JP4709905B2 - ガス・センサ - Google Patents

Description

本発明は、燃料／空気混合物で運転される内燃機関の排気ガス内酸素濃度を決定するためのガス・センサ、特にλセンサに関するものである。

エンジン制御に対して排気ガス組成に関する信号を提供可能にするために、自動車の内燃機関の排気系内に、λセンサの形の電気化学的ガス・センサが多数使用される。このようにして、エンジンは、排気系内に今日通常存在している触媒による後処理のために、排気ガスが最適組成を有するように運転可能である。

図１に、従来技術から既知のこのタイプのガス・センサが示されている。センサ・エレメント１００はガス流入孔１１５を有し、ガス流入孔１１５を通って排気ガスが流入し、且つ拡散隔壁１２０を通過して測定室１３０内に到達する。測定室内に、内部ポンプ電極１４０が配置されている。外部ポンプ電極１５０が、固体電解質１１０の外側で、多孔質保護層１５５の下側に配置され、（図示されていない）内燃機関の排気ガスにさらされている。

内部ポンプ電極１４０および外部ポンプ電極１５０間にポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐが印加され、これにより、ポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐが流れる。固体電解質１１０内に、さらに、絶縁層１６２内に埋め込まれたヒータ１６０が配置されている。このヒータ１６０により、センサ・エレメントは、センサ・エレメント１００の最適機能を可能にする温度に加熱される。

限界電流の原理に基づくこの平板状広帯域λセンサに、一定のポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐが印加される。この一定のポンプ電圧は、リーンな排気ガスにおいて、即ち空気過剰の排気ガスにおいては正のポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐを発生し、このポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐは、排気ガスの酸素含有量と一義的な関係を有している。一方、リッチな排気ガスにおいて、即ち燃料過剰の排気ガスにおいては、排気ガス内に含まれている水の分解に基づいて同様に正のポンプ電流が流れる。印加されたポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐは水の分解電圧より低いことは明らかであるが、排気ガス内に水素が存在するので、エネルギー的に水の分解が可能となり、その理由は、外部ポンプ電極１５０において水素と酸素との反応から水が形成されるからである。即ち、ポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐは、リッチな排気ガスにおいては水素含有量により制限される。リッチな排気ガスにおけるこのポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐは、リーンな排気ガスにおけるポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐと同じ方向を有しているので、ポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐからは直ちに排気ガス組成を推測可能ではない。

リーンな排気ガスが存在するときのみならずリッチな排気ガスが存在するときにおいても、一義的に排気ガス組成を推測可能なように、このタイプのガス・センサを改良することが本発明の課題である。

この課題は請求項１の特徴を有するガス・センサにより解決される。本発明の基本的な考え方は、外部電極を固有の測定容積内に配置し、且つ第１の拡散隔壁の拡散係数とは異なる拡散係数を有する第２の拡散隔壁を設けることによって外部排気ガス電極への所定のガス拡散を可能にし、これにより排気ガス組成の関数として一義的な方法でポンプ電流を特定し、且つ他方でポンプ電流から排気ガス組成を推測可能にすることである。この場合、ポンプ電圧およびポンプ電流を発生する電子回路は、ポンプ電圧の極性の反転が可能なように形成されていなければならない。ポンプ電圧の極性の反転により、排気ガス中の酸素ないしは水素の拡散方向を反転可能であり、これから、以下にさらに詳細に説明される方法で排気ガス組成を推測可能である。

純原理的に、排気ガス組成を逆に推測するためには、ポンプ電圧の１回の反転で十分である。特に有利な実施形態は、そこにおいて方形波交番ポンプ電圧が発生される電子回路を設けている。電子回路は、２−５００Ｈｚの間、特に２０−５０Ｈｚの間の周波数範囲内の方形波交番ポンプ電圧を発生することが好ましい。ポンプ電圧の極性の方形波反転により、リッチ・ガスが存在するかまたはリーン・ガスが存在するかの定性的情報を提供するポンピング方向の対応の反転が行われる。両方のポンピング方向の一方における電流の絶対値は定量的濃度決定を可能にする。

純原理的には、第２の拡散隔壁の拡散係数が第１の拡散隔壁の拡散係数とは異なるとき、それは十分である。一実施形態は、第２の拡散隔壁の拡散係数が第１の拡散隔壁の拡散係数より小さいように設計されている。この場合、リーンな排気ガスにおいては、リッチな排気ガスにおいてよりも小さい電流が発生される。電流は、ある程度、リーンな排気ガスが存在するかまたはリッチな排気ガスが存在するかに比例している。

このために、第２の拡散隔壁は第１の拡散隔壁より大きい多孔性を有するように形成されていてもよい。
他の実施形態は、第２の拡散隔壁が、排気ガスの流れ方向に、第１の拡散隔壁より短い長さを有するように設計されている。

従来技術から既知のガス・センサは、固体電解質１１０により形成されるセンサ・エレメント１００を有している。固体電解質１１０内に測定室１３０が形成され、測定室１３０内に内部ポンプ電極１４０が配置されている。（図示されていない）内燃機関の排気ガスは、ガス流入孔１１５を通り、拡散隔壁１２０を通過して測定容積（測定室）１３０内に流入する。センサ・エレメント１００の外側で排気ガスにさらされて外部ポンプ電極１５０が配置され、外部ポンプ電極１５０は多孔性の保護層１５５により被覆されている。概略図で示されている電子回路１９０により、外部ポンプ電極１５０と測定容積１３０内に配置されている内部ポンプ電極１４０との間に一定のポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐが発生される。これにより、リーンな排気ガスにおいては正のポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐが設定され、この正のポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐにより、酸素イオンＯ^２−は、測定室１３０からセンサ・エレメントの外側へ、即ち排気ガス内にポンピングされる。一方、リッチな排気ガス組成において、即ち排気ガスの燃料過剰においては、排気ガス内に含まれている水の分解に基づいて同様に正のポンプ電流が流れる。この場合、印加されたポンプ電圧は、当然水の分解電圧より低いものである。しかしながら、排気ガス内に水素が存在するので、水の分解はエネルギー的に可能となり、その理由は、外部ポンプ電極１５０において、Ｈ_２およびＯ_２から水が形成されるからである。即ち、電流は、リッチな排気ガス組成においては外部電極における水素含有量により制限される。リッチな排気ガス組成におけるポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐはリーンな排気ガス組成におけるポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐと同じ方向を有しているので、ポンプ電流からは直ちに排気ガス組成を推測可能ではない。

ここで、リッチな排気ガス組成においてもまた排気ガス組成を推測可能にするために、本発明は、外部ポンプ電極１５０が他の固有の測定容積２３０内に配置され、この他の固有の測定容積２３０内に、ガス流入孔１１５を通り、第２の拡散隔壁２２０を通過して排気ガスが流入するように行われる。この場合、第２の拡散隔壁２２０は、第１の拡散隔壁１２０とは異なる拡散係数を有している。第２の拡散隔壁２２０は、例えば第１の拡散隔壁１２０より薄く且つより大きい多孔性で形成されている。

この配置の考え方は次のとおりである。リーンにおいては、電流Ｉ_ｐｕｍｐは、内部ポンプ電極１４０（陰極）への酸素の拡散によって制限される。リッチな排気ガス組成においては、ポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐは、外部ポンプ電極１５０（陽極）への水素の拡散によって制限される。ここで、外部ポンプ電極１５０へのガス供給が、より厚いまたはより小さい多孔性を有する拡散隔壁１２０を通過して行われる内部ポンプ電極１５０へのガス供給よりもより薄いまたはより大きい多孔性を有する拡散隔壁２２０を通過して行われるとき、ポンピング方向の反転の結果、リーンな混合物組成においては、電流Ｉ_ｐｕｍｐはより小さくなり、その理由は、酸素の拡散制限は、このとき内部ポンプ電極１４０から外部ポンプ電極１５０へ移行し、次に流入するガスに対して外部ポンプ電極１５０への到達が困難になるからである。したがって、速度を決定する反応ステップ、即ちＯ_２還元が行われる電極において、極性の反転前よりもより少ないＯ_２濃度が供給され、この結果、電流は低下する。

リッチな排気ガス組成において、ポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐはより大きくなり、その理由は、このとき水素の拡散制限は、外部ポンプ電極１５０（陽極）から内部ポンプ電極１４０（陰極）に移行し、次に流入するガスに対して内部ポンプ電極１４０への到達が容易になるからである。これにより、速度を決定する反応ステップ、即ちＨ_２ＯへのＨ_２酸化が行われる電極において、極性反転前よりもより高いＨ_２濃度が供給され、この結果、電流は上昇する。極性の反転により、ポンプ電流Ｉ_ｐｕｍｐが上昇するかまたは低下するかの観察に応じてそれぞれ、定量的に排気ガス組成を推測可能である。

電子回路１９０は、ポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐの極性の高周波での方形波反転、即ちポンピング方向の反転において、このような電流比較を行う。この比較により、リッチ・ガスが存在するかまたはリーン・ガスが存在するかの定量的情報を得ることができる。両方のポンピング方向の一方における電流Ｉ_ｐｕｍｐの絶対値に基づいて、定量的な濃度決定を行うことができる。

一実施例は、正のポンプ電圧を一定に設定し且つＩ_ｐｕｍｐ＝０が達成されたときにのみ短い反転パルスを発生し、即ち内部ポンプ電極１４０および外部ポンプ電極１５０間に負のポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐを短時間設定するだけで原理的に十分であることを利用している。このとき、反転パルスは、電流の次の０通過まで、特性曲線のリッチ領域に存在するかまたはリーン領域に存在するかの情報を提供する。

図３に示されている他の有利な実施形態においては、同じ要素は図２に示されている実施例と同じ符号で示されているので、それらの説明に対しては上記の説明が全て参照される。

図２に示されている実施例に比較して、図３に示されている実施例においては、内部ポンプ電極１４０、即ち陰極は、ヒータ１６０の接地接続と結合されている。この場合、陽極、即ち外部ポンプ電極１５０の電位は、ヒータ接地よりもポンプ電圧Ｕ_ｐｕｍｐの値だけ交互により高くまたはより低くなる。ポンピング方向が反転される周波数は、この場合、干渉を回避するために、ヒータ・サイクルより高くなければならない。この実施形態の利点は接続ケーブルが不要となることにある。

図１は従来技術から既知のガス・センサを示す。 図２は本発明によるガス・センサの一実施例を示す。 図３は本発明によるガス・センサの他の実施例を示す。

Claims (8)

1. 固体電解質で構成され、排気ガスにさらされているポンプ・セルと、
   前記ポンプ・セル内に設けられた空間であって、第１の拡散隔壁によって排気ガスから分離された第１の測定容積と、
   前記第１の測定容積内に配置されている内部電極と、
   前記ポンプ・セル内に設けられた前記第１の測定容積とは異なる空間であって、前記第１の拡散隔壁とは拡散係数が異なる第２の拡散隔壁によって排気ガスから分離された第２の測定容積と、
   前記第２の測定容積内に配置されている外部電極と、
   前記外部電極および前記内部電極間に印加される電圧を発生し、このとき設定されるポンプ電流を測定し、評価し、これから燃料／空気混合物の組成を推測する電子回路と、
   を備えた、燃料／空気混合物で運転される内燃機関の排気ガス内酸素濃度を決定するためのガス・センサであって、
   前記電子回路が、電圧の極性を反復して反転するように形成されていること、
   を特徴とするガス・センサ。
2. 前記電子回路が、方形波交番ポンプ電圧を発生することを特徴とする請求項１に記載のガス・センサ。
3. 前記交番ポンプ電圧の周波数が、２−５００Ｈｚの間の値を有することを特徴とする請求項２に記載のガス・センサ。
4. 前記ポンプ電流の０通過ごとに、その後に前記電子回路がポンプ電圧内に反転パルスを発生する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ガス・センサ。
5. 前記第２の拡散隔壁の拡散係数が、前記第１の拡散隔壁の拡散係数より小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガス・センサ。
6. 前記第２の拡散隔壁が、前記第１の拡散隔壁より大きい多孔性を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のガス・センサ。
7. 前記第２の拡散隔壁が、排気ガスの流れ方向に、前記第１の拡散隔壁より短い長さを有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のガス・センサ。
8. ガス・センサを加熱するための加熱装置をさらに備え、かつ、
   前記内部電極が、前記加熱装置の接地接続と導電結合されていること、
   を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のガス・センサ。

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