KR100230537B1

KR100230537B1 - 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치

Info

Publication number: KR100230537B1
Application number: KR1019960707588A
Authority: KR
Inventors: 에리히 융인거
Original assignee: 클라우스 포스; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1995-05-03
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1999-12-01
Also published as: DE19516139A1; JPH10509242A; CN1152353A; US5837114A; EP0769142B1; ES2180747T3; CN1108522C; DE59609447D1; WO1996035120A1; EP0769142A1

Abstract

가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치는 확산 저항을 통하여 작용하는 결합의 영향에 대항하여, 그 속의 성분 농도가 가스 혼합물 내의 농도로 일정하게 유지되도록 한 제1 부분 용적을 갖고 있다. 상기 결합의 영향이 제1 부분 용적과 가스 혼합물 사이에서 펌핑 장치로서 작용하는 고체 전해질을 통과하는 제어 가능한 상기 성분의 이온 흐름에 의해 보상된다. 펌핑 흐름의 크기는 가스 혼합물 내의 측정해야 할 농도에 대한 척도를 나타내고 있다. 상기 흐름은 제1 부분 용적과 기준 용적 성분 간의 네른스트(Nernst) 셀의 출력 전압인, 목표치로부터의 편차의 함수로서 제어된다. 상기 장치는 펌핑 장치의 고체 전해질을 통하여 측정 가능한 전압의 함수로서 목적에 맞추어 상기 목표치를 조절하는 수단을 특징으로 하고 있다.

Description

[발명의 명칭]

가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치

[종래의 기술]

본 발명은 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치에 관한 것이다. 특히, 내연 기관의 연료/공기 혼합물의 조성을 제어하기 위하여 사용되는 센서에 관한 것이다. 이와 같은 센서는 내연 기관의 배기 가스 내의 산소 함유량을 측정하고, 이에 따라 혼합물 조성을 소정치로 제어하기 위한 제어 회로에 대한 입력 신호를 공급한다.

본 발명의 대상은 원리적으로 SAE-Paper 제920234호에 발표되어 있는 유니버셜 산소 센서와 같이 구성된 장치이다.

여기에 발표되어 있는 타입의 센서는 그 속의 산소 농도가 확산 저항을 통하여 배기 가스 내의 산소 농도로 결합되어 있는 제1 부분 용적을 갖고 있다. 제2 부분 용적 내에는 기준 산소 농도를 갖는 분위기가 지배하고 있다. 제1 및 제2 부분 용적 사이에 설치된 네른스트(Nernst)셀은 양쪽 부분 용적 내의 산소 농도의 차를 나타내는 출력 신호를 공급한다. 이 출력 신호를 소정치와 비교함으로써, 배기 가스에 결합되어 있는 제1 용적 내의 산소 농도인, 목표치로부터의 편차가 결정된다. 산소 펌핑 장치는 결정된 차의 함수로서의 흐름의 세기로, 산소의 일부를 제1 부분 용적 내에 펌핑 작용에 의해 흡입하거나 또는 토출하기도 하고, 이에 따라 확산 저항을 통하여 작용하는 결합의 영향에 대항하여 그 속의 산소 농도가 배기 가스 중의 산소 농도로 일정하게 유지된다.

측정해야 할 값, 즉 배기 가스 중의 산소 농도는 펌핑 전류 Ip를 평가함으로써 결정된다.

이 타입의 산소 센서의 이점은 거의 직선인 특성 곡선 Ip=f(λ)이고, 이 직선의 특성 곡선은 혼합물 조성 λ가 완만한 정상 변화로 주어진다. 그러나, 내연 기관의 혼합물 제어에 있어서 통상 행해지듯이 혼합물 조성이 급격히 변화되는 경우, λ=1에서 특성 곡선 내에 히스테리시스가 형성된다. 바꾸어 말하면, 센서의 출력 신호의 값은 λ=1 근방에서 혼합물 조성의 변화 방향에 따라 달라진다.

이 히스테리시스 효과를 배제하는 것 내지 그 특성 곡선이 장애가 되는 히스테리시스 효과를 갖지 않는 모두(冒頭) 기재 타입의 센서를 제공하는 것이 본 발명의 과제이다.

본 과제는 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치에 있어서, 확산 저항을 통하여 작용하는 결합의 영향에 대항하여 그 속의 성분 농도가 가스 혼합물 내의 농도로 일정하게 유지되도록 한 제1 부분 용적을 갖고, 상기 결합의 영향이 제1 부분 용적과 가스 혼합물과의 사이에서 펌핑 장치로서 작용하는 고체 전해질을 통과하는 제어 가능한 상기 성분의 이온 흐름에 의해 보상되고, 이에 따라 상기 흐름에 대한 척도가 가스 혼합물 내의 측정해야 할 농도에 대한 척도를 나타내고, 제1 부분 용적과 기준 용적 사이의 네른스트(Nernst) 셀의 출력 전압인, 목표치로부터의 편차의 함수로서 상기 흐름이 제어되고, 펌핑 장치의 고체 전해질을 통하여 측정 가능한 전압의 함수로서, 목적에 맞추어 상기 목표치를 조절하는 수단을 구비한 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치를 제공함으로써 해결된다.

본 발명에 따른 장치를 사용하는 것은 특히, 설정 변수가 유해 물질 변환을 위하여 중요한 양론 혼합물 조성(λ=1) 범위에 있어서의 제어 편차와 정상적인 함수 관계를 갖는 제어 회로의 정밀도를 향상시킨다.

이하에 본 발명을 일 실시예 및 첨부 도면에 따라 상세히 설명한다. 여기에서, 제1도는 본 발명에 의한 장치의 실시 형태를 나타내고, 제2도는 종래 기술 및 본 발명에 따른 산소 측정 장치의 출력 신호의 특성 곡선을 나타낸다.

제3도는 450mV의 기준 전압을 갖는 제1도에 도시한 장치에 있어서, 펌핑 장치의 전해질을 통하여 측정 가능한 전압을 λ=0.7에서 1.3까지의 범위로 변동하는 혼합물 조성에 대하여 나타내고 있다.

제4도는 본 발명에 따른 목표값의 조절 방식에 대한 대체 형태를 나타내고 있다.

제1도에 도시한 장치는 센서(1)와 센서 회로(2)로 구성되어 있다. 본래의 센서(1)는 제1 부분 용적(3)을 갖고, 부분 용적(3)은 작은 개구로서 형성된 확산 저항(4)을 통하여 배기 가스(5)와 결합되어 있다. 제2 부분 용적(6)내에는 기준 분위기가 지배하고, 기준 분위기는 예를 들면 외기와의 결합에 의해 형성하여도 되고, 또는 다른 방법으로 형성되어 있다. 양쪽의 부분 용적은 산소 이온을 유도하는 전해질(7)에 의해 그 경계가 형성되고, 전해질(7)은 전극(8,9,10 및 11)을 지지하고 있다. 양쪽 부분 용적(3 및 6)내의 산소 농도가 다른 결과로서 발생하는 네른스트 전압(UN)은 제1 연산 증폭기(12)의 반전 입력으로 공급되고, 연산 증폭기(12)의 비반전 입력에는 예를 들면 450mV의 소정의 비교 전압이 공급된다. 비교 전압에 의해 제1 부분 용적 내의 산소 농도에 대한 목표치가 설정된다. 네른스트 전압(UN)이 450mV보다 작은 경우, 연산 증폭기(12)의 출력은 양(+)이고, 전극(8,9) 및 그 사이에 존재하는 전해질로 형성되는 펌핑셀에 의해 양의 전류를 구동한다. 바꾸어 말하면, 제1 부분 용적 내의 산소 잉여에 대응하는 네른스트 전압이 비교적 적은 것은 제1 부분 용적에서 배기 가스로의 [음(-)의] 반송을 유도한다. 마찬가지로, 비교적 높은 네른스트 전압은 배기 가스에서 제1 부분 용적으로의 산소 부분 흐름을 유도하고, 이에 의해 도달한 상태에서 제1 부분 용적 내에 소정의 산소 농도가 형성된다. 이 산소 농도는 확산 저항(4)을 통하여 작용하는 결합에 의해 방해되기 때문에, 농도를 유지하기 위하여 필요한 펌핑 전류(Ip)는 최종적으로 배기 가스 내의 산소 농도에 대한 척도를 나타내고 있다.

제1도에 도시한 바와 같이, 펌핑 전류(Ip)는 측정 저항(13)에 있어서의 전압 강하로서 제2 연산 증폭기(14)에 의해 측정된다.

상기의 장치는 종래 기술에 대응하고 있다. 이 장치는 제2도의 특성 곡선에서 파선으로 도시한 바와 같은 출력 신호를 공급한다. λ=1에서의 바람직하지 않은 히스테리시스 효과는 λ=1에서의 펌핑셀의 기전력 EMK의 스텝상 변화와 관련되어 있다(이것에 대해서는 제3도 참조). 펌핑셀은 네른스트셀과 회로상에서 결합되어 있기 때문에, 스텝상 변화로부터 네른스트 전압(UN)에 장애가 되는 피드백이 형성된다. 네른스트 전압(UN)의 변화는 펌핑 전류를 통하여 제어되고, 이것이 측정 저항(13)을 통하여 측정되는 센서의 출력 신호로 바람직하지 않은 변화를 주게 된다. 따라서, 출력 신호에 있어서의 히스테리시스 효과는 존재하지 않는 λ변화를 나타내게 된다. 이것을 회피하기 위하여, 본 발명에 의해 펌핑셀의 기전력 EMK의 일부가 수단 15를 통하여 비교 전압으로 피드백된다. 수단 15는 예를 들면 오옴 저항 Rmit(16)에 의해 형성하여도 좋다. Rmit의 값은 펌핑셀 기전력 EMK가 변화했을 때에 네른스트 전압(UN)과 같은 비율로 비교 전압이 변화하도록 선택되는 것이 바람직하다. 이때, 배기 가스 중의 산소 농도가 λ=1인 점을 통과할 때 장애가 되는 펌핑 전류 변화가 발생하지 않고, 따라서 본 발명에 의한 센서의 출력 전압은 이 위치에서 일반적으로 결정된다.

도시한 실시예에서 비교 전압은 실질적으로 저항 R17 및 R18에 의해 결정된다. 피드백 M을

로서 정의하면, 예를 들면 Rmit=980 킬로오옴 및 R17/R18=20 킬로오옴에 대한 피드백 값 M=0.02에서 펌핑 기전력 EMK가 500mV만큼 변화했을 때, 비교 전압은 10mV만큼 변화한다.

오옴 저항(16)에 의한 도시한 비례 피드백에 대한 대체 형태가 제4도에 도시되어 있다. 대체 형태는 Rmit 대신에 용량(17)에 의한 적분 피드백에 의해 공급되거나(제4(a)도), 또는 Rmit 대신에 용량 및 오옴 저항으로 이루어지는 직렬 회로에 의해 공급된다(제4(b)도).

본 발명에 따른 센서의 사용은 산소 농도의 측정에 한정되지 않는다. 다른 가스 성분의 이온에 대하여 도전성을 갖는 전해질을 사용함으로써, 본 발명은 다른 농도의 측정에 대해서도 사용 가능하다.

Claims

확산 저항을 통하여 작용하는 결합의 영향에 대항하여, 그 속의 성분 농도가 가스 혼합물 내의 농도로 일정하게 유지되도록 한 제1 부분 용적을 갖고, 상기 결합의 영향이 제1 부분 용적과 가스 혼합물과의 사이에서 펌핑 장치로서 작용하는 고체 전해질을 통과하는 제어 가능한 상기 성분의 이온 흐름에 의해 보상되며, 이에 따라 상기 흐름에 대한 척도가 가스 혼합물 내의 측정해야 할 농도에 대한 척도를 나타내고, 제1 부분 용적과 상기 성분의 기준 성분이 존재하는 영역 사이의 네른스트(Nernst)·셀의 출력 전압의, 목표치로부터의 편차의 함수로서 상기 흐름이 제어되는 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치에 있어서, 펌핑 장치의 고체 전해질을 통하여 측정 가능한 전압의 함수로서, 목적에 맞추어 상기 목표치를 조절하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치.
제1항에 있어서, 펌핑 장치의 전해질을 통하여 측정 가능한 전압의 일부가 오옴 저항 Rmit을 통하여 목표치에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물내의 성분 농도의 측정 장치.
제1항에 있어서, 펌핑 장치의 전해질을 통하여 측정 가능한 전압의 일부가 용량 C를 통하여 목표치에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치.
제1항에 있어서, 펌핑 장치의 전해질을 통하여 측정 가능한 전압의 일부가 오옴 저항 및 용량 C를 통하여 목표치에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 펌핑 장치의 전해질을 통하여 측정 가능한 전압이 변화했을 때 네른스트 전압과 같은 값으로 비교 전압이 변화하도록 결합 수단의 크기가 결정되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합물 내의 성분 농도의 측정 장치.