JP4537454B2 - ガス混合物内の成分濃度の決定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス混合物内の成分濃度、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の決定装置に関するものである。

このような装置は、ドイツ特許公開第１９５１６１３９号から既知である。
ドイツ特許公開第１９８５７４７１号から、ガス混合物、特に内燃機関の排気ガスのλ値を決定するための限界電流センサ用センサ・エレメントが既知であり、この場合、センサ・エレメントは、固体電解質フォイル上に配置された内側および外側ポンプ電極を備えている。内側ポンプ電極は、拡散隔壁により境界が形成された拡散チャネル内に配置されている。ポンプ電極は、ガス混合物の拡散方向において拡散隔壁の後方に存在している。ガス流入孔は、固体電解質フォイルの表面にほぼ垂直に、固体電解質フォイルを貫通して拡散チャネル内に案内されている。拡散隔壁は、拡散チャネル内において、ガス流入孔の内壁から引っ込んで配置されている。これにより、より大きな流入面積もまた得られ、したがって、内燃機関のスタート後において遅れて投入されたとき、堆積排気ガス成分の焼付きが回避される。

特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度が決定されるべきとき、検出されるべきガス混合物内に圧力ピークが発生することがある。この場合、それぞれ追加のガス量が測定ガス室内に押し込まれ、これが正または負のポンプ電流絶対値の短期上昇の原因となる。内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の検出の場合、装置の感度が校正された値以上に上昇され、これにより誤った酸素濃度値が指示されることがある。この原因は、第１の部分容積および第２の部分容積間に配置されている拡散隔壁の、圧力勾配に基づく流動抵抗が、拡散、即ち濃度勾配に基づく粒子移動による抵抗に比較してきわめて小さいことにある。これにより、圧力ピークが必ずしもガス組成の変化と関係ないにもかかわらず、圧力ピークは、例えば内燃機関の燃焼室排気に基づいて、出力信号を変化させる。特に、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度が測定されるとき、酸素濃度が高い場合、流入する排気ガスに基づいて第１の部分容積内の分圧変動がきわめて顕著になる。この場合、出力電圧の変動の高さは排気ガス内の酸素分圧に比例し、したがってポンプ電流に比例する。この現象は、動的な圧力従属性と呼ばれる。より高い酸素濃度のガスが圧力衝撃により拡散隔壁から流出するとき、ガスは直ちに全中空室内に分配され且つポンピング排出される。したがって、圧力衝撃が逆の場合には再び排出されることはなく、このことは、一方で動的な圧力従属性の非対称を形成し、この非対称は電子フィルタ等によっても排除することはできない。これに対して、圧力衝撃周波数が低い場合、半波の間に既にポンプ電極により、流入ガスの大部分が再び搬出可能である。中空室が存在しないとき、電極に沿って濃度勾配が形成され、これがポンプおよび電極の不均一な負荷の原因となる。

本発明の課題は、ガス混合物内の圧力ピークが、求められるべき濃度の尺度である、ポンプ電流を表わす変数に対して妨害作用をしないように、ガス混合物内の成分濃度、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の決定装置を改良することである。

本発明によれば、ガス混合物内の成分濃度、特に内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の決定装置は、拡散隔壁を介して作用する結合に抗して、成分濃度がガス混合物内の濃度に設定可能な測定ガス室を有し、この場合、前記結合の影響が、制御可能なポンプ電圧を印加可能な、測定ガス室とガス混合物との間でポンプ装置として働く固体電解質を介して、制御可能な前記成分のイオン流により補償され、これにより、電流を表わす変数が、ガス混合物内の求められるべき濃度に対する尺度を示す。固体電解質に、少なくとも一時的に、ガス混合物の少なくとも１つの状態変数の関数として、設定可能な一定のポンプ電圧が印加される。

本発明の基本的な考え方は、固体電解質に、少なくとも一時的に、ガス混合物の少なくとも１つの状態変数の関数として、設定可能な一定のポンプ電圧を印加することである。これにより、それぞれ、ガス混合物の成分濃度、即ち例えば中空室内の酸素濃度に対応して限界電流が流れる。このようにして、応答の動特性が拡散隔壁内のガス流のみにより決定される。

少なくとも１つの状態変数が、ガス混合物内に作用している圧力であってもよい。
しかしながら、他の実施例において、状態変数は成分濃度であってもよい。このようにして、例えば広帯域センサとして形成された装置は、リーン運転において、一次的に限界電流センサとして作動される。この作動方式により、圧力パルスにより形成されるポンプ電流の急速な応答が回避されるので、出力信号は、ガス混合物内の実際成分濃度に、本質的により良好に対応している。

特に、有利な実施形態は、ポンプ電圧を、設定可能な一定のポンプ電圧が印加される接続端子と、第１の部分容積およびガス混合物の成分の基準濃度が存在する領域間のネルンスト・セルの出力電圧の、目標値からの偏差の関数として、ポンプ電圧を制御する回路装置との間で切り換えるための手段を特徴とする。この有利な実施形態は、既知の広帯域センサとしてのみならず、一次的に限界電流センサとしての装置の作動を可能にする。

以下に、本発明のその他の利点および特徴を、図に示されている本発明の一実施例により説明する。

図１に示されている装置は、センサ１およびセンサ１の回路ユニット２を含む。センサ１は第１の部分容積３を有し、第１の部分容積３は、拡散抵抗として働く小さな開口４を介して、ガス混合物、例えば内燃機関の排気ガスと結合されている。第２の部分容積６内に基準雰囲気が支配し、基準雰囲気は、例えば外気との結合により形成されていてもよく、または他の方法で形成される。両方の部分容積は、酸素イオンを導く固体電解質７によりその境界が形成され、固体電解質７は、電極８、９、１０および１１を支持している。固体電解質７内にヒータ１２が設けられていてもよい。

部分容積３内にさらに拡散隔壁５が配置され、拡散隔壁５は、ガス混合物が開口４を介してその中に流入する中空室と、電極９、１０がその中に存在している測定ガス室３ａとの間に配置されている。測定ガス室３ａ内の酸素濃度と部分容積６内の酸素濃度とが異なる結果として形成されるネルンスト電圧ＵＮは、演算増幅器１４の反転入力端子に供給され、演算増幅器１４の非反転入力端子に、例えば４５０ｍＶの所定の比較電圧ＵＶが印加され、この比較電圧ＵＶは、例えば電源１５から発生される。比較電圧ＵＶにより測定ガス室３ａ内の酸素濃度に対する目標値が決定される。ネルンスト電圧ＵＮが４５０ｍＶより小さい場合、演算増幅器１４の出力は正となり、電極８、９およびその中間に存在する固体電解質７から形成されるポンプ・セル内に正の電流Ｉｐを発生する。言い換えると、第１の部分容積の酸素過剰に対応する比較的小さいネルンスト電圧ＵＮは、測定ガス室３ａから排気ガスへの、（負の）酸素イオンの搬送を行わせる。それに対応して、比較的高いネルンスト電圧ＵＮは、排気ガスから測定ガス室３ａへの酸素粒子流を形成させるので、定常状態において、測定ガス室３ａ内に所定の酸素濃度が設定される。この濃度は拡散隔壁５を介して作用する結合により妨害されるので、濃度を保持するために必要なポンプ電流Ｉｐは、最終的に排気ガス内の酸素濃度に対する尺度を示している。図１に示されているように、ポンプ電流Ｉｐは、測定抵抗Ｒｍ１７を介しての電圧降下として測定可能である。

演算増幅器１４の後方に、以下にさらに詳細に説明される接続端子２１と、演算増幅器１４の出口端子と結合されている接続端子２２との間で切り換えるための切換手段２０が設けられている。

演算増幅器１４の出口端子が測定抵抗Ｒｍ１７を介して外側ポンプ電極８と結合され、このようにして外側ポンプ電極８に制御可能なポンプ電圧ＵＰｕｍｐが印加されている、図１に示されている切換位置においては、装置は、例えば本発明により参照されるドイツ特許公開第１９８５７４７１号から既知のように、それ自身既知の広帯域センサとして作動される。この場合、測定抵抗Ｒｍ１７を介して測定される電圧信号ＵＡは、混合物の成分濃度、即ち例えば排気ガスの酸素濃度に対する尺度である。

排気ガス内に圧力パルスがある場合、ここで、それぞれ中空室３並びに測定ガス室３ａ内に追加のガス量が送り込まれ、これにより、正または負のポンプ電流Ｉｐ絶対値の短期上昇が形成され、即ち、酸素濃度の測定の場合における、例えばλ＝１の値からの偏差が形成される。これは、拡散隔壁５の、圧力勾配に基づく流動抵抗が、拡散に基づく抵抗、即ち濃度勾配により形成される粒子移動に基づく抵抗に比較してきわめて小さいことによるものである。これにより、燃焼室排気からの圧力ピークは、組成の変化、例えば酸素濃度の変化、したがってλ値の変化と必ずしも関係ない出力信号として現われることになる。この現象は動的な圧力従属性と呼ばれる。

特に酸素分圧が高いとき、開口４を介して流入する排気ガスに基づいて中空室３並びに測定ガス室３ａ内に分圧変動が顕著に現われる。出力電圧ＵＡの変動の高さは、酸素分圧またはポンプ電流Ｉｐに比例する。より高い酸素濃度を有するガスがこのような圧力衝撃により拡散隔壁５から流出するとき、ガスは直ちに全測定ガス室３ａ内に分配される。この理由から、圧力衝撃が逆の場合、直ちに再び排出され得ないので、動的な圧力従属性の非対称が発生し、この非対称は電子フィルタによっても除去することはできない。

これに対して、圧力衝撃周波数が低い場合、半波の間に既にポンプ電極８、９により、流入したガスの大部分が搬出可能である。
この問題点を排除するために、外側測定電極８が、その位置において、正の一定のポンプ電圧ＵＰＫが印加されている端子（ポート）２１に接続されている、切換手段２０の第２の切換位置が設けられている。したがって、場合により、ガス混合物の成分濃度、例えば測定ガス室３ａの酸素濃度に対応する限界電流が流れる。応答動特性は、拡散隔壁５を介してのガス流によってのみ決定される。即ち、言い換えると、広帯域センサは、一次的に、限界電流センサとして作動する。これにより、圧力パルスに対して急速な応答が形成される作動方式が回避される。即ち、出力信号ＵＡは、実際排気ガス濃度に、本質的により良好に対応している。この場合、図１に示されているように、追加ポート２１が設けられていてもよい。しかしながら、回路ユニット２全てが集積回路の部分または制御装置の部分であってもよく、即ち、ポンプ電圧が集積回路の内部で切り換えられてもよい。この場合には、限界電流が排気ガス内の酸素濃度に対する尺度である。

図１は、本発明によるガス混合物内の成分濃度の決定装置を示す。

Claims (4)

1. 内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の決定装置であって、
   ポンプ・セルおよびネルンスト・セルを有し、排気ガス内に配置された２つのセルからなる酸素センサ（１）を備え、
   固体電解質（７）が間に介挿されているポンプ・セルの２つの電極（８、９）の一方（９）、および固体電解質（７）が間に介挿されているネルンスト・セルの２つの電極（１０、１１）の一方（１０）が、両方のセルに対して共通の拡散室である測定ガス室（３ａ）内に配置され、
   前記測定ガス室（３ａ）は、排気ガス室と当該測定ガス室（３ａ）との間でガスがそれを通って交換可能である拡散隔壁（５）を有し、
   ポンプ・セルの他方の電極（８）が排気ガス室内に配置され、一方ネルンスト・セルの他方の電極（１１）が周囲空気（６）内に配置され、
   測定ガス室（３ａ）と排気ガス室との間の酸素搬送が調節されるように、回路装置によりポンプ・セルに制御可能なポンプ電圧（ＵＰｕｍｐ）が印加可能であり、これにより、ポンプ・セルのポンプ電流を表わす変数が排気ガス内の求められるべき酸素濃度に対する尺度を示す前記回路装置を更に備える、内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の決定装置において、
   ポンプ電圧が、少なくとも一時的に、排気ガスの少なくとも１つの状態変数の関数として、設定可能な一定のポンプ電圧値に切換可能であることを特徴とする内燃機関の排気ガス内の酸素濃度の決定装置。
2. 前記少なくとも１つの状態変数が、前記排気ガス内に作用している圧力であることを特徴とする請求項１に記載の決定装置。
3. 前記少なくとも１つの状態変数が、成分濃度であることを特徴とする請求項１に記載の決定装置。
4. 前記ポンプ電圧（ＵＰｕｍｐ）を、設定可能な一定ポンプ電圧（ＵＰＫ）が印加される接続端子（２１）と、ネルンスト・セルの出力電圧の目標値（ＵＶ）からの偏差の関数としてポンプ電圧を制御する制御回路の出力に接続された接続端子（２２）との間で切り換えるための手段（２０）を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の決定装置。

Images