JP4388823B2 - 広帯域ラムダセンサの動作方法 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念による、燃料空気混合気でもって駆動する内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出するための広帯域ラムダセンサの動作方法に関する。

この種の公知の方法（ＤＥ １９８ ３８ ４６６ Ａ１）においては、結果として測定値を劣化させるラムダセンサにおける分極作用を低減するために、カソードとしての極性を有するポンプ電流が流れるラムダセンサのリーン運転モードの比較的長い期間後に、スイッチング手段によってポンプ電流がインパルス状に反転され、その結果リーン運転モードにおいては通常カソードとして動作する内部電極が短時間アノードとしての特性を有するように負荷が加えられ、ポンピングされる酸素イオンの移動方向が反転する。短時間ポンプ電流の極性を変換するインパルスの周波数および持続時間は、ネルンストセルの測定電極またはネルンスト電極と基準電極との間の検出電圧またはネルンスト電圧に依存して選定される。

長時間のリーン運転モードにおいてラムダセンサの測定値を劣化させる内部電極の同様の分極作用を低減するために、既にＤＥ １０１ １６ ９３０においては、長時間のリーン運転モードにおいて極端なデューティ比でもってポンプセルのポンプ動作を実施することが提案されており、この際ポンプセルを介して外部ポンプ電極から内部ポンプ電極へと流れるアノードとしての極性を有するポンプ電流は非常に短い間隔で反転される。

発明の利点
請求項１の特徴を備えた広帯域ラムダセンサの本発明による動作方法は以下の利点を有する。すなわち、排気ガスに晒される構成部材、例えば酸化触媒および粒子フィルタの機能の保護または維持または改善の理由から、燃料ポスト噴射が内燃機関の燃焼室において行われる内燃機関のリーン運転モードの間では、ラムダセンサはこれに伴う排気ガスにおける燃料の添加によって、センサの測定感度は変化しないという利点を有する。そのようなポスト噴射は例えば触媒の下流側に接続されている粒子フィルタを再生するために行われ、排気ガス中の未燃焼の炭化水素は第一にラムダセンサ後方の触媒において燃焼、すなわち酸化される。燃料ポスト噴射は触媒の完全な機能に可能な限り迅速に到達するために例えば内燃機関の暖機走行段階における冷態始動時にも触媒を急速に加熱するために実施される。燃料ポスト噴射時のセンサの測定感度の損失ないし低減は、燃料ポスト噴射時にリッチガスがリーン運転モードにおいて作動しているセンサに当たり、拡散バリヤを通って測定空間に到達する炭化水素を酸化するためには、カソードとしての極性を有するように負荷されたポンプセルの内部電極（カソードポンプ電流）が十分に触媒的にはアクティブではないということに起因する。測定空間においては炭化水素の濃度が上昇する。これによって炭化水素濃度勾配が拡散バリヤによって低減し、炭化水素の流入が減少する。

同一の作用が、「高速ライトオフ（fast light-off）」の概念でラムダセンサへの電流供給の開始からラムダセンサの機能が完全になるまでの時間として定義されているラムダセンサの始動段階または加熱段階において生じる。この段階においては、拡散バリヤを通って測定空間に拡散される炭化水素を酸化するためにはポンプセルの内部電極はまだ十分には触媒的にはアクティブではない。

ここで本発明によるポンプ電圧の反復的な極性変換でもって、ポンプセルの内部電極が短時間アノードとしての極性を有するように負荷されることによって酸素イオンが測定空間に向かってポンピングされ、この測定空間において炭化水素を酸化する。ポンプ電圧の極性変換の反復率が高く十分に選定される場合には、センサのダイナミクスは変化しない。電極温度が十分に高い場合には、酸素輸送をポンプ周波数に効果的に追従させることができ、ＨＣ転化の触媒作用は改善される。

別の請求項に記載されている措置によって請求項１に示されている方法の有利な実施形態および改善形態が実現される。

本発明の有利な実施形態によれば、ポンプ電圧を反復的に極性変換するために、ポンプセルに一定の振幅を有する電圧パルスのパルス列が印加され、ネルンストセルのネルンスト電圧に依存する電圧パルスのパルス幅変調によって効果的なポンプ電流が調節される。

本発明の択一的な実施形態においては、ポンプ電圧を反復的に極性変換するために、ポンプセルに一定のパルス幅を有する電圧パルスのパルス列が印加され、ネルンストセルのネルンスト電圧に依存する電圧パルスの振幅の変化によって効果的なポンプ電流が調節される。

本発明の有利な実施形態によれば、１０〜２０００Ｈｚ、有利には５００Ｈｚのパルス列の周波数が選定される。パルス列の周波数が内燃機関の燃料空気混合気の調節を目的として、ラムダセンサのラムダ信号の呼出レートに等しく選択されるならば、この方法を用いて例えば５００℃の低い動作温度を有するセンサも動作させることができる。

本発明の有利な実施形態によれば、ポンプセルのパルス動作は内部電極の触媒的な特性を維持するために、内燃機関のリーン運転モードおよびリッチ運転モードにおいても一貫して保たれる。これによって広帯域ラムダセンサを制御するための制御装置のコンセプトにおけるハードウェア的およびソフトウェア的な簡略化が得られる。さらに付加的に、例えば冒頭で述べたように、ネルンスト電圧に重畳され、センサをいわゆるリッチドリフトにする分極電圧の除去のような公知の利点が達成される。

図面
本発明を図面に示した実施例に基づき以下に詳細に説明する。概略的な図面において、
図１は、広帯域ラムダセンサの制御のためにブロック回路図と関連させた広帯域ラムダセンサの断面図であり、
図２から図５はそれぞれ、最大限に可能な電圧振幅についてのポンプセルに印加されるポンプ電圧のグラフである。

実施例の説明
図１に概略的な断面図で示されている広帯域ラムダセンサは、内燃機関を駆動させる燃料空気混合気を調節するための制御信号を得るために、内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出するために使用される。ラムダセンサ１０は固体電解質１４に配置されている測定電極１２と基準電極１３、並びに同様に固体電解質１９に配置されている外部ポンプ電極、略してＡＰＥとも称される外部電極１８と、（ネルンスト電極と同一の電位にあるので）内部ポンプ電極略してＩＰＮとも称される内部電極１７とを備えたポンプセル１６を有する。固体電解質１４、１９として酸化イットリウム安定化されている酸化ジルコニウムが使用される。基準電極１３は基準チャネル１５内に配置されており、この基準チャネル１５には基準ガス、通常は空気が供給されている。ポンプセル１６の内部電極１７はネルンスト電極とも称されるネルンストセル１１の測定電極１２と共に測定空間２０内に配置されており、この測定空間２０は拡散バリア２１を介して内燃機関の排気ガスと関連づけられている。外部電極１８は多孔性の保護層２２によって覆われており、直接的に排気ガスに晒される。ラムダセンサ１０にはさらに加熱装置２３が属し、この加熱装置２３はいわゆる加熱メアンダ（Heizmaeander）として形成されている。加熱装置２３には加熱電圧Ｕ_Ｈが印加され、加熱装置は例えば７８０°の一定の動作温度に保持される。

ラムダセンサ１０を動作させるために、このラムダセンサ１０は制御装置２４と接続されており、この制御装置２４は内燃機関における燃料空気混合気を調節するための制御信号を生成する。図１には内燃機関がブロック３１として示されており、制御装置２４による内燃機関の制御は信号線２５によってシンボリックに示されている。ポンプセル１６は制御装置２４と端子２６および２７を介して接続されており、ここで外部電極１８は端子２６と接続されており、内部電極１７は端子２７と接続されている。ネルンストセル１１は端子２７および２８を介して制御装置２４と接続されており、ここで測定電極１２は端子２７と接続されており、基準電極１３は端子２８と接続されている。端子２７と端子２８との間では検出電圧またはネルンスト電圧Ｕ_Ｎを取り出すことができ、また端子２６、２７にはポンプ電圧Ｕ_Ｐが生じる。制御装置２４はここには図示していない調整回路を有し、この調整回路を用いてポンプ電圧Ｕ_Ｐがネルンスト電圧Ｕ_Ｎに依存して調節される。ネルンスト電圧Ｕ_Ｎは測定電極１２と基準電極１３とが晒されている酸素比率に依存している。制御装置２４はさらに電圧パルス発生器２９と、電圧インパルスまたは電圧パルスのパルス幅を制御するためのパルス幅変調器３０とを有する。

前述の制御装置２４を用いてラムダセンサは以下の方法に従い動作する。

測定電極１２と基準電極１３との間に存在する酸素濃度差に基づき、所定のネルンスト電圧Ｕ_Ｎが生じる。このネルンスト電圧Ｕ_Ｎは測定空間２０における酸素濃度に対する尺度である。ネルンスト電圧Ｕ_Ｎに依存して、ポンプセル１６に印加されるポンプ電圧Ｕ_Ｐが調節され、このポンプ電圧Ｕ_Ｐはポンプセル１６を介してポンプ電流Ｉ_Ｐを運ぶ。排気ガスの酸素含有量に応じて、このポンプ電流Ｉ_Ｐは（図１に示されているような）カソードとしての極性を有するように、またはアノードとしての極性を有するように、すなわち前者の場合においては外部電極１８はアノードとして動作し、また内部電極１７はカソードとして動作し、後者の場合においては反対に外部電極１８がカソードとして動作し、また内部電極１７はアノードとして動作する。リーン領域の燃料空気混合気による内燃機関３１の安定した駆動時には、ポンプ電流Ｉ_Ｐはカソードとしての極性を有し、すなわちポンプセル１６の内部電極１７はカソードとしての極性を有するように負荷が加えられている。フェット領域にある燃料空気混合気でもって内燃機関３１が安定して駆動する場合には、ポンプ電流Ｉ_Ｐはアノードとしての極性を有し、すなわちポンプセル１６の内部電極１７はアノードとしての極性を有するように負荷が加えられている。前者の場合においては酸素イオンが測定空間２０から出るようにポンピングされ、後者の場合においては酸素イオンが排気ガスから測定空間２０に入るようにポンピングされる。ポンプ電圧Ｕ_Ｐは測定空間２０において一定の酸素濃度が生じるように調整され、この酸素濃度により例えば結果として４５０ｍＶの一定のネルンスト電圧が生じる。生じたポンプ電流Ｉ_Ｐは排気ガスにおける酸素濃度に対する尺度であり、測定電圧として検知される。特性曲線からは所属のλ値が決定される。

内燃機関３１のリーン運転モードにおいて、すなわちリーン領域にある燃料空気混合気でもって内燃機関３１が駆動する場合には、所定の動作ケースに対して、例えば触媒の下流側に配置されている粒子フィルタの再生のために制御装置２８によって燃料ポスト噴射がトリガされ、燃焼プロセスによって例えば粒子処理のための粒子フィルタにおいて比較的高い温度が達成される。このポスト噴射時には未燃焼の炭化水素が排気ガスに達し、この炭化水素は酸化触媒において燃焼され、したがって粒子フィルタを加熱する。ラムダセンサ１０は酸化触媒の上流側に配置されているので、未燃焼の炭化水素はラムダセンサ１０に達する。リーン運転モードにおいてカソードとしての極性を有するように負荷が加えられているポンプセル１６の内部電極１７は、拡散バリヤ２１を介して測定空間２０に到達する炭化水素を酸化するためには触媒作用は十分ではない。冒頭で述べたように、これによってラムダセンサ１０の感度が不定に低下する。しかしながらポスト噴射の間にラムダセンサ１０を制御するためには、リーンな排気ガス成分およびフェットな排気ガス成分を完全に検知することが必要である。このためにリーン運転モードにおける燃料ポスト噴射の期間中に、ポンプ電圧Ｕ_Ｐの短時間の極性変換が反復的に行われ、その結果内部電極１７が反復的にアノードとしての極性を有するように負荷が加えられ、短時間逆方向のポンプ電流Ｉ_Ｐが生じる。これによって酸素イオンが測定空間２０へとポンピングされ、この測定空間２０においては酸素イオンが炭化水素を酸化する。ここでこの炭化水素転化によって再びカソードとしての極性を有するポンプ電流Ｉ_Ｐにおいて測定空間２０からの酸素輸送が可能である。極性変換の周波数が十分に高く選定される場合には、ラムダセンサ１０のダイナミクスは変化しない。ラムダセンサ１０の温度が十分に高い場合には、酸素の輸送はポンプ周波数に効果的に追従することができ、炭化水素転化の触媒作用は改善される。

ポンプセル１６におけるポンプ電圧Ｕ_Ｐの反復的な極性変換は、電圧インパルス発生器２９において形成される一定の振幅を有する電圧パルスのパルス列がポンプセル１６に印加されることにより達成され、パルス幅変調器３０を用いることにより電圧パルスの幅ないし大きさがネルンスト電圧Ｕ_Ｎに依存して、効果的なポンプ電流Ｉ_Ｐが生じるように変化される。ポンプ電流Ｉ_Ｐの実効値は、内燃機関３１のリーン運転モードおよびリッチ運転モードにおいてラムダセンサ１０の公知の直流電流運転モードにおけるポンプ電流Ｉ_Ｐに等しい。

図２には、ポンプセル１６におけるポンプ電圧Ｕ_Ｐと時間ｔの関係がリーン運転モード、リッチ運転モードおよび燃料ポスト噴射によるリッチガスでのリーン運転モードに関して概略的に示されている。ここでは単にポンプセル１６の内部電極１７に対する外部電極１８における最大ポンプ電圧のみが示されている。見て分かるように、リーン運転モードにおいては外部電極１８はアノードとしての極性を有するように負荷が加えられており、その結果カソードとしての極性を有するポンプ電流が流れ、このポンプ電流によって酸素イオンが測定空間２０から出るようにポンピングされる。内燃機関の混合気の組成が変化し、排気ガス中の酸素不足が検出されると、ポンプ電圧Ｕ_Ｐの極性が変換され、ここで内部電極１７はアノードとしての極性を有するように負荷が加えられる。これによって酸素イオンが排気ガスから測定空間２０に入るようにポンピングされ、その結果測定空間２０における酸素濃度はポスト噴射に起因する短時間のリッチ運転モードにおいても一定に保持される。図２の最後の部分には燃料ポスト噴射時のリーン運転モードにおけるポンプ電圧Ｕ_Ｐが示されている。ポンプ電圧Ｕ_Ｐの周期的な切り替えによって、それ自体はカソードとしての極性を有するポンプ電流Ｉ_Ｐが短時間アノードとしての極性を有するポンプ電流ＩPに反転され、このアノードとしての極性を有するポンプ電流Ｉ_Ｐの実効値は負の電圧インパルスの幅によって設定されている。

ラムダセンサ１０の既述の動作方法の変形では、燃料ポスト噴射が持続している間のポンプ電圧Ｕ_Ｐの反復的な極性変換を、一定のパルス幅を有する電圧パルスのパルス列を用いても実現することができる。この場合には、効果的なポンプ電流Ｉ_Ｐがネルンストセル１６のネルンスト電圧Ｕ_Ｎに依存する電圧パルスの振幅の変化によって調節され、このことは図３においてポスト噴射時の「リーン運転モードにおけるリッチガス」の領域に示されている。

パルス列の周波数は図２および図３の両方の場合において１０から２０００Ｈｚの間に選定されている。ここでは５００Ｈｚの周波数が好適であると判明した。有利には、制御装置２４がポスト噴射をアクティブにしている時間に加熱装置２３を介してラムダセンサ１０の動作温度が例えば７８０°から８８０°に高められる。

択一的に電圧パルスのパルス列がクロックを用いて同期され、このクロックによってラムダ信号、すなわち生じた効果的なポンプ電流Ｉ_Ｐが燃料空気混合気の調節を制御するために呼び出される。この場合には、既述の方法を例えば５００°の比較的低い動作温度を有するラムダセンサ１０に使用することもできる。

既述のポンプセル１６の反復的な極性変換は、ポスト噴射の段階以外にもラムダセンサ１０の始動段階または加熱段階においても既述のやり方で実施される。何故ならばこのような段階でもラムダセンサ１０の感度は、ポンプセル１６の内部電極１７の触媒的な作用が僅かであることによって妨害されているからである。ラムダセンサ１０の始動段階または加熱段階はいわゆる「高速ライトオフ」によって、すなわちラムダセンサ１０の電流供給の開始からラムダセンサの機能が完全になるまでの時間によって設定されている。

電子回路を簡略化するために、ポスト噴射中および／または「高速ライトオフ」の間のラムダセンサ１０のパルス動作を、リーン領域およびリッチ領域におけるラムダセンサ１０の全体の運転モードに拡張することもでき、このことは図４および図５の電圧グラフに示されている。図２および図３について説明したものと同様のやり方で、リーン運転モードにおいてもリッチ運転モードにおいても、また既述のように、燃料ポスト噴射によるリーン領域におけるリッチガスにおいても、効果的なポンプ電流Ｉ_Ｐは一定の振幅を有する電圧パルスのパルス幅変調によるか（図４）、一定のパルス幅を有する電圧インパルスの振幅変化によって調節することができる。

本発明は広帯域ラムダセンサの図示して説明した構造に制限されるものではない。同一の方法を、ＤＥ １９９ ４１ ０５１ Ａ１に記載されているように、修正された平面構造の広帯域ラムダセンサを動作させるためにも使用することができる。

広帯域ラムダセンサを制御するためのブロック回路図と関連づけられた広帯域ラムダセンサの断面図である。 ポンプセルに印加されるポンプ電圧のグラフである。 ポンプセルに印加されるポンプ電圧のグラフである。 ポンプセルに印加されるポンプ電圧のグラフである。 ポンプセルに印加されるポンプ電圧のグラフである。

Claims (7)

1. 基準チャネル（１５）において基準ガスに晒される基準電極（１３）および測定電極（１２）を備えたネルンストセル（１１）と、排気ガスに晒される外部電極（１８）および、前記測定電極（１２）を備え拡散バリヤ（２１）によって前記排気ガスと隔てられている測定空間（２０）内に配置されている内部電極（１７）を備えたポンプセル（１６）とを有する、燃料空気混合気でもって駆動する内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出するための広帯域ラムダセンサ（１０）の動作方法であって、
   前記ポンプセル（１６）にポンプ電圧（Ｕ_P）を印加し、該ポンプ電圧（Ｕ_P）を、前記測定空間（２０）における酸素濃度に対応し、前記ネルンストセル（１１）において取り出されるネルンスト電圧（Ｕ_N）に依存して調節し、前記排気ガスの酸素含有量に応じて、リーン領域にある燃料空気混合気でもって前記内燃機関が安定して動作する場合（リーンモード）には前記外部電極（１８）がアノードとして動作し、且つ前記内部電極（１７）がカソードとして動作するようにポンプ電流（Ｉ _P ）が前記ポンプセル（１６）を介して流され、リッチ領域にある燃料空気混合気でもって前記内燃機関が安定して動作する場合（リッチモード）には前記外部電極（１８）がカソードとして動作し、且つ前記内部電極（１７）がアノードとして動作するようにポンプ電流（Ｉ _P ）が前記ポンプセル（１６）を介して流され、
   前記リーンモードの間に反復的に短時間ポンプ電圧（Ｕ_P）の極性を変換させ、短時間逆方向のポンプ電流（Ｉ_P）を生じさせる、広帯域ラムダセンサ（１０）の動作方法において、
   前記ポンプ電圧（Ｕ_P）の反復的な極性変換を前記内燃機関（３１）の前記リーンモードにおける燃料ポスト噴射の期間中および前記ラムダセンサ（１０）の加熱段階の間に行うことを特徴とする、広帯域ラムダセンサ（１０）の動作方法。
2. 前記ポンプ電圧（Ｕ_P）を反復的に極性変換するために、前記ポンプセル（１６）に一定の振幅を有する電圧パルスのパルス列を印加し、前記ネルンストセル（１１）のネルンスト電圧（Ｕ_N）に依存する前記電圧パルスのパルス幅変調によってポンプ電流（Ｉ_P）を調節する、請求項１記載の方法。
3. 前記ポンプ電圧（Ｕ_P）を反復的に極性変換するために、前記ポンプセル（１６）に一定のパルス幅を有する電圧パルスのパルス列を印加し、前記ネルンストセル（１１）のネルンスト電圧（Ｕ_N）に依存する前記電圧パルスの振幅の変化によってポンプ電流（Ｉ_P）を調節する、請求項１記載の方法。
4. 前記パルス列の周波数を１０から２０００Ｈｚに選定する、請求項２または３記載の方法。
5. 前記パルス列の周波数を、前記内燃機関（３１）の燃料空気混合気の調節のためにラムダ信号の呼出レートに等しく選定する、請求項２または３記載の方法。
6. 前記ポスト噴射の期間および／または前記ラムダセンサ（１０）の加熱段階にわたり、該ラムダセンサ（１０）の動作温度を上昇させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記ポンプセル（１６）のパルス動作を前記内燃機関（３１）のリーンモードおよびリッチモードにおいて一貫して保持する、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。

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