JP3571047B2 - ガス中の酸素含量検出装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガス例えば内燃機関の排気ガス中の酸素含量検出装置に関する。
従来技術
例えばZrO₂セラミックから成る濃淡電池を用いて、基準大気中の基準酸素含量に対比して、排気ガスの酸素含量を測定することが公知である。基準大気は、例えば周囲と隔離されているか又はほぼ隔離されている体積の周囲大気又は基準ガスによって形成される。排気ガスと基準ガスの酸素分圧が異なる際に、電池は起電力Unを発生する。この起電力Unは、ネルンストの式に相応して、酸素分圧の商の対数に依存する。公知の基準ガス組成の場合、起電力Unは電池の測定電極を介して取り出され、排気ガスの酸素含量の尺度として用いられる。その場合、制限されている基準ガス体積と関連して、問題が生じる。つまり、基準ガスの組成が変わってしまう。拡散プロセスにより、例えば酸素濃度が補償され、ひいては起電力Unが消失する。このことを回避するために、例えばドイツ特許出願公開公報第2906459号から、定電流源を用いて測定電極を介して濃淡電池にポンプ電流Ipを供給することが公知である。このポンプ電流は、基準ガス体積の絶えず酸素が排気ガスから供給されるようにする。このようにして一方では、酸素分圧の差を保持でき、他方では、前記ポンプ電流Ipにより、電解質及び電極の電気抵抗Riに関連して、電圧降下Ri＊Ipが生じる。この電圧降下Ri＊Ipは、電池の起電力Unを付加的に総合信号Un＋Ri＊Ipに重畳する。
発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、ガス中の酸素含量検出方法及び装置において、抵抗Riが温度に依存するために有効信号Unのノイズを形成する付加的な偏差Ri＊Ipを除去することである。
課題を解決するための手段
上記課題は本発明により、測定電極、固体電解質及び基準電極を有する、ネルンスト原理によって作動する少なくとも１つの濃淡電池を具備しており、
測定電極は、測定ガスと接触しており、基準ガス体積と接触している基準電極に、固体電解質を介して接続されており、
基準ガス体積と測定ガスとの間の粒子交換が少なくとも阻害されるように、基準ガス体積が測定ガスから分離されており、
測定電極と基準電極との間で取り出される濃淡電池の出力電圧が、測定ガスの酸素濃度と基準ガス体積の酸素濃度の差の尺度を示し、
接続状態で電流が生じるように、基準電極と測定電極との間に接続される電流源を具備しており、前記電流は、固体電解質の中で酸素が測定電極から基準電極に運ばれる方向に流れ、
スイッチを具備しており、第１の切換状態では、電流源を濃淡電池と接続し、第２の切換状態では、電流源を濃淡電池から分離し、従って分離状態では、測定電極と基準電極との間の電圧は、電流源の影響を受けない、測定ガスの酸素含量検出装置により解決される。
上記の装置を用いた測定ガス中の酸素含量検出方法では、スイッチが第２の切換状態にある場合、測定電極と基準電極との間の電圧に対する特性値を、酸素含量を検出するために用いる。
このようにして、測定ガスと基準ガスとの間で取り出される電圧に対する、ポンプ電流の温度に依存する影響を回避できる。従って、濃淡電池の温度のコストのかかる制御が不要である。
実施形態の説明
次に本発明を実施形態に基づき図を用いて詳細に説明する。
実施例では、測定ガスは、自動車の駆動源として従来用いられているような内燃機関の排気ガスである。
図１は、排気管の管壁１に取付けられている排気管内の排気ガスセンサ２を一部切欠して示す断面略図である。この管壁１は、内燃機関の排気ガス（左側）と周囲の大気（右側）を隔てる。排気ガスセンサは、排気ガス側の部分で、排気ガスにさらされている測定電極４と基準電極５との間に固体電解質３を有している。基準電極５と接触している基準ガス体積６は、排気ガスにも周囲空気にも直接接触していない。場合によって設けられる基準ガス体積のバイパスは、周囲空気に間接的に接続されることによって、例えば多孔性の測定リード線10によって形成される。基準電極と接続されている前記リード線10と、測定電極と接続されているリード線９との間で、直流電圧源８（Uv）と前置抵抗７（Rv）から成る電流源が、スイッチ12を介して接続されている。但し、単にポンプ電流源の実施形態としてのみ前記のことが実現される。ポンプ電流を、任意な別の方法で、例えば定電流源によって形成することができる。スイッチ12の切換状態に応じて、測定電極と基準電極との間の電圧USが異なって形成される。スイッチが非導通状態の場合、電圧USは、濃淡電池のネルンスト電圧Unと同じであり、スイッチが導通状態の場合、US＝Un＋Ri＊Ipが成り立つ。但し、Ipは電流源から供給されるポンプ電流を示し、Riは濃淡電池の内部抵抗を示す。
スイッチ12は、例えばトランジスタスイッチによって実現される。このトランジスタスイッチは、制御装置11によって信号Ｓを用いて、導通状態から非導通状態に交互に制御される。
非導通状態では、信号US＝Unは、温度に依存するRi＊Ipに無関係であり、排気ガスの酸素含量、例えば混合気制御の尺度として用いられる。
安定した基準ガス雰囲気を保持するために、スイッチ12が導通状態の場合、時間平均において、ポンプ電流Ipによる酸素の供給が、生じる酸素の損失より上回っていることが重要である。電圧測定が測定抵抗を介して電流測定に基づく場合、スイッチ12が非導通である場合、前記の損失は、電圧US＝Unを測定することによって必ず生じる。典型的には、1Vの排気ガスセンサの出力電圧Unの大きさの電圧測定領域では、メガオーム領域の測定抵抗が用いられる。測定電流は、マイクロアンペア領域での値をとる。電解質の中で前記測定電流は、基準ガス体積から、酸素イオンによって搬送される。従って、基準ガス体積の酸素濃度が、測定によって低下する。
このような効果が濃淡電池の起電力に与える影響を非常に少なくするために、有利には自動車用排気ガスセンサの範囲で適用されるような基準ガス体積に対して、測定時間を50〜150msに制限し、前記測定時間の約1/10をポンプ電流Ipの供給に費やす必要がある。例えば、１μＡの測定電流の場合100msの測定時間とすると、これらの値の積に相応する、基準ガス体積から酸素イオンによって搬送される電荷が、ポンプ電流Ipに置き換えられる。そのため、ここで選択された条件の範囲では、少なくとも10μＡのポンプ電流が必要である。安定した基準ガス組成を保証するために、このような最小のポンプ電流を２倍ないし３倍に高めることは、有意義である。測定時間の1/10の代わりに、測定時間の1/20から1/2までの値も、ポンプ時間として有利である。

Claims (4)

1. 測定電極、固体電解質及び基準電極を有する、ネルンスト原理によって作動する少なくとも１つの濃淡電池を具備しており、
   測定電極は、測定ガスと接触しており、基準ガス体積と接触している基準電極に、固体電解質を介して接続されており、
   基準ガス体積と測定ガスとの間の粒子交換が少なくとも阻害されるように、基準ガス体積が測定ガスから分離されており、
   測定電極と基準電極との間で取り出される濃淡電池の出力電圧が、測定ガスの酸素濃度と基準ガス体積の酸素濃度の差の尺度を示し、
   接続状態で電流が生じるように、基準電極と測定電極との間に接続される電流源を具備しており、前記電流は、固体電解質の中で測定電極から基準電極に酸素が運ばれるような方向に流れる、測定ガスの酸素含量検出装置において、
   スイッチを具備しており、第１の切換状態では、電流源を濃淡電池と接続し、第２の切換状態では、電流源を濃淡電池から分離し、従って分離状態では、測定電極と基準電極との間の電圧は、電流源の影響を受けず、且つ
   前記第１の切換状態と前記第２の切換状態の持続時間の 比は、第１の切換状態での基準ガス体積への酸素供給 が、第２の切換状態での基準ガス体積からの酸素流出を 時間平均において上回るように、前もって決められてい ることを特徴とする測定ガスの酸素含量検出装置。
2. 第１の切換状態の持続時間が、第２の切換 状態の持続時間の1/20から1/2までであることを特徴と する、請求項１に記載の装置。
3. 請求項１に記載の装置を用いた、測定ガス の酸素含量検出方法において、
   スイッチが第２の切換状態にある場合、測定電極と基準 電極との間の電圧に対する特性値を、酸素含量を検出す るために用いることを特徴とする、測定ガスの酸素含量 検出方法。
4. スイッチを２つの切換状態の間で周期的に 交互に切り換えることを特徴とする、請求項３に記載の 方法。

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