JP2005180419A - 内燃機関の排気ガスためのセンサ装置およびその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の排気ガス後処理システムにおいて、排気ガスセンサの異なるタイプの数を減らすことができるセンサ装置およびその作動方法を提供する
【解決手段】 触媒本体（４４）の手前に配置される第一の排気ガスセンサ（４８；５４）と、触媒本体の後方に配置される第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）とを備えた、排気ガスシステム（１２）の異なる場所で酸素濃度を測定するセンサ装置において、第一および第二の排気ガスセンサが共に、外側のポンプ電極（７６）、内側のポンプ電極（８０）、ネルンスト電極（８２）、基準電極（８６）を備え、第一の排気ガスセンサが第一の作動／評価回路（５６；９２）に且つ第二の排気ガスセンサが第二の作動／評価回路（１０８；１１２）に結合され、第一または第二の作動／評価回路が、それぞれ結合されている排気ガスセンサをネルンストセンサとして作動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、触媒本体の手前に配置されており且つ内燃機関の高速の燃料／空気比制御回路のための第一の信号を生成する第一の排気ガスセンサと、触媒本体の後方に配置されており且つ第二の信号を生成する第二の排気ガスセンサとを備えた、内燃機関の排気ガスシステムの異なる場所で酸素濃度を測定するためのセンサ装置に関する。本発明は更に、そのようなセンサ装置を作動させるための方法に関する。

上述の様なセンサ装置及びその作動方法は、例えば、ＤＥ３５ ００ ５９４ Ｃ２ から知られている。ガソリンおよび／またはディーゼル燃料と空気の様な炭化水素混合気の完全な化学量論的燃焼の際には、燃焼生成物として、分子状の窒素、二酸化炭素、及び水だけしか生み出されない。送り込まれた燃焼空気が、送り込まれた燃料に対して確かに化学量論的に配量されてはいるものの、十分に反応するための時間が無い場合には、上記の三種類のガスの他に幾つかのガスが発生し、それ等のガスには上述の最終生成物と比較してなお酸素が不足しているか或いは酸素が過剰に含まれている。

ＤＥ ３５ ００ ５９４ Ｃ２ から知られている２ゾンデ（センサ）のコンセプトによれば、内燃機関の中へ流れ込むエアマスが測定され、且つ高速の制御回路を用いてそのエアマスに適合する燃料量が配量される。内燃機関の燃焼室内の燃料／空気比のための尺度として、第一の排気ガスセンサが触媒の手前の酸素濃度を測定する。酸素濃度の測定のために、固体電解質、例えば二酸化ジルコニウムが用いられるが、この固体電解質は、酸素イオンに対して伝導性であり且つ排気ガスを基準雰囲気、一般に周囲の空気から分離する。排気ガス中と基準雰囲気中とで異なる酸素濃度が固体電解質を通る酸素イオン流を生じさせ、該酸素イオン流が排気ガスに面している外側の電極と基準雰囲気に面している内側の電極との間に電位差を生み出す。この電位差が高抵抗特性的に測定され、第一の制御回路のための入力信号として利用される。

電位差から燃料／空気比への逆推理は、排気ガス中に熱力学的ガス平衡が達成されているときにのみ可能である。この条件は、局所的に排気ガスに面している電極上で、窒素、二酸化炭素、及び水への完全な変換をもたらす、触媒として活性な電極によって満たされる。この場合には、ゾンデの特性曲線は、化学量論的な条件（ラムダ＝１）の時にジャンプする様な特徴を持つ。排気ガス成分の濃度が高く、この濃度が熱的に平衡でなく、不完全にしか変換されないときに、ゾンデの特性曲線はジャンプの位置の移動を示す。

ＤＥ ３５ ００ ５９４ Ｃ２ によれば、第一の制御回路に第二の制御回路が重ね合わされており、その際、第二の制御回路は、触媒本体としての三元触媒の後方に配置された第二の排気ガスセンサを備えている。触媒本体が排気ガスを完全に熱平衡にするので、第二の排気ガスセンサは、排気ガス中の酸素濃度をより高い精度で測定することができる。しかしながら、触媒本体の後方に第二の排気ガスセンサを配置することは、上記の利点と共に、内燃機関の生の排気ガス中の酸素濃度がある程度触媒本体の吸蔵作用によって弱められてしまうので、第二の排気ガスセンサは、その様な変化に対して比較的緩やかにしか反応しないという欠点も持っている。この理由から、燃料／空気混合気の制御のためには、主として第一の排気ガスセンサが利用され、第二の制御回路は、例えば基準値のずれによって、第一の制御回路のための重畳修正のために使用される。

電圧ジャンプ特性を持つ二つの排気ガスセンサを使用する上記の既知のコンセプトの他に、いわゆるワイドバンドセンサを制御センサとして触媒本体の手前に配置するコンセプトもある。その様なワイドバンドゾンデは、例えば『自動車技術ポケットブック』（Der Kraftfahrttechnischen Taschenbuch）、２３版、５２４頁に説明されている。ワイドバンドセンサは、ジャンプする様にではなく、安定した変化を示す特性曲線を持っている。大体において基準値からの酸素濃度の偏差の符号についての情報だけしかもたらさない電圧ジャンプ特性を持つセンサとは反対に、安定した特性曲線の変化は、偏差の量についての逆推理をも可能にする。更にこの酸素濃度情報は、化学量論的ポイントの通過の際に単に短時間的にではなく、連続的に利用することができる。しかしながら、その様なワイドバンドセンサに対して、電圧ジャンプ特性を持つセンサは、化学量論的ポイントの位置がジャンプ様の信号変化の故に、より精確に測定できるという利点を持っている。この理由から、電圧ジャンプ特性を持つセンサが、触媒本体の手前に配置された制御ゾンデとしてワイドバンドセンサを用いる２ゾンデのコンセプトでも、ガイドゾンデとして用いられる。

更に、中負荷と高負荷のときだけ化学量論的な燃料／空気混合気で運転され、低負荷の時には空気過剰での運転が好まれる内燃機関の運転のためのコンセプトが知られている。その様な希薄燃焼運転の際には、窒素が大量に発生し、それ等の窒素は同時に酸素濃度が高い場合には変換することがなかなか困難である。大量の窒素を変換するためには、連続ＳＣＲ法（Selective Catalytic Reduction 法）が知られており、その作動及び監視のためにも、おそらくＮＯｘセンサが必要となる。もう一つの別の、しかしながら不連続的な方法は、希薄な排気ガス中では窒素酸化物を吸蔵し、該窒素酸化物を短い再生段階で、減少した排気ガス雰囲気によって優れた変換形態で排出するＮＯｘ吸蔵型触媒を使用している。

窒素酸化物が吸蔵される段階は、ＮＯｘセンサによって監視することができる。代わりの手法として或いは補足として、再生段階を、酸素感受性を持つ排気ガスセンサによって監視することができる。コスト的に非常に有利な一つの方法は、ラムダ１運転のガイドゾンデをＮＯｘ吸蔵型触媒の再生のための監視用ゾンデとしても使用することを提案している。しかしながら、電圧ジャンプ特性を持つ従来の排気ガスセンサを再生段階の監視のために使用すると、ゾンデの信号変化の中に、再生段階の精確な制御を困難にする過敏的反応が発生することがあるということが明らかとなっている。電圧ジャンプ特性を持つガイドゾンデの代わりとして、再生の制御のために、また第一の制御回路のガイドのために、ワイドバンドゾンデを使用することを考えることもできるであろう。しかしながら、ガイドのためには高い精度要求がある故に、ワイドバンドセンサをガイドゾンデとして使用することは危険であると思われる。この様な背景に基づいて、内燃機関の排気ガスシステムにおいて様々な制御及び監視の課題を解決するためには、様々な特性を持つ排気ガスセンサが必要である。従来はそのために構造的に異なる排気ガスセンサが用いられていた。

しかしながら、製造の際と交換部品市場における倉庫管理の際のコストを引き下げるという理由から、排気ガス後処理システムの中の排気ガスセンサの異なるタイプの数を減らすことが望ましいであろう。

本発明の課題は、上述の要求を満たすことができ且つ排気ガスセンサの異なるタイプの数で間に合う、内燃機関の排気ガス後処理システムの異なる場所で酸素濃度を測定するためのセンサ装置を提供することである。本発明の課題は更に、異なるセンサの数を減らした、その様なセンサ装置の作動方法を提供することにある。

本発明によれば、触媒本体の手前に配置され且つ内燃機関の高速の燃料／空気比制御回路のための第一の信号を生成する第一の排気ガスセンサと、触媒本体の後方に配置され且つ第二の信号を生成する第二の排気ガスセンサとを備えた、内燃機関の排気ガスシステムの異なる場所で酸素濃度を測定する、内燃機関の排気ガスのためのセンサ装置において、第一の排気ガスセンサおよび第二の排気ガスセンサが共に、外側のポンプ電極と、内側のポンプ電極と、ネルンスト電極と、基準電極とを備えており、第一の排気ガスセンサが第一の作動／評価回路と結合されており、且つ第二の排気ガスセンサが第二の作動／評価回路と結合されており、少なくとも第一の作動／評価回路または第二の作動／評価回路が、それぞれ結合されている第一の排気ガスセンサまたは第二の排気ガスセンサを、ネルンストセンサとして作動させる。

また、本発明によれば、触媒本体の手前に配置され且つ内燃機関の高速の燃料／空気比制御回路のための第一の信号を生成する第一の排気ガスセンサと、触媒本体の後方に配置され且つ第二の信号を生成する第二の排気ガスセンサとを備えた、内燃機関の排気ガスシステムの異なる場所で酸素濃度を測定するためのセンサ装置の作動方法において、第一の排気ガスセンサおよび第二の排気ガスセンサが共に、外側のポンプ電極と、内側のポンプ電極と、ネルンスト電極と、基準電極とを備えており、且つ個々の前記センサに独自の作動／評価回路と結合されており、排気ガスセンサのうちの少なくとも一つが、個々の前記センサに独自の作動／評価回路によって、ネルンストセンサとして作動させられる。

上記の内側のポンプ電極とネルンスト電極は共通の電極として実現されることができる。そうなると該共通の電極は、両方の機能、即ち内側のポンプ電極の機能とネルンスト電極の機能を行う。かくして本発明は、基準電極、外側のポンプ電極、及び共通の内側のポンプ電極及びネルンスト電極の、構造的に異なる三つの電極だけしか必要としない。

これ等の特徴により、本発明の課題は完全に解決される。第一の排気ガスセンサも第二の排気ガスセンサも上述の電極を備えていることによって、二つの排気ガスセンサのどちらでも、その作動／評価回路の設計によって、前もって定められた使用目的に適応させるという選択の自由が生まれる。そのような排気ガスセンサは、その作動／評価回路の設計に応じて、電圧ジャンプ特性を有する排気ガスセンサとしても或いはワイドバンドセンサとしても機能する。その上電圧ジャンプ特性を有するセンサとしての機能の場合には、ジャンプの場所を、そのような排気ガスセンサをＮＯｘ吸蔵型触媒の再生の監視と制御のために用いることができるように変えることができるという可能性が生まれる。これによって、上に述べられたその他の要求の全てが、唯一つの構造の排気ガスセンサによって満たされる。その結果として、複数の排気ガスセンサを有するセンサ装置の製造も交換部品市場のための排気ガスセンサの倉庫管理も非常に簡単化される。

第一の作動／評価回路が、ネルンストソンデとしての、それ故電圧ジャンプ特性を有するセンサとしての第一の排気ガスセンサを作動させ、ネルンスト電圧が外側のポンプ電極の電位と基準電極の電位の差として求められることが好ましい。この実施例によって、制御偏差の符号だけしか評価されない、いわゆる２点制御装置の枠組みの中で触媒本体の手前に配置されるための、特に制御センサとして適している高速反応の排気ガスセンサが作られる。

代わりの手法として、第一の作動／評価回路がワイドバンドゾンデとしての第一の排気ガスセンサを作動させ、その際、外側の電極が、内側のポンプ電極および／またはネルンスト電極と、これ等の電極の間に配置されたイオン伝導性の容積と共に、ポンプセルを形成し、このポンプセルが、基準電極の電位と、ネルンスト電極および／または内側のポンプ電極の電位との差に依存しているポンプ電流を用いて作動されることが好ましい。

この実施例によって、触媒本体の手前に配置される制御センサとして、制御偏差の符号の他に制御偏差の量も処理することのできる制御を可能にする、ワイドバンドセンサが実現される。

更に、第二の作動／評価回路が第二の排気ガスセンサをネルンストゾンデとして作動させることが好ましい。
それによって、第二の排気ガスセンサは、ガイドゾンデとして使用する際に望ましい様な、最高の精度で作動される。

もう一つの好ましい実施例は、第二の作動／評価回路が、第二の排気ガスセンサを、第一の制御回路のためのガイドセンサとしての外側のポンプ電極に対して接続されること無しに作動させ、その際、この第二の作動／評価回路が、ネルンスト電圧を、ネルンスト電極および／または内側のポンプ電極の電位と基準電極の電位との差として求めることを特徴としている。

排気ガスセンサを、ネルンスト・ガイドゾンデとしてそのように接続すると、作動／評価回路への外側のポンプ電極の接続をせずに済ますことができる。このような配線の仕方によって、排気ガスセンサが触媒本体の後方で酸素濃度を測定する精度が、その反応速度を犠牲にして高められる。しかしながら、その反応速度の低下は重大ではない。何故なら、ガイドゾンデは何れにせよ高速でなければならないということは無いからである。反応速度に対してより高い要求がある場合には、触媒本体の後方のガイドゾンデの場合でも、外側のポンプ電圧と基準電極との間のネルンスト電圧を測定することができる。場合によっては、外側の電極と基準電極との間の、並びに内側のポンプ電極および／またはネルンスト電極と基準電極との間の交互的或いは同時的な測定及び比較によって、オンボード診断のための追加の情報を手に入れることもできる。

また、第二の作動／評価回路が外側のポンプ電極を通って流れるポンプ電流を用いて第二の排気ガスセンサを作動させ、ネルンスト電圧が、ネルンスト電極および／または内側のポンプ電極の電位と基準電極の電位との差として求められることも好ましい。

この実施例の特別な利点は、外側のポンプ電極を通って流れるポンプ電流が、酸素濃度に、又これによってネルンスト電極および／または内側のポンプ電極の電位に対して、一定の手法で影響を与え、このことがゾンデ特性曲線の中のジャンプの一定の移動をもたらすということにある。ジャンプのこの移動によって、冒頭でＮＯｘ吸蔵型触媒の再生段階の監視および／または制御に関連して述べられた過敏性が弱められ或いは過剰補正されることさえできる。これによって、排気ガスセンサは、そのような再生段階の監視および／または制御に関して出される要求をも満たすことができる。

更に、第二の作動／評価回路がコンスタントなポンプ電流を生成することが好ましい。
代わりの手法として、第二の作動／評価回路が、コンスタントなポンプ電位を外側のポンプ電極に対して印加することが好ましい。

一般にコンスタントな電流は、一定の移動を達成するために必要である。しかしながら、コンスタントな抵抗、それ故特にコンスタントなセンサ温度の際には、外側のポンプ電極のコンスタントな電位は、固体電解質を通してコンスタントな電流を流す。従って、排気ガスセンサの温度が作動中に十分コンスタントであるとき（これは多くのケースで当てはまる）には、上記の二つの実施例は互換性がある。

もう一つの実施例は、第一の排気ガスセンサと第二の排気ガスセンサとが同一ということを特徴としている。この実施例は、両方の排気ガスセンサが互いに互換性があるという利点を持っている。従って、異なる課題のために要求される特性を備えた排気ガスセンサを用意するための個々の排気ガスセンサのタイプの製造は、単一の製造ラインで間に合う。

代わりの手法として、第一の排気ガスセンサは、単に変化された拡散バリヤによってのみ、第二の排気ガスセンサと異なっていることが好ましい。
この実施例は、第二の排気ガスセンサが、高過ぎるポンプ電流によって負荷されること無しに、ＮＯｘ吸蔵型触媒の監視のために使用されると有利である。この実施例もまた、別の用途のために考えられた排気ガスセンサと同じ製造ラインで製造することができる。拡散バリヤは一般に、多孔性のペーストの塗布によって生成されるので、製造プロセスの中では単に多孔性のペーストの塗布のステップだけが変更されるだけで良い。

その他の利点は説明及び添付の図面から明らかになる。
上に述べられ又以下になお説明される特徴は、単にそれぞれ提示された組み合わせによってだけでなく、本発明の範囲を外れること無しにその他の組み合わせで或いは単独で、利用することができるということが理解される。

図１は、排気ガスシステム１２を備えた内燃機関１０を示している。内燃機関１０の燃焼室１４、１６、１８、２０は吸気システム２２から空気を満たされ、その際燃焼室１４、１６、１８、２０の中へ流れ込む空気の質量は、エアマス計２４を用いて測定される。エアマス計２４および／またはアクセルペダル２６の信号から、並びに回転数センサ２８の信号から、制御装置３０で燃料量（噴射弁３２、３４、３６、及び３８を通じて燃焼室１４、１６、１８、２０を充填するために空気と共に配量される燃料量）のためのベース値が決定される。場合によって、制御装置３０はまた、オプションとして存在しているスロットルバルブ４０の位置をアクチュエータ４２によって制御する。

燃焼室１４、１６、１８、２０内での燃焼プロセスからの排気ガスは排気ガスシステム１２を通して集められ、排気ガス内に含まれている有害物質は、少なくとも一つの触媒本体４４によって変換される。触媒本体４４は、例えば従来からの三元触媒として実現することができる。第一の触媒本体４４の後方には、もう一つの触媒本体４６を配置することができるが、触媒本体４６は、例えば、内燃機関１０の運転の際に余分の空気と共に排出される窒素酸化物の変換のためのＮＯｘ吸蔵型触媒として役立つ。

第一の排気ガスセンサ４８は、第一の触媒本体４４の手前の排気ガス中の酸素成分を捕らえる。第一の排気ガスセンサ４８は、コントローラとしての制御装置３０、及び操作要素としての噴射弁３２、３４、３６、３８と共に、内燃機関１０のための高速の燃料／空気比制御回路を形成している。第二の排気ガスセンサ５０は、排気ガスシステム１２の触媒本体４４の後方に配置され、制御装置３０と共に、第一の制御回路を導く第二の制御回路を形成している。例えば、第一の排気ガスセンサ４８がアンバランスな排気ガスの故に系統的に誤っている場合には、正しい値からの偏差が第二の排気ガスセンサ５０によって測定され、制御装置３０を通じて、例えば第一の制御回路のための目標値の変更のために用いられるので、第一の制御回路は、第一の排気ガスセンサ４８の誤った測定にもかかわらず、正しい目標値に制御される。もう一つの第二の排気ガスセンサ５２は、第二の排気ガスセンサ５０の代わりとして或いは補足として、第二の触媒本体４６の後方に配置される。排気ガスセンサ４８、５０、５２は、好ましくは互いに互換性があり、それぞれそれ等の個別的作動／評価回路が互いに異なっているということによって、異なる役割を果たすことができる。個別的な作動／評価回路は、好ましくは制御装置３０に統合されている。

図２は、排気ガスセンサ５４の断面を、制御装置３０に統合された作動／評価回路５６と共に示している。作動／評価回路５６は、制御装置３０の演算／メモリユニット５８と結合されており、演算／メモリユニット５８は更に、入力端６０を通じてセンサ２６、２８からの入力信号を受け取り、また出力端６２を通じて操作要素３２、３４、３６、３８、４２を制御する。図２に示されている排気ガスセンサ５４は、図１に示されている排気ガスセンサ４８又は５０又は５２として使用することができる。それぞれの用途に対する適性は、作動／評価回路との配線によって生まれるが、その際、図２に示されている作動／評価回路５６は、排気ガスセンサ５４を制御用センサ４８として使用するために特化されている。

排気ガスセンサ５４は、好ましくは複数の層或いはフォイルから成る構造を有している。ヒーターフォイル６４はヒーター構造６６を支えており、該ヒーター構造の上に基準チャネルフォイル６８が載せられている。基準チャネルフォイル６８の上には中間フォイル７０が、又その上にはポンプフォイル７２が配置されている。上述のフォイル６４、６８、７０、７２、少なくとも中間フォイル７０とポンプフォイル７２は、酸素イオン伝導性の材料から、例えば二酸化ジルコニウム固体電解質から成り立っている。

図２に示されている排気ガスセンサ５４は、排気ガス７４の方向に関して外側のポンプ電極７６を有しており、この電極は、ガス透過性の多孔性の層７８によって保護されている。内側のポンプ電極８０とネルンスト電極８２は、図２に示されている構成の場合には、作動／評価回路５６に接続されていないか、或いは作動／評価回路５６の中で中性の基準電位８４と接続されている。基準電極８６は、基準チャネル８８の中で支配的な基準雰囲気に晒されている。排気ガスシステム１２の外側における周囲の大気に対する基準チャネル８８の結合を通じて、基準雰囲気は、例えば大気から成り立つことができる。すると、排気ガス７４中と基準チャネル８８中とで異なる酸素濃度が、ポンプフォイル７２と中間フォイル７０とによって平衡酸素イオン拡散電流を生じさせ、この拡散電流が、外側のポンプ電極７６と基準電極８６とに異なる電位をもたらす。ネルンスト電圧とも呼ばれるこの電位差は、作動／評価回路５６の演算増幅器９０によって高オームで測定され、演算ユニット／メモリユニット５８に引渡される。

図３は、排気ガスセンサ５４をワイドバンドセンサとして用いている、別の作動／評価回路９２を備えた排気ガスセンサ５４を示している。排気ガス７４は、ガスインレット口９４とガス透過性の多孔性の拡散バリヤ９６とを通して、容積９８（測定容積）の中へ到達するので、ネルンスト電極８２と内側のポンプ電極８０とで酸素濃度が調整される。容積９８内の酸素濃度が基準チャネル８８内の酸素濃度からずれていると、基準電極８６に基準電位８４からずれた電位が生じ、この電位は、演算増幅器１００の反転入力端に送り込まれる。演算増幅器１００の非反転入力端には、電源１０２によって生じる、例えば４５０ｍＶの比較電圧が印加されている。

演算増幅器１００の反転入力端と非反転入力端との間の電圧がゼロからずれていると、演算増幅器１００は、測定抵抗１０４を通して外側のポンプ電極７６に向かう電流を生成し、この電流が排気ガス７４からの酸素イオンを容積９８の中へ運び、或いは容積９８からの酸素イオンを排気ガス７４へ運ぶ。その際、電流の方向は演算増幅器１００の反転入力端と非反転入力端との間の電圧の符号に依存している。このようにすることによって、演算増幅器１００は、容積９８内の酸素濃度を、反転入力端と非反転入力端との間の電位差が消滅する値に調節する。ネルンスト電極８２と基準電極８６との間のネルンスト電圧が４５０ｍＶである場合がそれに当たる。これによって、演算増幅器１００は、容積９８内の酸素濃度を一定の値に保持するポンプ電流を生成する。

容積９８内の酸素濃度は、拡散バリヤ９６を通して排気ガス７４中の酸素濃度によって影響を受けるから、容積９８内の一定の酸素濃度を保持するために必要なポンプ電流は、排気ガス７４中の酸素濃度に依存している。ポンプ電流から測定抵抗１０４を通して生成された電圧降下は、演算増幅器１０６によって排気ガス７４中の酸素濃度に関する尺度として求められ、演算／メモリユニット５８に引渡される。ポンプ電流は常に排気ガス７４中の酸素濃度を通じて変化している。図３に示されている排気ガスセンサ５４の回路によって、排気ガスセンサ５４は、図１の排気ガスセンサ４８の組み込み箇所で制御用ワイドバンドセンサ４８として使用するために特化されている。

図４は、作動／評価回路１０８が排気ガスセンサ５４をガイドゾンデとしての使用に特化した実施例を示している。その際基準電極８６は、図２の場合のように、演算増幅器１１０の反転入力端と結合されている。しかしながら、図２の目的とは異なり、演算増幅器１１０の非反転入力端は、外側のポンプ電極とではなく、ネルンスト電極８２および／または内側のポンプ電極８０と結合されている。従って、演算増幅器１１０は、基準チャネル８８内と容積９８内の酸素濃度の差に基づいて調節されるネルンスト電圧を測定する。容積９８内の酸素濃度は、拡散バリヤ９６を通して排気ガス７４中の酸素濃度によって定められるから、演算増幅器１１０によって求められたネルンスト電圧は、排気ガス７４中の酸素濃度に関する尺度となる。

拡散バリヤ９６は一般に保護層７８よりも高い拡散抵抗を有しているので、図３に基づく回路を備えた排気ガスセンサ５４は、排気ガス７４中の酸素濃度の変化に対して図２に基づく回路の場合よりもより反応が不活発である。しかしながら、このことは図１の排気ガスセンサ５０の場所に置かれた排気ガスセンサ５４の配置の場合には、副次的な役割しか果たしていない。何故ならば、この組み込み場所では何れにせよ、前置されている触媒本体４４によって遅延が生じるからであり、またこの組み込み場所では、酸素濃度測定の速度よりもむしろ高い精度の方が重要となるからである。内側のポンプ電極／ネルンスト電極の精度は特別に高い。何故なら、前置されている触媒が化学的アンバランスをかなり是正してくれる上に、前置されている拡散バリヤによる内側のポンプ電極／ネルンスト電極の化学的な触媒的負荷は小さいと思われるからである。外側のポンプ電極７６は、作動／評価回路の実施例の場合には接続されていない。

図５は、図１に基づくＮＯｘ吸蔵型触媒４６の後方の排気ガスセンサ５２の場所に排気ガスセンサ５４を使用することを可能にする、作動／評価回路１１２を備えた排気ガスセンサ５４を示している。図２に基づく配線を持つネルンストゾンデの配置の場合、ネルンストセンサは、与えられているガスが未だ酸素過剰であるにもかかわらず既に過濃表示に向かってジャンプするということがテストで判明した。信号の変化は、これによって過敏反応を示す。それ故そのような突発的反応は、吸蔵型触媒４６の後方での酸素欠乏などではなく、ネルンストセンサの機能不良に帰せられる（メタン変位）。特に、特定の吸蔵型触媒の場合には、触媒の入口の過濃排気ガス雰囲気によって行われる再生の際に、吸蔵型触媒の後方にメタンピークが発生し、その際にネルンストゾンデは、触媒の出口での酸素過剰が証明されているにもかかわらず（例えば、ラムダ＝１．００３）、既に過濃電圧を示す。仮にこのネルンストゾンデの前にもう一つの触媒本体を配置したとしても、本発明に基づくポンプ変位が無ければ、ラムダ＝１の時にせいぜい一つのジャンプを生じさせることができる程度であったであろう。しかしながら、瞬間的な、比較的無害の過濃の突発的発生が、例えば、ラムダ＝０．９９７で起きるということが考えられる。通常の、理想的なラムダ＝１．０００ のセンサによっては濾過することのできないこの過濃の突発的発生は、刻印されたポンプ変位によって取り除かれる。かくしてポンプ変位によってセンサのメタン変位も瞬間的な過濃の突発的発生も触媒によって補償されるので、制御の望ましくない反応は生じない。

そのようなエラー表示は、図５の目的の場合には、ネルンスト電圧が、図４の目的の場合と同様、ネルンスト電極８２および／または内側のポンプ電極８０と基準電極８６との間で求められる一方、同時に容積９８内の酸素濃度が容積９８に対する排気ガス７４の酸素イオン・ポンプ電流の一定の印加によって高められる、ということによって対処される。容積９８内における酸素の一定の富化によって、電極８０／８２と８６からなり、それ等の電極の間に置かれた中間フォイル７０を備えたネルンストセルの特性曲線は、過濃表示が１又はそれよりも大きなラムダ値の場合ではなく、１未満のラムダ値の場合に生じるように移動される。一定のポンプ電流は、図５の目的の場合には、外側のポンプ電極７６と内側のポンプ電極８０に接続された定電流源或いは定電圧源１１４によって発生される。この電流回路は、ポンプ層７２の中の固定電解質を介して接続され、その際固体電解質中のこの電流は酸素イオンによって運ばれる。

一定のポンプ電流を印加する代わりに、排気ガスセンサ５４はまた、図３の目的に対応するワイドバンドセンサとして作動可能であり、その際には、電圧源１０２によって用意される比較電圧の選択によって、容積９８内の高められた酸素濃度が調整される。それに対して、図５に基づく実施例は、図３に基づく演算増幅器１００と電圧源１０２とを有する比較的高価な制御回路が必要ではなくなるという利点を持っている。更に図５に基づく実施例の場合には、吸蔵型触媒４６の後方の酸素欠乏によって認知される再生段階の終了の際のジャンプ機能が得られる。

本発明は、ここでは基準大気チャネル及びポンプセルとネルンストセルの垂直配置とを有するセンサ構造の例に基づいて説明された。本発明はそのような構造形態に限定されるものではないということが理解される。ネルンストセルは、例えばポンプセルの後方に横に配置されることができる。基準大気の供給は、狭いチャネルを通して行われなければならないということは無く、この電極に属している基板の多孔質を通して行うことができる。

制御用センサ、ガイドセンサ、及びＮＯｘ吸蔵型触媒の再生の監視および／または制御のためのもう一つのセンサを備えた排気ガスシステムを有する内燃機関の略図を示す。 個々のセンサに独自の配線の第一の形態を持つ排気ガスシステムの断面図を示す。 配線の第二の形態を持つ排気ガスセンサを示す。 配線の第三の形態を持つ排気ガスセンサを示す。 配線の第四の形態を持つ排気ガスセンサを示す。

符号の説明

１０…内燃機関
１２…排気ガスシステム
１４、１６、１８、２０…燃焼室
２２…吸気システム
２４…エアマス計
２６…アクセルペダル
２８…回転数センサ
３０…制御装置
３２、３４、３６、３８…噴射弁（操作要素）
４０…スロットルバルブ
４２…アクチュエータ
４４、４６…触媒本体
４８、５０、５２…排気ガスセンサ
５４…排気ガスセンサ
５６、９２、１０８、１１２…作動／評価回路
５８…演算／メモリユニット
６０…入力端
６２…出力端
６４…ヒーターフォイル
６６…ヒーター構造
６８…基準チャネルフォイル
７０…中間フォイル
７２…ポンプフォイル
７４…排気ガス
７６…ポンプ電極
７８…ガス透過性の多孔性の層
８０…ポンプ電極
８２…ネルンスト電極
８６…基準電位
８８…基準チャネル
９０、１００、１０６…演算増幅器
９４…ガスインレット口
９６…ガス拡散バリヤ
９８…測定容積
１０２…電源
１０４…測定抵抗
１１４…定電圧源

Claims (12)

1. 触媒本体（４４）の手前に配置され且つ内燃機関（１０）の高速の燃料／空気比制御回路のための第一の信号を生成する第一の排気ガスセンサ（４８；５４）と、触媒本体（４４）の後方に配置され且つ第二の信号を生成する第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）とを備えた、内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１２）の異なる場所で酸素濃度を測定する、内燃機関の排気ガスのためのセンサ装置において、
   第一の排気ガスセンサ（４８；５４）および第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）が共に、外側のポンプ電極（７６）と、内側のポンプ電極（８０）と、ネルンスト電極（８２）と、基準電極（８６）とを備えていること、
   第一の排気ガスセンサ（４８；５４）が第一の作動／評価回路（５６；９２）と結合されており、且つ第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）が第二の作動／評価回路（１０８；１１２）と結合されていること、
   少なくとも第一の作動／評価回路（５６；９２）または第二の作動／評価回路（１０８；１１２）が、それぞれ結合されている第一の排気ガスセンサ（４８；５４）または第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）を、ネルンストセンサとして作動させること、
   を特徴とするセンサ装置。
2. 第一の作動／評価回路（５６）が、第一の排気ガスセンサ（４８；５４）をネルンストセンサとして作動させ、且つネルンスト電圧を、外側のポンプ電極（７６）の電位と基準電極（８６）の電位との差として取り出すことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 第一の作動／評価回路（９２）が、第一の排気ガスセンサ（４８；５４）をワイドバンドセンサとして作動させること、
   外側のポンプ電極（７６）が、内側のポンプ電極（８０）および／またはネルンスト電極（８２）と、前記諸電極の間に配置されたイオン伝導性の容積（７０）と共に、ポンプセルを形成すること、
   ネルンスト電極（８２）および／または内側のポンプ電極（８０）が、基準電極（８６）と、前記諸電極の間に配置されたイオン伝導性の容積（７０）と共に、ネルンストセルを形成すること、および
   前記ポンプセルが、基準電極（８６）の電位からの、ネルンスト電極（８２）および／または内側のポンプ電極（８０）の電位の差に依存しているポンプ電流を用いて作動されること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
4. 第二の作動／評価回路（１０８；１１２）が、第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）をネルンストセンサとして作動させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のセンサ装置。
5. 第二の作動／評価回路（１０８）が、第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）を、外側のポンプ電極（７６）の接続無しに、第一の制御回路のためのガイドセンサとして作動させ、その際第二の作動／評価回路（１０８）が、ネルンスト電圧を、ネルンスト電極（８２）および／または内側のポンプ電極（８０）の電位と基準電極（８６）の電位との差として取り出されることを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
6. 第二の作動／評価回路（１１２）が、第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）を、外側のポンプ電極（７６）を通って流れるポンプ電流を用いて作動させ、且つネルンスト電圧を、基準電極（８６）の電位からの、ネルンスト電極（８２）および／または内側のポンプ電極（８０）の電位の差として取り出すことを特徴とする請求項４に記載のセンサ装置。
7. 第二の作動／評価回路（１１２）が、一定のポンプ電流を生成することを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置。
8. 第二の作動／評価回路（１１２）が、一定のポンプ電位を外側のポンプ電極（７６）に印加することを特徴とする請求項６に記載のセンサ装置。
9. 第一の排気ガスセンサ（４８；５４）と第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）とが同一であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサ装置。
10. 第一の排気ガスセンサ（４８；５４）が、拡散バリヤ（９６）の拡散抵抗が異なるということによってのみ第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）と異なっていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のセンサ装置。
11. ネルンスト電極（８２）が、内側のポンプ電極と共に共通の電極として形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のセンサ装置。
12. 触媒本体（４４）の手前に配置され且つ内燃機関（１０）の高速の燃料／空気比制御回路のための第一の信号を生成する第一の排気ガスセンサ（４８；５４）と、触媒本体（４４）の後方に配置され且つ第二の信号を生成する第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）とを備えた、内燃機関（１０）の排気ガスシステム（１２）の異なる場所で酸素濃度を測定するためのセンサ装置の作動方法において、
    第一の排気ガスセンサ（４８；５４）および第二の排気ガスセンサ（５０；５２；５４）が共に、外側のポンプ電極（７６）と、内側のポンプ電極（８０）と、ネルンスト電極（８２）と、基準電極（８６）とを備えており、且つ個々の前記センサに独自の作動／評価回路（５６；９２；１０８；１１２）と結合されていること、
    排気ガスセンサ（４８；５０；５２；５４）のうちの少なくとも一つが、個々の前記センサに独自の作動／評価回路（５６；９２；１０８；１１２）によって、ネルンストセンサとして作動させられること、
    を特徴とするセンサ装置の作動方法。

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