JP5102787B2 - ガス・センサによる測定ガス内ガス濃度の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項に記載のガス・センサによる測定ガス内ガス濃度の決定方法に関するものである。さらに、本発明はこのようなガス・センサの作動装置に関するものである。

λ制御は、今日、触媒と組み合わされて、オットー・サイクル・エンジンに対する有効な排気ガス浄化方法である。今日利用可能な点火および噴射システムと組み合わされてはじめて、きわめて低い排気ガス値を達成することができる。今日使用されている触媒タイプは、エンジンがλ＝１の理論空燃比の周りの約１％の範囲内で運転する場合に、炭化水素、一酸化炭素および窒素酸化物を９８％以上まで分析する性質を有している。この場合、λ値は、実際に存在する空気／燃料混合物が、完全燃焼のために理論的に必要な、１ｋｇの燃料に対する１４．７ｋｇの空気の質量比からどれだけ離れているかを与える。この場合、λは供給空気質量と理論空気質量との商である。

ディーゼル・エンジンに対してもまた、例えば部品公差に基づいて発生することがある、例えばエミッションのばらつきを回避するために、λセンサが使用される。
排気ガス内の残存酸素の濃度を決定するためのセンサ・エレメントとして、λセンサないしは広帯域λセンサが使用されることが好ましい。λセンサのネルンスト・セルは、λ＝１の値に対応する酸素濃度において電圧ジャンプを有し、且つ混合物がλ＝１よりリッチであるかまたはリーンであるかを示す信号を提供する。λセンサの作動方法は、固体電解質を有するガルバニック酸素濃淡電池の原理に基づいている。

二位置センサとして設計されているλセンサは、それ自身既知のように、ネルンスト・セルに基づいてネルンスト原理に従って作動する。固体電解質は、セラミックにより分離された２つの境界面から構成されている。使用されるセラミック材料は約３５０℃において酸素イオンに対して導電体となるので、このときセラミックの両側の酸素成分が異なる場合には、境界面の間にいわゆるネルンスト電圧が発生される。この電圧は、セラミックの両側の酸素分圧比に対する尺度である。内燃機関の排気ガス内の残存酸素含有量は、かなり正確に、エンジンに供給される混合物の空燃比の関数であるので、排気ガス内の酸素成分を、実際に存在する空燃比に対する尺度として使用することが可能である。

理想的な空気／燃料混合物組成であるかどうかをチェックするために、排気系内に広帯域λセンサが使用されることが好ましい。このセンサは、典型的には、Ｔ＝７５０℃およびＴ＝８００℃の間の温度において作動される。

リッチな混合物が存在する場合、排気ガス内の酸素濃度は、理論的に行われる燃焼に対して典型的な酸素濃度を下回るので、λ値は＜１となり、且つネルンスト・セル内に＞４５０ｍＶの電圧を発生する。リーンな混合物が存在する場合、ネルンスト電圧は４５０ｍＶの値を下回って低下する。しかしながら、λセンサは、センサおよび特にセンサのセラミック本体が約＞４００℃の作動温度を有しているときにおいてのみ、確実な値を提供する。

二位置センサの上記のステップ状電圧特性は、λ＝１の周りの狭い値の範囲内においてのみ制御を可能にする。この測定範囲をさらに拡張させるためには、いわゆる広帯域λセンサがそれを可能にし、広帯域λセンサにおいては、ネルンスト・セルに補足して、いわゆるポンプ・セルといわれる第２の電気化学セルが組み込まれている。広帯域λセンサは排気ガスをポンプ・セル内に拡散させ、この場合、ポンプ・セルがλ＝１に対応する酸素濃度を有するまでの間、ポンプ電流を介して酸素がポンプ・セルに供給またはポンプ・セルから排出される。この場合、必要なポンプ電流は、実際に排気ガス内に存在する酸素分圧に比例している。

ドイツ特許公開第１０１４７３９０号から、広帯域λセンサの作動方法が既知であり、この方法においては、排気ガスの酸素成分がネルンスト電圧と基準電圧との比較に基づいて決定され、この場合、「λ＝１」の値から偏差がある場合、ポンプ・セルにポンプ電流が印加される。この場合、ポンプ電流は排気ガス内のλの値に対する尺度である。低温のセンサを始動させるとき、ネルンスト電圧がポンプ・セル中空室内の酸素濃度に対する実際の尺度となるまでの間、ネルンスト電圧が先行制御により基準電圧付近に保持されるように設計されている。

さらに、測定ガスの圧力により測定ガス内ガス濃度の決定が行われることが既知である。ガス・センサの機能方法は、拡散隔壁を介しての測定室内への測定ガスの供給が適切に設定されることに基づいている。測定ガスの供給は本質的にクヌーセン拡散に基づいている。即ち、気体分子の平均自由行路は、本質的に、拡散隔壁の形状により、典型的には測定セルの開口の大きさによって決定される。さらに、測定ガスの供給は気相拡散によってもまた行われる。

上記の拡散は測定ガスの圧力変化により行われるので、測定ガス内の正確な濃度決定のために圧力が考慮されるべきである。濃度決定における圧力との関数関係は、例えば、いわゆるｋ値と呼ばれるセンサ固有の補償パラメータを介して次式のように示すことができる。

ｐ＿０ 基準ガス圧力
ｐ＿ｅｘｈ 測定ガス圧力（排気圧力）
Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿０） 基準ガス圧力におけるガス濃度未処理信号
Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ） 測定ガス圧力（排気圧力）におけるガス濃度未処理信号
ｋ 補償パラメータ
補償パラメータは、センサの固有特性の関数であり且つ製造上のばらつきに基づいてのみ変化する。さらに、補償パラメータは経時効果に基づいてもまた変化する。

濃度測定を補正するために、製造においてないしはガス・センサの適用において決定された補償パラメータが評価回路内に記憶され且つガス濃度の決定において考慮される。

本発明により、測定ガス内ガス濃度がわかっている内燃機関の第１の運転方式が存在するとき、ガス濃度信号および圧力信号が測定される、ガス・センサによる測定ガス内ガス濃度の決定方法が提供される。これらの信号から出発してガス・センサの補償パラメータ（ｋ）が決定される。次に、このように決定された補償パラメータ（ｋ）が、内燃機関の少なくとも１つの第２の運転方式においてガス濃度を決定するために考慮される。

このような方法は、ガス・センサの製造上のばらつきが、補償パラメータを実際に決定することにより補償可能であるという利点を有している。これにより、例えばλセンサにおいて、特にディーゼル粒子フィルタを備えた車両に対してもまた、排気圧力の広い値範囲にわたり正確な酸素信号が決定可能である。

他の利点は、酸素信号が、補償パラメータの経時ドリフトにもかかわらず、センサの寿命にわたり酸素信号が補償されることにある。
さらに、内燃機関の惰性運転方式においては測定ガス／排気ガス内の酸素濃度がわかっているので、補償パラメータ（ｋ）が内燃機関の少なくとも１つの惰性運転内において決定されることが有利である。さらに、複数の惰性運転内における測定は、多数の測定値が測定可能であり、これにより測定精度が上昇されるという利点を有している。

本発明による対象の他の形態は、少なくとも１つの惰性運転内において、種々の時点で、ガス濃度信号が付属の圧力信号と共に測定されるように設計されている。この方法は、ただ１回の惰性運転内において複数の測定値が測定可能であり、且つ場合により、１つの惰性運転過程から、十分な精度をもつ補償パラメータを決定するために十分な値が得られるという利点を有している。

他の形態は、補償パラメータが、統計的方法を用いて、測定されたガス濃度信号および圧力信号から決定されるように設計されている。これは、例えば、測定値から出発して、ガス濃度と圧力との関数関係が回帰直線によって示されることにより行われてもよい。これにより、酸素信号の精度が改善される。さらに、回帰評価は、排気ガス計算モジュールにより計算された排気圧力の評価誤差（目盛誤差）の影響もまた補償する。

他の形態においては、決定されたガス濃度信号（Ｏ２＿ｒａｗ）および圧力信号（ｐ＿ｅｘｈ）から出発して、ガス濃度の圧力に対する関数（Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ）、Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿０））が決定され、この関数から補償パラメータ（ｋ）が決定されるように設計されている。これは、補償パラメータの決定においてガス濃度関数の非線形特性が考慮され、これにより、ガス濃度決定の精度が有利に上昇するという利点を有している。

図１は、例として、付属の操作（制御）装置２００を備えた、ガス混合物内ガス成分の濃度を決定するためのガス・センサ１００を示す。この例においては、ガス・センサは広帯域λセンサとして形成されている。広帯域λセンサは、本質的に、下部領域内にヒータ１６０を、中間領域内にネルンスト・セル１４０を、および上部領域内にポンプ・セル１２０を含む。ポンプ・セル１２０は中央領域内に開口１０５を含み、開口１０５を通過して排気ガス１０がポンプ・セル１２０の測定室１３０内に到達する。測定室１３０の外側端部に電極１３５、１４５が配置され、この場合、上部電極１３５はポンプ・セルに付属されて内部ポンプ電極（ＩＰＥ）１３５を形成し、下部電極１４５はネルンスト・セル１４０に付属されてネルンスト電極（ＮＥ）１４５を形成する。ポンプ・セル１２０の排気ガスに面している側は保護層１１０を有し、保護層１１０の内部に外部ポンプ電極（ＡＰＥ）１２５が配置されている。外部ポンプ電極１２５と測定室１３０の内部ポンプ電極１３５との間に固体電解質が伸長し、電極１２５、１３５にポンプ電圧が印加されたとき、固体電解質を介して酸素が測定室１３０内に搬送可能、または測定室１３０から搬出可能である。

ポンプ・セル１２０に他の固体が続き、この他の固体は基準ガス室１５０と共にネルンスト・セル１４０を形成する。基準ガス室１５０にはポンプ・セルの方向に基準電極（ＲＥ）１５５が設けられている。基準電極１５５と、ポンプ・セル１２０の測定室１３０内のネルンスト電極１４５との間に設定された電圧はネルンスト電圧に対応する。他のセラミック層内の下部領域内にヒータ１６０が配置されている。

ネルンスト・セル１４０の基準ガス室１５０内に酸素基準ガスが保持される。ポンプ電極１２５および１３５を介して流れるポンプ電流により、測定室内に、測定室１３０内の「λ＝１」の濃度に対応する酸素濃度が設定される。

この電流の制御およびネルンスト電圧の評価は、操作装置ないしは制御装置２００が行う。この場合、演算増幅器２２０は、基準電極１５５にかかっているネルンスト電圧を測定し、且つこの電圧を、典型的には約４５０ｍＶである基準電圧Ｕ＿Ｒｅｆと比較する。偏差がある場合、演算増幅器２２０は、抵抗２１０およびポンプ電極１２５、１３５を介してポンプ・セル１２０にポンプ電流を印加する。

図２は、排気ガス内酸素濃度を、例えばポンプ電流Ｉ＿ｐｕｍｐからガス濃度信号として決定するための、その原理が既知の方法を略図で示す。このために、酸素未処理信号ないしはガス濃度信号Ｏ２＿ｒａｗが補償モジュール６００に供給される。周囲圧力ｐ＿ａｔｍ、粒子フィルタの差圧ｄｐ＿ｐｆｌｔ並びにわかっている配管圧力損失ｄｐ＿ｔｕｂｅから、排気ガス計算モジュール６５０はガス・センサにかかっている排気圧力ｐ＿ｅｘｈを計算する。排気圧力ｐ＿ｅｘｈおよびガス濃度信号Ｏ２＿ｒａｗから出発して、補償モジュール６００は、例えば式（１）の変形によって得られる式（２）により、補償ガス濃度Ｏ２＿ｃｏｍｐを計算する。

この場合、補償パラメータは、例えばガス・センサ１００の適用において補償モジュール６００内に固定記憶され、且つガス・センサの全ての使用に対して不変のままである。
空気に作用する広帯域λセンサのポンプ電流はその製品に固有のものであるので、通常、補償モジュールのあとに適合モジュール９００を接続するように設計されている。この補償モジュールは、同様に濃度決定における圧力との関数関係の部分補償を行う。一般に、後続の適合モジュール９００内において、測定ガスがわかっているときに、適合ガス濃度Ｏ２＿ａｄｐｔ＝ｍ＿ａｄｐｔ・Ｏ２＿ｃｏｍｐ が測定ガスのガス濃度に等しくなるように適合係数ｍ＿ａｄｐｔがシミュレートされる。

測定ガスないしは排気ガスのガス濃度は、典型的には内燃機関の惰性運転においてはわかっている。惰性運転は、惰性検出手段８００により検出され且つ適合モジュール９００に信号される。惰性運転の間においては、典型的には内燃機関に燃料が供給されない。したがって、吸い込まれたフレッシュ・エアは燃焼することなく排気系内に到達し且つガス・センサの周りを通過する。適合モジュール９００は、このとき、適合酸素濃度Ｏ２＿ａｄｐｔが２０．９５％とわかっているフレッシュ・エアの酸素含有量に対応するように、内燃機関の惰性運転内の適合係数をシミュレートする。惰性運転の間に決定され且つ設定された適合係数ｍ＿ａｄｐｔは、次に、内燃機関の残りの運転方式に対しても使用される。

図３に、補償ガス濃度Ｏ２＿ｃｏｍｐの適合が略図で示されている。上記のように決定された、ないしは定格の補償パラメータｋｎｏｍが存在するとき、ガス濃度信号Ｏ２＿ｒａｗは補償モジュール６００により既に十分に補償されているので、図３の曲線１に示すｋ＝ｋｎｏｍに対して、ガス濃度は全ての圧力値にわたり一定のままである。

これに対して、ガス・センサの補償パラメータｋが定格値から偏差を有している場合、ガス濃度が一定であるにもかかわらず、決定された補償ガス濃度Ｏ２＿ｃｏｍｐは、曲線３に対応して、圧力と共に非線形に変化する。信号偏差を補償するために、上記のように、惰性運転内において、このとき存在する圧力、即ち適合圧力ｐ＿ａｄｐｔにおいて、補償ガス濃度Ｏ２＿ｃｏｍｐを実際のガス濃度に適合させることが行われる。これが、図３に、曲線３が適合値だけシフトされることにより略図で示され、このときこれは曲線２に示す適合ガス濃度Ｏ２＿ａｄｐｔを与える。

さらに図３からわかるように、このような補償は本質的に適合圧力ｐ＿ａｄｐｔに対してのみ適用される。他の圧力ｐ＿ｌｏａｄにおいては、ある程度の大きさの誤差ｄＯ２＿ｅｒｒが得られる。適合モジュール９００による圧力補償は定格補償パラメータｋに対してのみ可能であるので、存在するガス・センサの補償パラメータの公差範囲に応じてそれぞれ、補償過剰または補償不足の適合が行われる。

粒子フィルタを備えた車両の場合には排気圧力の値の範囲が大きく、例えば再生された粒子フィルタにおける０．８ｂａｒから蓄積された粒子フィルタにおける２ｂａｒまたはそれ以上まで変動することがあるので、この残留誤差ｄＯ２＿ｅｒｒは、特に粒子フィルタを備えた車両に対しては外乱となる。

より正確な濃度測定のために、本発明により、ここで、補償パラメータを、ガス・センサの設置において決定するのみならず、使用の間においても適合させることが行われている。これは、定格補償パラメータから偏差がある場合、予め補償モジュール６００内においてこの偏差が補償ないしは適合可能であるという利点を有している。

図４は、図２から既知の要素を同じ符号で示している。図２から既知の実施形態に追加して、補償パラメータ適合モジュール７００が設けられ、補償パラメータ適合モジュール７００は、惰性検出手段８００によって信号される惰性運転が存在したとき、ガス濃度信号Ｏ２＿ｒａｗおよび排気圧力ｐ＿ｅｘｈから出発して補償パラメータｋの適合を実行し、且つ補償パラメータｋを補償モジュール６００に供給する。

惰性運転の間に、ガス・センサのガス濃度信号ないしは酸素未処理値Ｏ２＿ｒａｗ並びに計算された排気圧力ｐ＿ｅｘｈが記録される。惰性運転の間における物理的酸素濃度は２０．９５％と一定であるので、酸素未処理値Ｏ２＿ｒａｗの変化は付属の圧力影響のみがその原因である。

提供された方法の第１の実施例が、例として図５に示されている。惰性運転の間に、種々の時点において、排気圧力ｐ＿ｅｘｈおよびそれに付属の酸素未処理値Ｏ２＿ｒａｗが決定される。既知の統計的方法を用いて、決定された点Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ）により回帰直線（Ｒｅｇ）が計算される。測定点Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ）は、例えば内燃機関の１つまたは複数の惰性運転の間に測定可能である。測定点の数が多いことは、高い相関精度を達成するために有利である。回帰直線の勾配ｍは、組み込まれているそのセンサ製品の圧力感度に対する尺度であり、これにより実際の圧力との関数関係の測定を可能にする。

惰性運転内において排気圧力は当然変化するので、十分な相関精度を達成するために十分に大きな値の範囲が入力変数に対して与えられている。惰性運転内においては、回転速度は低下し、この場合、この結果として排気ガス容積流量および排気圧力もまた低下する。このかぎりにおいて、それに基づいて十分に正確な回帰直線が計算可能な多数の測定点（Ｍｐｋｔ）が得られる。このとき、その製品に固有の補償パラメータは、例えば次の式（３）を用いて、式１ないしは式２のガス濃度関数の勾配ｍから計算可能である。

式（３）は、式（１）を圧力ｐ＿ｅｘｈにより微分することにより、および作業点（ｐ＝ｐ＿ｘ＝惰性運転内の平均排気圧力）に対して線形化することにより得られる。
他の形態においては、測定点Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ）による回帰直線の計算を省略し、その代わりに個々の測定点に対してそれぞれ付属の補償パラメータを次の式（４）により計算するように設計されている。

式（４）は、式（１）の数学的変形から得られる。この変更態様においては、任意の基準圧力ｐ＿０に対する酸素濃度Ｏ２＿ｒａｗは、同様に惰性運転の間に決定されなければならない。回避できない信号Ｏ２＿ｒａｗへの外乱影響を排除するために、式（４）による補償パラメータｋは、低域フィルタにより平滑化されるべきであることが好ましい。第１の実施例においては、外乱排除は既に回帰直線により保証される。

上記の方法のいずれかにより決定された補償パラメータは、次に、惰性運転以外においても、酸素未処理信号ないしはガス濃度信号Ｏ２＿ｒａｗの圧力補償のために使用され、且つ決定された定格補償パラメータｋｎｏｍを置き換えている。これにより、出力された補償酸素信号Ｏ２＿ｃｏｍｐの精度は、内燃機関の全負荷においておよび／または蓄積された粒子フィルタにおいて発生するような、特に高い排気圧力に対しても改善される。

図１はガス・センサの略構成図を示す。 図２は従来技術から既知のガス濃度の決定ブロック回路図を示す。 図３は補償ガス濃度Ｏ２＿ｃｏｍｐの略適合線図を示す。 図４は本発明によるガス濃度の決定ブロック回路図を示す。 図５は本発明による方法の第１の実施例における排気圧力ｐ＿ｅｘｈと酸素濃度Ｏ２＿ｒａｗとの関係線図を示す。

Claims (2)

1. ガス・センサによる測定ガス内ガス濃度の決定方法において、
   測定ガス内ガス濃度がわかっている内燃機関の少なくとも１つの惰性運転内において、種々の時点で、ガス濃度信号（Ｏ２＿ｒａｗ）および圧力信号（ｐ＿ｅｘｈ）が測定されること、
   種々の時点で測定されたガス濃度信号（Ｏ２＿ｒａｗ）および圧力信号（ｐ＿ｅｘｈ）から出発して、統計的方法を用いて、ガス濃度の圧力に対する関数（Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ）、Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿０））が決定され、この関数から補償パラメータ（ｋ）が決定されること、
   次に、補償パラメータ（ｋ）が、内燃機関の惰性運転以外にもガス濃度信号（Ｏ２＿ｒａｗ）の補償のために使用され、補償パラメータ（ｋ）を、ガス・センサの設置のときに決定するのみならず、ガス・センサを使用する間においても適合させること、
   を特徴とするガス・センサによる測定ガス内ガス濃度の決定方法。
2. 排気圧力を決定するための排気ガス計算モジュール（６５０）と、
   測定されたガス濃度信号（Ｏ２＿ｒａｗ）および排気圧力（ｐ＿ｅｘｈ）から出発して、補償ガス濃度（Ｏ２＿ｃｏｍｐ）を決定するための補償モジュール（６００）と、
   内燃機関の惰性運転を検出するための惰性検出手段（８００）と、
   補償ガス濃度（Ｏ２＿ｃｏｍｐ）を適合させるための適合モジュール（９００）と、
   を備えた、請求項１ないし４のいずれかを実施するための制御装置において、
   補償パラメータ適合モジュール（７００）を更に備え、補償パラメータ適合モジュール（７００）が、
   測定ガス内ガス濃度がわかっている内燃機関の少なくとも１つの惰性運転内において、種々の時点で、測定されたガス濃度（Ｏ２＿ｒａｗ）および排気圧力（ｐ＿ｅｘｈ）から出発して、統計的方法を用いて、ガス濃度の圧力に対する関数（Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿ｅｘｈ）、Ｏ２＿ｒａｗ（ｐ＿０））を決定し、この関数から補償パラメータ（ｋ）を決定し、
   補償パラメータ（ｋ）を、内燃機関の惰性運転以外にもガス濃度信号（Ｏ２＿ｒａｗ）の補償のために使用し、また補償パラメータ（ｋ）を、ガス・センサの設置のときに決定するのみならず、ガス・センサを使用する間においても適合させること、
   を特徴とする制御装置。

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