JP4746239B2 - ＮＯｘ濃度を求める方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念記載の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度を求める方法に関する。
【０００２】
気体中のＮＯｘ濃度、例えば内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定するために、厚膜測定検出器を使用することが知られている。この種の測定検出器は例えば N.Kato et al., "Thick Film ZrO_２ NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concentration", Society of Automotive Engineers, Veroeffentlichung 980170, 1989 または N.Kato et al., "Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veroeffentlichung 970858, 1997 に記載されている。こうした測定検出器は２つの測定セルを有しており、酸素イオンを伝導するジルコニアから成っている。ここには次のような測定コンセプトが示されている。すなわち第１の測定セルに測定すべきガスが拡散バリアを介して供給され、ここで第１の酸素イオンポンピング電流から第１の酸素濃度が調整される。その際にＮＯｘの分解は起こっていない。第２の測定セルは拡散バリアを介して第１の測定セルに接続されており、ここでは酸素含量は第２の酸素イオンポンピング電流によりさらに低下する。測定電極でのＮＯｘの分解により第３の酸素イオンポンピング電流が生じ、これがＮＯｘ濃度を表す尺度量となる。測定検出器全体はここでは電気ヒータにより例えば７５０℃の高温下に置かれる。
【０００３】
ＮＯｘ濃度を測定する際には真のＮＯｘ濃度からの偏差が発生する。なぜなら第１のチャンバから第２のチャンバへ酸素がすり抜けることにより、ＮＯｘ測定値に誤差が生じるからである。第２のセルへの酸素のすり抜けをポンピングによって抑制すれば確かに測定信号に誤差をもたらす酸素含量を低減することはできるが、それでもＮＯｘの分解に由来しない酸素が一緒に検出されてしまうので、充分ではない。
【０００４】
本発明の課題は、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度を上述の測定検出器を用いてより正確に検出できる方法を提供することである。
【０００５】
この課題は請求項１の特徴部分に記載の方法により解決される。
【０００６】
本発明は、２つのチャンバを有する構造で構成された測定用ＮＯｘセンサから送出されるＮＯｘ濃度値の測定誤差は内燃機関の排気ガス中の酸素濃度のレベルに依存するという知識に基づいている。測定値検出器は酸素濃度を測定することはできない。第１の酸素イオンポンピング電流は排気ガス中の空気比λの直接の尺度量である。当該の測定誤差が酸素濃度に関係せず、λ値（有利には逆数である１／λ）に関係する場合、複数の測定検出器での測定誤差を簡単な関数により表すことができ、これは１／λで一貫して線形に記述できる。一貫して線形であるということは、列を展開する際に高次の項をきわめて小さな係数で考慮すればよいということである。
【０００７】
第１の測定セルでの第１の酸素イオンポンピング電流から、空気比信号、有利には排気ガスの１／λ値が得られ、これにより空気比信号と測定誤差とのあいだの関係を利用して測定誤差が求められる。その後測定されたＮＯｘ濃度が当該の測定誤差のぶんだけ補正される。
【０００８】
有利には、前述の関係が予めキャリブレーション測定で求められ、測定誤差が特性マップ、特性曲線、または関数関係のかたちで形成される。
【０００９】
空気比信号を第１の酸素イオンポンピング電流から得るために、第１のセルの第１の酸素イオンポンピング電流と空気比信号（例えば１／λ）またはλの別の関数との関係を表すさらに別の特性曲線が求められる。この場合第１の酸素イオンポンピング電流と１／λとの関係は驚くべきことに一貫して線形である。これにより有利には空気比信号として１／λを選定することができる。
【００１０】
本発明の方法は、測定されたＮＯｘ濃度を補正する際に乗算、減算、および加算しか必要とならないという利点を有している。低コストのマイクロコントローラの計算能力にきわめて強い負荷をかける除算は必要なくなる。
【００１１】
本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明を以下に図に則して詳細に説明する。図１には本発明の方法を実施する装置の概略図が示されている。図２にはＮＯｘ測定検出器の概略図が示されている。図３には本発明の方法を実施するためのフローチャートが示されている。
【００１３】
図２に示されているＮＯｘ測定検出器１は、図１に示された装置内で測定検出器２４として内燃機関２０の排気管２７でのＮＯｘ濃度を求めるために使用される。このためにＮＯｘ測定検出器２４の測定値はＮＯｘ測定検出器２４に接続された制御ユニット２３によって読み出され、内燃機関２０の駆動制御装置２５へ供給される。この駆動制御装置は内燃機関２０の燃料供給システム２１をＮＯｘ還元触媒２８が最適な駆動特性を示すように駆動する。このＮＯｘ還元触媒はここでは内燃機関２０の排気管２７内でＮＯｘ測定検出器２４の上流に配置されている。
【００１４】
測定検出器２４は図２に参照番号１で一層詳細に示されている。固体電解質２、この場合ＺｒＯ_２から成る測定検出器１は拡散バリア３を介して測定すべき排気ガスを収容し、そのＮＯｘ濃度を求める。排気ガスは拡散バリア３を通して第１の測定セル４へ拡散する。測定セル内の酸素含量は第１の電極５と周囲空気に曝される基準電極１１とのあいだのネルンスト電圧を取り出すことにより測定される。ここで基準電極１１は空気チャネル１２内に配置されており、この空気チャネルは開口部１４を介して周囲空気に通じている。
【００１５】
取り出されたネルンスト電圧は制御器Ｃ０として用いられる８Ｂｉｔマイクロコントローラに供給され、このマイクロコントローラにより調整電圧ＶＳ０が調製される。この電圧により電圧制御形電流源ＵＩ０が駆動され、この電流源により第１の酸素イオンポンピング電流ＩＰ０が測定検出器１の固体電解質２を通って第１の電極５と外部電極６とのあいだを流れる。その際に制御器Ｃ０からの調製電圧ＶＳ０により第１の測定セル４内では予め定められた酸素濃度がセットされる。この酸素濃度が電極４と基準電極１とのあいだのネルンスト電圧により測定され、制御器Ｃ０の制御回路が閉成される。第１の酸素イオンポンピング電流は排気ガス中の空気比に対する尺度量であり、例えばラムダセンサから既知となる。
【００１６】
前述の回路装置は第１の測定セル４内に予め定められた酸素濃度を調整する。第２の測定セル８は別の拡散バリア７を介して第１の測定セル４へ接続されている。当該の拡散バリア７を介して第１の測定セル４内に存在する気体は第２の測定セル８内へ拡散する。第２の測定セル内では回路装置を介して第２の酸素濃度が調整される。このために第２の電極９と基準電極１１とのあいだで第２のネルンスト電圧が取り出され、制御器Ｃ１へ供給される。この制御器により第２の調整電圧ＶＳ１が調製され、これにより第２の電圧制御形電流源ＵＩ１が駆動される。第２の測定セル８から酸素イオンポンピング電流ＩＰ１を流す回路装置は第１の測定セル４に対する回路装置に相応している。
【００１７】
この回路装置は酸素イオンポンピング電流ＩＰ１を流し、第２の測定セル８では予め定められた酸素濃度が調整される。
【００１８】
この酸素濃度はＮＯｘが進行中の過程によって作用を受けず、特に分解を起こさないように選定される。ＮＯｘは触媒として構成される測定電極１０で第３の酸素イオンポンピング電流ＩＰ２により測定電極１０から外部電極８へポンピングされる。測定セル８内の残余酸素含量は充分に低下しているので、当該の酸素イオンポンピング電流ＩＰ２は実質的には測定電極１０でのＮＯｘの分解から生じた酸素イオンのみに関連している。したがってポンピング電流ＩＰ２は測定セル８でのＮＯｘ濃度、ひいては測定すべき排気ガス中のＮＯｘ濃度の尺度量となる。
【００１９】
このポンピング電流ＩＰ２は先行して得られるポンピング電流と同様に電圧制御形電流源ＵＩ２により流され、その調整電圧ＶＳ２は制御器Ｃ２によって設定される。この制御器は測定電極１０と基準電極１１とのあいだのネルンスト電圧を取り出し、調整電圧ＶＳ２を設定することにより予め定められたネルンスト電圧を調整する。
【００２０】
測定セル８の残余酸素含量は理想的には０となるはずであるが、そうはならない。なぜなら第１の測定セルから第２の測定セル内への酸素のすり抜けがつねに測定されたＮＯｘ濃度と排気ガス中の酸素濃度との依存関係に作用するからである。
【００２１】
この依存関係は計算上、図３に概略的に示された本発明の方法により補正される。最初に第１の酸素イオンポンピング電流ＩＰ０から第１の測定セル４において排気ガス中の空気比を表す酸素信号１／ＬＡＭが得られる。第１の酸素イオンポンピング電流ＩＰ０の変換は、特性曲線１５または各電流と１／λ値（ここでは空気比信号１／ＬＡＭである）とを対応させる特性マップにより行われる。特性曲線１５はそれぞれの測定検出器１に対してキャリブレーション測定により定められる。
【００２２】
空気比信号１／ＬＡＭは別の特性曲線１６により測定誤差ＮＯｘ＿Ｄへ変換される。特性曲線１６は測定検出器１の相応のキャリブレーション測定から得られたものであり、測定誤差と１／ＬＡＭとの関係を表している。
【００２３】
測定誤差ＮＯｘ＿Ｄと空気比信号１／ＬＡＭとのあいだに関数関係が存在する場合、特性曲線による変換は当該の関数関係による換算へ置換される。空気比信号として１／λ値が採用される場合、一貫した線形関係が得られる。このようなほぼ線形の関係に基づく換算を支持できない場合には、所定の関数に代えて特性曲線１６が用いられる。ただし結果としては１／λ値が空気比信号１／ＬＡＭとして使用され、一貫した線形関係が支持される。その際、空気比信号１／ＬＡＭの値を乗算係数で簡単に乗算し、また加算係数と加算することにより、測定誤差ＮＯｘ＿Ｄが得られる。このように例えば補正乗算係数として実現される測定誤差ＮＯｘ＿Ｄと測定されたＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿Ｍとを計算演算ステップ１７において簡単に乗算することにより、補正されたＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿Ｃが得られる。
【００２４】
ここで測定誤差ＮＯｘ＿Ｄを空気比信号１／ＬＡＭから求める際にも、補正ＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿Ｃを計算する際にも、一般に浮動小数点演算を伴うためにコストの高いマイクロコントローラを要求する除算は必要なくなる。これに代えてここでは簡単かつ低コストのマイクロコントローラを使用することができる。
【００２５】
測定誤差ＮＯｘ＿Ｄを空気比信号１／ＬＡＭから求める際に一貫した線形関係を支持することができず特性曲線１６を使用する場合には、特性曲線１５と特性曲線１６とを統合して、第１の酸素イオンポンピング電流ＩＰ０から直接に測定誤差ＮＯｘ＿Ｄを例えば乗算補正係数または加算補正係数として得ることができる。この場合空気比信号１／ＬＡＭの形成を省略できるので、作業ステップを１つ減らすことができる。ただしこの空気比信号１／ＬＡＭを例えば内燃機関を駆動する際に他の開制御機能または閉ループ制御機能のために必要とする場合には、もちろん第１の酸素イオンポンピング電流ＩＰ０からこれを形成してよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法の概略図である。
【図２】 ＮＯｘ測定検出器の概略図である。
【図３】 本発明の方法のフローチャートである。

Claims (5)

1. 固体電解質から成る測定検出器が、
   第１の拡散バリアを介して排気ガスの一部が導入されて第１の電極および基準電極によって測定される第１の酸素イオンポンピング電流により第１の酸素濃度が調製される第１の測定セルと、
   第２の拡散バリアを介して前記第１の測定セルに接続されており、第２の電極および前記基準電極によって測定される第２の酸素イオンポンピング電流により第２の酸素濃度が調整される第２の測定セルと
   を備えており、
   前記第２の測定セル内のＮＯｘ濃度が測定される、
   内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度を求める方法において、
   ａ）前記第１の酸素イオンポンピング電流から排気ガスのλ値の関数を表す空燃比信号を求め、
   ｂ）該空燃比信号から、測定された前記ＮＯｘ濃度と真のＮＯｘ濃度との差であって、１／λの線形関数によって記述される測定誤差を求め、
   ｃ）測定された前記ＮＯｘ濃度を前記測定誤差のぶんだけ補正する
   ことを特徴とする内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度を求める方法。
2. 前記空燃比信号と前記測定誤差との関係をキャリブレーション測定により求め、該キャリブレーション測定においては前記測定検出器を混合気に曝して測定誤差を検出し、混合気中で少なくともλ値およびＮＯｘ濃度の変化する特性曲線または特性マップあるいは関数関係のかたちで記述する、請求項１記載の方法。
3. 前記ステップｃ）での補正を乗算‐加算の計算演算および／または減算の計算演算により行う、請求項１または２記載の方法。
4. 前記空燃比信号と前記測定誤差との関係として前記ステップｂ）で一貫した線形関数を使用する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記ステップａ）で前記特性曲線または特性マップへアクセスし、前記空燃比信号を前記第１の酸素イオンポンピング電流から求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。

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