JP3705812B2 - 混合気中の酸素濃度の測定のための測定装置を制御する方法及び回路装置 - Google Patents

Description

従来技術
混合気中の酸素濃度、殊に内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出するための測定装置が公知である。その種の測定装置は、測定センサ中の酸素濃度の測定検出を介して排ガス内燃機関の作動のため燃料空気混合気のセッティング状態を調整するために用いられる。燃料空気混合気は、所謂濃厚な領域にある場合がある。換言すれば、燃料が化学量論的に過剰になると、排ガス中には他の部分的に未燃焼である成分に比して、少量の酸素しか存在しなくなる。燃料空気混合気中の空気の酸素が多いいわゆる稀薄な領域では、排ガス中の酸素濃度が相応に高い。燃料空気混合気の化学量論的な組成では、排ガス中の燃料も酸素も低減されている。
排ガス中の酸素濃度の測定では、いわゆるλセンサが公知である。このλセンサは、稀薄領域では１より大きいλ値を検出し、濃厚領域では１より小さいλ値を検出し、化学量論的領域では、１に等しいλ値を検出する。公知のλセンサにより検出された検出器電圧は、回路装置に供給される。この回路装置を使用して、公知の測定装置では検出器電圧は、測定センサに対するポンピング電圧に変換される。該測定センサもまた、測定装置の一部であり、排ガスにさらされる。ここでは、測定センサはポンピングセルとして機能し、該ポンピングセルでは被測定混合気内に存在する酸素濃度に応じて酸素イオンが、測定センサの第１電極から第２電極へポンピングされる。λセンサが、濃厚な領域すなわち１より小さいλ（ラムダ）値を検出するか、または１より大きいλ値を検出するかに応じて、回路装置のアクティブな入力側に接続された測定センサの電極が、カソードとして接続されているか、又はアノードとして接続されているかが、当該の回路装置を介して定まる。測定センサの第２電極はアースに接続されているので、測定センサでは、濃厚な測定ガスの場合にはアノード限界電流が生じるか、または稀薄ガスの場合にはカソード限界電流が生じる。化学量論的な運転の場合、即ち、λ値が１になる場合、ポンピング電圧はほぼ０となり、限界電流は流れない。
公知の回路装置における欠点は、正、ないし負のポンピング電圧を発生するために電流反転回路を設けなければならないことであり、該電流反転回路は基準センサから供給された検出器電圧を介して制御される。その種の測定装置は、例えばＤＥ−ＰＳ３５１５５８８から公知である。
発明の利点
請求の範囲１及び７による本発明の方法及び回路装置により得られる利点は、最も簡単な手段で、測定センサの制御のためのポンピング電圧を達成できることである。検出器電圧の特性経過がポンピング電圧の測定のために直接使用され、有利には、検出器電圧に電圧値を加えて該検出器電圧をシフトさせることにより、唯一の加算器で、検出電圧を測定センサの制御のためにポンピング電圧として直接的に使用することが可能となる。上記の検出器電圧に加えられる電圧によって、該検出器電圧のシフトが生ぜしめられ、ジャンプポイントが検出器電圧の零点の近くに位置するように当該の検出器電圧のシフトが生ぜしめられ、高価な電流反転回路、比較回路及びフィードバック（帰還）回路が省かれる。前記ジャンプポイントとはすなわち、濃厚領域から希薄領域へ移行が行われるポイントのことである。検出器電圧に対するポンピング電圧の直接的な依存性、即ち、ポンピング電圧と検出器電圧との直接的な関係性により、基準センサにより求められたλ値のシフトの際にポンピング電圧が自動的に帰還制御され、得られたアノード側限界値又はカソード側限界値を、燃料空気混合気の混合比を調整する装置の制御のために測定量として直接使用できる。回路装置のために使用される構成要素がごく僅かになるので、ポンピング電圧の生成の際の誤った偏差が回避される。
別の有利な発展形態は、サブクレームに記載された他の構成から実現される。
次に本発明を図を用いて１実施例について説明する。
図１は、測定装置の等価的な電気回路図である。
図２は、測定装置の制御のための回路装置の回路図である。
図３は、所要のポンピング電圧の特性経過図である。
図４は、送出された検出器電圧の特性経過図である。
図５は、送出された検出器電圧から中間電圧への移行の様子を示す特性経過図である。
図６は、検出器電圧から生ぜしめられたポンピング電圧の特性経過図である。
実施例の説明
図１は混合気中の酸素濃度の測定のための測定装置の等価的な電気回路図である。この測定装置全体は、１０によって示されている。その種の測定装置１０は例えば、内燃機関の排ガス中の酸素濃度の測定のために使用され、それによって内燃機関を作動させる燃料空気混合気調整のための制御信号が得られる。測定装置１０は、基準センサ１２及び測定センサ１４を有する。基準センサ１２は、第１電極１６と第２電極１８を有し、前記電極間には固体電解質２０が設けられている。電極１６は、測定すべき混合気に晒され、電極１８は基準ガス、例えば空気に晒される。固体電解質２０は例えば、酸化イットリウムにより安定化されたジルコニアからなり、電極１６、１８は、例えば白金からなり、固体電解質上に焼結されている。基準センサ１２の電極１６は、測定装置１０の端子２２に接続されている。測定センサ１４は、第１電極２４と第２電極２６から成り、前記電極間に１つの固体電解質２６が設けられている。電極２４もまた、測定すべき混合気に直接晒され、電極１６は拡散バリヤ２８を介して、同様に混合気にさらされている。固体電解質２６もまた、例えば、酸化イットリウムにより安定化されたジルコニアからなり、その固体電解質上に、電極２４及び２６が白金層として焼結されている。電極２４は、測定装置１０の第２端子３０に接続されている。基準センサ１２の電極１８と測定センサ１４の電極２６とは、相互に接続されており、かつ、測定装置１０の第３の端子３２に接続されている。測定装置１０の端子２２、３０、３２は、図１には示していない回路装置に接続されている。
次に、図１に示す測定装置の機能について説明する。
測定装置１０は、測定すべき混合気に晒される。ここで前記混合気は、基準センサ１２の電極１６及び測定センサ１４の電極２４に直接接触する。測定すべき混合気中に存在する酸素濃度に基づき、基準センサ１２の電極１６、１８にて酸素濃度差が生じる。基準センサ１２は端子２２を介して、定電流を供給する電流源と接続されている。酸素濃度差が存在することにより、所定の検出器電圧Ｕ_Ｄが生じる。基準センサ１２は、λセンサとして動作し、該λセンサは混合気中に高い酸素濃度又は低い酸素濃度が存在するかを検出する。酸素濃度により明らかになることは、内燃機関を作動するための燃料空気混合気が、濃厚混合気であるかまたは希薄混合気であるかということである。濃厚領域から希薄領域へ変化する場合、またはその逆の場合、検出器電圧Ｕ_Ｄは低下ないしは上昇する。化学量論的なモードの場合、即ち１に等しいλ値の場合、検出器電圧Ｕ_Ｄはジャンプ点（図４）を有する。このジャンプ点は、稀薄領域から濃厚領域への移行、ないしはその逆方向の移行を表している。
図１には示されていない回路装置を用いて、検出器電圧Ｕ_Ｄは、ポンピング電圧Ｕ_Ｐの検出のため使用され、該ポンピング電圧は、端子３０と３２との間で測定センサ１４に供給される。検出器電圧Ｕ_Ｄを介して燃料空気混合気が濃厚領域内にあるかまたは稀薄領域内にあるかが指示されるのに応じて、ポンピング電圧Ｕ_ｐは負または正となり、電極２４がカソード又はアノードとして接続される。これに相応してポンピング電流Ｉ_Ｐが生じ、該ポンピング電流は測定装置３４を介して測定される。ポンピング電流Ｉ_Ｐによって、電極２４から電極１６へ、又はその逆方向に酸素イオンがポンピングされる。化学量論的な燃料空気混合気の場合、即ち、検出器電圧Ｕｐがジャンプ点に位置する場合、ポンピング電圧は０に近い値をとるので、ポンピング電流Ｉ_Ｐは流れない。測定装置３４により検出されたポンピング電流Ｉ_Ｐ を使用して、内燃機関を作動させるための燃料空気混合気の調整用の装置が制御される。このことは、ここでは詳細に説明されない。
図２には、回路装置３６が示されており、該回路装置には測定装置１０が接続されている。図１と同じ部分には同じ符号が付されており、ここでは再度説明しない。回路装置３６は、第１の入力側３８を有し、該入力側は測定装置１０の端子２２と接続されている。回路装置３６の第２入力側４０は、測定装置１０の端子３０に接続されている。測定装置１０の端子３２は回路装置３６の第３入力側４２に接続されており、該第３入力側４２はアースに接続されている。回路装置３６は。オペアンプとして構成されたインピーダンス変換器４４を有し、該インピーダンス変換器の入力側は、回路装置３６の第１入力側３８に接続されている。インピーダンス変換器４４の１つの出力側は、加算器４８の第１入力側４６に接続されている。加算器４８の第２入力側５０は、定電圧源５２に接続されている。該定電圧源は、図示の実施例では５００ｍＶの電圧を有する。加算器４８の出力側５４は、オペアンプとして構成された増幅器５８の入力側５６に接続されている。増幅器５８は例えば、増幅度２の増幅器として構成される。増幅器５８の出力側６０は、回路装置３６の第２入力側４０、ひいては測定装置１０の端子３０に接続されている。
図２に示す回路装置３６は、次のような機能を果たす。
回路装置３６の入力側３８、４０には検出器電圧Ｕ_Ｄが加わる。この検出器電圧は、インピーダンス変換器４４を介して導かれる。このインピーダンス変換器は、別の変形実施例では省くことができる。上記インピーダンス変換器は、低周波信号処理部へのインピーダンスのマッチングを行う。ここで検出器電圧Ｕ_Ｄは、加算器４８の第１入力側４６に印加され、加算器４８の第２入力側には、５００ｍＶの定電圧が印加される。従って、加算器４８の出力側５４には、５００ｍＶの値だけ加算された検出器電圧Ｕ_Ｄが現れる。この検出器電圧は、入力側５６を介して増幅器５８に供給される。この増幅器は増幅度２を有するので、増幅器５８の出力側６０に、５００ｍＶが加算された後に２倍に増幅された検出器電圧Ｕ_Ｄが現れる。この検出器電圧はここで、直接的に、即ち、更なる影響を受けずに、測定装置１０の端子３２及び３０にポンピング電圧Ｕ_Ｐとして加わる。検出器電圧Ｕ_Ｄ をこのように簡単に処理することによって、ポンピング電圧Ｕ_Ｐが検出器電圧Ｕ_Ｄの特性経過に相応して制御されることが達成され、検出器電圧Ｕ_Ｄの特性経過からポンピング電圧Ｕ_Ｐに対して最適な信号が得られる。検出器電圧Ｕ_Ｐ に５００ｍＶを加算することにより、ポンピング電圧Ｕ_Ｐが濃厚領域にて負であることが確保され、その結果測定センサ１４を介してアノード限界電流が流れる。検出器電圧Ｕ_Ｄがジャンプ点に位置する領域では、要するに、λ値が１である場合、ポンピング電圧Ｕ_Ｐは０の近くに位置するので、ポンピング電流Ｉｐは、流れない。
次に図３〜図６を用いて、個々の電圧特性経過を説明する。
図３には、ポンピング電圧Ｕ_Ｐの所要の電圧経過を示す。ここでは、ポンピング電圧Ｕ_Ｐは濃厚領域において負であり、稀薄領域において正でなければならない。それにより、一方ではアノード限界電流が流れ、他方ではカソード限界電流が流れる。１に等しいλ値の場合、ポンピング電圧Ｕ_Ｐは領域０に等しくなり、その結果電流Ｉｐは流れない。
図４には、基準センサ１２により検出された検出器電圧Ｕ_Ｄの電圧経過を示す。この検出器電圧は、カソード電流Ｉが一定であるから、完全に負の領域内にあり、電圧経過は、基準センサ１２にて測定された酸素濃度差を表す。濃厚領域、即ち、測定すべき混合気中ないしは排ガス中の酸素が不足している場合、検出器電圧Ｕ_Ｄの信号は、酸素が過剰に存在する稀薄領域よりも小さい。
図５に基づいて、回路装置３６の加算器４８の動作を説明する。検出器電圧Ｕ_Ｐには、５００ｍＶの定電圧値が加算され、その結果、加算器４８の出力側３４ないし、増幅器５８の入力側５に電圧カーブＵ_Ｄ１が現れる。上記電圧Ｕ_ｐ１は、増幅器５８を用いて２倍に増幅され、図６に示す電圧経過が生じる。この電圧経過は、すでに図３に示された必要なポンピング電圧Ｕ _Ｐ の経過に相応する。ここで上記電流経過は、定電圧値を単に加算して増幅することにより、濃厚領域では負であり、稀薄領域では正になる。濃厚領域と稀薄領域との間における移行領域では、ポンピング電圧は、所望のように０の近くに位置し、その結果ポンピング電流Ｉ_Ｐは流れない。簡単に検出器電圧Ｕ_Ｐの電圧経過からポンピング電圧Ｕ_Ｐの経過が導き出されるのが理解できる。

Claims (6)

1. 混合気、例えば内燃機関の混合気中の酸素濃度の測定のための測定装置の制御方法であって、酸素濃度に相応する、基準センサから送出された検出器電圧が回路装置により測定センサに対するポンピング電圧へ変換されるようにし、また、検出器電圧（Ｕ_Ｄ）の特性経過を、直接的にポンピング電圧（Ｕ_Ｐ）の経過の測定のために使用するようにした当該の方法において、
   検出器電圧（Ｕ_Ｄ）に電圧値を加算し、
   該電圧値によって、検出器電圧（Ｕ_Ｄ）のシフトを発生させ、検出器電圧（Ｕ_Ｄ）のジャンプ点が零点の近くに位置するようにし、
   加算された検出器電圧（Ｕ_Ｄ１）を増幅し、加算された増幅された検出器電圧（Ｕ_Ｄ）をポンピング電圧（Ｕ_Ｐ）として使用することを特徴とする、混合気中の酸素濃度測定のための測定装置を制御する方法。
2. 該検出器電圧（Ｕ_Ｄ）に加算すべき固定的な電圧値が５００ｍＶであることを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
3. 加算された検出器電圧（Ｕ_Ｄ１）の増幅度は２倍であることを特徴とする請求の範囲１または２記載の方法。
4. 混合気中の酸素濃度の測定のための測定装置を制御する回路装置であって、基準センサの第１入力側と、測定センサの第１入力側に接続された第２入力側と、基準センサ及び測定センサの第２入力側に接続された第３入力側とを有し、第１と第３の入力側との間に基準センサの検出器電圧が加わり、第２と第３の入力側との間に測定センサに対するポンピング電圧が送出されるように構成されている当該の回路装置において、
   前記回路装置の第１入力側（３８）は、加算器（４８）の第１入力側（４６）に接続されており、前記加算器（４８）の第２入力側（５０）には加算電圧が加わり、前記加算器の出力側（５４）は、増幅器（５８）を介して回路装置（３６）の第２入力側（４０）と接続されていることを特徴とする、混合気中の酸素濃度の測定のための測定装置を制御する回路装置。
5. 回路装置（３６）の第１入力側（３８）と加算器（４８）の第１入力側（４６）との間にインピーダンス変換器（４４）が挿入接続されていることを特徴とする請求の範囲４記載の回路装置。
6. 増幅器（５８）は増幅度２倍の増幅器であることを特徴とする請求の範囲４または５記載の回路装置。

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