JP4488158B2 - ガス混合気におけるガス成分の濃度測定用センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン伝導性の固体電解質と、該固体電解質によって相互に分離された複数の電極とを有し、
前記複数の電極のうち外部電極はガス混合気にさらされており、内部電極は、拡散隔壁によりガス混合気から分離されている中空空間内に配設されている、ガス混合気におけるガス成分の濃度を測定するためのセンサに関している。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼混合気の空/燃比制御に用いられているセンサは公知であり、これはλ＝１の理論空燃比用センサまたはシュプルングセンサ“Sprungsonde”とも称されている（公知文献“Wiedenmann, Hoetzel, Neumann, Riegel und Weyl著の“Exhaust Gas Sensors, Automotiv Electronics Handbook, Ronald Jurgen, Chapter 6, Mcgraw-Hill 1995, ISBN 0-07-033189-8”参照）。このセンサは、固体電解質を用いたガルバニック酸素濃淡電池またはネルンストセルの原理方式に従って動作している。ガス非透過性の固体電解質として、酸化イットリウムによって安定化された酸化ジルコニウムからなるセラミックス（ジルコニアセラミックス）が用いられており、これは幅広い範囲でほぼ純粋な酸素イオン導電体である。触媒活性の白金−サーメット電極を備えた固体電解質は、雰囲気から排ガスを分離している。内部電極から外部電極への酸素イオンの移動によって相応の電界が形成され、電極における酸素濃度の分圧比に依存した電圧が当該電極から取り出せる。このセンサは、排ガス中の現下の空燃比が理論空燃比に相応する値近傍の狭い範囲でないと正確な測定はできない。つまり空気過剰率λ＝１の付近においてしか正確な測定はできない。故にそれを達成するガス混合気は熱力学的な平衡状態におかれた状態になければならない。
【０００３】
同様に、前述した公知文献中には、内燃機関の燃焼混合気の空/燃比制御のために用いらるセンサとして、限界電流式センサまたは限界電流方式で作動するマーガーセンサ（“magersonde”）とも称される希薄空燃比用センサが記載されており、このセンサでは、同じく酸化イットリウムによって安定化された酸化ジルコニウムからなる固体電解質上に被着された電極に対して一定のポンプ電圧が印加され、その比較的高い電位は外部電極に存在し、これがアノードを形成する。このポンプ電圧によって酸素イオンは、カソードからアノードへ、つまり内部電極から外部電極へポンピングされる。排ガスから内部電極を取囲む中空空間への酸素分子の補給は拡散隔壁によって阻害されるので、ポンプ電圧閾値の上方では電流飽和状態、いわゆる限界電流に達する。この限界電流は、排ガス中の酸素イオン濃度に比例する。この限界電流センサの特性曲線は、空気過剰数λが希薄側の排ガス（λ＞１）ではポンプ電流がほぼ線形の上昇を表わし、λ＝１で跳躍的な上昇を示す。それ故にこの限界電流センサは、希薄な排ガス中においてのみ正確な測定値を供給し、濃厚な排ガス、つまり酸素不足の排ガス（λ＜１）には特に適していない。
【０００４】
内燃機関の希薄なおよび濃厚な排ガスのもとでの測定に適しているガスセンサは、広領域ないし全領域空燃比ラムダセンサとも称され、前述した公知文献やドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４１０５１号明細書に記載れており、これは固体電解質上に被着された外部電極と内部電極の他にさらに、中空間内で内部電極に向き合うように配設された測定電極ないしネルンスト電極と、固体電解質によって中空空間から分離された基準ガスチャネル内に配設された基準電極とを有している。この基準ガスチャネルには基準ガスとして雰囲気（空気）が供給される。それによりこの広領域ラムダセンサは、２つのセルで構成されている。詳細にはその１つはポンプセルであり、これは外部電極と内部電極を有し、そこでは排ガス中の酸素濃度に応じて酸素が中空空間内にあるいは中空空間からポンピングされ、中空空間内で空気過剰率がλ＝１となるように調整される。もう１つはネルンスト電極と基準電極を備えた濃淡電池またはネルンストセルであり、これは中空空間内の酸素濃度に対するインジケータとして用いられる。ポンプセルの電極におけるポンプ電圧は、電気的な回路を介して次のように制御される。すなわち中空空間において常にλ＝１に相応する酸素濃度が存在するように制御される。測定技術的にはポンプセルの電極に印加されるポンプ電圧が、濃淡電池において、予め定められた電圧値が維持されるように選択される。それによりポンプセルの電極間を流れるポンプ電流が排ガス中の酸素濃度に比例した測定信号として用いられる。この広領域センサは、幅広いなラムダ領域（０.６５＜λ＞∞）で単調に上昇する測定信号を供給する。
【０００５】
【非特許文献１】
Wiedenmann, Hoetzel, Neumann, Riegel und Weyl著の“Exhaust Gas Sensors, Automotiv Electronics Handbook, Ronald Jurgen, Chapter 6, Mcgraw-Hill 1995, ISBN 0-07-033189-8”
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９４１０５１号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭にのべたような形式のセンサにおいて、ガス成分の十分に広範囲な濃度測定が、従来の広域酸素センサに比べて遙かに簡単な構造で実現でき低コスト化が図れるように改善を行うことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題は本発明により、作動モードの切換のための制御デバイスを含んだ電子制御装置が設けられており、前記電子制御装置は、限界電流方式による"広域空燃比センサ"としての切換可能な作動モードと、ポンピングされた基準量を伴う"理論空燃比センサ"としての切換可能な作動モードを切換え、さらに前記作動モードの切換に続いて生じる立上がり振動時間の経過後に測定を行う構成によって解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１の特徴部分に記載の本発明によるセンサは、排ガスセンサとして広領域な空気過剰率（λ）測定ないし空燃比測定に適用した場合に、ガス成分の十分に広領域な濃度測定が、公知の広領域センサよりも遙かに簡単な構造で実現できる利点を有している。なぜなら広領域センサの作動用電子回路によって一定に維持されなければならなかった付加的なガス基準部を省くことができるからである。本発明によるセンサの場合でも有利である、固定電解質の電極の触媒活性化作用を向上させるためのヒーターを考慮するもとで、基準電極の省略によって、電気的な端子の数が大幅に低減できる。本発明によるセンサの広領域特性は、公知の広域ないし全域空燃比センサのようにセンサ本体の構造によってではなく、電子制御回路技術、いわゆる制御エレクトロニクスによって達成される。従って設計仕様の実施もニーズに合わせて非常に容易に行える。
【０００９】
公知の限界電流式センサに比べて本発明によるセンサは、この限界電流式センサと同じセンサ本体構造のもとで次のような利点が得られる。すなわち、希薄な領域、つまり理論空燃比に比べてガス成分の濃度不足が顕著である場合においても、あるいは濃厚な排ガスのもとで排ガスセンサとして使用する場合においても、濃度不足ないしは過濃な排気ガスを一義的に表わす測定信号を供給することができることである。
【００１０】
本発明によるセンサは、センサ本体の構造に何ら変更を加えることなく、有利にはリーン・バーンモードで動作する内燃機関のもとで広領域空燃比測定のために利用できるだけでなく、専ら限界電流方式による希薄空燃比センサ、いわゆる“マーガーセンサ”としても、あるいはλ＝１の理論空燃比センサ、いわゆる“シュプルングセンサ”としても使用することができる。
【００１１】
本発明のさらに別の有利な実施例や構成例は従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明の有利な実施形態によれば、“マーガーセンサ”作動モードにおいて電極に対し、高電位の一定のポンプ電圧が外部電極に印加され、ガス成分濃度に対する尺度としてこのポンプ電流が測定され、それに対して“シュプルングセンサ”作動モードにおいては、電極における基準量のポンピングのために、内部電極から外部電極へ流れるアノード電流を伴う定電流電源が接続され、ガス成分濃度に対する尺度として電極電圧が測定される。この場合有利には、測定がそのつどの作動モード切換に続く立上がり振動期間の経過後に行われる。この場合希薄な排気ガスないしガス混合気における“シュプルングセンサ”作動モードと“限界電流センサ”作動モードの間の切換後の立上がり振動期間は、濃厚な排気ガスないしガス混合気における場合よりも短い。なぜならポンピングによる基準量が限界電流によって支援されるからである。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態によれば、作動モードの切換が、電子スイッチを用いた電子制御装置によっておこなわれ、それによって外部電極が選択的に定電圧電源または定電流源につながれ、それに同期してそのつどの測定出力側が接続される。
【００１４】
有利にはこのガスセンサは、内燃機関の排ガス中の酸素濃度測定のためのラムダセンサとして使用される。
【００１５】
【実施例】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。
【００１６】
図１に概略的に示されているのは、本発明によるガス混合気中のガス成分の濃度測定のためのセンサに対する一般的な実施例としての、内燃機関の排ガス中の酸素濃度を測定するためのラムダセンサである。このセンサは、内燃機関の排ガスないしはその他のガス混合気にさらされる扁平型のセンサ本体１０と、このセンサ本体１０に対する電子制御装置（制御エレクトロニクス）１１からなっている。このセンサ本体１０は、固体電解質、例えば酸化イットリウムで安定化されたジルコニアセラミックス１２を有しており、その中には例えば環状の中空空間１３が形成されている。この中空空間１３は、中央開口部１４（これはジルコニアセラミックス１２内に垂直方向に設けられている）を介して排気ガスと接触し得るが、但しこの開口部１４に対しては多孔質の拡散隔壁１５によってふさがれている。ジルコニアセラミックス１２の上方側には、多孔質の保護層２３で覆われた広い面積の外部電極１６が被着されており、中空区間１３内部では、該外部電極１６とは反対側の固体電解質に有利には狭い面積の内部電極１７が被着されている。この内部電極１７は、当該実施例においては環状であり、リード導体１８を介してアース電位２０に接続されている。それに対して同じように環状で、中央開口部１４を取囲んでいる外部電極１６は、リード導体１９を介して電子制御装置１１の接続端子２１に接続されている。中空空間１３下方のジルコニアセラミックス１２内部には、ヒーター２２が設けられている。このヒーター２２は、アルミナ（ＡＬ_２Ｏ_３）からなる絶縁部２４内に埋込まれており、２つの接続線路２２２及び２２３を介してヒーター電源Ｕ_Ｈに接続されている。このヒーター２２は、曲流ないし蛇行形状に構成されており、そのため図１中の断面図のセンサ本体１０内では、このヒータ２２の個々の蛇行状導体線路の断片的な輪郭が示されている。
【００１７】
電子制御装置１１は、制御デバイス２９によって制御された電子切換スイッチ２５を有しており、これは図１中では、２つの接続コンタクト２６，２７の間で切換られるスイッチングコンタクト２８を備えた機械的な切換スイッチ記号で示されている。一方の接続コンタクト２６には、ポンプ電圧Ｕ_ｐを供給する定電圧電源３０と測定抵抗３１からなる直列回路が接続されており、この場合測定抵抗３１は、接続コンタクト２６と定電圧電源３０の上方電位側（高電位側）の間に接続されている。定電圧電源３０の下方電位側（低電位側）はアース電位２０に接続されている。測定抵抗３１においてピックアップされた測定電圧Ｕ_ａは、電圧増幅器３２に供給される。該電圧増幅器３２の出力側は、第２の電子切換スイッチ３４の接続コンタクト３３に接続されている。この第２の電子切換スイッチ３４もスイッチングコンタクト３５とさらなる接続コンタクト３６を備えた機械的な切換スイッチ記号で示されている。この第２の電子切換スイッチ３４は、第１の切換スイッチ３４と同期して前記制御デバイス２９によって切換られている。第２の電子切換スイッチ３４の出力側３７は、制御デバイス２９に接続されている。その他にもこの制御デバイス２９の入力側は、電子制御装置１１の接続端子３８にも接続されており、この端子を介して該制御デバイス２９に、内燃機関の目下の作動状態を表わす状態量が供給される。
【００１８】
前記切換スイッチ２５の接続コンタクト２７には、定電流電源４０が接続されており、これは電源４１と高抵抗な抵抗４２で形成される。この場合この抵抗４２が接続コンタクト２７に接続されており、電源４１の上方電位側（高電位側）がアース２０に接続されている。接続コンタクト２７とアース電位２０の間でピックアップされる測定電圧Ｕ_Ｎは、第２の電圧増幅器３３に供給される。この第２の電圧増幅器の出力側は、前記第２の切換スイッチ３４の接続コンタクト３６に接続されている。制御デバイス２９によって実施される前記２つの切換スイッチ２５と３４の同期的な切換により、当該ラムダセンサは、一方では、限界電流方式による“マーガーセンサ”として作動し、他方ではポンピングされる基準量を伴った“シュプルングセンサ”として作動することが可能となる。
【００１９】
“マーガーセンサ”の作動モードでは、切換スイッチ２５と３４は、図１に示されているような位置となる。外部電極１６は、測定抵抗３１を介して定電圧電源３０の一定のポンプ電圧Ｕ_ｐの上方電位側（高電位側）に接続される。外部電極１６と内部電極１７の間で生じる固定のポンプ電圧Ｕ_ｐは、酸素イオンを内部電極１７から外部電極１６へポンピングする。拡散隔壁１５によって遮られている排気ガスからの酸素分子の補給により、限界電流ないしポンプ電流Ｉ_ｐが生じる。この電流は、排ガス中の酸素濃度に対する尺度となるものである。このポンプ電流Ｉ_ｐは、測定抵抗３１において測定電圧Ｕ_ａとしてピックアップされ、増幅器３２によって増幅され、切換スイッチ３４を介して制御デバイス２９に供給される。制御デバイス２９は、この測定電圧に相応して排ガス中の酸素濃度に対する実際量を形成し、これが電子制御装置１１の接続端子３９から、内燃機関の燃焼混合気の空燃比制御のために取出される。このラムダセンサは、図２中に実線で示されている特性曲線Ｕ_ａ＝ｆ（λ）で表わされる特性を有している。この場合前記空気過剰数λは横軸にプロットされ、ポンプ電流Ｉ_ｐの尺度を表わす測定電圧Ｕ_ａは縦軸にプロットされている。
【００２０】
前記切換スイッチ２５と３４が切換制御されて、それにより電子制御装置１１の接続端子２１が第１の切換スイッチ２５の接続コンタクト２７に接続され、第２の切換スイッチ３４の接続コンタクト３７が接続コンタクト３６に接続すると、前記２つの電極１６，１７への定電流電源４０の接続によって、外部電極１６はカソードに、そしてアノード電流が内部電極１７から外部電極１６に流れる。その結果として酸素イオンが外部電極１６から内部電極１７へポンピングされ、中空空間１３に酸素基準量が形成される。立上がり振動期間の経過した後に、前記電極１６と１７の間で測定電圧Ｕ_Ｎが得られる。この電圧量は排ガス中の酸素濃度によって定まる。この酸素センサは、図２中に破線で示されている特性曲線Ｕ_Ｎ＝ｆ（λ）で表わされる特性を有している。この場合も前記空気過剰数λは横軸に示され、前記測定電圧ないしネルンスト電圧Ｕ_Ｎは縦軸に示されている。
【００２１】
前記切換スイッチ２５，３４の切換制御は、次のように行うことができる。すなわち、“マーガーセンサ”の作動モードから、濃厚な排気ガスの存在の有無を識別するために、間隔をおいて短時間だけ“シュプルングセンサ”の作動モードへ切換えることが可能である。さらに付加的に、制御デバイス２９内には、濃厚な排気ガスが強制的に発生した際の内燃機関の状態量と共にプログラムがファイルされており、接続端子３８を介してそのような状態量が制御デバイス２９に通知されると、直ちに当該制御デバイス２９によってこの状態量の発生した期間の間は、当該ラムダセンサが“シュプルングセンサ”の作動モードに切換られる。測定電圧Ｕ_ａとＵ_Ｎは、そのつどの作動モード切換に伴う立上がり振動時間の経過後に初めてピックアップされる。この立上がり振動時間は、希薄な排気ガスにおける方が濃厚な排気ガスにおける方よりも少ない。なぜならポンピングされる基準量が酸素限界電流によって支援されるからである。希薄な排気ガスは、当該のラムダセンサの主流な作動状況でもある。
【００２２】
ポンピング方向の切換の際、つまり“マーガーセンサ”の作動モードから“シュプルングセンサ”の作動モードへの切換の際と、“シュプルングセンサ”の作動モードから“マーガーセンサ”の作動モードへの切換の際の無駄な体積をできるだけ少なくするために、中空空間１３の体積ができるだけ小規模となるように設計される。極端なケースでは、拡散隔壁１５は、内部電極１７が小さい場合では中空空間１３を完全に充填する。つまり内部電極１７に直接被着される。この拡散隔壁１５は、小電流の限界電流（例えば０.５mA〜３ｍA）に対して設計され、それによって、ポンピングされた基準量の伴う“シュプルングセンサ”の作動モードにおいては“限界電流センサ”の作動モードにおけるポンプ電流として生じるのとほぼ同じ位の電流を要するだけである。外部電極１６は、少ない内部抵抗を得るために、できるだけ大きく設計される。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の排ガス中の酸素濃度の測定のためのラムダセンサを示した図である。
【図２】図１によるセンサの空気過剰率に関する特性を示したグラフである。
【符号の説明】
１０ センサ本体
１１ 電子制御装置
１２ 固体電解質
１３ 中空空間
１４ 中央開口部
１５ 拡散隔壁
１６ 外部電極
１７ 内部電極
２０ アース電位
２２ ヒーター
２５ 電子切換スイッチ
２８ スイッチングコンタクト
３４ 電子切換スイッチ
３５ スイッチングコンタクト

Claims (12)

1. イオン伝導性の固体電解質（１２）と、該固体電解質（１２）によって相互に分離された複数の電極（１６，１７）とを有し、
   前記複数の電極のうち、外部電極（１６）は、ガス混合気にさらされており、内部電極（１７）は、拡散隔壁（１５）によりガス混合気から分離されている中空空間（１３）内に配設されている、ガス混合気におけるガス成分の濃度を測定するためのセンサにおいて、
   作動モードの切換のための制御デバイス（２９）を含んだ電子制御装置（１１）が設けられており
   前記電子制御装置（１１）は、限界電流方式による"広域空燃比センサ"としての切換可能な作動モードと、ポンピングされた基準量を伴う"理論空燃比センサ"としての切換可能な作動モードを切換え、さらに前記作動モードの切換に続いて生じる立上がり振動時間の経過後に測定を行うことを特徴とするセンサ。
2. 前記"広域空燃比センサ"作動モードにおいて、前記電極（１６，１７）にて、定電圧電源（３０）から取出される高電位のポンプ電圧（Ｕｐ）が外部電極（１６）に印加され、ガス成分の濃度に対する尺度として、ポンプ電圧（Ｕｐ）によって引き起こされたポンプ電流（Ｉｐ）が測定される、請求項１記載のセンサ。
3. "理論空燃比センサ"作動モードにおいて、前記電極（１６，１７）における基準量のポンピングに対し、内部電極（１７）から外部電極（１６）に流れるアノード電流を伴う定電流電源（４０）が接続され、ガス成分の濃度に対する尺度として電極電圧（ＵＮ）が測定される、請求項１又は２記載のセンサ。
4. 前記中空空間（１３）は中央開口部の空間よりも小規模な体積を有し、前記内部電極（１７）は外部電極よりも小面積となるように構成されている、請求項１から３いずれか１項記載のセンサ。
5. 前記中空空間（１３）は、拡散隔壁（１５）の一部によって完全にふさがれている、請求項４記載のセンサ。
6. 前記外部電極（１６）は、内部電極よりも大面積となるように構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のセンサ。
7. 前記制御デバイス（２９）は、前記外部電極（１６）を選択的に定電圧電源（３０）または定電流電源（４０）に接続する切換スイッチ（２５）を制御する、請求項１から６いずれか１項記載のセンサ。
8. 前記制御デバイス（２９）は、"広域空燃比センサ"作動モードの間に、間隔をおいて短時間だけ"理論空燃比センサ"作動モードに切換えるように構成されている、請求項１から７いずれか１項記載のセンサ。
9. 前記制御デバイス（２９）内に、ガス混合気中の測定すべきガス成分の濃度不足が存在するようなガス混合気発生部の状態量と共にプログラムがファイルされており、そのような状態量が現れている期間の間は、前記制御デバイス（２９）が"理論空燃比センサ"作動モードへの切換を行う、請求項１から８いずれか１項記載のセンサ。
10. 前記センサは、内燃機関の排ガス中の酸素濃度測定のためのラムダセンサとして使用され、その際には内燃機関の排気ガスがガス混合気を形成し、排ガス中に含まれる酸素はガス成分を形成する、請求項１から９いずれか１項記載のセンサ。
11. 前記固体電解質（１２）は、ガス非透過性である、請求項１から１０いずれか１項記載のセンサ。
12. 前記外部電極（１６）は、多孔質保護層（２３）によって覆われている、請求項１から１１いずれか１項記載のセンサ。

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