JP5643898B2 - ガスセンサを作動するための回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項１の前提部分に記載のガスセンサを作動するための回路装置に関する。

いわゆる「広帯域-ラムダセンサ」およびこのような広帯域-ラムダセンサを作動するための回路装置は、例えば、出版書籍”Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 25. Auflage, Oktober 2003, Seite 134”から明らかである。多層セラミックのこのようなセンサは、実質的に電気めっきセルとして作用する従来の濃度センサ（ネルンストセンサ）と、限界電流セルまたは「ポンプ」セルとの組み合わせからなる。ポンプセルには外側から電圧が印加される。電圧が十分に大きい場合には、センサの両側の酸素濃度の差に比例する、いわゆる「限界電流」が設定される。電流により、極性に関係して、酸素イオンが移動される。電子式の調整回路である回路装置によって、ポンプセルによって極めて狭い拡散ギャップを介して、常にラムダ=１の状態が生じるだけの量の酸素が排ガスから濃度センサに供給されることが確保される。排ガス中の空気が余剰である、いわゆるリーン領域では酸素が排出され、排ガス中の残留酸素含有率がわずかであるリッチ領域では、ポンプ電圧の反転により酸素が供給される。この場合、ポンプ電流はセンサの出力信号を形成する。

２つのセルを備えるこのような広帯域ラムダセンサでは、たいていは４５０ｍＶである固定目標（ネルンスト）電圧があらかじめ規定される。この固定電圧は、ポンプ電流調整器のための目標値としての役割を果たす。ポンプ電流調整器は、ポンプ電流の高さおよび極性の変更によってネルンストセル電圧を望ましい固定目標値に調整するという課題を有している。

固定値へのネルンスト電圧のこのような調整は、センサが正常に動作するセンサの作動点があらかじめ規定されていること前提とし、作動点は、例えば目標作動温度によって特徴づけられている。このような目標作動温度が、例えば得られていない場合には、センサの正常な作動は保障されていない。したがって、例えばネルンスト電圧の固定値への調整によって、作動温度を下回った場合にはポンプ電流調整器に変動が生じる場合がある。

Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 25. Auflage, Oktober 2003, Seite 134

これに対して、独立請求項１の特徴を備える本発明による回路装置は、特に、例えば目標作動温度がまだ得られていない場合にも、すなわち、センサが目標作動温度よりも低い温度を有している場合にも、センサが広い作動領域にわたって作動可能であるという利点を有する。

この場合にも、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値が固定して規定されず、可変であることにより安定した作動が保障されている。したがって、いわばあらかじめ規定された限界条件にセンサの作動形式を適合させることが可能である。

従属請求項に記載の措置によって、独立請求項に記載の回路装置の有利な構成および改良が可能である。したがって、有利な実施形態では、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の変更が行われる。これにより、ネルンスト電圧は作動点に関係して適合される。

目的に応じて、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の変更は、少なくともセンサ温度および／またはガス混合物の組成に関係して行われる。

この場合、目的に応じて、変更は連続的に行うことができる。すなわち、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の連続的な変更が行われる。これにより、異なる作動点でセンサが調節可能である。

別の実施形態では、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の変更は少なくとも２つの電圧値で段階的に行われる。

センサの目標作動温度が得られていない場合には、センサの目標作動温度を下回った場合にあらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の、特に４５０ｍＶから２００ｍＶへの低減が行われる。

本発明の実施例を図面に示し、以下の説明で詳細に説明する。この場合、特徴はそれぞれに単独で、または組み合わせて実施してもよい。

回路装置を備えるガスセンサのセンサ素子を示す概略図である。 本発明による回路装置を備えるガスセンサの等価回路図である。

図１に概略的に示したガスセンサ１０は、外部ポンプ電極１１とも呼ばれる第１電極を含み、この第１電極は、検査すべきガスにさらされている。検査すべきガスは、ガス通路１２および拡散バリア１３を介して、内部ポンプ電極１５とも呼ばれる第２電極が配置された測定ガス空間１４に到達する。第１電極１１と第２電極１５との間にはポンプセルが設けられている。第１電極１１はポンプ電流ライン１６に接続されており、第２電極１５は測定ライン１７に接続されている。

ガスセンサ１０は、基準電極１９とも呼ばれ、基準ポンプ電流ライン２０に接続された第３電極が配置された基準ガス空間１８を含む。基準ガス空間１８と測定ガス空間１４との間には、電極１１，１５の間と同様に、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎを有するネルンストセルが設けられており、ネルンストセル内では基準ガスイオン移動２１を行うことができる。ネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、ライン１７および２０の間で検出可能である。

図２には、このようなガスセンサの等価回路、および、例えば内燃機関の制御器の一部である回路装置２００の詳細な構成が示されている。この場合、同じ部材には図１と同じ符号を付している。センサ加熱装置２２は、図２では抵抗Ｒ_Ｈとして示されており、加熱ライン２３，２４は、接続接点もしくはプラグ接点に接続可能である。ネルンストセルは、抵抗Ｒ_ｉと電圧源とからなる等価回路図として概略的に示されている。ポンプセルは、同様に電圧源と抵抗Ｒ_Ｐとからなる等価回路図として示されている。さらにセンサ内には、回路装置２００内に配置された抵抗Ｒ_１に対して平行に位置し、ここには詳述しない既知の形式でセンサを調整するための役割を果たすトリム抵抗Ｒ_Ｔが配置されていてもよい。

回路装置２００は、アナログまたはデジタル式に構成されていてもよいポンプ電流調整器２１０を備える。このポンプ電流調整器２１０は、センサ１０に加えるポンプ電流Ｉ_ｐを調節するための役割を果たす。この場合、ポンプ電流Ｉ_ｐは、ポンプ電流ライン１６および基準ポンプ電流ライン２０を介して供給される。この場合、従来技術によって既知のセンサでは、ポンプ電流の調節は、たいていは４５０ｍＶであるあらかじめ規定可能なネルンスト電圧値に関係して行われる。この固定電圧は、ポンプ電流調整器２１０のための目標値としての役割を果たす。ポンプ電流調整器は、ポンプ電流Ｉ_ｐの高さおよび極性に関してポンプ電流Ｉ_ｐを変更し、ポンプセルを介してネルンストセル電圧を所望の固定目標値に調整するという役割を有する。センサ１０が、例えば目標作動温度にまだ到達していないという場合が生じ得る。このような場合、センサ１０の安定的な作動は保障されておらず、むしろ、このような調整はポンプ電流調整器２１０に変動(Schwingen)をもたらす。

そこで本発明の基本的思想は、ポンプ電流調整器によって、あらかじめ規定可能な固定値にネルンスト電圧Ｕ_Ｎを設定するのではなく、ネルンストセル・目標電圧の可変値をあらかじめ規定することである。このことは、回路ユニット２２０によって概略的に示されている。電圧の変更は、例えば、パラメータに関係して、例えばセンサ温度またはガス混合物の組成に関係して行うことができる。電圧の変更は連続的に行ってもよいし、これらパラメータに関係して２つ以上の固定値について段階的に行ってもよい。

目標電圧、すなわち、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値のこのような変更により、特別な限界条件を伴う作動点でセンサ１０の安定した作動を保障することができる。例えば、温度が目標作動温度よりも低い冷たいセンサで、目標電圧、すなわち、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値が４５０ｍＶから２００ｍＶに低減された場合には、センサ１０の安定した作動を保障することができる。この場合、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の低減は回路ユニット２２０で行われ、ポンプ電流調整器２１０は対応したポンプ電流Ｉ_ｐを調整する。ポンプ電流調整器は、アナログまたはデジタル式の構成の他に、コンピュータプログラムとして内燃機関の制御器内に実装されていてもよいことに留意されたい。

Claims (6)

1. ガス混合物内の酸素濃度を決定するためのセンサ（１０）を作動するための回路装置であって、外部および内部ポンプ電極（１１，１５）として作用し、ポンプセルを形成する２つの電極と、ネルンスト電極（１５）および基準電極（１９）として作用し、ネルンストセルを形成する２つの電極と、ポンプ電流調整器（２１０）とを備え、該ポンプ電流調整器が、ポンプセルに供給するポンプ電流を調整し、これにより、ネルンストセルで検出可能な、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧（ＵＮ）があらかじめ規定可能な値に調整される、回路装置において、
   あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値が変更可能であり、
   センサ温度に関係して、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の変更が行われることを特徴とする、回路装置。
2. 作動点に関係して、あらかじめ規定可能なネルンストセル電圧値の変更が行われる、請求項１に記載の回路装置。
3. ガス混合物の組成に関係して、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の変更が行われる、請求項１または２に記載の回路装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の回路装置において、
   あらかじめ規定可能なネルンストセル電圧値の連続的な変更が行われる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の回路装置。
5. 少なくとも２つの電圧値へのあらかじめ規定可能なネルンストセル電圧値の変更が段階的に行われる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の回路装置。
6. 前記センサ温度がセンサの目標作動温度を下回った場合に、あらかじめ規定可能なネルンスト電圧値の低減が行われる、請求項１に記載の回路装置。

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