JPH10509242A - ガス混合物内の成分濃度の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガス混合物内の成分濃度の測定装置は、拡散抵抗を介して作用する結合の影響に抗して、その中の成分濃度がガス混合物内の濃度に一定に保持されるようにした第１の部分容積を有している。前記結合の影響が、第１の部分容積とガス混合物との間でポンピング装置として働く固体電解質を通過する制御可能な前記成分のイオン流れにより補償される。ポンピング流れの大きさは、ガス混合物内の測定すべき濃度に対する尺度を示している。前記流れは、第１の部分容積と、基準容積成分との間のネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）セルの出力電圧の、目標値からの偏差の関数として制御される。前記装置は、ポンピング装置の固体電解質を介して測定可能な電圧の関数として、目的に合わせて、前記目標値を調節する手段を特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス混合物内の成分濃度の測定装置 従来の技術 本発明はガス混合物内の成分濃度の測定装置に関するものである。とくに、内 燃機関の燃料／空気混合物の組成を制御するために使用されるセンサに関するも のである。このようなセンサは、内燃機関の排気ガス内の酸素含有量を測定し、 これにより混合物組成を所定値に制御するための制御回路に対する入力信号を供 給する。 本発明の対象は、原理的にＳＡＥ-Ｐａｐｅｒ第９２０２３４号に発表されて いるユニバーサル酸素センサのように構成された装置である。 ここに発表されているタイプのセンサは、その中の酸素濃度が拡散抵抗を介し て排気ガス内の酸素の濃度に結合されている第１の部分容積を有している。第２ の部分容積内には、基準酸素濃度を有する雰囲気が支配している。第１および第 ２の部分容積間に設けられたネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）セルは両方の部分容積 内の酸素濃度の差を示す出力信号を供給する。この出力信号を所定値と比較する ことにより、排気ガスに結合されている第１の容積内の酸素濃度の、目標値から の偏差が決定される。酸素ポンピング装置は、決定された差の関数としての流れ 強さで、酸素の一部を第１の部分容積内にポンピング作用により吸入したりまた は吐出したりし、これにより、拡散抵抗を介して作用する結合の影響に抗して、 その中の酸素濃度が排気ガス中の酸素濃度に一定に保持される。 測定すべき値、すなわち排気ガス中の酸素濃度は、ポンピング電流Ｉｐを評価 することにより決定される。 このタイプの酸素センサの利点はほぼ直線の特性曲線Ｉｐ＝ｆ（λ）にあり、 この直線の特性曲線は、混合物組成λのゆっくりした定常変化において与えられ る。しかしながら、内燃機関の混合物制御において通常行われるように混合物組 成が急激に変化される場合、λ＝１において特性曲線内にヒステリシスが形成さ れる。言い換えると、センサの出力信号の値は、λ＝１の付近で、混合物組成の 変化の方向により異なってくる。 このヒステリシス効果を排除すること、ないしその特性曲線が障害となるヒス テリシス効果を有することのない冒頭記載のタイプのセンサを提供することが本 発明の課題である。 この課題は、ガス混合物内の成分濃度の測定装置であって、拡散抵抗を介して 作用する結合の影響に抗して、その中の成分濃度がガス混合物内の濃度に一定に 保持されるようにした第１の部分容積を有し、前記結合の影響が、第１の部分容 積とガス混合物との間でポンピング装置として働く固体電解質を通過する制御可 能な前記成分のイオン流れにより補償され、これにより前記流れに対する尺度が ガス混合物内の測定すべき濃度に対する尺度を示し、第１の部分容積と基準容積 との間のネルンスト（Ｎｅｒｎｓｔ）セルの出力電圧の、目標値からの偏差の関 数として前記流れが制御され、ポンピング装置の固体電解質を介して測定可能な 電圧の関数として、目的に合わせて、前記目標値を調節する手段を備えた、ガス 混合物内の成分濃度の測定装置を提供することにより解決される。 本発明による装置を使用することは、とくに、設定変数が有害物質変換のため に重要な量論混合物組成（λ＝１）の範囲における制御偏差と定常的な関数関係 を有する制御回路の精度を向上させる。 以下に本発明を一実施例および添付図面により詳細に説明する。ここで、図１ は本発明による装置の実施態様を示し、図２は従来技術および本発明による酸素 測定装置の出力信号の特性曲線を示す。 図３は、４５０ｍＶの基準電圧を有する図１に示す装置において、ポンピング 装置の電解質を介して測定可能な電圧を、λ＝０．７から１．３までの範囲で変 動する混合物組成に対して示している。 図４は本発明による目標値の調節方法に対する代替態様を示している。 図１に示す装置は、センサ１とセンサ回路２とで構成されている。本来のセン サ１は第１の部分容積３を有し、部分容積３は小さな開口として形成された拡散 抵抗４を介して排気ガス５と結合されている。第２の部分容積６内には基準雰囲 気が支配し、基準雰囲気はたとえば外気との結合により形成してもよく、または 他の方法で形成されている。両方の部分容積は酸素イオンを導く電解質７により その境界が形成され、電解質７は電極８、９、１０および１１を支持している。 両方の部分容積３および６内の酸素濃度が異なる結果として発生するネルンスト 電圧ＵＮは第１の演算増幅器１２の反転入力に供給され、演算増幅器１２の非反 転入力にはたとえば４５０ｍＶの所定の比較電圧が供給される。比較電圧により 、第１の部分容積内の酸素濃度に対する目標値が設定される。ネルンスト電圧Ｕ Ｎが４５０ｍＶより小さい場合、演算増幅器１２の出力は正であり、電極８、９ およびその間に存在する電解質から形成されるポンピングセルにより正の電流を 駆動する。言い換えると、第１の部分容積内の酸素余剰に対応するネルンスト電 圧が比較的小さいことは、第１の部分容積から排気ガスへの（負の）搬送を導く 。同様に、比較的高いネルンスト電圧は排気ガスから第１の部分容積への酸素部 分流れを導き、これにより到達した状態において第１の部分容積内に所定の酸素 濃度が形成される。この酸素濃度は拡散抵抗４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ピング電流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に示すように、ポンピング電流Ｉｐは測定抵抗１３における電圧降下とし て第２の演算増幅器１４により測定される。 上記の装置は従来技術に対応している。この装置は、図２の特性曲線において 破線で示すような出力信号を供給する。λ＝１における好ましくないヒステリシ ス効果は、λ＝１におけるポンピングセルの起電力ＥＭＫのステップ状変化と関 連している（これについては図３参照）。ポンピングセルはネルンストセルと回 路上で結合されているので、ステップ状変化からネルンスト電圧ＵＮに障害とな るフィードバックが形成される。ネルンスト電圧ＵＮの変化はポンピング電流を 介して制御され、これが、測定抵抗１３を介して測定されるセンサの出力信号に 、好ましくない変化を与えることになる。したがって、出力信号におけるヒステ リシス効果は、存在しないλ変化を示すことになる。これを回避するために、本 発明により、ポンピングセルの起電力ＥＭＫの一部が手段１５を介して比較電圧 にフィードバックされる。手段１５はたとえばオーム抵抗Ｒｍｉｔ１６により形 成してもよい。Ｒｍｉｔの値は、ポンピングセル起電力ＥＭＫが変化したときに ネルンスト電圧ＵＮと同じ割合で比較電圧が変化するように選択されることが好 ま しい。このとき、排気ガス中の酸素濃度がλ＝１の点を通過するときに障害とな るポンピング電流変化が発生せず、したがって本発明によるセンサの出力電圧は 、この位置において一義的に決定される。 図示の実施例においては、比較電圧は実質的に抵抗Ｒ１７およびＲ１８により 決定される。フィードバックＭを として定義すると、たとえば、Ｒｍｉｔ＝９８０キロオームおよびＲ１７／Ｒ１ ８＝２０キロオームに対するフィードバックの値Ｍ＝０．０２において、ポンピ ング起電力ＥＭＫが５００ｍＶだけ変化したとき、比較電圧は１０ｍＶだけ変化 する。 オーム抵抗１６による図示の比例フィードバックに対する代替態様が図４に示 されている。代替態様は、Ｒｍｉｔの代わりに容量１７による積分フィードバッ クにより与えられるか（図４ａ）、またはＲｍｉｔの代わりに容量およびオーム 抵抗からなる直列回路により与えられる（図４ｂ）。 本発明によるセンサの使用は、酸素濃度の測定に限定されない。他のガス成分 のイオンに対して導電性を有する電解質を使用することにより、本発明は他の濃 度の測定に対しても使用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 拡散抵抗を介して作用する結合の影響に抗して、その中の成分濃度がガ ス混合物内の濃度に一定に保持されるようにした第１の部分容積を有し、 前記結合の影響が、第１の部分容積とガス混合物との間でポンピング装置とし て働く固体電解質を通過する制御可能な前記成分のイオン流れにより補償され、 これにより前記流れに対する尺度がガス混合物内の測定すべき濃度に対する尺度 を示し、 第１の部分容積と、前記成分の基準成分が存在する領域との間のネルンスト・ セルの出力電圧の、目標値からの偏差の関数として前記流れが制御される、 ガス混合物内の成分濃度の測定装置において、 ポンピング装置の固体電解質を介して測定可能な電圧の関数として、目的に合 わせて、前記目標値を調節する手段を備えたことを特徴とするガス混合物内の成 分内の測定装置。 ２． ポンピング装置の電解質を介して測定可能な電圧の一部が、オーム抵抗 Ｒｍｉｔを介して目標値に結合されていることを特徴とする請求項１の装置。 ３． ポンピング装置の電解質を介して測定可能な電圧の一部が、容量Ｃを介 して目標値に結合されていることを特徴とする請求項１の装置。 ４． ポンピング装置の電解質を介して測定可能な電圧の一部が、オーム抵抗 および容量Ｃを介して目標値に結合されていることを特徴とする請求項１の装置 。 ５． ポンピング装置の電解質を介して測定可能な電圧が変化したときにネル ンスト電圧と同じ値で比較電圧が変化するように、結合手段の大きさが決定され ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの装置。