JP5009597B2 - ワイドバンドのラムダゾンデにおけるガス組成の検知方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、とりわけ内燃機関によって駆動される自動車における排気ガス後処理の分野、特にワイドバンドのラムダゾンデ（ラムダセンサ）に送り込まれるガスのガス組成の検知のための方法に関する。

触媒と結合されたラムダ制御は、今日では火花点火機関のための最も効果的な排気ガス浄化方法となっている。今日利用可能な点火システム及び噴射システムと共同作用によって、初めて非常に低い排気ガス値が達成される。特に効果的なのが三元触媒或いは選択的触媒の採用である。このタイプの触媒は、エンジンが、λ＝１の理論的空気／燃料比の周りのほゞ１%の領域内で運転された場合には、炭化水素、一酸化炭素、及び酸化窒素を９８%以上削減する。その際“空気過剰率”とも呼ばれているλ値は、実際に存在していた空気／燃料混合気が、λ＝１の値からどれだけ離れているかを示しており、ここでλ＝１という値は、完全な燃焼のために必要な空気１４．７ｋｇ対ガソリン１ｋｇと云う理論的質量比に対応しており、即ちλは供給された空気量を理論的空気需要量で割って得られる商である。

ラムダ制御の場合、その時々の排気ガスが測定され且つ供給される燃料量がその測定結果に従って、例えば噴射システムを用いて直ちに修正される。測定センサとしてラムダゾンデが用いられるが、このゾンデは、正確にλ＝１の時に電圧ジャンプを行い、それによって、混合気がλ＝１よりもリッチ（過濃）であるか或いはリーン（希薄）であるかということを示す信号をもたらす。ラムダゾンデの作動様態は、固体電解質を用いてガルバーニ電荷を利用した酸素濃度セルの原理に基づいている。

二点式ゾンデとして作られたラムダゾンデは、それ自体既知の手法でネルンスト原理に従い、且つネルンストセルに基づいて動作する。固体電解質は、セラミックによって分離された二つの境界面から成り立っている。使用されているセラミック材料は、およそ３５０℃で酸素イオンに対して導体となるので、境界面の間のセラミックの両側で酸素濃度が異なると、いわゆるネルンスト電圧が生成される。この電圧がセラミックの両側における酸素濃度の違いについての尺度となる。内燃機関の排気ガス中の残留酸素含有量は、エンジンに送り込まれた混合気の空気／燃料比に大きく依存しているので、排気ガス中の酸素含有量を、実際に存在している空気／燃料比についての尺度として利用することが可能である。

いわゆるワイドバンドゾンデの場合、測定センサはワイドバンドセンサとして作られる。ワイドバンドセンサは、固体電解層並びに幾つかの電極から作られる。そのような構造の一つが、その全体が本発明に関連付けられているＤＥ１９ ９１２ １０２ Ａ１の、特にその第８及び９頁、並びにその図１から明らかとなる。これ等の電極は、以下に更に詳細に説明される図１に図式的に示されている。上述の電極の一部は、このセンサではいわゆるポンプセルを形成しており、他の部分はいわゆる濃度セルを形成している。更に固体電解層によって第一の中空チャンバー（以下“測定ガスチャンバー”と呼ばれる）が作られている。

ポンプセルの電極にはポンプ電圧が印加されており、このポンプ電圧により第一の測定ガスチャンバーの中での酸素の汲み込み又は汲み出しによって一定の酸素分圧が、即ち対応する空気過剰率λもが、調節される。その際、ポンプ電圧は、濃度セルの電極で４５０ｍＶの一定の電圧値が調節されるように、調節される。この電圧は、λ＝１の値に対応している。

いわゆる二重セル原理に基づくワイドバンドのゾンデの場合、ポンプセルの測定ガスチャンバー内の空気過剰率は、好ましくはコンスタントにλ＝１に保持される、一定の値に調節される。ポンプセルの測定ガスチャンバー内の空気過剰率は、上述の、内燃機関の制御装置によって生成されたネルンストセルのための比較電圧によって与えられる。

ネルンストセルの手前には拡散バリヤーがある。この拡散バリヤーによって拡散された各々のガスが、上述の測定ガスチャンバー内のガス組成の変化、及びそれと結び付いているネルンスト電圧の変化、のために上述の調節を通じてポンプ電流を生成し、このポンプ電流が、分圧差、拡散係数、及び対応するガスの分子一個あたりの酸素需要についての尺度となる。

内燃機関に装着された微粒子フィルタを再生する目的のために、燃料が後噴射される自己着火式の内燃機関の場合には、ワイドバンドゾンデ希薄運転の際に同時に酸素とリッチガスとを検出することができなければならない。これ等の二つのガスの異なる拡散係数に基づいて、相対的に重いリッチガス（ＨＣ）はその酸素需要のために酸素よりも弱く評価され、従って水素はそれに応じて強く評価される。同じことは、例えば外部点火式の内燃機関のリッチ運転の際に、或いは自己着火式の内燃機関の吸蔵型触媒の再生の際に、生じるリッチガスから成る混合気に対しても当てはまる。従って、調節されたλ値の評価はＨＣ或いはＨ_２の含有量が分かっている場合にしか可能ではない。それ故、既知のラムダゾンデの場合、ガス成分の分圧だけしか正しく測定することはできない。

既知のラムダゾンデは一つの出力信号（それも上述のポンプ電流）だけしか送り出すことができないので、この情報は分圧とガス組成とを同時にもたらすことはできない。従って、ここで用いられているラムダゾンデの場合、同時に分圧とガス組成とを同時に決定することのできるゾンデの作動のための方法を準備することが望ましい。

本発明は、ワイドバンドラムダゾンデに送られるガス、好ましくは内燃機関の排気ガスの組成或いはガスの種類を決定することのできる、ガス組成の検知方法を提供することを課題としている。

本発明は、ワイドバンドラムダゾンデに送られるガス、好ましくは内燃機関の排気ガスの組成或いはガスの種類を、変調された測定ガス変化を用いて検知するという考えを基礎としている。特に、ラムダゾンデの測定ガスチャンバー内の空気過剰率の周期的適応によって様々なガスに対するゾンデの感度が周期的に変化される。その際、値＞４５０ｍＶへのネルンスト電圧の上昇がリッチガスに対する感度を低下させるのに対して、値４５０ｍＶ以下へのネルンスト電圧の低下はリーンガスに対する感度を低下させる。それ故、反応生成ガス混合気の場合、ソンデの感度の上述の周期的変化（変調）に基づいてリッチ成分及びリーン成分の存在を判定することができる。

更に、本発明は、自由度当たりの運動エネルギーはより少ない質量を通じてより速い速度をもたらすという理由で、より軽い分子或いはより少ないばらつき断面を持つ分子の拡散係数の方がより重い分子の拡散係数よりも大きい、ということに基礎をおいている。そこから小さい分子に対する高い感度が生じる。何故なら、測定ガスチャンバー内の分圧の変化は拡散バリヤーの両側に存在している分圧差よりも大きいからである。

本発明に基づく方法によれば、ラムダソンデの作動中に、流入するガスの分圧とそのガスの組成とを同時に求めることができる。
本発明に基づく方法は、特に自動車の内燃機関の制御装置で、例えばプログラムコード或いは適当な電子回路の形で実現される。

図１に示されているワイドバンドのラムダゾンデ１０では、排気ガス１２は、ポンプセル１６の小さな開口部１４と（図示されていない）拡散バリヤーとを通ってネルンストセル２０の本来の測定ガスチャンバー１８の中へ達する。ネルンストセル２０には基準ガスチャンバー１９が接続されており、このチャンバー１９の中に酸素基準ガスが含まれている。測定ガスチャンバー１８の中は、常に理論的空気／燃料比に調節されている。制御装置２１或いはそれと同様のものの中に配置されている評価／制御回路２２は、ポンプセル１６に印加されているポンプ電圧Ｕ＿Ｐｕｍｐを、測定ガスチャンバー１８内のガスの組成がコンスタントにλ＝１となるように調節する。リーンな排気ガス１２の場合には、ポンプセル１６が測定ガスチャンバー１８から酸素を外へ向かって汲み出す。リッチな排気ガス１２の場合には、それと反対に酸素が周囲の排気ガス１２から測定ガスチャンバー１８内へ汲み込まれなければならず、それによってポンプ電流Ｉ＿Ｐｕｍｐの方向が逆転される。その際、ポンプ電流は酸素濃度或いは酸素需要量に比例している。それ故、このポンプ電流Ｉ＿Ｐｕｍｐは、排気ガス中のλについての尺度となる。内蔵のヒーター２４によって、少なくとも６００℃の作動温度が得られるように配慮されているが、しかしながら、コールドスタートの際にはこの温度は或る程度の予熱時間の後に初めて到達される。

ポンプ電流の調節は、ネルンスト電圧Ｕ＿Ｎｅｒｕｎｓｔを、内部で生成された４５０ｍＶの基準電圧Ｕ＿Ｒｅｆとを比較する評価／制御回路２２を通じて行われる。基準電圧とのずれΔ（Ｕ＿Ｎｅｒｎｓｔ、Ｕ＿Ｒｅｆ）が生じるや否や、このずれが評価／制御回路２２の中で増幅され、ポンプ電流Ｉ＿Ｐｕｍｐとしてポンプセル１６の中へ送り込まれる。これによって、酸素が測定ガスチャンバー１８内に汲み込まれ或いは測定ガスチャンバー１８から汲み出され、ネルンスト電圧Ｕ＿Ｎｅｒｎｓｔが４５０ｍＶに安定化される。必要なポンプ電流Ｉ＿Ｐｕｍｐ或いは、抵抗（Ｒ_１）２６を通して降下された出力電圧Ｕ＿Ｓｏｎｄｅがラムダゾンデ１０の出力信号として評価される。

ポンピングされた基準を用いてワイドバンドのラムダゾンデ１０を作動させるためには、ネルンストセル２０を通じて基準ガスチャンバー１９に常に酸素を供給するために、基準電極には、例えば１００ｋオームの固定抵抗を通して＋５Ｖが印加されると云うことが注意されるべきである。

出力信号Ｉ＿Ｐｕｍｐは、図示されていないもう一つの電子制御装置に送られ、この装置が今度は混合気生成装置、例えば噴射装置或いは電子制御キャブレーターに、制御信号を通じて、混合気がリッチ化或いはリーン化されなければならないか否かを伝える。混合気が過度にリーンであれば、より多くに燃料が加えられ、混合気が過度にリッチであれば、エンジンに送られる燃料量が再び削減される。

λの関数としてのポンプ電流Ｉ＿Ｐｕｍｐの代表的な質的変化が図２ａに示されている。リーンな排気ガスの場合には、測定ガスチャンバー内でλ＝１の理論的組成を維持するために、プラスのポンプ電流が現れる。これに対してリッチな排気ガスの場合にはマイナスのポンプ電流が現れる。ここでは最早ネルンストセルの階段状の電圧特性には依存していないから、λは０．６から無限（∞）までの領域内で常時測定されることができる。同様に、無限のλのための測定が、例えば惰走の調整のために必要となる。

自動車のラムダゾンデの中の酸素Ｏ_２の分圧Ｐ_Ｏ２の一つの代表的な変化が図２ｂに示されている。図の右側の部分に示されている測定ガスチャンバー（Messgasraum）の中では空気過剰率λ＝1であり、即ち、ここだけは空気／燃料比の理論的組成となっている。図の例では、左側の半分に示されているラムダゾンデの外部領域内、従って内燃機関の排気ガスの中では、酸素分圧Ｐ_Ｏ２はそれよりも高くなっている。従って、そこではλの値は∞（無限）となっている。排気ガスと測定ガスチャンバーとの間の過渡領域内では酸素分圧は一般に持続的に低下して行く。

図３ａ〜図３ｃは、従来技術で知られているネルンスト電圧の目標値、最終的に生じるネルンスト電圧、並びにポンプ電流の既知の変化を示している。図３ａは、時間に対するネルンスト電圧の目標値の変化を示している。ネルンスト電圧は、この実施例では自動車技術の分野内でのラムダゾンデの使用の場合に始めに述べられた４５０ｍＶである。しかしながら、本発明に基づくコンセプトは、別の技術分野、例えば化学工業、それも排気ガスがとりわけ環境上の理由から後処理される所にはどこにでも適用できる、ということは強調されるべきである。

図３ｂは、実際に生じるネルンスト電圧の変化を時間の関数として、また図３ｃは、冒頭で説明されたようにして測定されたポンプ電流を、同じく時間の関数として示している。ここで、本質的にコンスタントに推移しているネルンスト電圧（図３ｂ）の場合、排気ガス中の分圧が一定であれば、同じく本質的にコンスタントに推移するポンプ電流が現れる（図３ｃ）。

ネルンスト電圧の変調及び発生する空気過剰率の変動にも係わらず、好ましい手法によれば、測定ガスチャンバー内のλの時間平均値は、好ましくはλ＝１の値に保持され、この値は、Ｕ_Ｎ０＝４５０ｍＶの平均ネルンスト電圧Ｕ_Ｎに対応している。

十分に定常的な（即ち、その他の分圧変動の無い）排気ガスの場合、測定された平均ポンプ電流Ｉ_ｐ０とポンプ電流の変化ΔＩ_ｐから、真のλ値が、しかも本発明によれば、その時々のガス組成と独立に推定される。しかしながら、この方法はリッチ成分とリーン成分を含むガス混合気の場合に、好ましくは様々な拡散係数のガス成分を有するガス混合気の場合に、適用することができるということが注目されるべきである。しかしながら、そのようなガス混合気の場合でも、冒頭で述べられた誤測定に至ることがある。

このことが、図４ａ〜図４ｃに示されている実施例に基づいて明らかにされる。図４ａにはネルンスト電圧Ｕ_Ｎの目標値の変化が示され、また図４ｂにはネルンスト電圧Ｕ_Ｎの実際の変化が示されている。最後に、図４ｃには図４ａ及び図４ｂに従って変調されたネルンスト電圧Ｕ_Ｎを用いた、本発明に基づく作用から得られたポンプ電流Ｉ_ｐの変化が示されている。

ネルンスト電圧Ｕ_Ｎの目標値（図４ａ）は、１Ｈｚから２０Ｈｚまで、好ましくは５Ｈｚの平均周波数で正弦波形変調される。その際、変調信号の振幅は、２５ｍＶから４５０ｍＶまで、しかし好ましくは１００ｍＶである。評価のために、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎの変化（即ち、それによって引き起こされるポンプ電流Ｉｐの励起）に対して、同期信号が、従来技術と同様、出力信号として利用される。しかしながら、追加として、ポンプ電流の変動ΔＩｐの振幅から、即ち９０゜の場合と２７０゜の場合のポンプ電流Ｉｐの平均変動から、上述の計算の手法に基づいてガス組成が判定され、且つ結局それによってラムダゾンデの出力信号が実際のλ値に換算される。

図４ｃに示されているポンプ電流Ｉｐの変化は、図示されているように、それもそれぞれ検出されるべき混合気に依存して変化する。比較的薄いリッチガスの検出の場合には、参照番号１００で示されているような変化が現れるのに対して、比較的濃いリッチガスの検出の際には、破線１０５で示されているような変化が現れる。位相１８０゜の範囲内での測定曲線の変化に基づいて、酸素（Ｏ_２）が検出される（参照番号１０２）。ポンプ電流Ｉｐの交替的変化１０４、１０５に基づいて、比較的重いリーンガス１０４及び／又は比較的重いリッチガス１０５が検出される。

内燃機関の排気ガス後処理では、二つのガス、即ち比較的薄い添加ガスと酸素、好ましくは水素（H_２）との組合せ、或いは比較的重い添加ガスと酸素（Ｏ_２）、好ましくはＨＣとの組合せ、が問題となる。既に冒頭で述べられたように、本発明によれば、測定ガスチャンバー内の空気過剰率λの値は周期的に変化され、それに対応するポンプ電流の変化が検出される（図４ａ〜図４ｃ）。同じく周期的に現れるポンプ電流信号の変化から相対的なガス組成が、両方の拡散ガスから、以下に図５ａ〜図５ｃに基づいて説明されるようにして確定される。

最初の状況は、ガス混合気（この例では、Ｈ_２＋Ｏ_２）を示しており、この混合気は、安定したλ値を、好ましくはそれに割り当てられているポンプ電流Ｉｐ＝０と共に、出力信号として送り出す（図５ｂ）。このポンプ電流の値はλ＝１と解釈され、その際、更に上述の拡散バリヤー内での酸素と水素の拡散係数の比Ｄ_Ｏ２：Ｄ_Ｈ２は１に等しいと仮定されている。

ネルンスト電圧Ｕ_Ｎが変調によって引き上げられるや否や（図５ａ）、測定ガスチャンバー内でのＯ_２イオンの汲み出しによってリッチガスが調節される。これは、水素分圧Ｐ_Ｈ２が高められるということを意味している。それによって、拡散へと向かわせる分圧の勾配ΔＰは、Ｈ_２については小さくなるが、Ｏ_２については少なくとも本質的に同じままとなる。

従って、境界的ケースでは、Ｏ_２イオンは、図５ｂに示されているような、測定ガスチャンバー内での互いに反対方向に補償し合うＨ_２とＯ_２の拡散に代わって、なお測定ガスチャンバーから外へ汲み出されなければならない。

それ故、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎの正の変調半波の中の正のポンプ電流は、ガス混合気の中のリッチ成分を示している。
ネルンスト電圧Ｕ_Ｎが低下されるや否や（図５ｃ）、測定ガスチャンバー内の酸素の分圧Ｐ_Ｏ２が引き上げられる。これによって分圧差ΔＰ_Ｏ２が減少され、その結果Ｈ_２だけが測定ガスチャンバーの中へ拡散されることになる。このことが又負のポンプ電流を必要とする。従って、負の半波の中のこの負のポンプ電流はガス混合気の中のリーン成分を示している。

酸素Ｏ_２だけしか含んでいないλ＝１のガス混合気という境界的ケースでは、先に述べられた負のポンプ電流Ｉｐだけが現れ、正のポンプ電流Ｉｐは、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎが引き上げられた時にだけ現れることになるであろう。但しその場合には、曲線１０２の振幅は、λ＝１の時にはＰ_Ｏ２の値が小さくなるので、それに応じて小さくなるであろう。

これに対して、重いＨＣ分子と水素Ｈ_２から成るλ＝１の混合気がある場合には、この混合気は高い分圧Ｐ_ＨＣを持つ。何故なら、必要なＯ_２ガスは、拡散係数が比較的小さいために、よりゆっくりと運び込まれるからである。従って、測定ガスチャンバー内のネルンスト電圧Ｕ_Ｎが高いと仮定されている、図５ａの実施例では、分圧の上昇は一部ＨＣガスの拡散流入によって抑制される。それによって、比較的重い分子の場合には、ポンプ電流Ｉｐの上昇はより小さくなる。

ネルンスト電圧Ｕ_Ｎが低い場合には、先に図５ｃに基づいて説明された比率不変という状態が現れる。その際、正の半波の下での正のポンプ電流Ｉｐの反応の小ささは重いリッチガス成分を示している。

同様のことが、様々な重いリーンガス成分に対しても当てはまる。但し、この場合には負の半波の下での負のポンプ電流Ｉｐが対象となる。一般的に云えば、これによって、λ≠１のガス混合気の場合、図６ａ及び図６ｂに示されているように、以下に説明されるような関係が生まれる。最初の状況はここでも再びガス混合気であり、この混合気は、この実施例の場合、Ｈ_２、Ｏ_２、ＨＣ、及びＮＯから成り立っている。図６ａは、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎの時間的に変調された（ここでは正弦波形の）変化６０２を示している。図６ａの第一の半波に従って測定ガスチャンバーに印加された高いネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、この実施例では、図６ｂから理解されるように、軽いＨ_２ガスの場合のポンプ電流６００よりも低い、重いＨＣの場合のポンプ電流６０５をもたらす。これに対応して、図６ａの第二の半波に基づく低いネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、Ｏ_２のポンプ電流６１０よりも低いＮＯのポンプ電流６１５をもたらし（図６ｂ）、結果として測定ガスチャンバー内のＯ_２需要が引き下げられる。

本発明に基づくワイドバンドのラムダゾンデの一つの実施例を示す。 図２ａはワイドバンドのラムダゾンデの中におけるλの関数としてのポンプ電流Ｉ＿Ｐｕｍｐの代表的な変化を示す。図２ｂはワイドバンドのラムダゾンデの中における酸素分圧の代表的な変化を示す。 従来技術によるネルンスト電圧の目標値、ネルンスト電圧、及びポンプ電流の代表的な時間的変化を示す。 変調されたネルンスト電圧を有するラムダゾンデの作動のための本発明に基づく方法によるネルンスト電圧の目標値、ネルンスト電圧、及びポンプ電流の時間的変化を示す。 水素と酸素の二つの拡散ガスから本発明に基づく相対ガス組成の確定を図示するための、水素と酸素の分圧変化の例を示す。 自動車の内燃機関の代表的排気ガスの様々なガス成分に対する、しかもλ≠１の一般化された応用例の場合についての、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎ及びその結果として生じるポンプ電流Ｉ_Ｐの変化の例を示す。

符号の説明

１０…ワイドバンドのラムダゾンデ
１２…排気ガス
１４…開口部
１６…ポンプセル
１８…測定ガスチャンバー
１９…基準ガスチャンバー
２０…ネルンストセル
２１…制御装置
２２…評価／制御回路
２４…ヒーター
２６…抵抗（Ｒ１）
Ｉ＿Ｐｕｍｐ…ポンプ電流
λ…空気過剰率
Ｕ_{Ｈｅｉｚｅｒ}…ヒーター電圧
Ｕ＿Ｎｅｒｎｓｔ…ネルンスト電圧
Ｕ＿Ｐｕｍｐ…ポンプ電圧
Ｕ＿Ｒｅｆ…基準電圧（４５０ｍＶ）
Ｕ＿Ｓｏｎｄｅ…ゾンデの出力信号

Claims (8)

1. 少なくとも一つの基準ガスチャンバーを有し、ネルンスト電圧を生成するネルンストセルと、少なくとも一つの測定ガスチャンバーを有するポンプセルであって、前記ネルンスト電圧に依存するポンプ電圧が印加されるポンプセルと、を備えたワイドバンドのラムダゾンデによる、前記測定ガスチャンバーに送り込まれる、拡散特性の異なる少なくとも二つのガスから成るガス混合気のガス組成の検知方法において、
   前記ネルンスト電圧を時間的に変調すること、および
   前記変調された前記ネルンスト電圧と同期的に変化するポンプ電流と、該ポンプ電流の変動の振幅とを評価し、該評価によって、前記ガス混合気のガス組成を検知すること、
   を特徴とするガス組成の検知方法。
2. 前記ポンプセルの前記測定ガスチャンバー内の空気過剰率が周期的に変化し、それによって前記少なくとも二つのガスに対する前記ラムダゾンデの感度もまた周期的に変化することを特徴とする請求項１に記載の検知方法。
3. 前記ネルンスト電圧が時間的に正弦波形変調されることを特徴とする請求項１又は２に記載の検知方法。
4. 前記ネルンスト電圧の変調が、前記空気過剰率λの時間的平均値が、前記測定ガスチャンバー内でλ＝１に調節されるように行われることを特徴とする請求項３に記載の検知方法。
5. 前記ネルンスト電圧が、１Ｈｚから２０ＨＺまでの周波数で正弦波形変調され、その際変調された信号の振幅が２５ｍＶと４５０ｍＶとの間であることを特徴とする請求項３又は４に記載の検知方法。
6. 前記ネルンスト電圧が、５Ｈｚの周波数で正弦波形変調され、その際変調された信号の振幅が１００ｍＶであることを特徴とする請求項３又は４に記載の検知方法。
7. 前記ネルンスト電圧の変調の少なくとも二つの位相の下でのポンプ電流の平均変動からガス組成が判定され、測定されたポンプ電流が真のλ値に換算されることを特徴とする請求項３に記載の検知方法。
8. 前記ネルンスト電圧の変調の位相９０゜と２７０゜でのポンプ電流の平均変動からガス組成が判定され、測定されたポンプ電流が真のλ値に換算されることを特徴とする請求項３に記載の検知方法。

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