JP4500042B2 - ガス・センサの作動方法およびその方法を実施する装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼過程からの排気ガス内の少なくとも１つのガス成分を検出するガス・センサの作動方法および方法を実施する装置に関するものである。

専門書「オットー・サイクル・エンジン管理／Ｂｏｓｃｈ」、Ｖｉｅｗｅｇ出版社、１９９８年８月１日刊、２０−２３頁に、燃焼過程からの排気ガス内の空気比λに対する尺度を供給するλセンサが記載されている。上記λセンサの作動方式は、固体電解質を有する酸素濃淡電池の原理に基づいている。ガス透過性白金層からなる電極が表面に設けられている。白金の触媒活性により、排気ガスは酸素分圧での後燃焼により平衡状態に置かれるので、平衡分圧が設定される。λ値の一義的な測定は、白金電極において反応ガスの熱力学的平衡を設定可能なときにのみ可能である。排気ガスに晒される電極の触媒作用のほかに、電極は、拡散バリヤとして作用する保護層により覆われていなければならず、保護層を通過して制限されたガス量のみが電極に到達することになる。

排気ガス中の酸素成分のほかに、電極間に存在するセラミック固体電解質の温度がセンサ電圧に著しい影響を有している。公称作動温度はメーカー側から与えられている。公称作動温度は具体的な温度値であってもよいが、特に例えば３００℃−４００℃の範囲であってもよい。排気ガス温度とは独立に公称作動温度に急速に到達させることは、電気加熱を用いて可能である。

ドイツ特許公開第１０１４７４０８号から、λセンサの公称作動温度での作動のほかに、センサ表面から異物を排除するために、λセンサの周期的に短時間の高い作動温度での作動が行われることが既知である。

ドイツ特許公開第１９９４４５５５号から、センサ加熱のためのエネルギー供給手段を備えたλセンサが既知であり、エネルギー供給手段は、短い第１の作動過程において、公称作動以上に存在する高いλセンサ急速加熱電力を供給し、それに続く第２の作動過程において、λセンサを定常作動させるための公称作動に対応する正規電力を供給する。λセンサ内に正規電力段へ切り換えるための時間制御が設けられているので、電力制御は必要ではない。

本発明の課題は、排気ガス・センサの拡張作動を可能にする、ガス・センサの作動方法および方法を実行するための装置を提供することである。

本発明は、ガス・センサを加熱するための加熱エネルギー供給手段を備えた、燃焼過程からの排気ガス内の少なくとも１つのガス成分を検出するガス・センサの作動方法において、ガス・センサが、少なくとも一時的に、ガス・センサの触媒作用部分に熱力学的平衡が発生する公称作動温度以下の低下作動温度で作動される。

本発明の作動方法を実施する装置には、加熱電力の固定設定の低下により、低下作動温度を設定する加熱エネルギー供給手段が設けられている。
また、本発明の作動方法を実施する装置には、ガス・センサの作動温度実際値信号によって調節されている可変加熱電力により、前記低下作動温度を設定する加熱エネルギー供給手段が設けられている。

本発明による方法は、例えば電極を包囲する保護層および／または電極それ自体のような触媒作用部分内における触媒活性を、適切に低下および設定することを可能にする。
熱力学的平衡の達成が適切に制限可能なので、排気ガス組成が同じ場合でも、ガス・センサから供給される排気ガス信号は変化し、これにより、拡散バリヤとして作用する保護層内および／または電極内の動的過程は、増大する影響を保持することになる。

酸素よりも急速に保護層内および／または電極内へ拡散することが原因である、例えば排気ガス内のメタンＣＨ₄の排気ガス信号への影響は、本発明の方法により低下させることができる。

本発明による方法は、作動温度において区別されるタイプ数の増大は必要がないので、排気ガス・センサの製造コストを低下させる。したがって、排気ガス・センサは一様に製造可能なので、大量生産が可能となる。

本発明による方法は、更に有利な形態および変更態様が可能であるである。
理論燃焼の範囲内においては残留酸素濃度は数十乗の割合で変化するので、ガス・センサは、理論燃焼過程の排気ガスにおいて排気ガス信号のステップ状変化が発生するネルンスト電池の原理に基づくように設計されている。例えばメタンに対する横方向感度は、適切に低下させることができる。したがって、排気ガス・センサに拡張適用範囲が想定される。

有利な形態は、低下作動温度が、排気ガス・センサの作動温度実際値信号の決定なしに、制御作動において設定されるように設計されている。この処置により、本発明の方法の簡単な実施が可能となる。

他の形態により、ガス・センサの作動温度実際値信号が測定され、且つ所定の作動温度目標値信号としての低下作動温度に制御されるように設計されている。この処置により、作動温度の低下作動温度への調節が保証される。

一変更態様は、燃焼過程の少なくとも２つの異なる運転方式が設定され、およびガス・センサが、第１の運転方式においては少なくとも一時的に低下作動温度で、且つ他の運転方式においては公称作動温度で作動されるように設計されている。この変更態様は、吸蔵触媒を含む内燃機関の排気装置内に配置されているガス・センサの作動に適し、この場合、吸蔵触媒が、第１の運転方式において、吸蔵運転および再生運転の間で周期的に切り換えられて作動される。

再生運転の間における低下作動温度でのガス・センサの作動は、横方向感度の適切な低下を可能にする。即ち、例えば排気ガス内に含まれているメタンの排気ガス信号への影響が低下される。特に、再生過程の終了を検出するために、吸蔵触媒後方に排気ガス・センサが使用されてもよい。例えばメタンが原因となり得る、排気ガス信号の事前の変化が回避される。

加熱エネルギー供給の簡単な形成は切換作動により可能であり、切換作動において、ガス・センサのヒータが、周期的に切り換えられて、投入過程においては電圧源と結合され、且つ遮断過程においては電圧源から切り離されている。加熱電力は、両方の過程の少なくとも一方の時間の調節により設定される。

本発明によるガス・センサの作動方法、並びにこの方法を実施する本発明による装置の有利な形態および変更態様は、以下の説明から明らかである。

図１は、内燃機関１２の吸気系１０および排気系１１を示す。排気系１１は、第１、第２および第３の部分排気系１３、１４、１５を含む。吸気系１０に負荷センサ１６が配置され、負荷センサ１６は負荷信号１７を制御装置１８に出力する。内燃機関１２に回転速度センサ１９が設けられ、回転速度センサ１９は回転速度信号２０を制御装置１８に出力する。第１の部分排気系１３に第１の排気ガス・センサ２１が設けられ、且つ第３の部分排気系１５に第２の排気ガス・センサ２２が設けられている。第１の排気ガス・センサ２１は第１の排気ガス信号２３を制御装置１８に出力し、第２の排気ガス・センサ２２は第２の排気ガス信号２４を制御装置１８に出力する。第１および第２の部分排気系１３、１４の間に第１の触媒２５が設けられ、第２および第３の部分排気系１４、１５の間に第２の触媒２６が設けられている。制御装置１８は運転方式選択手段２８を含み、運転方式選択手段２８は、少なくとも負荷信号１７および／または回転速度信号２０の関数として運転方式を決定する。制御装置１８は、燃料供給信号２７を内燃機関１２に出力する。

以下の説明において、内燃機関１２は自動車内に配置されていると仮定する。
制御装置１８は、例えば負荷信号１７、回転速度信号２０、第１および第２の排気ガス信号２３、２４のような入力信号の関数として、並びに例えば加速ペダル位置に対応するドライバにより設定されるトルク希望のような詳細には図示されていない他の入力信号の関数として、燃料供給信号２７を決定する。

内燃機関１２の排気ガスを浄化するために、第１および第２の触媒２５、２６が設けられている。第１の触媒２５は、例えば三元触媒であり、第２の触媒２６は、例えば吸蔵触媒、特にＮＯｘ吸蔵触媒である。運転方式選択手段２８は、負荷信号１７、および／または回転速度信号２０、および／または詳細には図示されていないドライバのトルク希望、並びに場合により他の信号の関数として、内燃機関１２の運転方式を決定する。

第１の運転方式は、（ＮＯｘ）吸蔵触媒として形成されている第２の触媒２６を排気ガス浄化に使用する。第１の運転方式内の第１の運転過程において、内燃機関１２は、空気比 λ＞１ に対応するリーン混合物で運転される。第１の運転過程はより少ない燃料消費量を特徴とする。多量に発生するＮＯｘは、第２の触媒２６内に吸蔵される。吸蔵容量は制限されているので、第２の触媒２６は、第１の運転方式内の第２の運転過程において再生されなければならない。再生は、第２の触媒２６の形態の関数として、例えば排気ガス内に含まれている炭化水素、水素、および一酸化炭素により達成可能である。これらの物質のリッチ化は、第２の運転過程において、空気比 λ＜１ に対応する内燃機関１２のリッチ運転により達成される。

第２の運転方式は、第２の触媒２６が特に排気ガス浄化に使用されないように行われる。内燃機関１２は、空気比 λ＝１ に対応する少なくともほぼ理論的な燃焼における高いトルクで運転可能である。三元触媒として形成されていてもよい既存の第１の触媒２５が、第２の運転方式においてのみ排気ガスを十分に浄化可能であるかぎり、ＮＯｘの発生は低下されている。

第１の排気ガス信号２３は、本質的に、内燃機関１２の混合物組成を制御可能にするために、空気比の実際値を供給するように設けられている。第２の排気ガス信号２４は、本質的に、第２の触媒２６の再生過程の終了を検出するために設けられている。

排気ガス・センサ２１、２２から供給される排気ガス信号２３、２４は、排気ガス・センサ２１、２２の作動温度の関数である。今日使用されている排気ガス・センサ２１、２２は、温度を公称作動温度に調節するためのヒータを含み、この場合、公称作動温度は、温度範囲が設定されていてもよいものと理解される。一般に、メーカー側において、公称作動温度が仕様とされているのみならず、それを保持することにより公称作動温度を保持することが可能な公称加熱電力ないし公称加熱電力範囲もまた仕様とされている。排気ガス・センサ２１、２２を加熱するための所定の加熱電力により、最小温度以下への低下および最大温度の超過の回避が達成される。

加熱電力は、例えば７−２０Ｗの範囲内に存在する。より高い値は、始動時および低温排気ガスにおける低温排気ガス・センサ２１、２２の電力に対応する。より低い値は、排気ガス・センサ２１、２２がその公称作動温度に到達したときにおける、それに続く持続作動においての電力に対応する。公称作動温度は、例えば３００℃−６５０℃の範囲内に存在し、一方、低下作動温度は、例えば２００℃−３５０℃の範囲内に存在していてもよい。それに対応して、低下作動温度における加熱電力は、例えば３−１０Ｗの範囲に低下する。

図２は、本発明による方法を実施するための装置の一実施態様のブロック回路図を示す。
例として、図２には、第２の排気ガス・センサ２２が詳細に示されている。しかしながら、以下において、排気ガス・センサ２１、２２が共通に参照される。排気ガス・センサ２１、２２は固体電解質層３０を含み、固体電解質層３０は、第１および第２の電極３１、３２の間に配置されている。第１の電極３１は保護層３３により包囲され、保護層３３は、第３の部分排気系１５内において排気ガスに晒されている。第２の電極３２は、空気基準室３４内に配置されている。

電極３１、３２に第１ないし第２のセンサ導線３６、３７が接続され、第１ないし第２のセンサ導線３６、３７の間に第１ないし第２の排気ガス信号２３、２４が発生する。センサ導線３６、３７は内部抵抗決定手段３８と結合され、内部抵抗決定手段３８は、内部抵抗信号３９を作動温度実際値決定手段４０に伝送し、作動温度実際値決定手段４０は、作動温度実際値信号４１を温度制御器４２に出力する。

温度制御器４２はパルス幅変調器４４に対する操作変数４３を決定し、パルス幅変調器４４は、パルス幅変調信号４５を加熱エネルギー供給手段４６に出力し、加熱エネルギー供給手段４６は、排気ガス・センサ２１、２２のヒータ４７と結合可能である。加熱エネルギー供給手段４６は、加熱エネルギーを、アース４８と結合されている電圧源４９から受け取る。

温度制御器４２は、作動温度目標値信号５０を温度選択手段５１から受け取り、温度選択手段５１は、入力信号５３から、作動温度目標値信号５０、並びにパルス幅変調器４４に出力される切換信号５２を決定する。

加熱エネルギー供給手段４６はヒータ４７の加熱電力を決定する。加熱エネルギー供給手段４６の切換作動は適切であり、切換作動において周期的に切り換えられて、ヒータ４７は、投入過程においては電圧源４９と結合され、遮断過程においては電圧源４９から切り離されている。切換作動は、電圧源４９、例えば自動車搭載電源から供給される電圧を低減させる。平均電圧はパルス幅変調信号４５により設定され、パルス幅変調信号４５は投入過程の時間および／または遮断過程の時間を変化させる。

本発明による方法の他の形態により、排気ガス・センサ２１、２２の作動は、一時的に、公称作動温度より低い低下作動温度で行われている。

センサ２１、２２の作動温度を低下作動温度に低下させることにより得られる利点は、それ自身が排気ガス信号２３、２４に影響を与えてはならない排気ガス成分に対する横方向感度が低下されることにある。

本発明による方法は、保護層３３および／または第１の電極３１のようなガス・センサ２１、２２の触媒作用部分の活性を適切に低下および設定することを可能にする。
熱力学的平衡の達成は適切に制限可能なので、排気ガス組成が同じ場合でも排気ガス信号２３、２４は変化し、これにより、拡散バリヤとして作用する保護層３３内および／または第１の電極３１内の動的過程は増大する影響を保持することになる。

酸素よりも急速に保護層３３内および／または第１の電極３１内へ拡散することが原因である、例えば排気ガス中のメタンＣＨ₄の排気ガス信号２３、２４への影響は、本発明による方法により低下させることができる。

本発明による装置の第１の形態により、作動温度実際値信号４１のフィードバックなしに加熱電力が決定される制御作動が行われている。この場合には、切換信号５２のみを与えることができ、切換信号５２はパルス幅変調器４４に供給されている。温度選択手段５１は入力信号５３の関数として切換信号５２を決定し、入力信号５３は、例えば、内燃機関１２の所定の運転方式および／または内燃機関１２の運転方式内の所定の運転過程に対応してもよい。

排気ガス・センサ２１、２２の作動が、第２の触媒２６が再生される、内燃機関１２の第１の運転方式の第２の過程において低下作動温度で行われることが特に有利であり、その理由は、特に第２の過程において、例えば排気ガス中のメタンにより、再生過程の終了を信号する第２の排気ガス信号２４が発生することがあり、これにより再生過程が早めに遮断されることになるからである。

本発明による装置の他の形態は、低下作動温度の設定のために制御作動を設けている。このために、排気ガス・センサ２１、２２の作動温度の実際値の決定が行われている。作動温度の実際値は、近似的に、例えばヒータの内部抵抗の決定により行われてもよい。ヒータの内部抵抗は本質的に固体電解質３０内の作動温度から決定されるので、電極３１、３２の間の内部抵抗が決定されることが好ましい。したがって、内部抵抗決定手段３８はセンサ導線３６、３７と結合可能である。内部抵抗決定手段３８は、例えば電流を印加することにより内部抵抗を決定し、電流は電解質３０内を流れ、したがって電流は排気ガス信号２３、２４に重ね合わされている。作動温度実際値決定手段４０は、内部抵抗信号３９から作動温度実際値信号４１を決定し、作動温度実際値信号４１は温度制御器４２に供給されている。作動温度実際値信号４１と作動温度目標値信号５０との比較により、温度制御器４２は操作変数４３を供給し、操作変数４３はパルス幅変調器４４に供給されている。温度選択手段５１が供給する作動温度目標値信号５０は、低下作動温度または場合により公称作動温度に対応している。

本発明による方法を実行可能にする、考えられる技術的周辺のスケッチ図である。 本発明による装置の一実施態様のブロック回路図である。

符号の説明

１０ 吸気系
１１ 排気系
１２ 内燃機関
１３ 第１の部分排気系
１４ 第２の部分排気系
１５ 第３の部分排気系
１６ 負荷センサ
１７ 負荷信号
１８ 制御装置
１９ 回転速度センサ
２０ 回転速度信号
２１ 第１の排気ガス・センサ
２２ 第２の排気ガス・センサ
２３ 第１の排気ガス信号
２４ 第２の排気ガス信号
２５ 第１の触媒
２６ 第２の触媒
２７ 燃料供給信号
２８ 運転方式選択
３０ 固体電解質層
３１ 第１の電極
３２ 第２の電極
３３ 保護層
３４ 空気基準室
３６ 第１のセンサ導線
３７ 第２のセンサ導線
３８ 内部抵抗決定手段
３９ 内部抵抗信号
４０ 作動温度実際値決定手段
４１ 作動温度実際値信号
４２ 温度制御器
４３ 操作変数
４４ パルス幅変調器
４５ パルス幅変調信号
４６ 加熱エネルギー供給手段
４７ ヒータ
４８ アース
４９ 電圧源
５０ 作動温度目標値信号
５１ 温度選択手段
５２ 切換信号
５３ 入力信号

Claims (7)

1. ガス・センサ（２１、２２）を加熱するための加熱手段（４６、４７、４９）を備えたガス・センサ（２１、２２）であって、内燃機関（１２）の吸蔵触媒（２６）と共に排気系（１１）内に配置され、排気ガス内の少なくとも１つのガス成分を検出するガス・センサ（２１、２２）の作動方法において、
   内燃機関（１２）の少なくとも２つの異なる運転方式が行われること、
   吸蔵触媒（２６）の吸蔵運転と再生運転との間で周期的な切換が行われる第１の運転方式において、ガス・センサ（２１、２２）が、少なくとも前記再生運転の間に、ガス・センサ（２１、２２）の触媒作用部分（３１、３３）に熱力学的平衡が発生する公称作動温度以下の低下作動温度であって、加熱手段（４６、４７、４９）により設定される低下作動温度で作動されること、および
   内燃機関（１２）の他の運転方式においては、ガス・センサ（２１、２２）が、前記公称作動温度で作動されること、
   を特徴とするガス・センサの作動方法。
2. ガス・センサ（２１、２２）として、理論燃焼過程の排気ガスにおいて排気ガス信号（２３、２４）のステップ状変化が発生する、ネルンスト電池の原理に基づくλセンサが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の作動方法。
3. 前記低下作動温度が、排気ガス・センサ（２１、２２）の作動温度実際値信号（４１）の決定なしに、制御作動において設定されることを特徴とする請求項１に記載の作動方法。
4. 前記低下作動温度が制御作動において設定され、この制御作動において排気ガス・センサ（２１、２２）の作動温度実際値信号（４１）の決定が行われ、温度制御器（４２）が作動温度実際値信号（４１）を作動温度目標値信号（５０）と比較することを特徴とする請求項１に記載の作動方法。
5. 加熱手段（４６、４７、４９）が、加熱電力の固定設定の低下により、前記低下作動温度を設定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの作動方法を実施する装置。
6. 加熱手段（４６、４７、４９）が、ガス・センサ（２１、２２）の作動温度実際値信号（４１）によって調節されている可変加熱電力により、前記低下作動温度を設定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの作動方法を実施する装置。
7. 前記加熱手段（４６、４７、４９）が加熱エネルギー供給手段（４６）、ヒータ（４７）及び電圧源（４９）を有し、
   前記加熱エネルギー供給手段（４６）の切換作動が行われ、この切換作動において、前記ヒータ（４７）が、周期的に切り換えられて、投入過程においては前記電圧源（４９）と接続され、且つ遮断過程においては電圧源（４９）から切り離されていること、および
   加熱電力が、前記投入過程および前記遮断過程の少なくとも一方の時間の調節により設定されること、
   を特徴とする請求項５または６に記載の装置。

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