JP5528041B2 - 排気ガス・センサの作動方法および装置 - Google Patents

排気ガス・センサの作動方法および装置 Download PDF

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Description

本発明は、特に内燃機関の排気内に配置するように設けられている排気ガス・センサの作動方法およびその方法を実施するための装置に関するものである。
制御装置プログラム並びに制御装置プログラム製品もまた本発明の対象である。
ドイツ特許公開第10260720号に、一時的に、電極の範囲内に熱力学的平衡が設定可能な定格作動温度よりも低下された低下作動温度で作動されるλセンサの作動方法が記載されている。低下作動温度によるλセンサの少なくとも一時的な作動は、定格作動温度における交差感度に対してλセンサの交差感度を変化させる。この効果は、内燃機関の排気通路内にλセンサが配置可能な内燃機関の特定の作動状況において、λセンサの交差感度を形成したりまたは抑制したりするために利用可能である。例えば、NOx吸蔵触媒の再生の範囲内において内燃機関が一時的にリッチな空気/燃料混合物で運転されるとき、低下作動温度により、λセンサのCH4交差感度が低減可能である。低下作動温度は、センサ・ヒータの制御回路への係合により行われる。
ドイツ特許公開第10331158号に、λセンサの電極に、一時的に、外部から供給された再生電流が印加されるλセンサの作動方法が記載されている。実験の結果、これにより、λセンサの電極の浄化作用が達成可能であり、この浄化作用がλセンサの有効期間の延長に寄与することが証明された。
ドイツ特許公開第19941051号に、拡散隔壁を介してガス室と結合されているセンサ室を有する広帯域λセンサが記載されている。センサ室内に内部ポンプ電極が配置され、内部ポンプ電極は、外部ポンプ電極と、ポンプ電極間に存在する酸素イオン伝導性電解質と共に、ポンプ・セルを形成する。ポンプ・セルにより、酸素イオンは、電解質を通過して、センサ室からまたはセンサ室内にポンピング可能である。ポンプ・セルのほかに、内部ポンプ電極と基準ガス電極との間で形成される測定セルが存在し、この場合、内部ポンプ電極と基準ガス電極との間に、同様に酸素イオン伝導性電解質が配置されている。測定セルはネルンスト・セルに対応し、ネルンスト・セルにおいては、熱力学的平衡において内部ポンプ電極と基準ガス電極との間に形成される電位差は、センサ室内の測定すべきガスの分圧と、基準空気室内の測定すべきガスの分圧との比の対数に比例する。排気ガスλの測定の目的は、センサ室内の酸素分圧を、ネルンスト電位が、好ましくはλ=1に対応する所定の値に一定に保持されるように調節することである。回路装置は、ポンプ電流が流れるように働く。極性およびポンプ電流の値は、所定のネルンスト電位をいかなる値だけ超えているかまたは下回っているかの関数である。設定されたポンプ電流は排気ガスλに対する尺度である。
ドイツ特許公開第19960731号は、その機能がλセンサの対応の構成要素と一致する少なくとも幾つかの構成要素を含むNOxセンサを記載している。
ドイツ特許公開第10260720号 ドイツ特許公開第10331158号 ドイツ特許公開第19941051号 ドイツ特許公開第19960731号
本発明の課題は、好ましくは内燃機関の排気内に配置するように設けられている排気ガス・センサの作動方法と、排気ガス・センサのセンサ信号の信頼性を向上させる、かかる方法を実施するための装置とを提供することである。
この課題は、独立請求項に記載の特徴によりそれぞれ解決される。
排気ガス・センサが少なくとも2つの電極を有し、これらの電極間にポンプ電流が流れ且つこれらの電極間にポンプ電圧が発生可能であり、排気ガス・センサは通常定格作動温度で作動される。排気ガス・センサの本発明による作動方法は、一時的に、排気ガス・センサの温度が定格作動温度よりも低い低温作動が行われることから出発する。本発明により、電極にかかっているポンプ電圧が測定され、低温作動が測定ポンプ電圧により調節されるように設計されている。
低温作動の範囲内で電極にかかっているより高い上昇ポンプ電圧は、例えば(白金)コアを含む電極の活性を上昇させる。即ち、電極の形態の変換が行われる。電極コアの新たな分配により、電極表面の再生が行われる。これと関連して、特に、測定されるべき排気ガス、電極コアおよびセンサ・セラミックがそれぞれ相互に境界を接している三相境界の浄化もまた行われる。この結果、酸素イオンはセンサ・セラミック内に入りやすくなる。本発明による方法は排気ガス・センサの浄化ないしは再生を可能にし、これにより、排気ガス・センサの特性曲線、即ちポンプ電流と空気数λとの間の関係またはポンプ電流とNOx濃度との間の関係が、排気ガス・センサの全寿命にわたり、少なくともほぼ一定に保持される。
より高いポンプ電圧は、原理的に、外部から印加される電圧により提供可能である。本発明の範囲内において、センサが、少なくとも一時的に、排気ガス・センサの作動温度が定格作動温度よりも低い低温作動の範囲内で作動されることにより、他の手段が提供される。定格作動温度は、例えば780±30℃の値であり、これに対して、低温作動においては、以下において再生温度と呼ばれるλセンサの温度は780±30℃より低い値である。再生温度目標値が設定される場合、例えば定格作動温度よりも50−100℃だけ低い温度が設定可能である。
排気ガス・センサのより低い作動温度においては、排気ガス・センサの内部抵抗が上昇するために、酸素イオンの運動性が低下することに基づき、ポンプ電流が同じ場合でも、両方の電極間のポンプ電圧は上昇する。この結果、低温作動においては、排気ガス・センサの電極における電圧の上昇が行われ、この電圧の上昇は、電極の活性を上記のように上昇させる。低温作動は、排気ガス・センサがはじめに再生温度に加熱され、それに続いて次に、定格作動温度に加熱されるべき排気ガス・センサの始動においてのみならず、定格作動温度から出発して、即ち排気ガス・センサの加熱電力の低下の範囲内において行われてもよい。
本発明による方法の有利な変更態様および形態が従属請求項に記載されている。
一形態は、ポンプ電圧しきい値に達したときに、低温作動が終了されるように設計されている。この形態においては、低温作動が存在する期間は、低温作動がいずれの出発温度から開始されたか、また排気ガス・センサがどのような周囲条件にさらされているかに依存する。この形態により、数秒の低温作動の期間が達成される。
他の形態により、ポンプ電圧しきい値に達したときに、低温作動が所定の期間保持されるように設計されている。これにより、低温作動が、少なくとも、例えば5−30秒の範囲に決定される所定の期間存在することが保証可能である。
この形態の一変更態様は、所定の期間の間、再生温度目標値に制御されるように設計されている。この場合、この期間においてポンプ電圧がさらに変化することは避けられない。
この形態の他の有利な変更態様は、所定の期間の間、ポンプ電圧目標値、例えばポンプ電圧しきい値に制御されるように設計され、この場合、所定の期間の間、再生温度の変化が発生することはある。これにより、ポンプ電圧がさらに上昇することは回避される。この手段により、低温作動によって確かに排気ガス・センサの新たな作用は達成されるが、長期的には排気ガス・センサを損傷させることがあるかもしれない低温作動の影響は制限可能である。
他の形態は、低温作動が好ましくはλ=1からλ=2の間の所定のλ範囲において開始されるように設計されている。これにより、低温作動は、排気ガス内に理論混合物に対して酸素過剰が存在するときのみ開始され、この場合、下限は、例えばλ=1における理論混合物に、上限は、例えばλ=2に対応する酸素濃度に決定されるべきである。これにより、排気ガス・センサの測定ガス室から測定ガス室の外部に配置されている電極へ酸素イオン搬送が行われるポンプ電流が設定され、この酸素イオン搬送は、測定ガス室内に配置されている電極の再生過程を支援する。
方法を実施するための本発明による装置は、はじめに、方法を実施するための手段を含む、特に適した制御装置に関するものである。
制御装置は、特に、排気ガス・センサの温度を操作ないしは制御するためのヒータ制御装置と、電極にかかっている電圧に対応するポンプ電圧を測定するための手段とを含む。
制御装置は、少なくとも1つの電気メモリを含むことが好ましく、電気メモリ内に、方法ステップが制御装置プログラムとして記憶されている。
本発明による制御装置プログラムは、それがプログラム制御装置内でランされたとき、本発明による方法の全てのステップが実行されるように設計されている。
マシンが読取り可能な媒体上に記憶されているプログラム・コードを備えた本発明による制御装置プログラム製品は、プログラムが制御装置内でランされたとき、本発明による方法を実行する。
本発明の実施例が図示され且つ以下の記載において詳細に説明される。
図1は、本発明による方法が実施される技術的周辺図を示す。
図1は内燃機関10を示し、内燃機関10の排気領域11内に排気ガス質量流れms_Abgが発生し、排気ガス質量流れms_Abgは排気ガス・センサ12と接触する。図示の実施例においては、例えば冒頭記載のドイツ特許公開第19941051号に記載されている広帯域λセンサ(排気ガス・センサ)12から出発される。排気ガス・センサ12は、同様に冒頭記載のドイツ特許公開第19960731号に記載のようなNOxセンサ12として形成されていてもよい。
排気ガス・センサ12は、センサ・セラミック15により分離されている第1および第2の電極13、14を含み、この場合、第1の電極13は、排気ガス質量流れms_Abgに露出されている。第2の電極14は測定ガス室16内に配置され、測定ガス室16内に、給気チャネル17および拡散隔壁18を介して、排気ガスの一部が流入可能である。測定ガス室16内に、第2の電極14と導電結合されている第3の電極19が配置され、第3の電極19はセンサ・セラミック20を介して第4の電極21と結合され、第4の電極21は基準ガス・チャネル22内に配置されている。排気ガス・センサ12を加熱するために、センサ・ヒータ23が設けられている。
この実施例は、上記のように、広帯域λセンサ12から出発し、広帯域λセンサ12においては、測定ガス室16内に空気数λ=1を設定するように作動される。制御回路のための実際変数として、第3および第4の電極19、21の間に発生するネルンスト電圧UNが使用され、ネルンスト電圧UNは、測定ガス室16内に理論混合物が存在し且つ基準ガス・チャネル22内に周囲空気が存在するという条件のもとで、約450mVの値である。測定ガス室16内における理論混合物から偏差を有する酸素濃度は、第1および第2の電極13、14の間にポンプ電圧UPを印加することにより、またこれによって可能となるセンサ・セラミック15内への酸素イオン搬送により、その偏差が相殺される。酸素過剰の場合、測定ガス室16から排気領域11への酸素イオン搬送が行われ、酸素不足の場合、排気領域11から測定ガス室16内への酸素イオン搬送が行われる。酸素イオン搬送は、第1および第2の電極13、14にポンプ電圧UPを印加することにより行われ、これによりポンプ電流IPが発生し、ポンプ電流IPは、測定ガス室16内において酸素が過剰の場合に正と定義され、測定ガス室16内において酸素が不足の場合、それに対応して負と定義されるべきものとする。測定ガス室16内に理論混合物が存在する場合、ポンプ電流IPは0となる。
排気ガス・センサ12を作動させるために、排気ガス・センサ作動装置30が設けられ、排気ガス・センサ作動装置30は制御装置31内に配置されている。排気ガス・センサ作動装置30には、入力変数としてネルンスト電圧UNが供給される。ネルンスト電圧UNに対する目標値、即ち例えば測定ガス室16内の理論混合物に対する450mVからの偏差の関数として、排気ガス・センサ作動装置30はポンプ電流IPを特定する。実際に、第1の電極13は、場合により可変の電流制限抵抗を介して電圧源と結合されているので、ポンプ電流IPは設定可能であり、同時に、第1の電極13におけるポンプ電圧UPもまた、両方の電極13、14の間のセンサ・セラミック15の内部抵抗の関数として変化可能である。これにより、第1の電極13において発生する、排気ガス・センサ作動装置30からのポンプ電圧UPのみならず、例えば排気ガス質量流れms_Abg内の空気数λまたはNOx濃度に対する尺度であるポンプ電流IPもまた測定可能である。
排気ガス・センサ12の作動準備を行うためにセンサ・ヒータ23が設けられ、センサ・ヒータ23は、特に、センサ・セラミック15、20が酸素イオンを十分に伝導可能なように、センサ・セラミック15、20を加熱するために設けられている。センサ・ヒータ23に、ヒータ制御装置32が提供する加熱電力PHが供給される。排気ガス・センサ12の通常の作動においては、制御は定格作動温度te_Nに行われ、定格作動温度te_Nは目標値としてヒータ制御装置32に供給される。ここで、センサ・ヒータ23は目標値に制御可能であり、この場合、温度実際値は、センサ・ヒータ23の内部抵抗を測定することにより決定可能である。しかしながら、代替態様として、第1および第2の電極13、14間の電気比、または第3および第4の電極19、21間の電気比から決定することもまた可能である。定格作動温度は、例えば780℃±30℃の値である。
排気ガス・センサ再生制御装置33は、第1の切換信号S1により、温度を定格作動温度te_Nよりも低下させるようにヒータ制御装置32を操作可能である。再生温度は、例えば定格作動温度te_Nよりも50−100℃低い再生温度目標値te_Rに決定されてもよい。しかしながら、再生温度は設定されている必要はない。作動方法に応じて、全低温作動の間に常に低下しているか、または場合により変動する値に設定される再生温度が設定されてもよい。しかしながら、この場合、再生温度は定格作動温度te_Nよりも低い値である。再生温度は、例えば、始動後における排気ガス・センサ12の加熱過程の間に予め設定されてもよく、これにより、排気ガス・センサ12は、定格作動温度te_Nに制御される前に、はじめに、しばらくの間、再生温度目標値te_Rで作動される。しかしながら、再生温度は、定格作動温度te_Nから出発して、温度の低下により達成されることが好ましい。
排気ガス・センサ12を再生温度で作動させることにより、センサ・セラミック15の酸素イオン伝導率が低下されるために、両方の電極13、14間の内部抵抗が上昇するので、第1の電極13におけるポンプ電圧UPは、例えば0−600mVの値から出発して、例えば1−2Vのより高い値まで上昇する。
上昇されたポンプ電圧UPは電極13、14の材料および電極14と電気結合されている第3の電極19の材料の活性を上昇させる。これにより、電極13、14、19の形態が変化する。この変化は、電極13、14、19、特に排気ガス質量流れms_Abg内に露出されていない第2および第3の電極14、19を浄化させる。特に、排気ガス、第1の電極13とセンサ・セラミック15との間、ないしは測定ガス室16、第2/第3の電極14、19とセンサ・セラミック15との間に存在する三相境界34において、浄化作用が発生する。電極13、14、19の具体的な形成に基づき、電極13、14、19の範囲内にそれぞれ、この実施例に示されているような電極13、14、19の縁のみにかぎらず、多数の三相境界が存在する。
浄化作用は、三相境界34の範囲内の堆積物、例えばオイル・アッシュが、電極13、14、19の形態の変化に基づいてセンサ・セラミック15内に拡散することにあり、これにより、排気ガス・センサ12の機能に対して重要な三相境界34が再生される。異物がセンサ・セラミック19内に拡散することにより確かにセンサ・セラミック15の特性は低下するが、本発明の手段により、排気ガス・センサ12の特性曲線は、全寿命にわたり少なくともほぼ一定に保持可能であることが示されている。
排気ガス・センサ再生制御装置33は、第1の切換信号S1により再生をスタートさせ、排気ガス・センサ再生制御装置33は、定期的に、例えば排気ガス・センサ12の30分−60分の作動後に、それぞれ第1の切換信号S1を提供する。それに続いて、ヒータ制御装置32は加熱電力PHを低減させるか、またはヒータ23を好ましくは完全に遮断する。これにより、排気ガス・センサ12の温度は、定格作動温度te_Nから再生温度まで低下する。この低温作動において、再生温度は、定格作動温度te_Nを下回る常に低い温度である。
一形態により、ポンプ電圧UPが、例えば1.0V−2Vの電圧に決定されるポンプ電圧しきい値UP_SCに達したとき、低温作動が終了されるように設計されている。排気ガス・センサ作動装置30は比較器35を含み、比較器35は、ポンプ電圧UPをポンプ電圧しきい値UP_SCと比較し、それと一致したときないしはそれを超えたとき、第2の切換信号S2を提供し、第2の切換信号S2はヒータ制御装置32に供給され、ヒータ制御装置32はそれに続いて低温作動を終了し且つ再び定格作動温度te_Nを設定する。これにより達成可能な低温作動は数秒に制限されている。
第2の切換信号S2の信号経路内に破線で示すようにタイマ36が挿入され、タイマ36は第2の切換信号S2により操作される。特に有利な形態により、低温作動は、ポンプ電圧しきい値UP_SCに達したのち、さらに、タイマ36により設定された時間、例えば5秒−30秒の間、保持されるように設計されていてもよい。これにより、低温作動は、少なくともほぼ所定の時間だけ保持可能であり、この場合、ポンプ電圧しきい値UP_SCが到達されるまでの時間のみ可変である。タイマ36により設定された時間が経過したのち、タイマ36は第3の切換信号S3をヒータ制御装置32に出力し、ヒータ制御装置32は、それに続いて低温作動を終了し且つ再び定格作動温度te_Nを設定する。
タイマ36により設定された期間の間、少なくとも2つの異なる方法が実行可能である。
第1の実施例により、低温作動をポンプ電圧UPに対する尺度の関数として制御するように設計され、これにより、上昇されたポンプ電圧UPは、この期間の間少なくともほぼ一定のままである。この制御は、最も簡単な場合、二点制御の範囲内で行われ、この場合、排気ガス・センサ作動装置30はヒータ制御装置32に第4の切換信号S4を出力する。この場合、上昇されたポンプ電圧UPは少なくともほぼ一定のままであるが、再生温度は変動してもよい。
他の実施例により、低温作動の範囲内の温度を、所定の時間の間、再生温度目標値te_Rに制御するように設計され、この場合、このような再生温度目標値te_Rは固定設定され、例えば定格作動温度te_Nを50−100℃だけ下回る値に決定される。図示の実施例においては、この作動もまた排気ガス・センサ作動装置30により操作されることから出発され、この場合、排気ガス・センサ作動装置30はヒータ制御装置32に第5の切換信号S5を供給する。この場合、排気ガス・センサ12の温度は少なくともほぼ再生温度目標値te_Nに制御されるが、上昇されたポンプ電圧UPが場合によりさらに上昇することは避けられない。
一形態により、排気ガスλが、例えばλ=1からλ=2の範囲内に存在するときにのみ、低温作動が実行されるように設計されていてもよい。このために、排気ガス作動装置30はヒータ制御装置32に第6の切換信号S6を供給し、これにより、ヒータ制御装置32は、第6の切換信号S6が発生したときにのみ低温作動を実行する。リーンな排気ガスλにおける低温作動の実行は、リーンな排気ガスλにおいては、酸素イオン流れは第2の電極14から第1の電極13に流れるので、測定ガス室16内に配置されている第2/第3の電極14、19の確実な再生を可能にし、これにより、好ましくない表面汚れのセンサ・セラミック15内への拡散が支援される。
これらの実施例においてはそれぞれ、第2、第3、第4、第5および第6の切換信号S2、S3、S4、S5、S6がヒータ制御装置32に供給されることから出発されてきた。しかしながら、原理的に、これらの信号を排気ガス・センサ再生制御装置33に供給することもまた可能であり、排気ガス・センサ再生制御装置33は、例えば15分−90分の周期で第1の切換信号S1を供給することにより低温作動を反復設定する。
10 内燃機関
11 排気領域
12 排気ガス・センサ(広帯域λセンサ)
13、14、19、21 電極
15、20 センサ・セラミック
16 測定ガス室
17 給気チャネル
18 拡散隔壁
22 基準ガス・チャネル
23 センサ・ヒータ
30 排気ガス・センサ作動装置
31 制御装置
32 ヒータ制御装置
33 排気ガス・センサ再生制御装置
34 三相境界
35 比較器
36 タイマ
IP ポンプ電流
ms_Abg 排気ガス質量流れ
PH 加熱電力
S1、S2、S3、S4、S5、S6 切換信号
te_N 定格作動温度
te_R 再生温度目標値
UN ネルンスト電圧
UP ポンプ電圧
UP_SC ポンプ電圧しきい値

Claims (11)

  1. 排気ガス・センサ(12)が少なくとも2つの電極(13、14、19)を有し、これらの電極間にポンプ電流(IP)が流れ、排気ガス・センサ(12)は定格作動温度(te_N)で作動されるが、排気ガス・センサ(12)において、一時的に、排気ガス・センサ(12)の温度が定格作動温度(te_N)よりも低い低温作動が行われる、排気ガス・センサ(12)の作動方法において、
    ポンプ電圧(UP)が測定されること、および
    前記低温作動がポンプ電圧(UP)により調節されること、
    を特徴とする排気ガス・センサの作動方法。
  2. ポンプ電圧しきい値(UP_SC)に達したときに、前記低温作動が終了されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. ポンプ電圧しきい値(UP_SC)に達したときに、前記低温作動がある期間保持されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. ポンプ電圧しきい値(UP_SC)に達したのちに、排気ガス・センサ(12)の温度の調節により、ポンプ電圧目標値に対する尺度(UP_SC)に制御されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  5. ポンプ電圧目標値として、ポンプ電圧しきい値(UP_SC)が設けられていることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  6. ポンプ電圧しきい値(UP_SC)に達したのちに、排気ガス・センサ(12)の温度が所定の再生温度目標値(te_R)に制御されることを特徴とする請求項2に記載の方法。
  7. 前記低温作動が、少なくともほぼλ=1からλ=2までの排気ガスのλ範囲内において開始されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  8. 排気ガス・センサ(12)が、少なくとも2つの電極(13、14、19)を有し、これらの電極間にポンプ電流(IP)が流れ、排気ガス・センサ(12)は定格作動温度(te_N)で作動されるが、この場合、一時的に、低温作動が行われる、排気ガス・センサ(12)の作動装置において、
    請求項1ないし7のいずれかに記載の方法を実施する少なくとも1つの制御装置(31)が設けられていること、
    を特徴とする排気ガス・センサの作動装置。
  9. 前記制御装置(31)がヒータ制御装置(32)を含み、ヒータ制御装置(32)は、排気ガス・センサ(12)の定格作動温度(te_N)および低温作動の再生温度目標値(te_R)を制御により達成することを特徴とする請求項8に記載の作動装置
  10. 排気ガス・センサ(12)が、少なくとも2つの電極(13、14、19)を有し、これらの電極間にポンプ電流(IP)が流れ、排気ガス・センサ(12)は定格作動温度(te_N)で作動されるが、この場合、一時的に、低温作動が行われる、排気ガス・センサ(12)の作動装置が少なくとも1つの制御装置(31)を有し、前記制御装置(31)内で、請求項1ないし7のいずれかに記載の方法の全てのステップを実行する制御装置プログラム。
  11. 排気ガス・センサ(12)が、少なくとも2つの電極(13、14、19)を有し、これらの電極間にポンプ電流(IP)が流れ、排気ガス・センサ(12)は定格作動温度(te_N)で作動されるが、この場合、一時的に、低温作動が行われる、排気ガス・センサ(12)の作動装置が少なくとも1つの制御装置(31)を有し、前記制御装置(31)内で、請求項1ないし7のいずれかに記載の方法を実行するためのプログラム・コードが記録されている、マシンが読取り可能な記録媒体。
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