JP2001525941A - 排気センサの零点安定化方法およびこの方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ガス状燃料の熱的なエネルギー変換を行うための装置の排気センサの零点を安定化させる方法に関する。この方法は、排気センサがその周りを排気の流れと新鮮空気の流れによって周期的にかつ交互に洗われることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 排気センサの零点安定化方法およびこの方法を実施する装置 内燃機関や燃焼装置、特に小型燃焼装置の排気中の有害物質成分を低減するた めには、排気組成を監視し、適当な制御装置を介して燃料変換に影響を与える必 要がある。内燃機関の場合には更に、排気後処理装置が設けられている。負荷要 求が変化する内燃機関の場合、特に自動車用内燃機関の場合、負荷要求とそれに よって生じる、有害物質、特に窒素酸化物や炭化水素の異なる含有量に依存して 、排気後処理装置を後制御する必要がある。 このような制御を行うために、排気センサが使用される。この排気センサはガ ス組成が変化し、温度変化と温度勾配の大きな雰囲気にさらされる。排気センサ か上限の温度に関して制限される作動範囲を有し、いわゆるドリフトを受ける。 すなわち、変化する温度因子や濃度因子のために、排気センサの零点が不安定の ままである。 測定装置を校正するための方法が知られている。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１７８９３号公報に、煙道ガス分析のた めのガスセンサを校正するための方法が記載されている。この方法では、Ｏ₂濃 度測定のための測定値を校正するために、基準ガスまたは校正ガスとして空気が 使用される。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第４２１７８９３号公報には、電気化学的なエ フュージョンセルを用いてセンサを校正することが記載されている。この場合に も、校正装置による校正信号の調節が重要である。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３５４６４０９号公報には、化学的なセンサ を校正または検定するために、分析すべき液体の中に挿入されるセンサに、検定 ガスが圧力下で供給される。その際、検定ガスはセンサ上の液体を押しのける。 この場合、センサ上で圧力と温度を測定することによって、検定すべきガスの成 分のその都度の濃度が算出され、センサ信号と比較される。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３１２６６４７号公報には、準電気的な校正 が記載されている。この校正では、電気的な抵抗が使用され、この一定の抵抗を シミュレートされた測定値とマッチングさせることにより、校正ガスによる測定 装置の校正が時間的に拡張される。 これらの公知の方法は、測定値の存在または測定値表示を前提としている。す なわち、常に零点の上方の１つの値が表示される。というのは、そのときにのみ 偏差（誤差）が確認できるからである。零点の“移動”または“ドリフト”はこ れらの公知の方法では確認できず、従って、制御装置でも考慮することができな い。 ドリフトを検出し、表示安定性を達成するための方法は、制御装置のソフトウ ェアのいろいろなアルゴリズムによって、変化する因子を考慮することにある。 しかし、これには、或る程度の老化安定性を有する独立した基準系が欠如してい る。 そこで、本発明の根底をなす課題は、排気センサのドリフトを補正することが でき、排気センサの作動温度領域が高い排気温度の場合にも保たれる方法を提供 することである。 この課題は本発明に従い、ガス状燃料の熱的なエネルギー変換を行うための装 置の排気センサの零点を安定化させる方法において、排気センサがその周りを排 気の流れと新鮮空気の流れによって周期的にかつ交互に洗われることによって解 決される。これにより、排気センサに基準系が設けられる。なぜなら、排気セン アかその周りを周期的に常に新鮮空気によって再び洗われ、それによってこの位 相で同じ出発値、すなわち“零点”が示されるからである。しかし、老化因子、 温度因子等は零点信号として評価される信号を変化、すなわちドリフトし得る。 従って、本発明による方法では、制御装置において、新鮮空気による洗浄の位相 中に設定値と比較することによってこのドリフトを検出することができ、そして 制御装置を介して訂正することができる。それによって、この方法では、運転中 にも、排気センサとそれに所属する制御装置を絶えず零点に戻すことができる。 新鮮空気が適当な温度、例えば大気温度である場合には更に、排気センサが冷却 され、温度差に相応してその作動範囲に保持される。 本発明における“熱的なエネルギー変換を行うための装置”は、内燃機関、特 にピストンエンジンのほかに、燃焼装置、特に小型燃焼装置を含んでいる。“ガ ス状燃料”は、例えば小型燃料装置で使用されるような元々ガスの形態である燃 料と、エネルギー変換のために噴霧およびまたは蒸発させられる液状の燃料を含 む。 本発明の実施形では、排気センサ周りの排気の流れと新鮮空気の流れの交替が 、制御可能な弁装置によって行われる。これにより、用途に依存しておよび変化 する負荷を考慮して、排気センサ周りの排気の流れと新鮮空気の流れの時間と、 排気の流れと新鮮空気の流れの交替の頻度に影響を与えることができる。例えば 、その都度の運転時間にわたってほぼ一定の燃料流量を有する小型燃焼装置の場 合には、少ない頻度で新鮮空気による洗浄が行われる。この方法は、実際に燃料 が変換されるときにのみ、排気の流れと新鮮空気の流れの交替が行われるように 、制御装置と連係可能である。これに対して、内燃機関、特に負荷要求が変化し 、そのために排気中の有害物質の成分が変化し、特に排気温度が非常に高い、車 両エンジンの場合には、排気流れによる洗浄と新鮮空気流れによる洗浄を頻繁に 交替させなければならない。それによって、排気センサを介して、後続配置の制 御装置のために常に“現在の”排気データが供されるだけでなく、新鮮空気によ る洗浄の周期の間、排気センサが冷却されるので、この排気センサはその作動温 度範囲内に保たれる。 本発明の合目的な実施形では、排気センサが排気流から分岐した部分流によっ て周りを洗われる。この手段により、排気センサのための洗浄流れ範囲において 流れ横断面が小さくなり、排気センサとの接触範囲において申し分のない流れパ ターンが生じるだけでなく、部分流が排気流れのコア領域からも検出することが でき、従って妨害因子が充分に閉め出される。 基本的には、追加のファンによって新鮮空気を排気センサの周りの洗浄流れ範 囲に供給することができるが、本発明の有利な実施形では、新鮮空気が排気流の 圧力によって与えられる圧力差を利用して、排気センサに供給される。この方法 は特に小型燃焼装置に有利である。というのは、排気煙突内に、大気圧に比べて 充分な負圧が存在し、新鮮空気が排気煙突内の負圧による自然の圧力差によって 排気センサの周りの洗浄流れ範囲に吸い込まれるからである。 内燃機関、特にピストン式内燃機関によって形成され、燃焼空気のための吸気 管と排気管を備えた、熱的なエネルギー変換を行う装置の場合の、本発明による 方法の他の有利な実施形では、排気センサがその周りを、排気管から分岐した排 気部分流と、大気から吸引された新鮮空気流によって周期的に洗われ、両気体流 かそれぞれ吸気管内に案内される。この方法の場合には、正圧を有する排気管と 、大気に比べて負圧を有する吸気管との間の圧力差が、排気部分流と新鮮空気流 を搬送するために利用される。 すべての用途の場合に、本発明に従って、開閉制御可能な弁装置をアクチュエ ータに接続し、このアクチュエータをその前に接続配置された制御装置または調 整装置を介して制御することができる。しかし、開閉制御可能な弁が、交互に生 じるガス圧、特に脈動する排気管内のガス圧によって自動的に制御駆動されると 合目的である。この用途は特にピストン式内燃機関の場合に有利である。なぜな ら、この場合、弁装置のために利用可能な脈動排気流が存在するからである。正 圧の波は排気を流入させ、同時に新鮮空気の流入を遮断し、負圧の波は排気の流 入を遮断し、同時に新鮮空気を流入させる。それによって、排気と新鮮空気によ って排気センサがその周りを交互に洗われるだけでなく、同時に排気センサが中 間の作動温度に保持される。 本発明は更に、少なくとも１本の排気通路を備えた、ガス状燃料によって熱的 なエネルギー変換を行う装置の排気中の有害物質成分を低減するための制御装置 の排気センサの零点を安定化させるための装置、特に本発明による方法を実施す るための装置に関する。この装置は本発明に従い、排気通路が分岐管路を備え、 この分岐管路が排気入口と新鮮空気入口を備え、排気または新鮮空気の流れ方向 に見て入口の後に排気センサが配置され、入口の開口領域に弁装置が配置され、 この弁装置によって両入口が交互に閉鎖可能であることを特徴とする。本発明に よる装置のこの基本形状は例えば小型燃焼装置で使用され、煙突内で直接実施可 能である。というのは、新鮮空気入口を開放する際に周囲から新鮮空気を分岐管 路に吸い込むために煙突で充分であるからである。 本発明の実施形では、熱的なエネルギー変換を行う装置が、吸気通路と排気通 路を有する内燃機関の形をしている場合、分岐管が排気通路と吸気通路の間の接 続管路によって形成され、排気センサが接続管路内に配置されている。この構造 によっても、排気部分流およびまたは新鮮空気部分流のために付加的な搬送装置 を用いないで、排気部分流と新鮮空気流を搬送するために排気通路と吸気通路の 間の自然の圧力差を利用することができる。 両用途の場合、弁装置はアクチュエータを備えた開閉制御可能な弁によって形 成可能である。 本発明の実施形では、特にピストン式内燃機関の用途のために、弁装置が遮断 室を備え、この遮断室が排気管に接続された排気室と接続管を介して吸気通路に 接続された空気室に分割され、排気室が排気入口を備え、空気室が新鮮空気入口 を備え、弁装置が設けられ、この弁装置によって、排気入口と新鮮空気入口が交 互に閉鎖可能である。弁装置を操作するためのアクチュエータとしては例えば、 複動式の電磁アクチュエータを使用することができる。 本発明の他の実施形では、特にピストン式内燃機関で使用するために、弁ダイ ヤフラムを備えた弁装置が設けられ、この弁ダイヤフラムが遮断室を排気室と空 気室に分割し、この弁ダイヤフラムによって新鮮空気入口の開口が脈動する排気 流の作用を受けて周期的に閉鎖可能であり、排気室と空気室の間に、逆止弁とし て形成された排気のための溢流弁が配置されている。 実施の形態を示す図に基づいて本発明を詳しく説明する。 図１は小型燃焼装置を示す図、 図２はピストン式内燃機関を示す図、 図３はアクチュエータを備えた弁を示す図、 図４は排気流の脈動によって操作される弁装置を示す図である。 図１には、小型燃焼装置、例えばガス暖房装置が示してある。このガス暖房装 置の暖房用ボイラー１は燃焼室２を備えている。この燃焼室内には例えば大気圧 バーナー３が配置されている。ガスは燃焼室２から煙突４を経て外部に排出され る。 煙突内には、適当なインサート５によって分岐管路６が設けられている。この 分岐管路はその入口７に、弁装置８、例えば調節蝶形弁を備えている。この弁装 置はアクチュエータ９によって操作可能である。弁装置８によって、入口範囲７ が遮断可能であるので、排気は分岐管路６を流通することができない。 入口範囲７において、新鮮空気管路１０が分岐管路６に開口している。この新 鮮空気管路の開口は弁装置８の蝶形弁が適当な位置にあるときに、この蝶形弁に よって同様に閉鎖可能である。 分岐管路６内の排気の流れ方向に見て、入口範囲７と新鮮空気入口の前方に距 離をおいて、排気センサ１１が配置されている。 排気センサ１１としては、例えば混合酸化物センサが使用可能である。この混 合酸化物センサによって、同じように還元および酸化するガス成分を検出可能で ある。このような多重センサの代わりに、その都度還元ガス成分と酸化ガス成分 のために、別個のセンサを使用することができる。 暖房装置は制御装置１２を備えている。この制御装置を介して、熱消費の要求 により、バーナー３へのガス供給が、例えばガス供給管１４内の調節装置１３を 介して変更される。制御装置１２により更に、制御装置１２に接続された排気セ ンサ１１による設定に応じて、バーナー３への一次空気と二次空気の供給に影響 を及ぼすことができる。 弁装置８が制御装置１２を介して、例えば限時的な信号によって操作可能であ るので、排気部分流のための長い開放周期の後で新鮮空気入口１０を閉じる際に 、排気センサ１１の周りの排気が遮断され、それによって同様に設定可能な短い 時間にわたって新鮮空気が排気センサ１１の周りを流れる。新鮮空気が排気セン サ１１の周りを流れる相で発生する信号は、制御装置１２において、設定された 目標値と比較される。ここで、例えば老化プロセスによるドリフトによって、信 号偏差が確認される場合には、制御装置において“零点補正”が自動的に行われ る。好ましくは、制御装置１２を介して同時に、バーナー３が運転されていると きにのみ、新鮮空気による洗浄が行われる。それによって、零点校正のために、 新鮮空気による擦過の直前に、排気センサ１１を排気によって洗浄することもで きる。 例えば上述のように、大気圧バーナーが燃焼装置で使用されると、安全上の理 由から空気が排気管、例えば煙突４を通って案内されるバーナー３の停止位相で 、この空気を零点安定化のために利用することができる。燃焼装置における方法 の使用は、大気圧バーナーを備えた燃焼装置に制限される。 図２には、他の用途として、４シリンダ型内燃機関が示してある。この内燃機 関のシリンダ１７は一方では吸気通路１８に、他方では排気通路１９に接続され ている。排気通路１９には排気後処理装置２０が配置されている。この排気後処 理装置は例えば、還元およびまたは酸化排気処理部分を備えている。 ピストン式内燃機関１６はエンジン制御装置２１に接続されている。このエン ジン制御装置を介して、負荷要求に相応して、通常のごとく、点火、燃料供給、 例えば燃料噴射等のようなエンジン機能が調整および制御される。 このようなピストン式内燃機関の場合には、排気センサを排気通路１９内に配 置しなければならない。しかし、内燃機関の排気が非常に高温であるため、従来 の普通の排気センサはその作動温度が排気温度よりも下方にあるので、従来は排 気中の空気比だけしか酸素センサ（ラムダプローブ）によって検出できなかった 。排気センサの信号はエンジン制御装置２１を介して排気エミッションを制御す るために役立ち、貯蔵触媒によって排気処理する際に触媒２０の後でエミッショ ンが排気センサ１１によってされる。濃度が臨界値を超えると、貯蔵触媒の触媒 が混合気を濃くすることによって行われる。 図２には、例えば窒素酸化物を低減するために、還元剤が計量装置２６から排 気に添加されるかまたはエンジン制御装置２１によって排気組成を調節すること によって、ＮＯ_x低減のために必要なＨＣとＮＯ_xの比を生じる装置が示してある 。そのために、排気センサ１１は接続管２２内に流れ方向において排気後処理装 置２０の手前に配置されている。例えば触媒で還元剤を添加することによって排 気組成濃度に影響を及ぼすことにより、エンジン制御装置２１を介してエンジン 制御する場合または排気後処理装置を制御する場合、接続管路２２の制御部は、 排気後処理装置の後に配置される。 本発明では、接続管路２２が分岐管路として排気通路１９と吸気通路１８の間 に設けられている。この接続管路は排気の流れ方向に見て最後のシリンダ１７に 開口する排気出口のできるだけすぐ後で分岐しているかあるいは排気後処理装置 ２０に依存してこの排気後処理装置の後で分岐している。排気センサ１１の信号 ダイナミクスを改善するために、排気センサ１１は遮断室２３と新鮮空気供給部 ２４と共に排気管１９に直接配置されている。 接続管路２２には遮断室２３が設けられている。この遮断室は一方では排気管 １９に接続され、他方では吸気通路１８に接続され、そしてこの遮断室には新鮮 空気入口２４が開口している。制御可能な弁装置８によって、排気と新鮮空気を 交互に遮断室２３を入れることができる。排気通路１９と空気入口２４から排気 または空気を遮断室２３を経て吸気通路１８に流すためには、この遮断室内にお ける、排気通路１９内の脈動する排気流とこれよりも低い吸気通路１８内の負圧 との圧力差で充分である。弁装置８．１を介してその都度、排気または新鮮空気 を遮断室に供給する時間を決定することができる。 ガスの流れ方向に見て遮断室２３の後に、排気センサ１１が配置されている。 この排気センサを介して排気の組成を検出することができる。排気センサ１１は 更に制御装置に接続されている。この制御装置は例えばエンジン制御装置２１の 一部であり、この制御装置を介して新鮮空気供給時の排気センサ１１の“零点検 出”と排気供給時の排気組成の検出を行うことができる。ガス組成に応じて、適 当な制御介入によって、例えば後処理装置２０の手前で適当な添加装置２６を経 て排気通路１９に還元剤を供給することができる。あるいは、エンジン制御装置 ２１を経て適当な制御介入を行うことができる。 比較的に冷たい新鮮空気が常に排気センサ１１に供給されるので、排気センサ において排気温度以下の温度が生じる。従って、排気センサ１１はその作動温度 範囲に保たれる。 図３には、遮断室２３の実施の形態が示してある。この遮断室２３には、排気 通路１９に接続された接続管路２２．１の部分と、空気入口２４が開口している 。接続管路２２．１の開口と空気入口２４の開口が互いに向き合うように配置さ れているので、例えば電磁アクチュエータ２８を介して往復揺動可能である弾性 的な弁板２７を介して、制御に相応して、排気管２２．１と空気入口２４を開閉 することができる。その都度遮断室２３に流入するガス流は吸気通路１８に接続 された接続管路の部分２２．２を経て流出し、排気センサ１１の傍らを流れるこ とができる。電磁アクチュエータ２８の制御は例えばエンジン制御装置２１を介 して行われる。 図４は自動的に作動する弁装置を示している。この実施の形態の場合には、弁 ダイヤフラム２７．１によって排気室２３．１と空気室２３．２に分割された遮 断室２３が設けられている。排気室２３．１には排気通路１９に接続された接続 管路の部分２２．１が開口し、空気室２３．２には空気入口２４が開口している 。空気室２３．２は更に、吸気通路１８に通じる接続管路２２の部分２２．２に 接続されている。 遮断室２３には更に、逆止弁２９が設けられている。この逆止弁は、脈動する 排気流の最高正圧時に開放するように調節されている。従って、排気室２３．１ から排気が空気室２３．２に流入することができる。 弁ダイヤフラム２７．２は、排気流の正圧時に同様に空気入口２４の開口を閉 鎖し、同時に排気が排気管路２３．１からそのとき開放する逆止弁２９と空気室 ２３．２を経て、吸気通路１８に通じる接続管路２２．２に流入し得るように形 成されている。空気入口２４を閉鎖する排気流出衝撃に後続する、排気通路１９ 内の負圧波が、弁ダイヤフラム２７．１を戻すので、空気入口２４が開放し、逆 止弁２９閉じ、周囲空気と吸気通路１８の間の圧力差に基づいて新鮮空気が空気 室２３．２を通って分岐管路２２．２内に流れることができる。 両実施の形態の場合、排気センサ１１は吸気通路１８に通じる接続管路２２の 部分２２．２内に配置されている。装置は、少なくとも接続管路２２の部分２２ ．２が冷却空気流内に設けられるような空間的配置構造とすることができる。従 って、排気センサ１１への直接的な新鮮空気供給に加えて、排気センサの周囲領 域も冷却され、排気センサの直ぐ近くの領域の温度レベルを低く保つことができ る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス状燃料の熱的なエネルギー変換を行うための装置の排気センサの零点を 安定化させる方法において、排気センサがその周りを排気の流れと新鮮空気の 流れによって周期的にかつ交互に洗われることを特徴とする方法。 ２．排気センサ周りの排気の流れと新鮮空気の流れの交替が、制御可能な弁装置 によって行われることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．排気センサが排気流から分岐した部分流によって周りを洗われることを特徴 とする請求項１または２記載の方法。 ４．新鮮空気が排気流の圧力によって与えられる圧力差を利用して、排気センサ に供給されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。 ５．熱的なエネルギー変換を行う装置が、定置された燃焼装置によって形成され ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。 ６．熱的なエネルギー変換を行う装置が、内燃機関、特にピストン式内燃機関に よって形成され、この内燃機関が燃焼空気のための吸気管と排気管を備え、排 気センサがその周りを、排気管から分岐した排気部分流と、大気から吸引され た新鮮空気流によって周期的に洗われ、両気体流がそれぞれ吸気管内に案内さ れることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。 ７．開閉制御可能な弁装置がアクチュエータを介して制御駆動されることを特徴 とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。 ８．開閉制御可能な弁が、交互に生じる、特に脈動する排気管内のガス圧によっ て自動的に制御駆動されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記 載の方法。 ９．少なくとも１本の排気通路（４；１９）を備えた、ガス状燃料によって熱的 なエネルギー変換を行う装置（１；１６）の排気中の有害物質成分を低減する ための制御装置（１２，２１）の排気センサ（１１）の零点を安定化させるた めの装置において、前記排気通路が分岐管路（６；２２）を備え、この分岐管 路が排気入口（７：２２．２）と新鮮空気入口（１０；２４）を備え、排気ま たは新鮮空気の流れ方向に見て入口の後に排気センサ（１１）が配置され、入 口の開口領域に弁装置（８）が配置され、この弁装置によって両入口が交互に 閉鎖可能であることを特徴とする装置。 10．熱的なエネルギー変換を行う装置が、吸気通路（１８）と排気通路（１９） を有する内燃機関（１６）の形をしている場合、分岐管路が排気通路（１９） と吸気通路（１８）の間の接続管路（２２）によって形成され、排気センサ（ １１）が接続管路（２２）内に配置されていることを特徴とする請求項９記載 の装置。 11．弁装置（８）がアクチュエータを備えた開閉制御可能な弁によって形成され ることを特徴とする請求項９または１０記載の装置。 12．弁装置が遮断室（２３）を備え、この遮断室が排気管（９）に接続された排 気室（２３．１）と接続管路（２２．３）を介して吸気通路（１８）に接続さ れた空気室（２３．２）に分割され、排気室（２３．１）が排気入口を備え、 空気室（２３．２）が新鮮空気入口（２４）を備え、弁装置（８．１）が設け られ、この弁装置によって、排気入口と新鮮空気入口が交互に閉鎖可能である ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の装置。 13．弁装置（８）が弁ダイヤフラム（２７．１）によって形成され、この弁ダイ ヤフラムが遮断室（２３）を排気室（２３．１）と空気室（２３．２）に分割 し、この弁ダイヤフラムによって新鮮空気入口（２４）の開口が周期的に閉鎖 可能であり、排気室（２３．１）と空気室（２３．２）の間に、逆止弁（２９ ）として形成された排気のための溢流弁が配置されていることを特徴とする請 求項９〜１２のいずれか一つに記載の装置。