JP4633120B2 - ガス混合物内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントおよびその作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメント、およびこのようなセンサ・エレメントの作動方法に関するものである。

いわゆる広帯域λセンサのためのこのタイプのセンサ・エレメントは、ドイツ特許公開第１９９４１０５１号から既知である。このセンサ・エレメントは、固体電解質層から構成されたセンサ本体を有し、センサ本体内に、拡散隔壁を介して排気ガスと結合されている中空室または測定室と、基準ガスが供給される基準ガス・チャネルとが形成されている。酸素を中空室内に（リッチな排気ガス）または測定室から（リーンな排気ガス）ポンピングするためのポンプ・セルは、固体電解質本体上に配置され且つ多孔性保護層により被覆された外側ポンプ電極と、中空室内に配置されている内側ポンプ電極とを含む。外側ポンプ電極を被覆している多孔性保護層は、拡散隔壁よりも大きい限界電流を有している。濃淡電池またはネルンスト電池は、測定室内に配置されている測定電極またはネルンスト電極と、基準ガス・チャネル内に配置されている基準電極とを含む。ネルンスト電極と基準電極との間の電圧を、例えば４５０ｍＶの一定電圧に制御したときに、ポンプ電極間に流れる限界電流は、全圧力が一定の場合、排気ガスのλ値に対する尺度である。このセンサ・エレメントの感度は、拡散隔壁により決定される限界電流を介して設定される。

限界電流を決定する分圧は全圧力およびモル分率に比例するので、このようなセンサ・エレメントは動的な圧力従属性を示し、この動的な圧力従属性は、排気ガス内の圧力ピークがλセンサの出力信号として現われることによって示されるが、これは本来ガス組成の変化と関連するものではない。拡散隔壁により、低い周波数においては全圧力変化に対する感度は低下されることになる。しかしながら、拡散隔壁はモル分率変化に対しては感度を低下させるものではなく、モル分率変化を知ることは、エンジン内の燃焼に対して最適な排気ガス組成を設定するために必要である。

ここで、異なるモル質量により、異なるガス・タイプは異なる熱速度、したがって異なる拡散係数を有している。この理由から、センサの感度はガス・タイプの関数である。センサは出力信号として全電流のみを提供するので、個々のガス成分に対する濃度変化を、ガス・タイプの変化から、もはや一義的に区別することはできない。

個々のガス成分をガス・タイプの変化から区別可能な、技術的に簡単に形成される、ガス混合物内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントおよびこのようなセンサ・エレメントの作動方法を提供することが本発明の課題である。

本発明によれば、固体電解質と協働してポンプ・セルを形成する２つの電極であって、そのうちの外側ポンプ電極が多孔性保護層を介してガス混合物に露出されている、前記２つの電極と、固体電解質上に配置され且つ基準ガスに露出されている基準電極であって、固体電解質およびネルンスト電極と共に濃淡電池またはネルンスト・セルを形成する、前記基準電極と、を有する、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントにおいて、 少なくとも時々、外側ポンプ電極とネルンスト電極との間のネルンスト電圧（分散／差電圧）が測定され且つ評価される。

また、本発明によれば、固体電解質と協働してポンプ・セルを形成する２つの電極であって、そのうちの外側ポンプ電極が多孔性保護層を介してガス混合物に露出されている、前記２つの電極と、固体電解質上に配置され且つ基準ガスに露出されている基準電極であって、ネルンスト電極および固体電解質と共に濃淡電池またはネルンスト・セルを形成する前記基準電極と、を有する、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントの作動方法において、ネルンスト電極と外側ポンプ電極との間の測定電圧を測定し且つ評価する。

本発明の基本的な考え方は、上記の広帯域センサを、分散作動において、密度の異なる２つの保護層を有するネルンスト・セルとして作動させることにある。これにより、異なる拡散係数に基づき、電極において反応するガス混合物が平衡状態にない場合、両方の電極間にネルンスト電圧が設定される。この場合、例えば、酸素のリーンなガスはより急速に拡散するので、ネルンスト電圧の陰極は、より密度の大きい保護層の後方の電極において発生する。このネルンスト電圧（分散／差電圧）を少なくとも時々測定するために、センサ・エレメントそれ自身を変更する必要がないことが特に有利である。センサ・エレメントの配線を変更するだけでよい。

センサに全圧力上昇（圧力脈動）を与えることにより、分散信号の時間経過内にガス成分の動粘度が現われ且つこれを評価することができる。
触媒の下流側において使用された場合、燃焼過程の反応が行われたかどうかの検出が可能であり、その理由は、例えば酸素に対しては、反応が行われたとき、両方の保護層（即ち、外側ポンプ電極上の保護層および拡散隔壁）の後方に同じ分圧が設定されるからである。このようにして、触媒の劣化もまた決定可能である。即ち、同じ分圧が発生しないとき、劣化が推測されることになる。

これにより、基準電極に対して両方のネルンスト電圧もまた測定可能であり、したがって、通常のλ＝１ジャンプ・センサにおいてと同様に、絶対ネルンスト電圧が決定可能である。この信号は、λ＝１付近における燃焼過程の制御のために使用される。

さらに、ネルンスト電圧が基準電極と外側ポンプ電極との間で測定されることが好ましい。したがって、外側ポンプ電極における電圧がポンプ電流なしに測定される。
特に有利な形態は、測定ガス室と基準ガス容積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、ポンプ電圧を制御する回路ユニットと、外側ポンプ電極および内側ポンプ電極間の電圧の測定との間でポンプ電圧を切り換えるための手段とを設け、前者の制御はこのようなセンサの「正常作動」に対応し、後者の測定はこのセンサの「分散作動」に対応する。したがって、この切換手段により、簡単に、機能ポンプ電流を発生するための回路ユニットの作動と電圧測定との間で切換が可能である。

図１に略図で示されている、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントは、（図示されていない）内燃機関の排気ガスないしはその他のガス混合物に露出されている平面センサ本体１０を有している。センサ本体１０それ自身は、固体電解質１２、例えばＹ_２Ｏ_３で安定化されたＺｒＯ_２セラミックを含み、固体電解質１２内に、例えばリング状の中空室１３が形成されている。中空室１３は、固体電解質１２内に垂直に形成されている中央開口１４を介して排気ガスと結合され、開口１４に対して多孔性拡散隔壁１５により被覆されている。

固体電解質１２の上側に、多孔性保護層２３により被覆された広い平面の外側ポンプ電極１６が配置され、中空室１３の内部において、固体電解質１２の、外側電極１６から離れた側に、内側ポンプ電極１７が配置されている。内側ポンプ電極１７は、この実施例においては、円形リング状に形成され且つゼロ電位に置かれている。

同様にリング状の、中央開口１４を包囲する外側ポンプ電極１６に、電圧Ｕが印加され、電圧Ｕに関してはのちに詳細に説明する。
外側ポンプ電極１６および内側ポンプ電極１７は、固体電解質１２と協働してポンプ・セル１９を形成する。

中空室１３とほぼ同じ平面内に基準ガス容積４０が配置されている。基準ガス容積４０の内部において、固体電解質１２上に基準電極４２が装着されている。ネルンスト電極５０は、測定ガス室とも呼ばれる中空室１３の範囲内において、内側ポンプ電極１７に向かい合い且つ内側ポンプ電極１７と同様に円形リング状に形成されている。ネルンスト電極５０はゼロ電位であり、内側ポンプ電極１７もまた同様にゼロ電位である。

内側ポンプ電極１７と、基準ガス容積４０内に配置されている基準電極４２とは、協働してネルンスト・セルないしは濃淡電池４５を形成する。
中空室１３および基準ガス容積４０の下側にヒータ２２が配置され、ヒータ２２は、例えば蛇行状に形成されていてもよい。ヒータ２２は、固体電解質１２を、測定のために必要な設定可能温度に加熱する。このために、図１には示されていない、それ自身既知の制御回路が設けられている。

センサ・エレメントは、全体が符号６０で示されている操作エレクトロニクスにより、以下に記載のように操作される。操作エレクトロニクス６０は、切換手段６１を含み、切換手段６１により、その位置においてセンサ・エレメントが既知のように作動される一方の切換位置６２と、のちに詳細に説明される他方の切換位置６３との間で切換が可能である。

演算増幅器６８が設けられ、演算増幅器６８の一方の入力端子に基準電圧Ｕ_ｒｅｆが印加され、演算増幅器６８の他方の入力端子に、基準電極４２に印加されている電圧が印加され、この電圧は切換手段６１が一方の切換位置６２にあるときにはネルンスト電圧Ｕ_Ｎである。ネルンスト電圧Ｕ_Ｎが、例えば４５０ｍＶより小さい場合、演算増幅器６８の出力は正であり、且つポンプ・セル１９内に正の電流を流し、または言い換えると、測定ガス室１３内における酸素過剰に対応する比較的小さいネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、（陰の）酸素イオンを測定ガス室１３から排気ガスに搬送させる。比較的高いネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、それに対応して、酸素がリッチな流れを排気ガスから測定ガス室１３に形成し、これにより、安定状態においては所定濃度の酸素が測定ガス室１３内に設定される。即ち、演算増幅器６８の出力は、ポンプ電圧Ｕとして、既知のように外側ポンプ電極１６に印加される。

切換手段６１は、その第２の切換位置６３において、電圧測定器（電圧計）６４を外側ポンプ電極１６と結合する。したがって、この切換位置においては、分散／差電圧、即ちネルンスト電極５０と外側ポンプ電極１６との間の電圧が測定される。切換手段６１のこの切換位置においては、同時に、外側ポンプ電極１６と基準電極４２との間のネルンスト電圧が電圧測定器６５により測定可能であり、即ち通常のλ＝１ジャンプ・センサにおいてと同様に、絶対ネルンスト電圧Ｕ_Ｎが決定可能である。

このようにして、センサ・エレメントが内燃機関触媒の下流側において使用された場合、排気ガスが「完全に反応し終った」かどうか、即ち排気ガスが、燃焼過程において化学反応を受けたガス成分を有しているかどうかの検出が可能である。この場合、両方の保護層の後方に、即ち保護層２３および多孔性拡散隔壁１５の後方にそれぞれ、同じでない分圧が設定されるであろう。これにより、触媒の劣化もまた推測可能である。

さらに、圧力脈動における測定信号の時間経過に基づき、ガス成分の粘度が推測可能である。
上記の分散電圧測定の代わりに、既知のように、短絡電流の測定が行われてもよい。

図１は、ガス混合物内のガス成分の濃度を決定するための、本発明によるセンサ・エレメントを示す。

Claims (6)

1. 固体電解質（１２）と協働してポンプ・セル（１９）を形成する外側ポンプ電極（１６）と内側ポンプ電極（１７）であって、そのうちの外側ポンプ電極（１６）が多孔性保護層（２３）を介してガス混合物に露出されている、外側ポンプ電極（１６）と内側ポンプ電極（１７）と、
   固体電解質（１２）上に配置され且つ基準ガスに露出されている基準電極（４２）であって、固体電解質（１２）と測定ガス室（１３）に配置されるネルンスト電極（５０）と共に濃淡電池またはネルンスト・セル（４５）を形成する、基準電極（４２）と、
   を有する、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントにおいて、
   少なくとも時々、外側ポンプ電極（１６）とネルンスト電極（５０）との間のネルンスト電圧が測定され、且つガス成分の特性およびセンサ・エレメントが下流に配置される触媒の劣化の少なくともいずれかを決定するために評価されることを特徴とするガス混合物内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメント。
2. 基準電極（４２）と外側ポンプ電極（１６）との間において、第２のネルンスト電圧が測定可能であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ・エレメント。
3. 基準電極（４２）に印加されている電圧の、基準電圧（Ｕｒｅｆ）からの偏差の関数としてポンプ電圧（Ｕ）を制御する回路ユニットと、外側ポンプ電極（１６）およびネルンスト電極（５０）間のネルンスト電圧を測定するための測定装置（６４）との間で切り換えるための手段を特徴とする請求項１または２に記載のセンサ・エレメント。
4. 固体電解質（１２）と協働してポンプ・セル（１９）を形成する外側ポンプ電極（１６）と内側ポンプ電極（１７）であって、そのうちの外側ポンプ電極（１６）が多孔性保護層（２３）を介してガス混合物に露出されている、外側ポンプ電極（１６）と内側ポンプ電極（１７）と、
   固体電解質（１２）上に配置され且つ基準ガスに露出されている基準電極（４２）であって、測定ガス室（１３）に配置されるネルンスト電極（５０）および固体電解質（１２）と共に濃淡電池またはネルンスト・セル（４５）を形成する基準電極（４２）と、
   を有する、ガス混合物内のガス成分の濃度、特に内燃機関の排気ガス内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントの作動方法において、
   ネルンスト電極（５０）と外側ポンプ電極（１６）との間のネルンスト電圧を測定し、且つガス成分の特性およびセンサ・エレメントが下流に配置される触媒の劣化の少なくともいずれかを決定するために評価することを特徴とするガス混合物内のガス成分の濃度を決定するためのセンサ・エレメントの作動方法。
5. ネルンスト電圧の時間経過から、ガス成分の粘度を推測することを特徴とする請求項４に記載の作動方法。
6. ネルンスト電圧の時間経過から、前記触媒の劣化を推測することを特徴とする請求項４に記載の作動方法。

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