(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質（２）を有する排ガスプローブ（１）の作動方法であって、
上記固体電解質は、測定ガスにさらされる測定電極（３）と、基準ガスにさらされる基準ガス（４）とを有し、
基準ガスは内部の基準を形成し、その際には、該基準ガスを排ガスおよび周囲によって、基準雰囲気と排ガス及び／又は周囲との間の粒子交換が少なくとも困難になるように閉じこめ、
更に測定電極及び基準電極に、該測定電極（３）と基準電極（４）との間にポンピング電流（Ｉｐ）が流れるように設定された大きさおよび方向を有する電圧が加えられ、
該ポンピング電流により酸素イオンを測定電極から基準電極へ輸送し、その際には、連続的に加わる電圧の作用下で電解質の分解が生じないように前記電圧は大きさと方向が所定のように定められている形式の方法において、
ポンピング電流（Ｉｐ）を増大させ、
該ポンピング電流（Ｉｐ）の時間積分を、所定の閾値（ＮＯ）と比較し、
前記閾値（ＮＯ）を上回る場合、該ポンピング電流（Ｉｐ）を減少させ、
前記閾値を上回ると前記電解質（２）が分解されるように、該閾値（ＮＯ）は設定されており、
前記ポンピング電流（Ｉｐ）の増大を、
・内燃機関のスタート後毎に開始するか、または
・内燃機関の所定の作動持続時間の経過後及び／又は内燃機関の所定の作動状態において開始するか、または
・排ガスプローブ（１）の出力電圧（Ｕｓ）の低下が基準雰囲気の誤り状態を示す場合に開始することを特徴とする方法。
【請求項２】
排ガスプローブ（１）の出力電圧が、所定の時間間隔内に少なくとも１回も限界値（ＳＷ１）を経過しなかった場合、前記ポンピング電流（Ｉｐ）の増大を開始する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
電流増大の持続時間と大きさとの積が基準ガス容積の大きさに適合されている、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
酸素イオン伝導性の固体電解質を有する排ガスプローブの作動装置であって、
上記固体電解質は、測定ガスにさらされる測定電極と、基準ガスにさらされる基準ガスとを有し、
前記基準ガスは内部基準を形成し、その際には該基準ガスは、基準雰囲気と排ガス及び／又は周囲との間の粒子交換が少なくとも困難になるように、排ガスおよび周囲により閉じ込められており、
更に測定電極及び基準電極に給電部（１０）が接続されており、
該給電部の出力電圧の大きさおよび方向は、ここにおいて測定電極と基準電極との間にポンピング電流（Ｉｐ）が流れるように設定されており、
該ポンピング電流により酸素イオンが測定電極から基準電極へ輸送され、その際には、連続的に加わる電圧の作用下で電解質の分解を生じないように前記電圧は大きさと方向が所定のように定められている装置において、
給電部（１０）から供給された前記ポンピング電流（Ｉｐ）は増大され、
前記ポンピング電流（Ｉｐ）の時間積分が、所定の閾値（ＮＯ）と比較され、
前記閾値（ＮＯ）を上回る場合、前記ポンピング電流（Ｉｐ）は減少され、
当該方法において、前記閾値（ＮＯ）を上回ると前記電解質（２）が分解されるように、該閾値（ＮＯ）は設定されており、
前記ポンピング電流（Ｉｐ）の増大は、
・内燃機関のスタート後毎に開始されるか、または
・内燃機関の所定の作動持続時間の経過後及び／又は内燃機関の所定の作動状態において開始されるか、または
・排ガスプローブ（１）の出力電圧（Ｕｓ）の低下が基準雰囲気の誤り状態を示す場合に開始されることを特徴とする排ガスプローブの作動装置。
【請求項５】
給電部（１０）は第１の電圧源又は電流源（６，１７）と第２の電圧源又は電流源（８，１８）とを有し、
上記第１の電圧源又は電流源は通常動作中に、排ガスプローブを介して流れるポンピング電流（Ｉｐ）を供給し、
上記第２の電圧源又は電流源は、ポンピング電流を増大させるために用いられる、請求項４記載の装置。
【請求項６】
給電部は、電圧源（１３）と、可変前置抵抗（１４）とを有し、
該前置抵抗は、給電部から供給される電流を増大させるために低減される、請求項４記載の装置。
【請求項７】
基準ガス容積は、有孔性材料から成る通路を介して周囲空気と連通されている、請求項４から６までのうちいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
ネルンスト電圧を供給する測定電極及び基準電極並びに固体電解質（測定セル）から成る装置構成体は、別のセルと組み合わされ、
ポンピング電流は、ネルンスト電圧を供給する装置構成体にて増大されるように構成されている、請求項６から７までのうちいずれか１項記載の方法を実施する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は排ガスプローブの作動方法及び装置に関し、ポンピングされる内部基準雰囲気を有する酸素プローブの作動の際基準雰囲気の誤りを除去する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
その種の酸素プローブは例えばＤＥ３３１５６４（ＵＳ４４９６４５５）から公知である。ここに記載されている酸素プローブは測定セル（これは測定電極と基準電極とを有する電解質から成る）及びポンプセル（これは同じ電解質上の更なる電極対から成る）を具備する。測定電極は内燃機関の排ガスにさらされ、基準電極は排ガスプローブ中の小さな容積（小容積体）内の基準雰囲気にさらされている。上記小容積体は細かい孔を介してのみ排ガス又は周囲と連通している。場合によっては、上記細かい孔を介して小容積体内の過圧を減少することができる。
【０００３】
このような孔のため、又電解質に孔が残留していることにより、そのような基準容積は周囲ないし排ガスに対して気密でない。従って、安定した基準雰囲気の維持のためポンプセルの電極に電圧が加えられる。この電圧は、酸素イオンが排ガスから基準ガス容積内にポンピングされるように選択され方向付けられている。そのような内部のポンピングされる基準雰囲気は、周囲空気基準に対して次のような利点を有する。即ち、それの組成の不都合な変化、例えば沫ね水とか又は燃料による変化が比較的わずかであるという利点を有する。しかしその種の誤りは、殊に内燃機関の停止の際にも起こり得る。例えば燃料粒子は排ガス又は周囲から基準雰囲気内へ拡散し、そこで酸素粒子と結合することがある。この場合、基準酸素の分圧は低下し、それによって測定セルの電圧は低下し、燃料粒子による基準雰囲気の汚染に応じて極性さえも変化する。この場合において誤りの生じたプローブ信号は、内燃機関の混合気生成に及ぼされる影響によって、不所望の排ガス成分の排出を増大させる。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の目的ないし課題とするところは、基準ガス容積の誤りの状態を迅速に除去する方法及び装置を提供することである。
【０００５】
【発明の構成】
上記課題の解決のため本発明によれば、酸素イオン伝導性固体電解質を有する排ガスプローブの作動方法であって、上記固体電解質は測定ガスにさらされた測定電極と、基準ガス容積にさらされた基準ガス雰囲気を有し、基準ガス容積は内部の基準を形成し、その際には、該基準ガスを排ガスおよび周囲によって、基準雰囲気と排ガス及び／又は周囲との間の粒子交換が少なくとも困難になるように閉じこめ、更に測定電極及び基準電極に、該測定電極（３）と基準電極（４）との間にポンピング電流（Ｉｐ）が流れるように設定された大きさおよび方向を有する電圧が加えられ、該ポンピング電流により酸素イオンを測定電極から基準電極へ輸送し、その際には、連続的に加わる電圧の作用下で電解質の分解が生じないように前記電圧は大きさと方向が所定のように定められている方法において、ポンピング電流を増大させ、該ポンピング電流の時間積分を、所定の閾値と比較し、前記閾値を上回る場合、該ポンピング電流を減少させ、前記閾値を上回ると前記電解質が分解されるように、該閾値は設定されているように構成されている。
【０００６】
ポンピング電流の増大は、内燃機関の各スタート後に開始されるか、又は内燃機関の所定の作動持続時間の経過後及び／又は内燃機関の所定の作動状態にて開始されるか、または排ガスプローブの出力電圧（Ｕｓ）の低下が基準雰囲気の誤り状態を示す場合に開始されるか、または排ガスプローブの出力電圧が所定の時間間隔内で少なくとも１回も限界値を通らなかった場合に開始される。
【０００７】
更に、一時的な電流増大の持続時間と大きさとの積が基準ガス容積の大きさに適合されていると有利である。
【０００８】
本発明は、更なる電極対を有する複合的に構成されたセンサにおいても適用することができる。その際ポンピング電流は、ネルンスト電圧を供給する装置構成体で一時的に高められる。
【０００９】
【実施例】
次に図を用いて本発明を説明する。
【００１０】
図１中の１は、酸素イオン伝導性の固体電解質２を有する排ガスプローブを示している。上記固体電解質は測定電極３を介して内燃機関の排ガスにさらされ、基準電極を介して排ガスプローブ内の小さな容積５中の基準雰囲気にさらされている。当該装置は、ネルンスト原理による酸素濃度セルとして動作し、既知の階段状の出力信号を排ガス中及び小容積中の酸素濃度の商の対数に依存して送出する。
【００１１】
安定した基準雰囲気の維持のため、排ガスプローブの通常作動中、電圧Ｕ1が第１電圧源６によって前置抵抗Ｒｖ（１４）を介して測定電極３と基準電極４に印加される。上記電圧Ｕ1は、排ガスから小容積体内に酸素イオンがポンピングされるように方向付けられている。この目的のために電圧源６の正端子は基準電極と接続され、負端子は測定電極に接続されている。
【００１２】
連続動作中に印加される上記電圧は例えば、濃度セルの最大可能ネルンスト電圧よりわずかに大きく選択される。当該の設定によって、一方では電解質の分解が回避され、他方では濃厚混合気、ひいては酸素の少ない排ガスの場合でも、基準ガス容積からの酸素の拡散による酸素の豊富な基準ガス雰囲気への許容されない悪影響が及ぼされないことが確保される。
【００１３】
基準雰囲気の誤り状態を除去するため、基準ガス容積への酸素イオン流が当該の設計手法に従って次のようにして一時的に高めることができる。即ちスイッチ７は制御信号ＳＳ（９）により限られた時間△ｔの間作動され、ここにおいて、排ガスプローブにて電圧Ｕ１＋Ｕ２が現れるように作動される。その際Ｕ２は第２の電圧源８により供給される。Ｕ１とＵ２の直列接続体の代わりに、Ｕ１より大きなＵ２を有する単一の電圧源に切換えることもできる。破線に示すブロック１０は両電圧源６，８及びスイッチ７並びに前置抵抗１４をまとめて、可制御出力電流Ｉｐを有する給電（部）用装置が形成されている。
【００１４】
基準ガス容積への酸素イオン流により基準容積における不都合に高い圧力が生ぜしめられるのを防止するため、例えば基準ガス容積から周囲への有孔通路が設けられる。圧力の高低により惹起された粒子流を基準ガス容積から周囲へ可能にするそのような通路は、排ガスプローブの外部接点への有孔性に構成された基準電極給電路によっても実現することもできる。
【００１５】
図２の等価回路は、内部抵抗Ｒｉ（１１）と電源電圧Ｕｎ（１２）との直列接続（体）を示し、これは次のような電圧に相応している。即ち、排ガス及び基準ガス容積中の異なる酸素分圧の結果として、測定電極と基準電極との間に生じる電圧に相応する。排ガスプローブに逆方向に接続されているのは電圧給電部（１０）であり、これはバイアス電圧源１３と可制御前置抵抗Ｒｖ（１４）とから成る。
【００１６】
前置抵抗Ｒｖの調整のための制御信号ＳＳは、制御装置１５から到来する。この制御装置１５はたとえば、通常いずれにしろ存在するコンピュータであり、このコンピュータは例えば、噴射パルスｔｉを燃料噴射装置１６に送出するために用いられる。上記噴射パルスは内燃機関の作動パラメータ例えば、回転数ｎから負荷Ｑ、排ガスプローブの信号Ｕｓに依存して形成されるような噴射パルスである。
【００１７】
図３は定電流源１７と、さらなる定電流源１８とから形成された電圧給電源１０を示し、上記の更なる定電流源はスイッチ信号ＳＳを介して制御されるスイッチ１９により閉成され得る。定電流源１７排ガスプローブの通常作動のためのポンピング電流Ｉ1を供給し、定電流源１８は基準ガス容積の誤りの除去のため付加的ポンピング電流Ｉ2を供給する。
【００１８】
制御装置１５が基準ガス容積への酸素イオン流を増大させるための信号を出力する条件は、種々のものであり得る。例えば内燃機関の各スタート後、又は内燃機関の所定作動持続時間の経過後、及び／又は内燃機関の所定の作動状態にて、例えばエンジンブレーキ状態にて、基準ガス容積を酸素イオン流で洗浄することが可能である。
【００１９】
図２の実施例では、ポンプ電圧ないしポンピング電流の増大のためのトリガ基準として、電圧Ｕｓの特性を使用することもできる。Ｕｓに対しては図２の実施例について下記の関係が成立つ。
【００２０】
Ｕｓ＝Ｕｖ−Ｉｐ＊Ｒｖ＝Ｉｐ＊Ｒｉ＋Ｕｎ        （Ｉ）
Ｉｐ＝（Ｕｖ−Ｕｎ）／（Ｒｖ＋Ｒｉ）            （ＩＩ）
上記において排気ガスプローブのソース電圧Ｕｎの特性を図４に示す。図３は内燃機関に供給される混合気の空気量λに関するＵｎの特性経過を示す。実線は典型的には、０．２ｂａｒ酸素分圧を有する正規の基準ガス雰囲気について成立つ。上記の基準圧力に比して排ガス中の平衡酸素の分圧は、各空気量に対して１０の何乗分も小さく、濃度セルのネルンスト電圧の大きさと方向を決定する。自動車の駆動用の内燃機関の排ガスでは、上記ネルンスト電圧はラムダ領域全体に亘って正である。
【００２１】
拡散された燃料粒子により誤り状態の生じた基準雰囲気では、基準酸素分圧は低減される。生起されたネルンスト電圧は、測定領域全体に亘って相応に低減され、特別に稀薄排ガス中で負の値をとり得る。図４中破線で示された電圧経過は、この場合を示す。全く一般的には各濃度セルに対して、負のソース電圧Ｕｎの発生を、基準雰囲気の誤り状態の発生に対する信号として、一時的なポンプ電流増大の開始のために使用して、当該の誤り状態を可及的に速やかに回復することができる。
【００２２】
負のプローブ信号は図４に示されたように、特に稀薄な混合気組成の際に生じる。この理由により、エンジンブレーキ作動時に、燃料供給遮断の際にプローブ信号のチェックを行うとよい。当該の作動状態は屡々数秒間に亘って継続するので、基準雰囲気の誤り状態を特に確実に識別することができる。それというのは上記の誤り状態は当該の場合において、同様に複数秒に亘って継続する負のプローブ信号によって認知されるからである。
【００２３】
当該のケースが、制御装置１５にてプローブ信号のチェックにより検出されると、上記制御装置は信号ＳＳを送出し、この信号ＳＳによって例えば、前置抵抗Ｒｖの値が、通常有効である値のほぼ１／５へ低減される。下記の表は１００Ωのプローブ内部抵抗のもとで濃厚（Ｕｎ＝０．９Ｖ）混合気及び稀薄（Ｕｎ＝０．１Ｖ）混合気に対して前置抵抗Ｒｖの、５１ＫΩから１０Ωへの変化の場合のポンピング電流Ｉｐの増大の様子を示す。当該周辺条件のもとで生じるポンピング電流Ｉｐ及びプローブ電圧Ｕｓの値は関係式（Ｉ）と（ＩＩ）から計算されたものである。
【００２４】
ポンピングされる基準付き酸素プローブ
プローブ電圧及びポンピング電流に対する理論値
Ｒｉ［Ｏｈｍ］Ｒｖ［ｋｏｈｍ］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
１００        １０．０      １．０    ０．９    ０．９０１      ９．９
１００        １０．０      １．０    ０．１    ０．１０９    ８９．１
ここにおいて例として想定された値のもとで前置抵抗Ｒｖの、連続作動に対する値の１／５への減少により、ポンピング電流Ｉｐの増大、ひいては基準ガス雰囲気への酸素イオン電流の、ほぼ５倍への増大が生ぜしめられる。同様にして、基準ガス雰囲気の誤り状態の除去のために経過する時間はほぼ１／５に短縮される。
ポンピングされる基準付き酸素プローブ
プローブ電圧及びポンピング電流に対する理論値
Ｒｉ［Ｏｈｍ］Ｒｖ［ｋｏｈｍ］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
１００        ５１．０      ３．０    ０．９    ０．９０４    ４１．１
１００        ５１．０      ３．０    ０．１    ０．１０６    ５６．８
表２は図１の実施例に従っての連続的作動に対して定められた値の３倍へのバイアス電流Ｕｖの変化の作用の様子を示す。ここにおいてもポンピング電流の明瞭な上昇が生じる。
【００２５】
上述のポンピング電流が流れるべき持続時間は、使用される排ガスプローブの条件に依存する。
【００２６】
一方ではポンピング電流の時間積分は基準ガス容積に比例すべきである。それというのは、当該積分は次のようなポンピングされる酸素量に対する尺度であるからである。即ち比較的に大きい基準ガス容積の洗浄のためには比較的に小さい基準ガス容積の洗浄のためより大でなければならないポンピングされる酸素量に対する尺度であるからである。
【００２７】
他方では最も簡単な場合は一定の高められたポンプ電圧と、時間とにより得られる当該積分によって、電解質の大した分解を惹起してはいけない。相応の値は試行により、その都度重要な排ガスプローブで決定され得る。
【００２８】
ポンプ電流の増大の終端は、プローブ信号の再形成（回復）によってもトリガできる。上記プローブ信号の時間的経過を本発明の方法プロセスの実施例により図５に示す。
【００２９】
図５ａは、誤り状態のない基準の場合に１００ｍＶと９００ｍＶとの間で振動するプローブ信号Ｕｓ＝Ｕｎ＋Ｉｐ＊Ｒｉを示す。その際電圧ずれＩｐ＊Ｒｉはほぼ１ｍＶである。このことは表１からあきらかである（Ｒｉ＝１００Ω、Ｉｐほぼ１０μＡ：２と１７．６μＡの平均値として）。
【００３０】
図５ｂは、基準雰囲気に誤り状態ある場合のＵｓの信号経過を示す。ネルンスト電圧の低下によって、限界値ＳＷ１をもはや規則的には通過しないようになる。この限界値ＳＷ１は制御限界値ＲＳより高く、誤り状態のない基準の場合に規則的に到達する９００ｍＶのプローブ電圧より低い。制御装置１５における相応の問い合わせにより開始されて、ポンピング電流Ｉｐが増大される。
【００３１】
係数１０だけの増大によって、ほぼ１０ｍＶの電圧ずれＲｉ＊Ｉｐが生ぜしめられる。従ってポンプ電流上昇による被測定プローブ電圧Ｕｓへの直接的影響は比較的小さい。
【００３２】
ポンピング電流増大の間接的影響はネルンスト電圧の増大として現れ、それにより、図５ｃに示すようなプローブ電圧Ｕｓが、基準雰囲気の誤りのない状態に特徴的な所定値に上昇される。
【００３３】
それに伴って、限界値ＳＷ１も再び通過するようになっており、このことは増大されたポンピング電流に対する遮断基準（尺度）として使用され得る。
【００３４】
図６は基準雰囲気の誤り状態の識別によりトリガされる本発明の方法プロセスの実施のためのフローチャートを示す。上位の主プログラム（これは例えば制御装置間にて噴射パルスの計算に用いられる）から出発して、ステップＳ１にてチェックされるのは、電圧Ｕｓが所定の時間、例えば１０秒で数回限界値Ｓ１を通過したか否かである。
【００３５】
誤り状態のない基準の場合、上記問い合わせは肯定され、更なる手段を講じることなく主プログラムへ戻る。これに反して否定されると、ステップＳ２にてポンプ電圧ないしポンピング電流の増大のため信号ＳＳの出力がなされる。ステップＳ３ではポンピング電流の時間積分が所定の限界値ＮＯと比較される。
【００３６】
上記の限界値を越えるとステップＳ２にてポンプ電圧ないしポンピング電流の低減が開始され、主プログラムへの戻りが開始される。
【００３７】
ステップＳ１の代わりに、プローブ電圧が所定の作動状態にて、例えばエンジンブレーキ状態に負値をとるか否かがチェックできる。それが肯定される場合はポンプ電流は、プローブ信号がエンジンブレーキ状態においても正の値をとり、及び／又はエンジンブレーキ状態以外の状態で限界値Ｓ１を再び通過するまで上昇される。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば基準ガス容積の誤りの状態を迅速に除去する方法及び装置を実現できたという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ポンピングされる基準付き排ガスプローブ及び本発明の方法の実施に適する回路構成を示す概念図である。
【図２】  プローブの等価回路及び本発明の方法の実施に適する回路の別の実施例を制御装置と共に示す概念図である。
【図３】  図２の電圧給電部の１実施例を示す回路略図である。
【図４】  基準雰囲気の誤り状態の影響下で酸素濃度セルの出力電圧の変化を示す特性図である。
【図５】  図１または図２に示されたような接続構成を有する排ガスプローブの出力電圧に対して及ぼされる本発明の方法プロセスの作用を示す波形図である。
【図６】  本発明の１実施例の実施のための動作過程の流れ図である。
【符号の説明】
１    排ガスプローブ
２    固体電解質
３    測定電極
４    基準電極
５    小容積体
６    電圧源
７    スイッチ
８    電圧源
【図１】
0003708977.tif 000002
【図２】
0003708977.tif 000003
【図３】
0003708977.tif 000004
【図４】
0003708977.tif 000005
【図５】
0003708977.tif 000006
【図６】
0003708977.tif 000007