、内部ポンプ電極１３は中空部１７内に配置されて、同様に固体電解質ボディ１４上に取付けられている。

図６の実施例においては外部ポンプ電極１２および内部ポンプ電極１３が固体電解質ボディ１４の外面上に配置されており、しかも同じ面積で配置されている。内部ポンプ電極１３は、ボックス状に構成されており且つ中空部１７が形成されている拡散バリアによって遮蔽されており、このボックスの端部を用いて固体電解質ボディ１４の外面に載置されている。拡散バリア１６にさらに保護層２２を被せることもできる。

図７によるセンサ素子１１は、拡散バリア１６と共に内部ポンプ電極１３を担持する面とは反対側の面に外部ポンプ電極１２が配置されている点でのみ図６におけるセンサ素子と異なる。

図８に示されているセンサ素子１１は図１と同様に構成されているが、付加的な電極を固体電解質体１４の外面上に有し、この付加的な電極はいわゆるネルンスト電極２４を形成し、また多孔性の保護層２３によって覆われている。この付加的な外部電極を用いてセンサ素子１１と共に付加的に狭帯域センサまたはλ＝１センサを実現することができる。中空部１７内に配置されている内部ポンプ電極１３は基準電極として使用され、このことは汲み出しポンピングフェーズＢが抑制され、中空部１７が常に酸素で充填されているようにすることにより簡単に実現することができる。図９のブロック回路図に示されているように、このために制御装置内のセンサ素子が運転モード「広帯域センサ」から運転モード「狭帯域センサ」に切り換えられる。このことはスイッチ２５の切換により行われ、図９においてシンボリックに示唆されている。これにより制御装置１０においてはクロック発生器２７が遮断され、基準電流源２６が電極ペア１２，１３に接続される。ネルンスト電極２４の電位からλ値が導出され、このλ値は図９において制御装置１０の下側のλ出力側において取り出されている。スイッチ２５を再び図９の下側のスイッチ位置に切り換えた後には、運転モード「広帯域センサ」が再度セットされ、λ値が図９における制御装置１０の上側のλ出力側に生じる。

種々の実施形態において説明した測定センサでは、固体電解質ボディ１４の外面上に配置されており、且つ測定ガスないし排ガスに曝されている外部ポンプ電極１２を基準ガス、有利には雰囲気空気に、測定センサの機能を変更することなく曝すこともできる。

測定センサを内燃機関の排ガス中の窒素酸化物濃度を検出するためにも使用することができる。

前述の実施例では制御装置１０（図４を参照されたい）において、電極ペア１２，１３に印加されるポンプ電圧が設定される。ポンプ電圧の代わりにポンプ電流を設定することもできる。

内燃機関の排ガス測定用のガス測定センサのセンサ素子の概略的な長手軸方向の断面図。 リーンガス運転モードのガス測定センサの機能を説明するためのグラフ。 リッチガス運転モードのガス測定センサの機能を説明するためのグラフ。 センサ素子および制御装置を備えたガス測定センサのブロック回路図。 ガス測定センサのセンサ素子の修正形態の概略的な長手軸方向の断面図。 ガス測定センサのセンサ素子の修正形態の概略的な長手軸方向の断面図。 ガス測定センサのセンサ素子の修正形態の概略的な長手軸方向の断面図。 ガス測定センサのセンサ素子の修正形態の概略的な長手軸方向の断面図。 図８によるセンサ素子および制御装置を備えたガス測定センサのブロック回路図。

Claims (12)

1. 測定ガス中のガス成分の濃度の検出、例えば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するガス測定センサであって、
   外部ポンプ電極（１２）と、拡散バリア（１６）を介して供給される測定ガスに接する内部ポンプ電極（１３）とから構成されている固体電解質上に配置されている電極ペアを有し、該電極ペアはクロック制御され、且つ該電極ペアにクロック周期毎に極性が交番する電位が印加されており、汲み入れポンピングフェーズにおいてはポンプ電流が（−Ｉｐ）が前記内部ポンプ電極（１３）から前記外部ポンプ電極（１２）へと流れ、汲み出しポンピングフェーズにおいては反転したポンプ電流（＋Ｉｐ）が前記外部ポンプ電極（１２）から内部ポンプ電極（１３）へと流れる、ガス測定センサにおいて、
   拡散バリア（１６）と内部ポンプ電極（１３）との間に中空部（１７）が配置されていることを特徴とする、ガス測定センサ。
2. 前記外部ポンプ電極（１２）は測定ガス、例えば排ガスに曝されている、請求項１記載のガス測定センサ。
3. 前記外部ポンプ電極（１２）は基準ガス、有利には雰囲気空気スに曝されている、請求項１記載のガス測定センサ。
4. 前記中空部（１７）は有利には固体電解質層から構成されている固体電解質ボディ（１４）内に形成されており、前記中空部（１７）には測定ガス流入チャネル（１８）が開口しており、前記外部ポンプ電極（１２）は前記固体電解質ボディ（１４）の外面上に配置されており、前記内部電極（１３）は前記中空部（１７）内に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
5. 中空部（１７）および拡散バリア（１６）は前記固体電解質ボディ（１４）内において同心円で配置されているリングとして構成されており、前記拡散バリア（１６）は前記固体電解質ボディ（１４）の外面に開口する測定ガス流入チャネル（２１）を包囲し、前記外部ポンプ電極（１２）はリング状に構成されており、且つ前記固体電解質ボディ（１４）の外面において前記測定ガス流入チャネル（２１）の開口部について同心円で配置されており、前記内部ポンプ電極（１３）はリング状に構成されており、且つ前記中空部（１７）内に収容されている、請求項１または２記載のガス測定センサ。
6. 外部ポンプ電極（１２）および内部ポンプ電極（１３）は前記固体電解質ボディ（１４）の同一の外面上、または相互に対抗する外面上に配置されており、前記内部電極（１３）は前記中空部（１７）が形成されている拡散バリア（１６）によって遮蔽されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
7. 少なくとも１つのクロック周期にわたり測定されて平均化された前記ポンプ電流（Ｉｐ）は前記測定ガス中のガス成分の濃度に対する尺度を形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
8. 測定され、クロックの周期持続時間よりも著しく長い時定数でフィルタリングされた前記ポンプ電流（Ｉｐ）は前記測定ガス中のガス成分の濃度に対する尺度を形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
9. 前記汲み入れポンピングフェーズにおいて前記内部ポンプ電極（１３）から前記外部ポンプ電極（１２）へと流れる前記ポンプ電流（−Ｉｐ）または前記汲み入れポンピングフェーズにおいて運ばれた電荷量が前記測定ガス中のガス成分の濃度に依存して調整されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
10. 測定され、平均化またはフィルタリングされた前記ポンプ電流（Ｉｐ）はフィルタ（２０）、有利にはＰＩＤフィルタに供給されており、該フィルタの出力側に制御量が生じる、請求項９記載のガス測定センサ。
11. 前記固体電解質ボディ（１４）の外面上、有利には前記外部ポンプ電極（１２）を担持する外面上には、多孔性の保護層（２３）によって覆われているネルンスト電極（２４）が配置されており、且つ前記内部ポンプ電極（１３）には基準ガスが供給されており、前記ネルンスト電極（２４）の電位は前記測定ガス中のガス成分の濃度に対する尺度を形成する、請求項４から１０までのいずれか１項記載のガス測定センサ。
12. 前記内部ポンプ電極（１３）に基準ガスを供給するために前記汲み出しポンピングフェーズを抑制可能であり、前記内部ポンプ電極（１３）には基準ポンプ電流が供給されている、請求項１１記載のガス測定センサ。

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