JP3133071B2 - ポーラログラフ型センサ - Google Patents
ポーラログラフ型センサInfo
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Description
サを用いて求めることができるのは公知である。これは
たとえば、オットーエンジンやディーゼルエンジンのよ
うにガス状または流体状の燃料で駆動される内燃機関の
排気ガスにおいて行われる。排気ガスの成分を酸素に関
して、および/または水素、炭化水素、一酸化炭素のよ
うな可燃性の成分に関して識別することが望ましい。そ
れというのはこれらの値からエンジンの動作状態を推定
できるからであり、つまり“希薄な”空気/燃料混合気
による動作状態と“濃厚な”空気/燃料混合気による動
作状態とを区別できるからである。
成をそのつど最適化する目的を有する制御操作のための
基礎である。希薄な空気/燃料混合気の場合、酸素は化
学量論的過剰量として存在しており、これに応じて排気
ガス中では酸素に関して高い濃度が測定されるのに対
し、可燃性の成分は劣勢(下位的)量として現われるに
すぎない。エンジンが濃厚な空気/燃料混合気で駆動さ
れる場合、これとは逆になる。この場合、排気ガス中に
はなお多量の可燃性成分が存在するのに対し、酸素は劣
勢(下位的)成分として現われるにすぎない。希薄混合
気と濃厚混合気とを区別するための尺度となる数値はラ
ムダ(λ)の数値であり、つまり酸素と可燃性成分との
当量比である。これが1よりも大きければ希薄混合気で
あり、1よりも小さければ濃厚混合気であって、酸素と
可燃性成分が化学量論的に釣り合っていれば1と等し
く、一般的にこれは努力目標(所期値)である。
定に基づくものである。希薄混合気からの排気ガス
(“希薄排気ガス”)中の酸素を測定するために、カソ
ードの前に拡散バリアが配置される。この拡散バリアは
酸素がカソードに到達するのを著しく抑えるので、たん
に中程度のポンプ電圧のもとでも分子状の酸素全体が実
質的に即座にO2-イオンに還元され、これは電解質を通
って移動し、アノードにおいて再び分子状の酸素として
放電する。電流強度はポンプ電圧を高めてももはや大き
くできない。つまりこの場合には限界電流が流れてお
り、この限界電流の強さは実質的に、排気ガス中の酸素
濃度と拡散バリアの特性−殊にバリアの層厚と有孔率−
にしか依存しない。基準ガスを用いてゾンデを較正すれ
ば、限界電流の強さと酸素濃度との一義的な関係を確立
できる。
ス”)の場合、その中に多量に含まれる可燃性成分がア
ノードで酸化される。この場合も、可燃性成分がアノー
ドに向かって拡散するのを阻止すれば、濃度に依存する
限界電流を測定できる。従来の測定ゾンデの場合、この
ことはポンプセルの極性を逆にすることにより、つまり
アノードとカソードを入れ替えることにより実現でき
る。したがって拡散バリアは複数個の電極のうち1つの
電極の前にしか設けられておらず、この電極は希薄ガス
中の測定時にはカソードとして接続され、濃厚ガス中の
測定時にはアノードとして接続される。濃厚/希薄の判
定のためにゾンデを転極(極性反転)させなければなら
ないことがこのようなゾンデの欠点であって、それとい
うのはこのためには付加的な測定および制御コストが必
要とされるからである。さらに、このようなゾンデは切
替過程直後は確実には動作しない。その理由は、所定時
間後になってはじめて、転極された電極において定常状
態が生じるからである。
えたセンサが公知になっており、このセンサは以下の構
成素子を有する。すなわち、 (a)第1の固定電解質と、これに取り付けられた第1
および第2の多孔性電極とを備えたポンプセル。
を備えた“電気化学的センサセル”。この場合、第3の
電極はポンプセルの第1の電極近傍に取り付けられてい
る。
抑止する拡散抵抗。
流を印加する装置。
間の電位差(または起電力)を測定する装置。さらに、 (f)“電気化学的センサセル”の第3の電極と他の1
つの電極間に補助ポンプ電流を印加する装置。
き算出された制御信号を送出する(特徴(e)参照)。
しかも濃厚と希薄の間での移行には電極の転極が必要で
あり、このことは前述の欠点を伴う。
のための用途において後述の請求項1および2の特徴を
備えたポーラログラフ型センサにより回避される。この
センサは、電気的な信号評価のために2つないし3つの
接続端子しか必要とせず、その他の点でも簡単かつ好適
に構成されている。このセンサは排気ガスの組成の変化
に対し即座に反応し、内燃機関における排気ガス測定の
ために一般的である温度範囲内で確実に動作する。請求
項2に記載の実施形態は広帯域センサとして適してお
り、つまり濃厚領域における測定にも希薄領域における
測定にも適している。濃厚排気ガスと希薄排気ガスとの
間の移行時における電極の転極は不要であり、このこと
により電気的な評価回路が簡単になる。本発明によるセ
ンサのさらに別の利点は、たとえばスクリーン印刷技術
のように信頼性のある標準的な技術でこのセンサを容易
に製造できることである。
ンサの種々の実施形態が示されており、次にこれについ
て詳細に説明する。第1図には、有利には通常、希薄運
転(λ>1)で動作するエンジン−たとえばディーゼル
エンジン−の制御に適したセンサの基本構成図が示され
ている。第2図には、希薄領域でも濃厚領域でも使用で
きる広帯域センサの基本構成図が示されている。第3図
には、第2図の基本構成に基づくセンサの実際の実施形
態が横断面図で示されている。
関の排気ガス中の酸素の濃度と、炭化水素、水素や殊に
一酸化炭素のような可燃性成分の濃度とを求めることが
できる。これはポンプセルの限界電流の測定により行わ
れる。有利には、必要に応じて酸化イットリウム、酸化
マグネシウム、酸化イッテルビウムのような他の金属酸
化物のドーピングされた二酸化ジルコンを電解質として
含む通常のポンプセルが用いられる。酸化ジルコンおよ
び上記の金属酸化物を伴うその混合物は、約300℃から
の温度で酸素に対するイオン伝導性を示す。したがって
本発明によるセンサは、有利には約450℃〜800℃の温度
で作動される。カソードとアノードは、概して触媒とし
て作用する通常の金属材料から成り、たとえば白金から
成る。
ノードにも拡散バリアが設けられていることである。カ
ソードにおける拡散バリアは、値1よりも大きい空気/
燃料混合気の排気ガス(希薄排気ガス)において酸素が
カソードの方へ向かうのを阻止し、あるいは遅らせる。
これにより、1Vよりも小さい中程度のポンプ電圧−たと
えば0.8V−においてすでに式 O+4e → 2O2- (カソード) 22O2- → O2+4e (アノード) にしたがって(カソードの)限界電流が生じる。
も小さい空気/燃料混合気で駆動される場合、つまり濃
厚排気ガスが生成される場合、炭化水素、水素や殊に一
酸化炭素のような可燃性成分がアノードの方へ向かうの
を妨げる。このようにして式 CO+2e → CO+O2- (カソード) CO2+O2-→ CO2+2e (アノード) にしたがって(アノードの)限界電流が発生する。
成分の濃度すなわち一酸化炭素、水素および炭化水素の
濃度が、低減し得る構成成分の濃度すなわち水分および
二酸化炭素の濃度よりも著しく小さいことである。しか
しこのことは、内燃機関の排気ガス中では常に該当す
る。
の基本構成図が示されている。ポンプセル10は電解質1
1、拡散バリア13を備えたカソード12、および拡散バリ
ア15を備えたアノード14を有する。直流電流源18によ
り、一般的に約1Vである所要ポンプ電圧が供給される。
この形式のセンサはたとえば、ディーゼルエンジンの場
合に該当するように、希薄領域で駆動されるエンジン制
御のために使用するのに適している。しかしディーゼル
エンジンの全負荷運転時には、限界値λ=1に達するか
または意図的でなく短期間これを下回ることが起こり得
る。従来の希薄限界電流ゾンデの場合、濃厚排気ガスの
領域で電流が著しく上昇し、この電流上昇により、いっ
とう低いλ値になるように、つまりいっそう濃厚な混合
気になる方向で空気/燃料混合気の組成を変化させる制
御が引き起こされる。このことによって、排気ガス中に
煤が多量に生成されるようになる。著しい電流上昇の原
因は、電極12および14における電位形成(または分極)
にある。濃厚排気ガスの場合、アノードにはもはや酸素
が発生せず、上述のように(僅かな過電圧で)一酸化炭
素が二酸化炭素に酸化される。この場合、カソードの電
位は、酸化ジルコンにおいてすでに電子伝導性が生じて
いる領域にて低減される。このことにより、点λ=1を
下回るとただちに著しい電流上昇が引き起こされる。本
発明による拡散バリア15により、カソード電位の低下が
阻止される。アノードにおいて、アノードの一酸化炭素
の酸化の限界電流が発生し、これは印加される作動電圧
の大部分を必要とする。このためカソードは著しい電子
伝導性の領域には到らず、上述の著しい電流上昇は生じ
ない。このようにして拡散バリア15により、希薄ゾンデ
においてλ=1の点に到達したときの、および意図的で
なくこの点を下回ったときの誤調整が阻止される。
ンサとして適しており、つまり要求に応じて希薄領域で
も濃厚領域でも駆動できる内燃機関の制御に適してい
る。この装置が第1図によるセンサと異なる点は、有利
には電極11上に配置される無負荷の基準電極16が設けら
れていることである。この基準電極は、濃厚排気ガスと
希薄排気ガスとの区別に用いられる。センサを作動させ
る一定のポンプ電圧Uは、アノードPAの分極、カソード
PKの分極、および電解質中のオーム電圧降下IRに分けら
れる。すなわち、 U=PA+PK+IR 最後の項は、約500℃〜約800℃までの高い動作温度で
は電解質11の伝導性が高いことから、実際には無視でき
る。
分極は、限界電流のない対向電極における分極よりも大
きい。したがって希薄排気ガスの場合、カソードの限界
電流が生じるので、PK>PAである。これに対して濃厚排
気ガスの場合、アノードにおける限界電流により電流の
流れが定められるため、PA>PKである。電圧測定器17を
用いて無負荷の基準電極16に対して電極分極を測定する
場合、カソード12の基準電圧が高いことは、酸素拡散に
より定まるカソードの限界電流が生じていることを意味
し、つまりは希薄排気ガスが生じていることを意味す
る。これに対して、基準電極に対し低いカソードの基準
電圧は、可燃性成分の拡散により定められるアノード限
界電流を表わし、つまりは濃厚排気ガスであることを示
している。第2図とは異なりアノード14と基準電極16と
の間で基準電圧を測定すれば、これとは逆の状態にな
る。この場合、アノード14の基準電圧が低いことからカ
ソード限界電流(希薄排気ガス)が識別され、アノード
4の基準電圧が高いことからアノード限界電流(濃厚排
気ガス)が識別される。λ=1の場合、電流は実質的に
ゼロであり、セル電圧はほぼ均等に電極分極PAとPKに分
けられる。
形態が横断面図で示されている。すべての素子は、場合
によっては複数の作業工程で形成されたにしても切れ目
なくつながっている電解質11中に埋め込まれている。カ
ソード12とアノード14は好適にはリング状に形成されて
おり、所属の拡散バリア13および15は浅いシリンダ状の
拡散プレートである。これは通常の多孔質のセラミック
物質で満たされており、この物質は当該のガスが電極12
と14の方へ向かうのを阻止する。基準電極16は測定ガス
中に位置し、この電極もリング状であるが、他の任意の
形状であってもよい。絶縁体20により電解質11から分離
されているヒータ19は、約700℃〜約800℃の最適な動作
温度まで電解質を加熱する。基準電極16とカソード12
(またはアノード16)は、図示されていない電圧測定器
と接続されている。やはり図示されていない電流源18に
よりポンプ電圧が供給される。
Claims (3)
- 【請求項1】内燃機関の排気ガス中の所定の構成成分の
濃度を測定するポーラログラフ型センサにおいて、 ポンプセル10が設けられており、該ポンプセルのカソー
ド12には拡散バリア13が、該ポンプセルのアノード14に
は拡散バリア15が設けられていることを特徴とするポー
ラログラフ型センサ。 - 【請求項2】測定ガス中に無負荷の基準電極16が設けら
れており、前記基準電極は、該基準電極に対する複数個
の電極のうち少なくとも1つの電極の分極を測定するた
めのものである、請求項1記載のポーラログラフ型セン
サ。 - 【請求項3】内燃機関に供給される空気/燃料混合気の
構成成分の成分比を調整するために用いる、請求項1ま
たは2記載のポーラログラフ型センサ。
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