JP2009512863A - ガス混合物内のガス成分濃度の測定センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガス混合物内のガス成分濃度の測定センサを、外乱となるλ＝１リプルが低減されるように改良する。
【解決手段】ガス混合物内のガス成分濃度の測定センサは、イオン伝導性固体電解質（１２０）と、固体電解質（１２０）によって相互に分離された電極（１６０、１７０）とを備え、電極（１６０、１７０）のうちの外部電極（１６０）はガス混合物にさらされ、電極（１６０、１７０）のうちの内部電極（１７０）は、拡散隔壁（１５０）によってガス混合物から分離された中空空間（１３０）内に配置されている。追加外部電極（１６５）が排気ガスにさらされ、この追加外部電極（１６５）に電流（Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}）が供給され、この電流（Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}）の正負符号は、外部電極（１６０）に供給されている電流（Ｉ_Ｐ）とは反対である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガス混合物内のガス成分濃度の測定センサに関するものである。

このようなセンサは、例えばドイツ特許公開第１０１５１３２８号から既知となっている。このセンサは２つのセルを有し、そのうちの１つは、測定ガス範囲内の酸素含有量がそれにより決定されるネルンスト・セルとして働く。第２のセルはポンプ・セルであり、ポンプ・セルにより、測定ガス範囲内の酸素含有量が変化される。この場合、測定ガス範囲または測定容積内に常にλ＝１のガスが存在するように、ポンピング供給またはポンピング排出される酸素量が設定される。ポンプ電流の値および正負符号を介して、リッチ（λ＜１）およびリーン（λ＞１）間の広範囲のガス組成が決定可能である。

リッチからリーンへのまたはその逆への排気ガス組成の変化において、排気ガス側のポンプ電極でガス交換が行われ、このガス交換は、ネルンスト・セル内に外乱信号を結合させる。この場合、センサ信号、例えば時間に対するポンプ電流の信号は、ほぼλ＝１においてオーバシュートないしは逆シュートを示し、このオーバシュートないしは逆シュートは、λ＝１リプルと呼ばれる。このλ＝１リプルは、特に個別シリンダ検出および個別シリンダ制御のための適用において外乱として働く。さらに、λ＝１リプルは、急速なセンサ動特性に対して妨害的に働く。

図２に、符号１０で示されているこのようなλ＝１リプルが発生したときの信号線図が略図で示されている。

したがって、冒頭記載のタイプのセンサを、この外乱となるλ＝１リプルが低減されるように改良することが本発明の課題である。

この課題は、本発明により、請求項１の特徴を有するセンサによって解決される。
センサの有利な変更態様および形態が請求項１に帰属される従属請求項から明らかである。

排気ガスにさらされている他のポンプ電極により、拡散隔壁後方の測定容積に排気ガスから酸素を供給することが本発明の基本的な考え方である。このとき、このように供給されたこの酸素は、センサの作動の間に追加的にポンピング排出され、これにより、所定のきわめてリーンな出力信号が発生する。このようにして、ポンプ電流が方向変換を受けることなく、リッチ範囲からリーン範囲にいたるまで、ポンプ電流値および排気ガス組成の間の一義的な割当が可能となる。これにより、センサのより急速な動特性が可能となる。追加外部電極が固体電解質の外部電極とは反対側に配置されていることが好ましい。この配置により、測定容積内への酸素供給が特に最適に達成される。

この場合、他の外部電極に少なくとも１つの別のリード線を介して電流が供給されるように設計されていてもよい。しかしながら、他の外部電極をセンサ・ヒータの接地接続と導電結合するように設計されていてもよい。この場合、制御装置内の電源は内部電極に接続され、これにより、追加のリード線は必要ではない。

ガス混合物にさらされている外部電極、即ちそれ自身既知の排気ガス側ポンプ電極は、それ自身既知のように、保護層により被覆されている。これにより、酸素の連続ポンピング排出に基づいて、この電極においてガス交換が行われることが阻止される。特にλ＝１リプルが著しく低減される。外部電極を被覆するこの保護層はきわめて密に形成されてもよく、その理由は、リッチ運転における上昇されたポンプ電圧需要がもはや限界を示すことがないからである。リッチ状態における酸素のポンピング供給は、一部他の外部ポンプ電極により行われることは確かである。

他の追加外部ポンプ電極は保護層によって被覆されていてもよく、保護層は電極を保護するためにのみ働き、電極のポンプ特性が影響されることはない。固体電解質それ自身はガス不透過性である。

図１に示されている従来技術から既知の広帯域λセンサと呼ばれるセンサは、ガス不透過性の固体電解質本体１２０を含み、固体電解質本体１２０は、例えば層状に形成されていてもよい。固体電解質本体１２０内にガス流入孔１２２が設けられ、排気ガスは、ガス流入孔１２２を通過したのち、拡散隔壁１５０を介して測定容積１３０内に到達する。測定容積１３０内に、内部ポンプ電極１７０が配置されている。固体電解質１２０の外側に外部電極１６０が配置され、外部電極１６０は保護層２３０により被覆されている。外部電極１６０および内部ポンプ電極１７０はポンプ・セル１８０を形成し、ポンプ・セル１８０により酸素を測定容積１３０からポンピング排出可能である。このために外部電極１６０にポンプ電圧Ｕ_Ｐが印加され、これによりポンプ電流Ｉ_Ｐが流れる。

固体電解質内にさらに基準電極１９０が配置されている。基準電極１９０および内部ポンプ電極１７０はネルンスト・セル１９５を形成する。
ポンプ・セル１８０により、測定容積１３０内の酸素含有量が変化される。ネルンスト・セル１９５により、測定容積１３０内の酸素含有量が決定される。ポンピング供給またはポンピング排出される酸素量は、測定容積１３０内に常にλ＝１のガスが存在するように制御される。ポンプ電流の値および正負符号を介して、リッチおよびリーン間の広範囲の排気ガス組成が一義的に決定可能である。この理由から、このようなセンサは広帯域λセンサとも呼ばれる。

しかしながら、ガス組成が変化したとき、即ちリッチ混合物からリーン混合物へ移行したとき、ここでほぼλ＝１において、特にポンプ電流Ｉ_Ｐの信号内に、図２に略図で示されているオーバシュートないしは逆シュートが発生し、このオーバシュートないしは逆シュートは、λ＝１リプルと呼ばれる。このλ＝１リプルは、特に個別シリンダ検出または個別シリンダ制御のための適用において外乱として働く。さらに、このλ＝１リプルは、急速なセンサ動特性を阻止する。

このようなλ＝１リプルを回避し且つ高いセンサ動特性を可能にするために、ここで、本発明は、固体電解質本体１２０に他の追加外部電極１６５を配置している（図３、図４）。この追加外部電極１６５は、固体電解質本体１２０の外部電極１６０とは反対側に配置されていることが好ましい。この追加外部電極１６５に、図３に示されているように、追加ライン１６７を介して一定の追加電流Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}を供給可能である。保護のために、追加外部電極１６５は保護層２３５で被覆されていてもよい。

図４に示されている他の実施例においては、追加外部電極１６５はヒータ接地２２２と導電結合され、これにより、追加電流Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}を供給するための追加ラインは不要となる。その代わりに、追加電極１６５に追加電流Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}を供給するためにヒータ接地ラインが使用される。Ｕ_ｈｅｉｚは、ヒータ電圧を示す。

追加外部電極１６５の機能方法を以下に図５および図６を用いて詳細に説明する。
図１に示されているセンサにおいては、ポンプ電流Ｉ_Ｐは、λに対して図５に示されているような線図を形成する。ポンプ電流Ｉ_Ｐは第３象限から第１象限に経過し、この場合、第３象限から第１象限への移行において屈曲部が発生する。これは、リッチ範囲からリーン範囲への移行においてポンプ電流値および排気ガス組成の間の一義的な割当を困難にしている。

ここで、本発明は、測定容積１３０に酸素が供給されるように、内部ポンプ電極１７０および追加外部電極１６５に、ポンプ電流Ｉ_Ｐとは逆の正負符号を有する追加ポンプ電流Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}の供給を行う。ここでこの酸素はさらにポンピング排出されるので、所定のきわめてリーンな出力信号が発生する。追加ポンプ電流Ｉ_{ｚｕｓａｔｚ}が十分に大きい場合、リッチ排気ガスの場合においても、正のポンプ電流Ｉ_Ｐのみが形成される。このようにして、ポンプ電流Ｉ_Ｐが方向変換を行うことなく、リッチ範囲からリーン範囲への移行において、ポンプ電流値および排気ガス組成の間の一義的な割当が可能となる（図６参照）。これにより、センサの急速な動特性が可能となる。追加外部電極１６５に配置されている密な保護層２３５により、酸素の連続ポンピング排出に基づいて、この電極がガス交換を受けることが阻止される。これにより、λ＝１リプルは低減される。今日の知見によれば、このガス交換は、外部電極１６０の全ての位置において同時には行われない。センサの片側にリッチ・ガスが、および反対側にリーン・ガスが存在するとき、燃料電池と同様に、外部電極において電流が流れ、且つ、例えば酸化ジルコニウムからなる固体電解質本体１２０内にイオン電流が流れる。イオン電流は電位降下と関連し、この電位降下はネルンスト・セルの電位測定に誤差を与えることになる。

図１は、従来技術から既知のガス混合物内のガス成分濃度の測定センサの構成を略図で示す。 図２は、従来技術から既知の時間ｔに対するポンプ電流Ｉ_Ｐのλ＝１リプルを略図で示す。 図３は、本発明によるセンサの第１の実施例の構成を示す。 図４は、本発明によるセンサの第２の実施例の構成を示す。 図５は、図１に示されている従来技術から既知のセンサにおけるλに対するポンプ電流を示す。 図６は、本発明によるセンサにおけるλに対するポンプ電流を示す。

Claims (6)

1. イオン伝導性固体電解質（１２０）と、固体電解質（１２０）によって相互に分離された電極（１６０、１７０）とを備え、電極（１６０、１７０）のうちの外部電極（１６０）はガス混合物にさらされ、電極（１６０、１７０）のうちの内部電極（１７０）は、拡散隔壁（１５０）によってガス混合物から分離された中空空間（１３０）内に配置されている、ガス混合物内のガス成分濃度の測定センサにおいて、
   追加外部電極（１６５）が排気ガスにさらされ、この追加外部電極（１６５）に電流（Ｉ_{Ｚｕｓａｔｚ}）が供給され、この電流（Ｉ_{Ｚｕｓａｔｚ}）の正負符号は、外部電極（１６０）に供給されている電流（Ｉ_Ｐｕｍｐ）とは反対であることを特徴とするガス混合物内のガス成分濃度の測定センサ。
2. 追加外部電極（１６５）が、固体電解質（１２０）の外部電極（１６０）とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の測定センサ。
3. 追加外部電極（１６５）に別のリード線（１６７）を介して電流が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の測定センサ。
4. 追加外部電極（１６５）が、センサ・ヒータ（２２０）の接地接続（２２２）と導電結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の測定センサ。
5. 追加外部電極（１６５）が、保護層（２３５）により被覆されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の測定センサ。
6. 固体電解質（１２０）が、ガス不透過性であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の測定センサ。

Images