JP4410881B2 - 測定センサの温度調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、混合気、例えば内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を測定するために測定センサを温度調整するための方法であって、酸素濃度に相応する、ネルンスト測定セルによって供給される検出電圧を評価し、測定センサを加熱装置を用いて作動温度に調整しかつカレントな作動温度をネルンスト測定セルの交流電流内部抵抗の測定から求める形式の方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この形式の測定センサは公知である。この形式の測定センサは、内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出を介して、内燃機関を作動するための燃料空気混合気の調整設定を前以て決めるために用いられる。燃料空気混合気は所謂濃縮領域にある可能性があり、即ち燃料は化学量論的に過剰な状態にあり、この場合は排気ガス中には、その他の部分的に未燃焼の成分に比べて僅かな量の酸素しか存在していない。燃料空気混合気において空気の酸素が勝っている所謂希薄領域では、排気ガス中の酸素濃度は相応に高い。
【０００３】
排気ガス中の酸素濃度を検出するために、所謂λセンサが公知である。これは、希薄領域において、＞１のλ値を検出し、濃縮領域において＜１を検出しかつ化学量論的な領域ではλ値＝１を検出する。この場合測定センサのネルンスト測定セルは公知のように、検出電圧を発生し、この検出電圧は回路装置に供給される。この場合検出電圧は、測定ガスに曝されている電極と参照ガスに曝されている、ネルンスト測定セルの電極との酸素濃度差によって求められる。排気ガス中の酸素濃度に相応して、検出電圧は上昇するか、またはそれは低下する。この場合、ネルンスト測定セルの電極間に、酸素イオンを透過する固体電解質体が配置されている。
【０００４】
この形式の測定センサは、活性領域において、固体電解質の必要なイオン伝導性を実現するためには、約３００℃より上方の温度に加熱されなければならない。測定センサの測定精度を高めることを可能にするために、測定センサの作動温度をコントロールしかつ必要に応じて調整操作することが公知である。このために、測定センサに加熱装置を配属させることが公知であり、この場合加熱装置は測定センサにおいて測定された作動温度に依存して閉じられたり、開かれたりする。
【０００５】
作動温度を求めるために、ネルンスト測定セルに交流電圧を印加しかつ測定装置によって測定センサの交流電流抵抗を求めることが公知である。
【０００６】
この公知の方法では、温度に依存した交流電流抵抗を求めるために、電極、固体電解質並びに電極のリード線の交流電流抵抗は一定であることから出発していることは不都合である。この場合、リード線の抵抗は作動状態においてネルンスト測定セルの全抵抗の約５０％にもなる。製造時に生じるばらつきに基づいてリード線抵抗は比較的大きなばらつきにさらされているので、ネルンスト測定セルの交流電流抵抗を求める測定装置はこのばらつきに相応する誤差を有している。測定装置は交流電流抵抗の温度により生じる変動のこの種のばらつき誤差を上乗せしかつ測定センサの加熱装置に対して相応にエラーが含まれている調整信号を提供する。これにより、測定センサは誤った作動温度に調整される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の方法をこのような欠点が取り除かれるように改良することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この課題は本発明によれば請求項１の特徴部分に記載のように、測定センサの始動および／または再始動の際に、ネルンスト測定セルの電極のリード線の交流電流内部抵抗を求め、該求められたリード線の交流電流内部抵抗を、作動温度を求める際に、リード線抵抗の製造に起因して生じる許容偏差または老化に起因する抵抗変化を排除するために使用することによって解決される。
【０００９】
本発明の方法は、従来技術に比して、測定センサの作動温度を正確な調整状態に持っていくことができるという利点を有している。測定センサの始動ないし再始動の際に、ネルンスト測定セルの電極のリード線の交流電流内部抵抗を求めかつ求められたカレントなリード線内部抵抗を作動温度を求める際に考慮することによって、抵抗値の、製造により規定されて生じる変動を除去することができる。それから測定センサの作動の期間に測定される、ネルンスト測定セルの交流電流内部抵抗は実際に、温度変動に基づいてのみ変動するので、測定装置から供給される、加熱装置に対する調整信号を大きな精度で形成することができる。殊に、測定センサの再始動の際にリード線内部抵抗を繰り返し測定することによって、老化が原因で生じる抵抗変化を考慮することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の別の実施形態において、リード線のカレントな交流電流内部抵抗は、全体の交流電流内部抵抗が測定される、加熱装置の短い過熱フェーズによって求められるようにしている。この測定された交流電流内部抵抗から、電極の抵抗成分および電極間の固体電解質の抵抗成分に対する一定の値が減算される。これにより、測定センサの正確なリード線内部抵抗が得られる。更に、カレントなリード線内部抵抗を求める際に、電極の温度係数を考慮すると、有利であり、そうすれば、実際のリード線内部抵抗を求める際の精度が高められる。
【００１１】
請求項７に記載の特徴を有する本発明の方法により更に、測定センサの過熱が回避されるという利点が生じる。測定センサの作動の期間、殊に測定センサの遮断フェーズにおいて、ネルンスト測定セルの電極のリード線の交流電流内部抵抗を求めかつこの求められたカレントな交流電流内部抵抗を作動温度を求める際に考慮することによって、測定センサの作動の期間に有利にも、交流電流内部抵抗の変動を考慮することができる。これにより、測定センサの加熱装置は、意図的にスイッチオンもしくはスイッチオフされ、これにより、測定センサに熱応力断裂を引き起こすやもしれない、測定センサの過熱が回避される。殊に、測定センサの作動温度では固体電解質体の内部抵抗は非常に小さくなるので、ネルンスト測定セルに対するリード線抵抗における変動は相応に著しく強く作用する。
【００１２】
本発明の別の有利な実施例は、その他の従属請求項に記載されている。
【００１３】
【実施例】
次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。
【００１４】
図１において測定センサ１０が測定ヘッドを切った断面にて示されている。プレーナ形の広帯域測定センサとして実現されておりかつ上下に重ねて配置された多数の層から成っている。これら層は例えば、シートを流し込んで成形したり、スタンピングしたり、シルクスクリーンをかけたり、積層化したり、切断したり、焼結したりまたは類似のようにして構造化することができる。層構成の実現法については、本発明の説明の枠内では、このことは周知であるので、詳しく説明しないものとする。
【００１５】
測定センサ１０は、内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を測定して、内燃機関を作動する燃料空気混合気を調整設定するための制御信号を得るために用いられる。測定センサ１０はネルンスト測定セル１２およびポンプセル１４を有している。ネルンスト測定セル１２は第１電極１６および第２電極１８を有している。これらの電極の間には、固体電解質２０が配置されている。電極１６は拡散バリヤ２２を介して測定すべき排気ガス２４に曝されている。測定センサ１０は測定用孔２６を有しており、そこに排気ガス２４が供給されるようになっている。測定用孔２６の底部には拡散バリヤ２２が延在しており、その際拡散バリヤは中に電極１６が配置されている中空室２８が形成されるようにしている。ネルンスト測定セル１２の電極１８は参照空気通路３０に配置されておりかつ参照空気通路３０に供給される参照ガス、例えば空気にさらされている。固体電解質２０は例えば、イットリウム酸化物安定化されたジルコニウム酸化物から成っており、一方電極１６および１８は例えば、白金およびジルコニウム酸化物から成っている。
【００１６】
測定センサ１０はここには略示されているにすぎない回路装置３２に接続されている。回路装置は、測定センサ１０の信号の評価および測定センサ１０の制御のために用いられる。電極１６および１８はこの場合入力側３４ないし３６に接続されており、これらにネルンスト測定セル１２の検出電圧Ｕ_Ｄが現れる。
【００１７】
ポンプセル１４は第１の電極３８並びに第２の電極４０から成っており、これらの電極の間に電解質４２が配置されている。電解質４２はこの場合も例えば、イットリウム酸化物安定化されたジルコニウム酸化物から成っており、一方電極３８および４０はこの場合も、白金およびジルコニウム酸化物から成っていることができる。電極３８は同様に中空室２８に配置されており、従って同様に拡散バリヤ２２を介して排気ガス２４に曝されている。電極４０は多孔性である保護層４４によって被覆されているので、電極４０は排気ガス２４に直接曝されている。電極４０は回路装置３２の入力側４６に接続されており、一方電極３８は電極１６に接続されておりかつ電極１６と一緒に、回路装置３２の入力側３４に接続されている。
【００１８】
測定センサ１０は更に、加熱装置５０を有している。加熱装置は所謂ミアンダ状発熱体によって形成されておりかつ回路装置３２の入力側５２および５４に接続されている。入力側５２および５４に、調整回路５６を用いて、加熱電圧Ｕ_Ｈを加えることができるようになっている。
【００１９】
測定センサ１０の働きは次の通りである：
排気ガス２４は測定用孔２６および拡散バリヤ２２を介して中空室２８に、従ってネルンスト測定セル１２の電極１６およびポンプセル１４の電極３８に加わる。測定すべき排気ガス中に存在している酸素濃度に基づいて、電極１６と参照ガスに曝されている電極１８との間に酸素濃度差が生じる。接続端子３４を介して電極１６は、一定の電流を供給する回路装置３２の電流源に接続されている。電極１６および１８において存在する酸素濃度差に基づいて、所定の検出電圧（ネルンスト電圧）Ｕ_Ｄが生じる。ネルンスト測定セル１２はこの場合、排気ガス２４において、高い酸素濃度かまたは低い酸素濃度が存在しているかを検出するλセンサとして動作する。酸素濃度に基づいて、内燃機関を作動する燃料空気混合気が濃縮混合気であるかまたは希薄混合気であるかが明らかである。濃縮領域から希薄領域への移行またはその逆の移行の際に、検出電圧Ｕ_Ｄは低下もしくは上昇する。
【００２０】
回路装置３２を用いて、ポンプセル１４がその電極３８ないし４０の間に印加されるポンプ電圧Ｕ_Ｐを求めるために検出電圧Ｕ_Ｄが使用される。検出電圧Ｕ_Ｄを介して、燃料空気混合気が濃縮領域にあることが信号報知されるかまたは希薄領域にあるかことが信号報知されるかに応じて、ポンプ電圧Ｕ_Ｐは負または正であり、その結果電極４０はカソードまたはアノードとして接続されている。相応に、回路装置３２の測定装置を介して測定可能であるポンプ電流Ｉ_Ｐが生じる。ポンプ電流Ｉ_Ｐを用いて、酸素イオンが電極４０から電極３８にまたはその逆にポンピングされる。測定されたポンプ電流Ｉ_Ｐは、内燃機関を作動する燃料空気混合気を調整設定するための装置を制御するために用いられる。
【００２１】
調整装置５６を介して、回路装置３２の出力側５４および５２に、加熱電圧Ｕ_Ｈが現れて、これにより加熱装置５０をスイッチオンもしくはスイッチオフすることができる。加熱装置５０によって測定センサ１０は約３００℃以上の作動温度にすることができる。排気ガス２４の速度変動および／または排気ガス２４の温度変動に基づいて、測定センサ１０は排気ガス２４を介して所定の変動する熱エネルギーが加えられることになる。排気ガス２４を介する測定センサ１０の加熱に応じて、加熱装置５０をスイッチオンもしくはスイッチオフすることが必要である。測定センサ１０のカレントな作動温度を求めるために、回路装置３２は測定回路５８を有している。この測定回路を介して、回路装置３２までのリード線も含めたネルンスト測定セル１２の交流電流内部抵抗が測定可能である。ネルンスト測定セル１２の交流電流内部抵抗は周知のように温度に依存しているので、ネルンスト測定セル１２の測定された交流電流内部抵抗によって作動温度を推定することができる。求められた作動温度に依存して、測定回路５８は加熱制御部５６に対して信号６０を供給する。
【００２２】
図２に示されている、ネルンスト測定セル１２の等価回路図に基づいて、ネルンスト測定セル１２の交流電流内部抵抗の求め方について詳細に説明したい。
【００２３】
ネルンスト測定セル１２の全体の交流電流内部抵抗Ｒ_ｉは、部分抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４およびＲ_５から合成されている。抵抗Ｒ_１は固体電解質２０の内部抵抗から生じ、抵抗Ｒ_２は電極１６の交流電流内部抵抗から生じ、抵抗Ｒ_３は電極１８の交流電流内部抵抗から生じ、抵抗Ｒ_４は電極１６から接続端子３４へのリード線の交流電流内部抵抗から生じ、抵抗Ｒ_５は電極１８から接続端子３６へのリード線の交流電流内部抵抗から生じる。
【００２４】
交流電流内部抵抗Ｒ_１，Ｒ_２およびＲ_３は、測定センサ１０の構造的な形状に基づいて既知である。抵抗Ｒ_４およびＲ_５はリード線の構造化に依存しており、それは普通シルクスクリーンを用いて被着される導体路によって形成されているので、製造に規定される変動を受けているているものである。抵抗Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３は、例えば作動温度では１０Ωであり、一方抵抗Ｒ_４＋Ｒ_５は例えば４０および８０Ωの間にある可能性がある。従ってそれ自体同一に構成されている測定センサ１０では、例えば５０ないし９０Ωの、ネルンスト測定セル１２の種々異なった交流電流内部抵抗が発生する可能性がある。
【００２５】
測定センサ１０の始動もしくは再始動の際、加熱装置５０を介して測定センサ１０は短時間過熱される。この加熱フェーズの期間に、測定回路５８によってネルンスト測定セル１２の交流電流抵抗が求められる。この場合周知のように、ネルンスト測定セル１２に交流電圧が印加され、それは本来の検出電圧Ｕ_Ｄに重畳されている。交流電流抵抗を求めることは一般に公知であるので、本発明の説明の枠内では詳しく説明しないものとする。
【００２６】
測定センサ１０の短時間の過熱の期間に測定回路５８を用いて求められる交流電流抵抗Ｒ_ｉから、既知の抵抗Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３の和が減算され、その結果ネルンスト測定セル１２のリード線のカレントな交流電流抵抗Ｒ_ｉ＝Ｒ_４＋Ｒ_５を求めることができる。従ってこれは測定センサ１０に対して個別に求められてものであり、ここでは既にリード線抵抗の製造に規定されて生じる変動は考慮されている。
【００２７】
従って、ネルンスト測定セル１２の今や分かった全体の交流電流内部抵抗は、Ｒ_ｉ＝Ｒ_１＋Ｒ_２＋Ｒ_３＋カレントに測定されるＲ_４＋Ｒ_５から得られるものである。従って、加熱装置５０のスイッチオンもしくはスイッチオフを介して行われる、ネルンスト測定セル１２の交流電流抵抗Ｒ_ｉの、例えば１００Ωへの引き続く調整の際には、リード線の実際の内部抵抗を考慮することができる。ネルンスト測定セル１２の作動中の交流電流内部抵抗の調整の際に製造に規定されて生じる許容偏差を排除することによって、測定センサ１０は「正しい」作動温度で作動することができる。
【００２８】
ネルンスト測定セル１２のカレントなリード線抵抗Ｒ_４＋Ｒ_５の測定は例えば固定的に決めることができる間隔において行うことができ、即ち通例は車両のスタートの際である測定センサ１０の再始動の都度ではなくて、ｎ番目毎の再始動時にだけその都度、即ち１０１回目の始動時にその都度行われる。これにより、例えば実際のリード線交流電流抵抗を測定するための繰り返される過熱による、加熱装置５０ないし測定センサ１０の過剰な老化は回避される。従って、全体として、測定センサ１０の作動の際に、測定装置５８の制御信号６０を、ネルンスト測定セル１２の実際の交流電流内部抵抗に合わせることができ、その際ネルンスト測定セル１２のリード線抵抗の製造に規定されて生じる許容偏差は排除されている。従ってこの補正された信号６０に応じて、加熱回路５６を介して、測定センサ１０の作動温度を調整するための加熱装置５０のスイッチオンもしくはスイッチオフが行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定センサの断面図である。
【図２】測定センサのネルンスト測定セルの等価回路図である。
【符号の説明】
１０ 測定センサ、 １２ ネルンスト測定セル、 １４ ポンプセル、 １６，１８．３６，３８ 電極、 ２２，４２ 固体電解質、 ２４ 排気ガス、３２ 回路装置、 ５０ 加熱装置、 ５６ 調整回路、 ５８ 測定回路、Ｒ_ｚ 交流電流内部抵抗、 Ｕ_Ｄ 検出電圧、 Ｕ_Ｈ 加熱電圧、 Ｕ_Ｐ ポンプ電圧

Claims (6)

1. 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定するための測定センサを温度調整するための方法であって、
   前記測定センサはネルンスト測定セルを有し、
   酸素濃度に相応する、前記ネルンスト測定セルから送出される検出電圧を評価し、
   前記測定センサを加熱装置を用いて作動温度に調整し、
   現在の作動温度を前記ネルンスト測定セルの交流電流内部抵抗の測定から求める
   形式の方法において、
   前記測定センサ（１０）の始動および／または再始動の際に、前記ネルンスト測定セル（１２）の電極（１６，１８）のリード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を求め、
   該求められたリード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を、前記作動温度を求める際に、リード線抵抗の製造に起因して生じる許容偏差または老化に起因する抵抗変化を排除するために使用する、
   ことを特徴とする測定センサの温度調整方法。
2. 始動および再始動の都度、前記リード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を求める
   請求項１記載の測定センサの温度調整方法。
3. ｎ番目の再始動の都度、前記リード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を求める
   請求項１記載の測定センサの温度調整方法。
4. 前記リード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を求める間、前記測定センサ（１０）を作動温度以上に加熱（過熱）する
   請求項１から３までのいずれか１項記載の測定センサの温度調整方法。
5. 前記ネルンスト測定セル（１２）の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｉ）を求め、
   該交流電流内部抵抗（Ｒ_ｉ）から、前記電極（１６，１８）および固体電解質（２０）の既知の交流電流内部抵抗（Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３）を減算し、
   これにより前記リード線の交流電流内部抵抗を求める
   請求項１から４までのいずれか１項記載の測定センサの温度調整方法。
6. 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を測定するために測定センサを温度調整するための方法であって、
   前記測定センサはネルンスト測定セルを有し、
   酸素濃度に相応する、前記ネルンスト測定セルから送出される検出電圧を評価し、
   前記測定センサを加熱装置を用いて作動温度に調整し、
   現在の作動温度を前記ネルンスト測定セルの交流電流内部抵抗の測定から求める
   形式の方法において、
   作動中に、ネルンスト測定セル（１２）の電極（１６，１８）のリード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を求め、
   該求められたリード線の交流電流内部抵抗（Ｒ_ｚ）を、作動温度を求める際に、リード線抵抗の製造に起因して生じる許容偏差または老化に起因する抵抗変化を排除するために使用する
   ことを特徴とする測定センサの温度調整方法。

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