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技術 車両駆動用の内燃機関の排ガス中の酸素含有量検出装置

出願人 ローベルトボツシユゲゼルシヤフトミツトベシユレンクテルハフツング
発明者 ゲルハルトヘーツェルハラルトノイマンヴァルターシュトラスナーヨハンリーゲル
出願日 1994年9月30日 (24年9ヶ月経過) 出願番号 1994-237818
公開日 1995年6月23日 (24年0ヶ月経過) 公開番号 1995-159371
状態 拒絶査定
技術分野 濃淡電池(酸素濃度の測定)
主要キーワード はね水 前置抵抗 高熱状態 有孔質 濃厚ガス 容積体 測定信号電圧 両コンポーネント
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この項目の情報は公開日時点(1995年6月23日)のものです。
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図面 (3)

目的

ほぼ閉鎖された基準ガス容積体を用いて動作し、その際電解質の内部抵抗温度依存性による測定信号過度に大きなノイズとか電解質の分解のような欠点が生じないように構成された装置を提供することが発明の目的である。

構成

直流電圧源(Uv)と前置抵抗(Rv)との直列接続体を有し該直列接続体は測定電極基準電極と接続するものであり、上記測定電極は内燃機関排気ガス作用結合しており、さらに固体電解質を介して基準電極と接続されており、該基準電極は基準ガス容積体と作用結合しており、ここにおいて、上記基準ガス容積体は排ガス及び周囲空気から分離されており直流電圧源の出力電圧および/又は前置抵抗の値は、直流電圧源、前置抵抗、濃淡(濃度)電池から成る電流回路内を流れる電流Ipが濃淡(濃度)セルの出力電圧に無関係に常に方向付けられているように定められており、当該の方向付けにおいて、排ガスの酸素が基準ガス容積体へ輸送されるように構成されている。

概要

背景

排ガス酸素含有量を濃淡(濃度)セル例えばZrO2セラミックから成るセルを、基準雰囲気内の基準酸素含有量に対比して測定することが公知である。基準基準雰囲気は例えば周囲空気により又は容積(該容積は周囲に対して閉鎖ないしほぼ閉鎖されている)中の基準ガスにより形成され得る。安定した酸素雰囲気は当該容積内で例えば次のようにして得られる、即ち、電流印加により排ガスからの酸素が当該容積内に吸い込まれるようにするのである。そのようなポンピングにより吸い込まれる基準雰囲気が周囲空気−基準に対して有する利点とするところは基準ガス雰囲気誤りないし不適正状態の要因(それの適正でない状態)が例えば当該の装置の直ぐ付近飛沫水(はね水)又は燃料蒸気基因して生じるのが比較的わずかであることである。一般的に著しく小さく選定された基準容積が周囲に対してガス密でないので例えばZrO2(酸化ジルコニウム)ーセラミック又は意識的に組み込まれたガスチャネルにより基準容積における過度に高いガス圧が回避されるべきであるので、安定した基準雰囲気がたんに永続的に印加供給される電流によってのみ維持され得る。

その際所要印加電圧により殊に次のような場合、電解質の分解の危険が存在する、即ち、排ガスが濃厚燃料混合気燃焼により生じ相応にわずかな酸素含有量を有する場合は殊に当該の危険が存在する。

測定電極を介して電解質にてポンピング電圧が加えられる場合、測定信号温度依存の変化が起こる。排ガス側の測定電極及び基準ガス側基準電極にて取り出された測定信号Usは当該の場合において、ネルンスト電圧Un(これは相異なる酸素分圧に基づき電解質にて生じる)と、電圧変化分Ri*Ipとの加算的合成により生起し、その際はRiは電解質の内部抵抗を表し、Ipはポンプ電圧に基づき流れるポンピング電流を表す。ゾンデ内部抵抗Riの温度依存性に基づき積Ri*Ipは相当程度測定信号の温度依存のノイズを形成する。

概要

ほぼ閉鎖された基準ガス容積体を用いて動作し、その際電解質の内部抵抗の温度依存性による測定信号の過度に大きなノイズとか電解質の分解のような欠点が生じないように構成された装置を提供することが発明の目的である。

直流電圧源(Uv)と前置抵抗(Rv)との直列接続体を有し該直列接続体は測定電極を基準電極と接続するものであり、上記測定電極は内燃機関排気ガス作用結合しており、さらに固体電解質を介して基準電極と接続されており、該基準電極は基準ガス容積体と作用結合しており、ここにおいて、上記基準ガス容積体は排ガス及び周囲空気から分離されており直流電圧源の出力電圧および/又は前置抵抗の値は、直流電圧源、前置抵抗、濃淡(濃度)電池から成る電流回路内を流れる電流Ipが濃淡(濃度)セルの出力電圧に無関係に常に方向付けられているように定められており、当該の方向付けにおいて、排ガスの酸素が基準ガス容積体へ輸送されるように構成されている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

車両駆動用内燃機関排ガス中の酸素含有量検出装置において−−前記装置はネルンスト方式に従って動作する濃淡(濃度)セルを有し該セルは測定電極と、固体電界質と、基準電極とを有しており、−−直流電圧源(Uv)と前置抵抗(Rv)との直列接続体を有し該直列接続体は測定電極を基準電極と接続するものであり、ここにおいて、上記測定電極は内燃機関の排気ガス作用結合しており、さらに固体電解質を介して基準電極と接続されており、該基準電極は基準ガス容積体と作用結合しており、ここにおいて、上記基準ガス容積体は排ガス及び周囲空気から分離されており、その際基準ガス容積体と排ガスとの間、並びに基準ガス容積体と周囲空気との間での粒子交換が困難になるように分離されており、また、その際当該濃淡(濃度)セルの出力電圧は内燃機関の排ガス中及び基準ガス容積体中の酸素濃度間の差異に対する尺度であり、又−−直流電圧源の出力電圧および/又は前置抵抗の値は所定のように前以て定められており、ここにおいて、直流電圧源、前置抵抗、濃淡(濃度)セルから成る電流回路内を流れる電流Ipが濃淡(濃度)セルの出力電圧に無関係に常に方向付けられており、当該の方向付けにおいて、排ガスの酸素が基準ガス容積体へ輸送されるように構成されていることを特徴とする車両駆動用の内燃機関の排ガス中の酸素含有量検出装置。

請求項2

直流電圧Uvの大きさは直流電圧及び前置抵抗のない場合に測定された濃淡(濃度)測定セル最高可能電圧の1.5倍より小である請求項1記載の装置。

請求項3

濃淡(濃度)セルは更なるセルと共に使用される請求項1又は2記載の装置。

技術分野

0001

本発明は車両駆動用内燃機関排ガス中の酸素含有量検出装置に関する。

背景技術

0002

排ガスの酸素含有量を濃淡(濃度)セル例えばZrO2セラミックから成るセルを、基準雰囲気内の基準酸素含有量に対比して測定することが公知である。基準基準雰囲気は例えば周囲空気により又は容積(該容積は周囲に対して閉鎖ないしほぼ閉鎖されている)中の基準ガスにより形成され得る。安定した酸素雰囲気は当該容積内で例えば次のようにして得られる、即ち、電流印加により排ガスからの酸素が当該容積内に吸い込まれるようにするのである。そのようなポンピングにより吸い込まれる基準雰囲気が周囲空気−基準に対して有する利点とするところは基準ガス雰囲気誤りないし不適正状態の要因(それの適正でない状態)が例えば当該の装置の直ぐ付近飛沫水(はね水)又は燃料蒸気基因して生じるのが比較的わずかであることである。一般的に著しく小さく選定された基準容積が周囲に対してガス密でないので例えばZrO2(酸化ジルコニウム)ーセラミック又は意識的に組み込まれたガスチャネルにより基準容積における過度に高いガス圧が回避されるべきであるので、安定した基準雰囲気がたんに永続的に印加供給される電流によってのみ維持され得る。

0003

その際所要印加電圧により殊に次のような場合、電解質の分解の危険が存在する、即ち、排ガスが濃厚燃料混合気燃焼により生じ相応にわずかな酸素含有量を有する場合は殊に当該の危険が存在する。

0004

測定電極を介して電解質にてポンピング電圧が加えられる場合、測定信号温度依存の変化が起こる。排ガス側の測定電極及び基準ガス側基準電極にて取り出された測定信号Usは当該の場合において、ネルンスト電圧Un(これは相異なる酸素分圧に基づき電解質にて生じる)と、電圧変化分Ri*Ipとの加算的合成により生起し、その際はRiは電解質の内部抵抗を表し、Ipはポンプ電圧に基づき流れるポンピング電流を表す。ゾンデ内部抵抗Riの温度依存性に基づき積Ri*Ipは相当程度測定信号の温度依存のノイズを形成する。

0005

当該の背景を基にして、本発明の目的ないし課題とするところは内燃機関の排ガス中の酸素含有量の測定装置であって、ほぼ閉鎖された基準ガス容積体を用いて動作し、その際電解質の内部抵抗の温度依存性による測定信号の過度に大きなノイズとか電解質の分解のような上記欠点が生じないように構成された装置を提供することにある。

0006

上記課題の解決のため本発明によれば車両駆動用の内燃機関の排ガス中の酸素含有量検出装置において前記装置はネルンスト方式に従って動作する濃淡(濃度)セルを有し該セルは測定電極と、固体電界質と、基準電極とを有しており、直流電圧源前置抵抗との直列接続体を有し該直列接続体は測定電極を基準電極と接続するものであり、ここにおいて、上記測定電極は内燃機関の排気ガス作用結合しており、さらに固体電解質を介して基準電極と接続されており、該基準電極は基準ガス容積体と作用結合しており、ここにおいて、上記基準ガス容積体は排ガス及び周囲空気から分離されており、その際基準ガス容積体と排ガスとの間、並びに基準ガス容積体と周囲空気との間での粒子交換が困難になるように分離されており、また、その際当該濃淡(濃度)セルの出力電圧は内燃機関の排ガス中及び基準ガス容積体中の酸素濃度間の差異に対する尺度であり、又直流電圧源の出力電圧および/又は前置抵抗の値は所定のように前以て定められており、ここにおいて、直流電圧源、前置抵抗、濃淡(濃度)電池から成る電流回路内を流れる電流Ipが濃淡(濃度)セルの出力電圧に無関係に常に方向付けられており、当該の方向付けにおいて、排ガスの酸素が基準ガス容積体へ輸送されるように構成されており、そして、ここにおいて濃厚ガスないし高いゾンデ電圧のもとで著しく小さい正味−電流の流れが生じ、そして希薄な排ガスないし小さいゾンデ電圧のもとで一層大きな正味−電流の流れが生じるように構成され得る。

0007

本発明の装置によっては特に濃厚な混合気組成のもとでゾンデ信号US=UN+Ri*Ipの温度依存性が低減され、電解質の可能な分解(排ガス中の低い酸素含有(濃厚混合気組成)及び高いポンピング電流の際生じるおそれのあるような分解)が阻止される。更なる利点とするところは基準(ガス)の(不適正状態)誤りの要因のある場合(例えば車両停止の際基準ガス容積体中への燃料蒸気の流入の結果生じ得るような基準(ガス)の誤りの要因の場合)、当該誤りの要因の自動的除去が行われる、それというのは上記の誤りの要因の期間中高められた正味の電流の流れを生成する著しく低下されたゾンデ電圧が常に生起するからである。

0008

次に図示の実施例を用いて本発明を説明する。

0009

図1排ガス管内の排ガスゾンデ2を断面図で示し、上記管のうち壁1が示してある。上記管によっては内燃機関(左方)の排ガスが周囲空気(右方)から分離される。排ガスゾンデはそれの排ガス側部分にて排ガスに晒された測定電極4と、基準電極5との間に固体電解質3を有する。測定電極5と作用結合(接続)されている基準ガス容積体6は排ガスとも周囲空気とも接触していない。場合により形成される基準ガス容積体における過圧は周囲空気への間接接続路を介して、例えば、有孔質を以て構成された測定線路10を介して低減される。上記リード線10(これは基準電極5と接続されている)と、リード線9(これは測定電極4と接続されている)との間に直流電圧源8(Uv)及び前置抵抗7(Rv)が挿入接続されている。当該装置の測定電圧信号Usはリード線9、10間で取り出される。

0010

図2は本発明の装置の等価回路を示し、該等価回路では電解質3及び電極4、5は電圧源Uno(10)及び抵抗Ri(9)として示されている。

0011

上記直流電圧源によっては電解質を流れるポンピング電流が生ぜしめられ、このポンピング電流によっては電解質内部抵抗Riと併せて電圧変化Ri*Ipが生ぜしめられる。上記の電解質及び電極から形成された濃淡セル(濃度セル)によりネルンスト電圧Unが生ぜしめられ、該ネルンスト電圧は一定の温度のもとで基準ガス容積体及び排ガス中の各分圧の商の対数に依存する。測定信号電圧Usは両コンポーネントから加算的に合成されるUv−Un=Ip*(Rv−Ri)。ここにおいて、ポンピング電流Ipは次のように方向付けられている、即ち排ガスのところから酸素を基準ガス容積体へ輸送するように方向付けられている。基準ガス容積体における酸素分圧の低下はそのようにして阻止される。有利には逆方向電圧Uvの値は次のように選定される、即ち濃淡セルの最高可能なネルンスト電圧をわずか上回るように選定されている。

0012

下記のテーブル(表)はポンピング電流が本発明の装置において51KΩのRv値及び1Vのバイアス電圧を以て混合気組成及びゾンデ温度に依存してどのように変化するかを示す。ここにおいてUn=0.9Vのネルンスト電圧は濃い混合気を表し、0,21Vのそれは希薄な混合気を表す。ゾンデ内部抵抗Ri=100Ωはゾンデの高熱状態に対して典型的な値であり、10000Ωのそれは常温冷えている状態)に対して典型的な値である。Us及びIpに対する値は下記の関係性により計算された。

0013

Ip=(Uv−Un)/(Rv+Ri)及びUs=Un+Ri*Ip
Ri[Ω] Rv[kΩ] Uv[V] Un Us[V] Ip[uA]
────────────────────────────────────
100 51.0 1.0 0.9 0.900 2.0
100 51.0 1.0 0.1 0.102 17.6
10000 51.0 1.0 0.9 0.916 1.6
10000 51.0 1.0 0.1 0.248 14.8
冒頭に述べた利点は次の関係性に基づいて得られる。

0014

先ず第1に本発明の装置により、ゾンデ信号Us=Un+Ri*Ipの温度依存性が次のようにして弱められる、即ちポンピング電流回路の一部分としてゾンデ内部抵抗Riの温度依存の変化により、ポンピング電流Ipの逆方向変化が生ぜしめられ、その結果電圧変化Ri*Ipへのゾンデ内部抵抗変化の影響が低減される。

0015

排ガス内の低い酸素含有量(濃厚な混合気組成)の場合の電解質の可能な分解に対しては次のようにして対処対抗策が講ぜられる、即ち、本発明の回路においてポンピング電流Ipが、濃淡(濃度)セルのネルンスト電圧Unとバイアス電圧Uvの差に比例するようにして対処、対抗策が講ぜられる。上記差の値は濃厚な混合気の場合小である、それというのは排ガス中の低い酸素含有量によっては大きなネルンスト電圧が生ぜしめられるからである。そのようにして、ポンプ電流は所定のように混合気組成の関数として生ぜしめられ、ここにおいて、濃厚な混合気の限界的な場合比較的小さな電流が流れ希薄な混合気の非臨界的な場合比較的大きな電流が流れるように生ぜしめられる。当該の比較的高い電流によっては基準ガス容積体への高められた酸素輸送が生ぜしめられ、基準ガス容積体における酸素分圧が持続的に過度に低下するのが阻止される。

0016

当該基準ガスにて誤りの要因(不適正状態)のある場合基準ガス容積体における酸素分圧は排ガスにおける酸素分圧の値以下に低下し得る。例えば場合により、車両停止の際燃料蒸気は基準ガス容積体内に浸入し、酸素を大部分結合させ得る。基準ガス容積体における酸素の分圧が排ガスにおける酸素分圧の値以下に低下するとネルンスト電圧Unはその極性が変わる。本発明の装置ではその際にはバイアス電圧Uvとネルンスト電圧Unの大きさの差ではなく、和によりポンピング電流Ipの強さが定められる。それにより、ポンピング電流が増大し、それに伴って、排ガスから基準ガス容積体へ輸送される酸素の量が増大する。さらにそれにより、相当程度基準ガス容積体が酸素で洗浄され(すすがれ)、以て当該基準に係わる誤りの要因が除かれる。

発明の効果

0017

本発明によれば内燃機関の排ガス中の酸素含有量の測定装置であって、ほぼ閉鎖された基準ガス容積体を用いて動作し、その際電解質の内部抵抗の温度依存性による測定信号の過度に大きなノイズとか電解質の分解のような上記欠点が生じないように構成された装置を実現できたという効果が奏される。

図面の簡単な説明

0018

図1本発明の装置の実施例の概念図である。
図2等価回路図である。

--

0019

1 壁
2 排(気)ガスゾンデ
3固体電解質
4測定電極
5基準電極
6基準ガス容積体
7前置抵抗
8直流電圧源
9リード線
10 リード線

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