(57)【要約】【課題】内燃機関の排気系における少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出するための排気センサ装置において、センサ近傍に追加的なセンサ制御ユニットを省略できるようにすること。【解決手段】前記課題は、排気センサ装置が、内在的な信号増幅機能を有する、排気ガス成分濃度検出を行う排気センサを有することにより解決される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系（１０）における少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出するための排気センサ装置であって、
前記排気センサ装置は、内在的な信号増幅機能を有する、少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する少なくとも１つの排気センサを含む
ことを特徴とする、排気センサ装置。
【請求項２】
少なくとも１つの排気センサはＦＥＴ化学センサである、
請求項１記載の排気センサ装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの排気センサは、少なくとも１つのセンサチップ（３２）上に集積されている、
請求項１または２記載の排気センサ装置。
【請求項４】
前記排気センサ装置はセンサ制御ユニット（２０）に接続されていない、
請求項１から３までのいずれか１項記載の排気センサ装置。
【請求項５】
複数の異なる前記排気センサを、少なくとも１つのセンサチップ（３２）上に集積することができる、
請求項１から４までのいずれか１項記載の排気センサ装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのセンサチップ（３２）は、検出されたセンサ値の信号処理を行う回路を含む、
請求項１から５までのいずれか１項記載の排気センサ装置。
【請求項７】
少なくとも１つのセンサチップ（３２）上の複数の異なる前記排気センサは、マルチプレクサ（３４）を介して同時に順次読み出し可能である、
請求項１から６までのいずれか１項記載の排気センサ装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つのセンサチップ（３２）は、少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する機能の他に、さらに別の機能を有する、
請求項１から７までのいずれか１項記載の排気センサ装置（３０）。
【請求項９】
前記少なくとも１つのセンサチップ（３２）の検出したセンサ値の信号処理の一部は、中央のエンジン制御装置（１２）に移設可能である、
請求項１から８までのいずれか１項記載の排気センサ装置（３０）。
【請求項１０】
第２のセンサチップ上に信号処理が集積可能である、
請求項１から９までのいずれか１項記載の排気センサ装置（３０）。
【請求項１１】
・エンジンを制御するエンジン制御装置（１２）と、
・前記エンジンの排気ガスを導く排気管（１４）と、
・前記排気管（１４）内の少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する排気センサ装置と
を少なくとも備えた、内燃機関の排気系システムであって、
前記排気センサ装置は前記エンジン制御装置（１２）に直接接続されている
ことを特徴とする、排気系システム。
【請求項１２】
前記排気系システムはセンサ制御ユニット（２０）を有さない、
請求項１１記載の排気系システム。
【請求項１３】
前記排気センサ装置（３０）は少なくとも１つのＦＥＴ化学センサを有する、
請求項１１または１２記載の排気系システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系における少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出するための排気センサ装置と、内燃機関の排気システムとに関する。
【背景技術】
【０００２】
最新ないしは将来の排気ガス後処理システムに使用される排気センサは、たとえば窒素酸化物等の有害ガスを数ｐｐｍの高い精度で検出しなければならない。セラミックをベースとする今日のセンサ方式は、センサ信号として、排気ガス中の窒素酸化物濃度に依存して変化するイオンポンプ電流を用いる。このような原理を利用していることにより、上述の形式のセンサ素子は非常に小さいセンサ信号しか出力することができず（ｎＡ領域の電流）、それゆえ、センサ近傍に信号増幅器ないしは信号処理部を追加的なセンサ制御ユニットに組み込んで設置することは避けられない。それゆえ、測定したセンサ信号は、適切に処理してからその後に初めて、中央のエンジン制御装置へ伝送することができる。このような追加的な電子ユニットは、開発コストないしは製造コストが高くなることに繋がる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、内燃機関の排気系における少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出するための排気センサ装置において、センサ近傍に追加的なセンサ制御ユニットを省略できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、内燃機関の排気系における少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出するための排気センサ装置を対象としており、当該排気センサ装置は、内在的な信号増幅機能を有する少なくとも１つの排気センサを含み、少なくとも１つの排気センサは少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】従来技術の排気系の一部を概略的に示す図である。
【図２】本発明の排気系の一部を概略的に示す図である。
【図３】本発明のセンサチップの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
前記排気センサはたとえば、排気ガスの分析対象ガス種を検出し、これにより、周辺の分析対象ガスの分圧に依存して、センサ表面の電離したガス種、すなわち帯電したガス種の濃度を検出することができる。したがって、分析対象ガスが存在すると電位が変化し、これを排気センサが検出することができる。内在的な信号増幅機能とは、分析対象ガスにより生成された電荷に起因してゲート電極に生じるこの電位変化によって直接、チャネル電流の変化が生じ、それと同時に信号増幅を行うことができることを意味する。したがって、たとえばセラミック排気センサのような、じかの電流測定を行うのではなく、上述の内在的な信号増幅機能を用いて、μＡ領域からｍＡ領域までのセンサ電流を検出して、サブミリアンペア領域ないしはマイクロアンペア領域の信号変化によってセンサ信号を出力することができる。このことにより、センサの電流ないしは電流変化をエンジン制御装置に直接読み込むことができる。このようにして、上記の排気センサを使用する際に、たとえばセンサ制御ユニットにより実現される追加的な増幅器を省略することができる。さらに、センサ制御ユニットを無くせることにより、排気系の外乱に影響を受けやすい特性を低下させることもできる。
【０００７】
有利なのは、前記少なくとも１つの排気センサをＦＥＴ化学センサとすることである。ＦＥＴ化学センサとは、化学感応性の電界効果トランジスタ（略して ChemFET）を指す。このＦＥＴ化学センサは特殊な形態の電界効果トランジスタであり、化学物質を検出したり、物質の化学的特性を検出するためのセンサとして用いられる。ＦＥＴ化学センサは、ガス分子が触媒活性のゲート電極と相互作用する電界効果トランジスタをベースとした化学活性の半導体ガスセンサを利用する。このような吸着により実効ゲート電位が変化し、この実効ゲート電位の変化によってソース‐ドレイン電流（センサ信号）が変化して、これを測定することができる。その際に、電界効果によって電位変化が内因的に増幅され、電界効果トランジスタの構成に応じてμＡ領域からｍＡ領域までの電流変化が、吸着対象のガスに依存して生じる。ＦＥＴ化学センサはこのようにして、非常に低濃度（数ｐｐｍ領域）のガス成分を検出することができる。
【０００８】
ＦＥＴ化学センサは、ゲート電極が検出対象のガスと選択的に相互作用する電界効果トランジスタをベースとすることができる。ゲート電極の触媒活性によって、たとえば分析対象ガスを分離することができ、この分離により、周辺における分析対象ガスの分圧に依存して、センサ表面における電離すなわち帯電したガス種の濃度を変化させることができる。したがって、分析対象ガスが存在する場合には、電界効果トランジスタのゲートにおいて電位が変化する。この電位の変化により、チャネル電流が直接変化し、それと同時に信号増幅を実現することができる。その際には増幅率は、使用される電界効果トランジスタの伝達関数曲線に依存することができる。このようにして、上述の内在的な信号増幅機能を利用して、μＡ領域からｍＡ領域までのセンサ電流を出力し、サブミリアンペア領域ないしマイクロアンペア領域の信号変化によってセンサ信号を出力することができる。このことにより、センサの電流ないしは電流変化をエンジン制御装置に直接読み込むことができる。このようにして、ＦＥＴ化学センサを使用する際に、たとえばセンサ制御ユニットにより実現される追加的な増幅器を省略することができる。さらに、センサ制御ユニットを無くせることにより、排気系の外乱に影響を受けやすい特性を低下させることもできる。
【０００９】
排気センサ装置の１つの有利な実施形態では、前記少なくとも１つの排気センサは少なくとも１つのセンサチップ上に集積されている。このような実施形態により、排気センサ装置のサイズを縮小かつ簡略化することができ、このことにより、排気系におけるスペースを削減することができる。たとえば炭化シリコン（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む群から選択された材料等である、バンドギャップが大きいロバストな半導体材料を用いることにより、排気センサを高温でも用いることができ、このことにより、腐食性環境において高温ガスを測定するのに、たとえば燃焼排気ガスを測定するのに用いることもできるようになる。
【００１０】
有利には、前記排気センサ装置はセンサ制御ユニットに接続されていない。センサ近傍に設置される追加的な電子回路を、とりわけセンサ信号の増幅に用いることにより、前記少なくとも１つの排気センサの内在的な信号増幅機能を使用しないように、当該排気センサを構成することができる。この構成の大きな利点は、センサ近傍のセンサ制御ユニットの開発コストおよび製造コストを削減できることである。その上、排気系においてセンサ制御ユニットをセンサ近傍に設置するために必要とされる追加的な設置スペースを削減することも可能になる。
【００１１】
前記排気センサ装置の前記少なくとも１つのセンサチップ上に複数の異なる排気センサを集積できるように構成するのが有利である。このような構成により、複数の異なる排気ガス成分を選択的に測定することが可能になる。その際には前記複数の排気センサは、たとえば窒素酸化物、炭化水素、一酸化炭素および／またはアンモニアを測定することができる。このようにして、複数の排気ガス成分を検出できる排気センサ装置を簡単に実現することができる。
【００１２】
有利には、前記排気センサ装置の前記少なくとも１つのセンサチップは、検出したセンサ値の信号処理を行う回路を含む。このような構成により、検出したセンサ信号の信号処理をそのまま前記少なくとも１つのセンサチップ上で直接行うことができる。このようにしてセンサ制御ユニットを省略することができ、前記少なくとも１つのセンサチップによって処理されたセンサ信号はそのまま直接、エンジン制御装置へ伝送することができる。
【００１３】
排気センサ装置の他の１つの有利な実施形態では、マルチプレクサを介して、前記少なくとも１つのセンサチップ上の複数の異なる排気センサを同時に順次読み出すことができる。マルチプレクサとは、複数の入力信号から１つの入力信号を選択して出力端にて出力する選択回路を指す。マルチプレクサとは、手動ではなく電子信号により切り替えられるロータリースイッチのようなものである。リレーと相違する点は、接続が機械的に実現されるのではなく、集積半導体回路により実現されることである。マルチプレクサを用いることにより、前記少なくとも１つのセンサチップは前記複数の排気センサのセンサ信号を順次読み出して処理することができ、かつ、出力信号を介してエンジン制御ユニットへ伝送することができる。このことにより、排気センサ装置のセンサ信号を処理および伝送するためのセンサ制御ユニットを省略することができる。半導体材料のバンドギャップは大きいので、高温に適した電子部品を用いて、たとえば半導体素子、ダイオードまたはトランジスタを用いて、マルチプレクサの機能をセンサチップ上に直接実現することができる。さらに、複数の異なる排気センサを備えたセンサチップの動作のためのケーブル数を低減することもできる。
【００１４】
前記排気センサ装置の少なくとも１つのセンサチップが、少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する機能の他にさらに別の機能も有すると有利である。また、センサチップ上にて処理される他の機能を、たとえばアナログ／デジタル変換器、使用されるバスシステムと通信するためのユニット、センサ温度制御器、信号フィルタおよび信号変調を実装することもできる。このようにして、前記少なくとも１つのセンサチップ上に全ての信号処理を統合することができ、このような統合により、排気センサ装置のセンサ信号を信号処理するための、センサ近傍に設置されるセンサ制御ユニットを省略することができる。さらに、半導体材料のバンドギャップは大きいので、高温に適した電子回路を用いて、上述の別の機能をそのままセンサチップ上に直接実現することもできる。
【００１５】
有利には、前記排気センサ装置の前記少なくとも１つのセンサチップの検出されたセンサ値の信号処理の一部を、中央エンジン制御装置に移すことができる。信号処理の一部を中央エンジン制御装置に移すことが可能であるのは、上述の内在的な増幅機能があるからであり、ひいては、この内在的な増幅機能により信号雑音比が良好になるからである。この実施形態では、センサからアナログデータストリームを出力し、これをエンジン制御装置において処理することができる。上述の実施形態に代えて択一的に、センサ信号のデジタル変換を前記センサチップ自体にてそのまま実施し、その後に、たとえばＳＥＮＴインタフェースまたはＰＳＩ５インタフェースを介して、センサ生信号のデジタルデータストリームを直接、中央エンジン制御ユニットへ伝送することができる。このようにしてＦＥＴ化学センサは、中央エンジン制御ユニットがそのまま直接翻訳および処理できる信号を出力することができ、これにより、センサ自体に設置される制御装置を省略することができる。
【００１６】
排気センサ装置の他の１つの有利な実施形態では、信号処理部は第２のセンサチップ上に集積することができる。このことにより、排気センサ装置を簡略化することができる。
【００１７】
さらに本発明は、エンジンを制御するエンジン制御装置と、当該エンジンの排気ガスを導く排気管と、当該排気管内の少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する排気センサ装置とを少なくとも備えた内燃機関の排気系システムにも関し、前記排気センサ装置は前記エンジン制御装置に直接接続されている。したがってこの排気センサ装置は、中央の前記エンジン制御装置にて直接処理できるセンサ信号を出力する。このことにより、排気センサ装置からエンジン制御装置へセンサ信号を伝送するための信号増幅および／または信号処理を行うためのセンサ制御ユニットを省略することができ、このようにセンサ制御ユニットを省略できることにより、排気系の構成を簡略化することができる。さらに、センサ制御ユニットを無くせることにより、排気系の外乱に影響を受けやすい特性を低下させることもできる。
【００１８】
排気系システムの１つの有利な実施形態では、当該排気系システムはセンサ制御ユニットを有さない。センサ制御ユニットが省略されることにより、排気系システムにスペースを追加しなくてもよくなる。というのも、排気センサ装置は、介設されるセンサ制御ユニット無しでセンサ信号を直接伝送できるからである。このことにより、排気系システムの構成を簡略化することができ、また小型化することもできる。さらに、センサ制御ユニットを無くせることにより、排気系の外乱に影響を受けやすい特性を低下させることもできる。
【００１９】
有利には、排気系システムの排気センサ装置は少なくとも１つのＦＥＴ化学センサを有する。このように少なくとも１つのＦＥＴ化学センサを使用すると、たとえばセンサ制御ユニットにより実現される追加的な増幅器を省略することができる。さらに、センサ制御ユニットを無くせることにより、排気系の外乱に影響を受けやすい特性を低下させることもできる。
【００２０】
本発明の他の特徴および利点については、本発明の排気センサ装置および本発明の排気系システムに関する説明と、実施例とを参酌すれば明らかである。
【実施例】
【００２１】
本発明の他の利点および有利な実施形態を図面および実施例に示しており、以下、この他の利点および実施形態について説明する。ここで、図面および実施例は単に説明するためだけのものであり、本発明を何ら限定するものではないことに留意すべきである。
【００２２】
図１に、従来技術の内燃機関の排気系１０の一部を概略的に示す。この排気系１０は、エンジンを制御するためのエンジン制御装置１２と、当該エンジン制御装置１２に接続されたセンサ制御ユニット２０とを含む。センサ制御ユニット２０はさらに、排気管１４内の排気ガスを検出するセンサ素子２２にも接続されている。図１ではこの排気ガスは、排気管１４内部の矢印により示されている。従来技術では、イオンポンプ電流をセンサ信号として使用する、セラミックベースのセンサ素子２２が使用されている。そのため、この種のセンサ素子２２が出力するセンサ信号は、ｎＡ領域と小さくなってしまう。センサ信号はセンサ制御ユニット２０へ伝送され、このセンサ制御ユニット２０においてセンサ信号は増幅および／または処理されてから、その後にエンジン制御装置１２へ伝送される。このセンサ信号を用いて、たとえば、内燃機関のエンジンを制御することができる。
【００２３】
図２に、本発明の内燃機関の排気系の一部を概略的に示す。この排気系１０は、エンジンを制御する少なくとも１つのエンジン制御装置１２と、当該エンジンの排気ガスを導くための排気管１４と、当該排気管１４内の少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する排気センサ装置３０とを有する。図２ではこの排気ガスは、排気管１４内部の矢印により示されている。
【００２４】
図２では図１と異なり、排気系は、センサ制御ユニット２０に接続された排気センサ装置２２の代わりに、エンジン制御装置１２に直接接続された排気センサ装置３０のみを有するのが示されている。この排気センサ装置３０は、内在的な信号増幅機能を有する少なくとも１つの排気センサを有し、この少なくとも１つの排気センサは、少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する。この実施例では、前記排気センサは少なくとも１つのＦＥＴ化学センサである。排気系１０は、図１の従来技術の排気系のようにセンサ制御ユニット２０を有さないので、センサ制御ユニット２０が無いことにより、排気系１０の外乱に対する脆弱性が低下する。さらに、排気系１０のスペースを縮小することもできる。
【００２５】
図３に、排気センサ装置３０の排気センサのセンサチップ３２を概略的に示す。図３では、排気センサ装置３０の１つのセンサチップ３２上に複数の異なるＦＥＴ化学センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄが集積されている。これらのＦＥＴ化学センサはそれぞれ、検出対象の排気ガス中に含まれる異なる排気ガス成分を検出することができる。たとえば、ＦＥＴ化学センサ３６ａは窒素酸化物を検出し、ＦＥＴ化学センサ３６ｂは炭化水素を検出し、ＦＥＴ化学センサ３６ｃは一酸化炭素を検出し、ＦＥＴ化学センサ３６ｄはアンモニアを検出することができる。これらの各ＦＥＴ化学センサは、バンドギャップが大きいロバストな半導体材料から成るので、これにより、比較的高温でもこれらのＦＥＴ化学センサを使用することができ、ひいては、たとえば腐食性環境において高温ガスを測定するために、たとえば燃焼排気ガス等を測定するためにＦＥＴ化学センサを用いることができる。前記半導体材料はたとえば、ＳｉＣまたはＧａＮを含む群から選択される材料である。
【００２６】
排気センサ装置３０のセンサチップ３２はさらに、センサ信号を検出するための信号処理を行う少なくとも１つの回路を有する。このような構成により、検出したセンサ信号の信号処理をそのまま前記１つのセンサチップ３２上で直接行うことができる。図３には、排気センサ装置３０のセンサチップ３２上において複数の異なるＦＥＴ化学センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄがマルチプレクサ３４を介して同時に順次読み出せる構成を示している。このマルチプレクサ３４は出力信号（Out）をエンジン制御装置１２へ出力し、これに応じてエンジン制御装置はエンジンを制御する。マルチプレクサ３４を用いることにより、複数のＦＥＴ化学センサ３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄを備えたセンサチップ３２の動作のために必要なケーブル数を削減することができる。半導体材料のバンドギャップは大きいので、高温に適した電子部品を用いて、たとえばトランジスタまたはダイオードを用いて、マルチプレクサ３４の機能をセンサチップ３２上に直接実現することができる。
【００２７】
図示されていない一実施例では、排気センサ装置３０のセンサチップ３２は、少なくとも１つの排気ガス成分の濃度を検出する機能の他に、さらに別の機能を有する。この別の機能は、高温に適した電子回路を用いてセンサチップ３２上に実装されており、この別の機能にはたとえば、アナログ／デジタル変換器、種々のバスシステムと通信するためのユニット、および、センサ温度制御器を含むことができる。このようにして、全ての信号処理が１つのセンサチップ３２上に集積される。
【００２８】
図示されていない他の１つの実施例では、排気センサ装置３０のセンサチップ３２の検出したセンサ値の信号処理の一部を、中央のエンジン制御装置１２内に移設することができる。ＦＥＴ化学センサの内在的な増幅機能と、これにより実現される、当該ＦＥＴ化学センサのセンサ信号の良好な信号雑音比とにより、ＦＥＴ化学センサのセンサ信号を中央エンジン制御装置がそのまま直接、解釈および処理することができる。その際には、アナログデータストリームまたはデジタルデータストリームが中央エンジン制御装置１２へ直接伝送され、または、ＳＥＮＴインタフェースまたはＰＳＩ５インタフェースを介してデジタルデータストリームを中央エンジン制御装置１２へ直接伝送することもできる。このことにより、中央のエンジン制御装置１２へ伝送するために排気センサ装置３０のセンサ信号の信号増幅および／または信号処理を行うためのセンサ制御ユニット２０を使用しなくてもよくなる。
【００２９】
図示されていない他の１つの実施例では、信号処理部は排気センサ装置３０の第２のセンサチップ上に集積することができる。その場合には、この簡単な信号処理回路を、コネクタに直接設置される第２のセンサチップに組み込むことができる。このような構成により、排気系１０においてセンサ制御ユニット２０のためのスペースを追加する必要が無くなり、このことにより、よりコンパクトな排気系システムを構成することができる。さらに、センサ制御ユニット２０が無くなることにより、排気系１０が外乱から受ける影響を小さくすることもできる。
【符号の説明】
【００３０】
１０    内燃機関の排気系
１２    エンジン制御装置
１４    排気管
２０    センサ制御ユニット
２２    センサ素子
３０    排気センサ装置
３２    排気センサ装置３０の排ガスセンサのセンサチップ
３４    マルチプレクサ
３６ａ〜３６ｄ  種々のＦＥＴ化学センサ
【図１】
2014178319.tif 000003
【図２】
2014178319.tif 000004
【図３】
2014178319.tif 000005