JP2009508125A

JP2009508125A - 内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定方法および装置

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Publication number: JP2009508125A
Application number: JP2008530443A
Authority: JP
Inventors: シュナイベル，エーバーハルト; ホツェル，リヒャルト; ジーリング，ハンス・ピーター; アッケンターレル，テーオフィール・エス; オンダー，クリストファー
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2026-08-01
Also published as: EP1926899A1; DE102005043414A1; WO2007031365A1; CN101263290A; JP4703726B2; KR20080043828A

Abstract

【課題】空気数λの測定のみでなく、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度の決定もまた可能にする、内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定方法および装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定方法において、排気ガス流れ内に配置されている広帯域センサ（１４０）の信号および排気ガス流れ内に配置されているジャンプ・センサ（１３０）の信号から、排気ガスの個々のガス成分、特に酸素以外の少なくとも１つのガス成分の濃度が推測される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定方法および装置に関するものである。

本発明は、特に、理論平衡付近の空気／燃料混合物で運転される内燃機関、例えば車両内オットー・サイクル・エンジン排気ガス内ガス成分の決定方法および装置に関するものである。特に欧州または米国における今日の排ガス規制を満たす内燃機関を備えたこのような車両は、少なくとも１つの触媒と、空燃比またはこれと相関を有する空気数λを決定するための２つ以上の排気ガス・センサとを有している。典型的な装置においては、排気曲管のすぐ下流側に第１の排気ガス・センサ、いわゆる「制御センサ」が、これの流れ方向後方に（三元）触媒が配置され、また触媒下流側に他の排気ガス・センサ、いわゆる「ガイド・センサ」が配置されている。

混合物組成の大きな予制御誤差を補償するための急速なλ制御は、制御センサに基づいている。制御センサのばらつきを補償し、並びに混合物組成をエミッション低減に関して最適化させる、上位の第２の制御ループ、いわゆるガイド制御のためにガイド・センサが利用される。

ここで、複数の排気ガス・センサ・タイプが既知である。このような排気ガス・センサは、例えば、専門書「ＢＯＳＣＨ自動車ハンドブック」、Ｖｉｅｗｅｇ−Ｖｅｒｌａｇ出版、２５版、２００３年、１３３、１３４頁に記載されている。そこに記載のλセンサは、内燃機関の排気ガス内の空気数λに対する尺度を提供する。上記のλセンサの作動方法は、固体電解質を有するガルバニ酸素濃淡電池の原理に基づいている。表面にガス透過性白金層からなる電極が設けられている。白金の触媒活性により、排気ガスは、後燃焼により平衡状態とされ、これにより、酸素平衡分圧が設定される。

ここで、今日、ほぼ２つのタイプの排気ガス・センサ、即ちジャンプ・センサおよび広帯域センサが使用されている。ジャンプ・センサは、酸素濃度センサを示し且つネルンスト原理に従って作動する。この場合、電解質の両側の電位差が測定され、電解質の片側は排気ガスに曝され、反対側は基準ガス（空気）に曝されている。このために、電解質の両側に電極が装着されている。電位差はセンサ信号として出力される。センサ特性曲線、即ち空気数λに対するセンサ信号の曲線は、λ＝１において急に低下する。この理由から、このようなセンサはジャンプ・センサとも呼ばれる。

広帯域センサは多層セラミックを有している。広帯域センサは、本質的に、ネルンスト・センサ、即ちガルバニ電池として作動する濃度センサと、限界電流セルまたはポンプ・セルとの組み合わせから構成されている。λセンサにおいてと同様に、センサ・セルとも呼ばれるネルンスト・セルの両側で、排気ガスおよび基準ガス間の電位差が測定される。既知の濃淡電池と同じ形式に基づいているポンプ・セルに外部から電圧が印加される。電圧はポンプ電流と呼ばれる電流を発生し、この電流により、極性の関数として酸素イオンが移送される。電子制御回路は、ポンプ・セルが、センサ・セルに接している排気ガス容積に、排気ガス容積内に状態λ＝１が設定されるように常に正確に酸素を供給したりそれから酸素を排出したりするように働き、この場合、リーン範囲内、即ち空気過剰においては、酸素が排出され、一方、リッチ範囲内、即ち燃料過剰においては、酸素が供給される。制御回路により設定されるポンプ電流は、排気ガス内空気数λの関数である。ポンプ電流は広帯域センサの出力信号を形成する。ジャンプ・センサ並びに広帯域センサの構造およびそれらのセンサ信号は、専門書「ＢＯＳＣＨ自動車ハンドブック」、Ｖｉｅｗｅｇ−Ｖｅｒｌａｇ出版、２５版、２００３年、１３３、１３４頁に記載され、ここでこれが参照される。

制御センサとして、ジャンプ・センサまたは広帯域センサが使用される。ガイド・センサとして、一般にジャンプ・センサが使用される。
まず第１に、両方のセンサ・タイプの信号は確かに排気ガスのλ値の関数であるが、同じλにおいて、この信号は異なる排気ガス組成によってもまた影響され、この場合、この影響は、両方のセンサ・タイプにおいて異なっている。この影響は、特定の排気ガス成分に対するいわゆる交差感度に基づいている。したがって、特にリッチ範囲内においては、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）間の比が作用する。未処理排気ガス内においては、この比はほぼ一定のままである。しかしながら、触媒下流側においては、この比は、触媒コーティング、触媒の劣化および運転点の関数として変化することがある。これはλセンサ信号に不利な妨害を与えることになる。

空気数λの測定のみでなく、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度の決定もまた可能にする、内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定方法および装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は独立請求項の特徴により解決される。有利な形態および変更態様が独立請求項に引用されるそれぞれの従属請求項から明らかである。
本発明は両方のセンサ・タイプの異なる交差感度を利用し、これにより、空気数λのみならず触媒下流側の排気ガス内における酸素（Ｏ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）の比濃度もまた測定可能である。このために、触媒下流側の排気ガス内に配置されているジャンプ・センサの信号と、ジャンプ・センサに近接して排気ガス内に配置されている広帯域センサの同時に測定される信号とから、排気ガスの個々のガス成分の濃度が推測される。

このために、ジャンプ・センサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度との関係から、また広帯域センサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度との関係から、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）の濃度が推測されることが好ましい。これらの濃度を知ることは、複数の目的のために利用可能である。一方で、これらの濃度を知ることは、上記交差感度を補償するために、したがって空気数λのより正確な決定のために有利である。これにより、ガイド制御を改善することができる。個々のガス成分濃度を知ることにより、さらに、特に車上診断の目的のために触媒の劣化状態の決定もまた行うことができる。最後に、ガス成分の濃度を知ることは、それ自身既知のモデルによる混合物制御における触媒モデルの補正のためにもまた有利である。

内燃機関１００の排気系１０５内の（図示されていない）排気曲管のすぐ下流側に、排気ガス・センサ１１０が配置され、排気ガス・センサ１１０の出力信号は制御装置２００に供給される。この排気ガス・センサは、いわゆる制御センサとして働く。この信号に基づいて、混合物組成内の大きな予制御誤差を補償するための急速なλ制御が行われる。

制御センサ１１０に（三元）触媒１２０が続く。触媒１２０下流側に、他のジャンプ・センサ１３０と、他のジャンプ・センサ１３０に近接して排気ガス内に配置されている広帯域センサ１４０とが設けられている。他のジャンプ・センサ１３０および広帯域センサ１４０の出力信号は、同様に制御装置２００に供給される。

触媒１２０下流側に、リッチ運転においては実際に還元性排気ガス成分のみが発生し、リーン運転においては実際に酸化性排気ガス成分のみが発生し、即ち、一方で酸素（Ｏ_２）（還元性排気ガス成分）および他方で一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）（酸化性排気ガス成分）が発生する。言い換えると、還元性および酸化性ガス成分は、排気ガス内に同時には発生しない。この理由から、リーン範囲内においては酸素（Ｏ_２）濃度を決定するために広帯域センサ１４０信号が使用され、このようにして空気数λが決定可能である。

これに対して、リッチ範囲内においては、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度が同時に決定されなければならない。このために、図２ａ、図２ｂに示されている、ジャンプ・センサ１３０および広帯域センサ１４０のセンサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度との関係が使用される。ジャンプ・センサ１３０のセンサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度との関数関係は、広帯域センサ１４０のセンサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）濃度および水素（Ｈ_２）濃度との関数関係とは著しく異なっている。関数関係は、例えば特性曲線群の形で制御装置２００内に記憶されていてもよい。センサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）濃度並びに水素（Ｈ_２）濃度との関数関係が近似式で表わされ、且つ対応関数が制御装置２００内に記憶されていてもよい。得られた一酸化炭素（ＣＯ）濃度並びに得られた水素（Ｈ_２）濃度は、ここで、制御装置２００内において関数の反転により決定され、これにより、両方のセンサ信号と、これらのセンサ信号と濃度との関数関係とから、濃度が決定可能である。

有利な実施形態においては、両方のセンサ１３０、１４０がただ１つのセンサ上で多層セラミックの形で統合されている。このためのベースとして広帯域センサが適している。広帯域センサは、ポンプ・セルの両側の電圧の測定装置を補足するためのものである。この電圧は、一方で、外側排気ガスおよびλ＝１に設定された排気ガス容積間のネルンスト電圧と、他方で、ポンプ電流に比例する電圧部分との和である。ポンプ・セルのオーム抵抗を知ることにより、この電圧部分からポンプ電流が計算される。この電圧部分を全電圧から減算することにより、オフセットに至るまでジャンプ・センサの特性が有する信号電圧が得られる。この計算は、排気ガス容積内にλ＝１を設定するための電子制御回路を形成する集積スイッチ回路内において行われても、または別のプロセッサ、例えばエンジン制御装置で行われてもよい。

代替態様として、広帯域センサに、外部排気ガスおよび基準ガス間のネルンスト電圧を測定するための追加電極が配置されていてもよい。

図１は、内燃機関排気ガス内ガス成分の本発明による決定装置を示す。図２ａは、ジャンプ・センサとＣＯ濃度およびＨ_２濃度との関係を示し、図２ｂは、広帯域センサとＣＯ濃度およびＨ_２濃度との関係を示す。

Claims

排気ガス流れ内に配置されている広帯域センサ（１４０）の信号および排気ガス流れ内に配置されているジャンプ・センサ（１３０）の信号から、排気ガスの個々のガス成分、特に酸素以外の少なくとも１つのガス成分の濃度が推測されることを特徴とする内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定方法。
広帯域センサ（１４０）およびジャンプ・センサ（１３０）が、排気系内の同じ位置に、または相互に近接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の決定方法。
一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）の濃度が推測されることを特徴とする請求項１または２に記載の決定方法。
ジャンプ・センサ信号と、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）の濃度との関係から、および広帯域センサ（１４０）信号と、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）の濃度との関係から、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）の濃度が推測されることを特徴とする請求項３に記載の決定方法。
排気ガス内に配置されている広帯域センサ（１４０）と、排気系内に配置されているジャンプ・センサ（１３０）と、広帯域センサ（１４０）信号およびジャンプ・センサ（１３０）信号を同時に測定し且つ評価する回路ユニットとを特徴とする内燃機関の排気ガス内ガス成分の決定装置。
ジャンプ・センサ（１３０）および広帯域センサ（１４０）が、ただ１つの多層セラミックの部分であることを特徴とする請求項５に記載の決定装置。
広帯域センサ（１４０）およびジャンプ・センサ（１３０）が、排気系内において、それらの間に触媒が存在しないように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の決定装置。