(57)【要約】【課題】希薄排気ガス或いは過濃排気ガスが存在しているか否かを確定することができるガスセンサを提供する。【解決手段】燃料／空気混合気を用いて運転される内燃機関の排気ガス中の酸素濃度の確定するガスセンサは、排気ガスから少なくとも一つの層（１５５；１５６；１５７、１５８；１２０）によって分離された第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）を有する、センサエレメント（１１０）の中又は上に配置されたポンプセルを含み、第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）との間に印加される電圧（Ｕｐｕｍｐ）を生成し、且つ調節すべきポンプ電流（Ｉｐｕｍｐ）を測定及び評価して、そこから燃料／空気混合気の組成を推定するための電子回路（１９０）を備えている。センサエレメント（１１０）には、排気ガスに対して暴露され、マイナスの電流（Ｉｚｕｚａｔｚ）を印加された追加の外部電極（１７０）が配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスから少なくとも一つの層（１５５；１５６；１５７、１５８；１２０）によって分離された第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）を有する、センサエレメント（１１０）の中又は上に配置されたポンプセルを含み、
第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）との間に印加される電圧（Ｕｐｕｍｐ）を生成し、且つその際に調節すべきポンプ電流（Ｉｐｕｍｐ）を測定及び評価して、そこから燃料／空気混合気の組成を推定するための電子回路（１９０）を備えている、
燃料／空気混合気を用いて運転される内燃機関の排気ガス中の酸素濃度の確定するガスセンサにおいて、
センサエレメント（１１０）に、排気ガスに対して暴露され、マイナスの電流（Ｉｚｕｚａｔｚ）を印加された追加の外部電極（１７０）が配置されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
第一の電極（１５０）が、前記センサエレメントを形成している固定電解質（１１０）に配置されており且つ排気ガスから少なくとも一つの保護層（１５５）によって分離されていること、及び
第二の電極（１４０）が、固体電解質（１１０）に配置されている測定容積（１３０）の中に配置されており且つ排気ガスから拡散層（１２０）によって分離されていること、
を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）が、前記センサエレメントを形成している固定電解質（１１０）に配置されており且つ少なくとも一つの共通の保護層（１５６）によって排気ガスから分離されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）が、前記センサエレメントを形成している固定電解質（１１０）に配置されており且つ分離された保護層（１５７、１５８）によって排気ガスから分離されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
追加の測定用電極（１７０）が、固定電極（１１０）の、第一の電極（１５０）と反対側に配置されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項６】
追加の測定用電極（１７０）が、保護層（１７１）によって覆われていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項７】
追加の測定用電極（１７０）が、固定電極（１１０）の、第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）と同じ側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
追加の測定用電極（１７０）が、第一の電極（１５０）と第二の電極（１４０）をも覆っている保護層（１５６）によって、或いは自らの保護層（１７７）によって、排気ガスから分離されていることを特徴とする請求項７に記載のガスセンサ。
【請求項９】
追加の外部電極（１７０）に印加されるマイナスの電流（Ｉｚｕｓａｔｚ）が一定であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１０】
追加の測定用電極（１７０）が、自らの信号線（１７２）を備えていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１１】
追加の測定用電極（１７０）が、ヒータ装置（１６０）のアース接続端（１６２）と電導的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１２】
電子回路（１９０）が、エンジン制御装置或いはエンジン制御装置の一部であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプセルと追加の外部電極を備えたガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ラムダゾンデの形をした電気化学的ガスセンサは、自動車の内燃機関の排気ガスシステムで、エンジン制御装置のために排気ガス組成に関する信号を生成できるようにするために、沢山用いられている。これによって、排気ガスが排気ガスシステムの中に今日一般的に存在している触媒による後処理のために最適な組成を持つように、エンジンを運転することができる。
【０００３】
図１には、従来技術から知られている、前記の概念に基づくガスセンサが示されている。センサエレメント１００は、ガス流入穴１１５を有し、この穴を通して排気ガスが流入し、また拡散バリヤ１２０を通して測定容積１３０の中へ達する。外部電極或いは外側のポンプ電極とも呼ばれる第一の電極１５０は、固体電解質１１０の外面の上の多孔質の保護層１５５の下に配置され、（図中には示されていない）内燃機関の排気ガスに対して暴露されている。測定容積の中には、内部電極或いは内側のポンプ電極とも呼ばれる第二の電極１４０が配置されている。
【０００４】
内側のポンプ電極１４０と外側のポンプ電極１５０との間には、ポンプ電圧Ｕｐｕｍｐが印加されているので、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐが流れている。固体電解質１１０の中には更に絶縁層１６２に埋め込まれたヒータ１６０が配置されている。このヒータ１６０によって、センサエレメントが、センサエレメント１００の最適な機能の得られる温度へ加温される。
【０００５】
限界電流の原理に基づくこのプレーナー型ワイドバンドラムダゾンデには、一定のポンプ電圧Ｕｐｕｍｐが印加されている。この一定のポンプ電圧は、希薄ガスの場合、即ち空気過剰の排気ガスの場合には、排気ガスの酸素含有量と明確に関連しているプラスのポンプ電流Ｉｐｕｍｐを生成する。しかしながら、過濃な排気ガス、即ち燃料過剰の排気ガスの中では、排気ガス中に含まれている水の分解によって、内側の電極１４０にもプラスのポンプ電流が発生する。印加されているポンプ電圧Ｕｐｕｍｐは、明らかに水の分解電圧よりも低いにも係わらず、排気ガス中に水素が存在しているので、外部電極１５０で水素と酸素の反応から水が生み出され、水の分解がエネルギー論的に可能となる。それ故、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐは、過濃排気ガスの場合には水素含有量によって制限される。過濃排気ガス中のこのポンプ電流Ｉｐｕｍｐは、希薄排気ガス中のポンプ電流Ｉｐｕｍｐと同じ方向を持っているので、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐからは最早排気ガス組成を簡単には推定することができなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、前記の概念に基づくガスセンサを、希薄排気ガス（希薄ガス）或いは過濃排気ガス（過濃ガス）が存在しているか否かを確定することができるように拡張することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は、請求項１のメルクマールを持つガスセンサによって解決される。
このガスセンサの有利な拡張例は、それぞれ請求項１に準拠する諸従属請求項の対象となっている。
【０００８】
本発明の基礎となっているアイディアは、排気ガス中で追加のポンプ電極として働く追加の外部電極によって、第二の電極に酸素を送り込むということにある。この酸素は、ガスセンサの作動の間に追加的に汲み出され、それによって希薄排気ガスに限定された出力信号が生成される。この場合、この追加のポンプ電流が十分に大きく選ばれれば、過濃排気ガスの場合にも正常なプラスのポンプ電流しか生じない。このようにすることによって、ポンプ電流の大きさと過濃の領域から希薄の領域までの排気ガス組成との間での明白な関係付けが可能となる。図１に示されている既知のワイドバンドラムダゾンデと比較すると、ポンプ電流が方向変更を行う必要が無く、それによってより迅速な変化への対応が可能となる。
【０００９】
第一の有利な実施態様では、第一の電極がセンサエレメントを形成している固体電解質に配置され且つ保護層によって排気ガスから分離されていること、及び第二の電極が固体電解質の、測定容積とも呼ばれる測定室の中に配置され、且つ拡散層或いは拡散バリヤによって排気ガスから分離されているということが考えられている。この実施態様の場合、第一の電極は外部電極とも、又第二の電極は内部電極とも呼ばれることがある。
【００１０】
別の有利な実施態様では、第一の電極も第二の電極も固体電解質に配置され、且つ共通の保護層によって排気ガスから分離されているということが考えられている。このケースでは、固体電解質に配置される測定室がなくなっており、このことは、とりわけこのようなガスセンサの製造を大いに簡単にする。
【００１１】
第三の有利な実施態様では、第一と第二の電極が、固体電解質に配置されてはいるが、別々の保護層によって排気ガスから分離されている。
追加の外部電極は、純粋に原理的にはセンサエレメントの、第一と第二の電極と同じ側に或いはそれ等の電極と反対の側に配置されることができる。
【００１２】
有利な実施態様では、センサエレメント上の追加の外部電極が、該エレメントの、第一の電極と反対の側の面に配置されているということが考えられている。このセンサエレメントは、好ましくは、（層状に作られることもある）固体電解質を形成しており、その外側の、第一の電極と反対の側の表面に追加の外部電極は配置されている。
【００１３】
付着に対する保護のために、またλ＝１波形の低減のために、追加の外部電極は更に保護層で覆われることが有利である。
これに対して、別の実施態様では、追加の外部電極が第一と第二の電極と同じ側に配置されており、その際この追加の外部電極は、第一と第二の電極を覆っているのと同じ保護層によって、排気ガスから分離されていることができる。代わりの手法として、別の保護層によって覆い、またその別の保護層によって排気ガスから分離されていることもできる。
【００１４】
好ましくは、追加の外部電極には一定のマイナスの電流が印加される。これによって、ガスセンサの作動の間、追加的に酸素が、ガスセンサの希薄ガスに限定された出力信号が生成されるように、第二の電極に向かって汲み出される。
【００１５】
その際、有利な実施態様では追加の外部電極が回路と接続された自らの測定線を備えているということが考えられている。
その様な追加の信号線を省略することのできる別の有利な実施態様では、追加の外部電極がヒータ装置のアース接続端と電導的に接続されているということが考えられている。
【００１６】
前記の回路は、好ましくはエンジン制御装置の一部とし、従ってその場合には追加の回路部分は省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のその他の利点及びメルクマールは本発明の実施例についての以下の説明及び図面による表現の対象となっている。
そのようにすることによって、本発明は、燃料が少なくとも一つの噴射弁を通して少なくとも一つの燃焼室へ送り込まれ、また噴射弁の特性曲線が適合される、内燃機関の運転のために方法に関する。本発明は更に、内燃機関のためのコンピュータプログラム、電気的記憶媒体、並びに制御装置に関する。
【００１８】
技術技術から知られているガスセンサは、層構造で作られた固体電解質１１０によって作られたセンサエレメント１００を有している。センサエレメント１００の外面には、排気ガスに対して暴露された、外側のポンプ電極とも呼ばれる第一の電極１５０が配置されており、この電極は、開放多孔性の保護層１５５によって覆われている。固体電解質１１０には測定容積１３０が作られ、その中に内側のポンプ電極とも呼ばれる第二の電極１４０が配置されている。
【００１９】
（図示されていない）内燃機関の排気ガスは、ガス流入穴１１５を通リ、拡散バリヤ１２０を介して測定容積１３０内へ流れる。
略示されている電子回路１９０によって、外側のポンプ電極１５０と測定容積１３０の中に配置されている内側のポンプ電極１４０との間に、一定のポンプ電圧Ｕｐｕｍｐが生成される。これによって、希薄排気ガスの場合にはプラスのポンプ電流Ｉｐｕｍｐが生成され、この電流によって酸素イオンＯ２−が測定容積１３０からセンサエレメントの外側へ、排気ガスの中へ汲み出される。しかしながら、過濃な排気ガス組成の場合、即ち排気ガスが燃料過剰である場合には、排気ガス中に含まれている水のために同じくプラスのポンプ電流が生生成される。しかしながらこの場合には、印加されているポンプ電圧は水の分解電圧よりも明らかに低い。けれども水素が排気ガス中に存在しているので、水の分解はエネルギー論的に可能である。何故なら、外側の電極１５０でＨ２とＯ２とから水が生成されるからである。それ故、過濃な排気ガス組成の場合の電流は、外側の電極での水素含有量によって制限される。過濃な排気ガス組成の場合のポンプ電流Ｉｐｕｍｐは、希薄な排気ガス組成の場合のポンプ電流Ｉｐｕｍｐと同じ方向を持っているので、ポンプ電流から排気ガス組成を推定することは簡単にはできない。
【００２０】
そこで、排気ガス組成を推定することができるようにするために、第一の実施例では、センサエレメントを形成している固体電解質１１０の、外側の電極１５０と反対側の面の上に、排気ガスに対して暴露された追加の外側の電極１７０が配置されている。この追加の外側の電極１７０は、追加のポンプ電極として働き、酸素を排気ガスから測定容積１３０内に配置されている内側の電極へ汲み出すことを可能にする（図２、図３参照）。このことが、図２と図３でＯ２−で示された矢印によって略示されている。
【００２１】
追加の外側の電極或いはポンプ電極１７０には、図２に示されている実施例の場合には、追加の外側の電極１７０の測定信号を回路１９０内で評価するために、回路１９０と接続された自らの信号線１７２が割り当てられている。
【００２２】
図３に示されている実施例が図２に示されている実施例と異なるのは、追加の外側の電極１７０が自らの信号線を持っていないという所だけである。追加の外側の電極１７０はヒータアース１６２と電導的に接続されている。それ故、このヒータ回路は、追加の配線を節約するために、或る程度“仮想のアース”によってポンプ回路に対してより高い電位に置かれ、その際には、図３に示されているように、このヒータアースは、回路導体を通して追加の外側の電極１７０と接続される。これによって生成されるＤＣヒータ結合がこのケースでは望ましいオフセット電流となる。
【００２３】
追加の外側の電極１７０には、一定の電流Ｉｚｕｓａｔｚ＝一定 が印加される。このようにすることによって、追加の外側の電極１７０から測定容積１３０への酸素の汲み出しが行われる。追加として汲み出されたこの酸素が今度はガスセンサの作動の間に内側の電極１４０から汲み出されるので、希薄ガスに限定された出力信号が生成される。
【００２４】
追加のポンプ電流Ｉｚｕｓａｚが十分に大きいときには、過濃な排気ガスの場合にもプラスのポンプ電流が生まれる。ポンプ電流Ｉｐｕｍｐの大きさと過濃から希薄までの領域にわたる排気ガス組成との間の明確な関係付けが、このようにすることによって可能となる。
【００２５】
図４及び図５には、それぞれ空気過剰率λとポンプ電流との関係が略示されているが、その際、図４の電流の変化は、図１に示されているガスセンサの電流の変化に対応しており、他方、図５に示されているポンプ電流は、図２及び図３に示されているようなガスセンサの電流の変化に対応している。図から分かる通り、ポンプ電極として働くこの追加の外部電極の装置は、“オフセットポンプ”とも呼ぶことができるであろう。ポンプ電流が方向転換を行う従来技術から知られているガスセンサの場合（図４）とは異なり、図２及び図３に示されているガスセンサの場合には、ポンプ電流Ｉｐｕｍｐがプラスの領域だけで変化し、それによってより迅速な変化への対応が可能となる。
【００２６】
追加の外側の電極１７０の上への保護層１７１の配置によって、追加の外側の電極１７０が酸素の連続的な汲み出しによってガス交換を受けることが防止され、それによって、いわゆるλ＝１波形が低減される。
【００２７】
本発明に基づくガスセンサの、図６に示されている別の実施例では、第二の電極１４０が測定容積の中にではなく、第一の電極１５０と同様固体電解質１１０の外面の上に配置されている。第一の電極１５０と第二の電極１４０は共通の保護層１５６によって覆われ且つそれによって排気ガスから分離されている。
【００２８】
共通の保護層ではなく、図７に示されているように、第一の電極１５０と第二の電極１４０が、それぞれ多孔度の観点からも異なる特性を持つことのできる、それぞれ分離された保護層１５７及び１５８によって覆われているということも考えられる。固体電解質１１０の外面でのポンプセルの形成は、特にそのようなガスセンサの製造の観点から大きな利点を持っている。何故なら、両方の外部電極を一回の製造ステップで、例えばプリントによって作ることができるからである。
【００２９】
図８及び図９に示されている実施例では図６及び図７に示されている実施例と同じ要素には同じ参照記号が付けられているので、それ等の説明に関しては前記の説明をそのまま参照することができる。
【００３０】
しかしながら、図８及び図９に示されている実施例の場合には、追加の測定用電極１７０は、第一の電極１５０及び第二の電極１４０と同じ面に配置されており、これ等の電極１５０、１４０と一緒に、一回の製造ステップで、例えばプリントによって、非常に有利に作られることができる。
【００３１】
図８に示されている実施例の場合には、追加の測定用電極１７０が第一の電極１５０と第二の電極１４０を覆っているのと同じ保護層１５６によって覆われており且つこれによって排気ガスから分離されている。
【００３２】
それに対して、図９に示されている実施例の場合には、追加の測定用電極は自らの保護層１７７によって覆われ且つこれによって排気ガスから分離されている。
この実施例の場合（図９）にも、第一の電極１５０と第二の電極１４０は、図６に略示されているように、それぞれ別の保護層によって覆われていることができる。その場合には、センサエレメント、即ち固体電解質１１０の表面に配置されている全ての電極がそれぞれ独自の保護層によって覆われている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術から知られているガスセンサを示す。
【図２】本発明に基づくガスセンサの実施例を示す。
【図３】本発明に基づくガスセンサの別の実施例を示す。
【図４】図１に示されているガスセンサの場合の空気過剰率ラムダと電流との関係を示す。
【図５】図２または図３に示されているガスセンサの場合の空気過剰率ラムダとポンプ電流との関係を示す。
【図６】本発明に基づくガスセンサの別の実施例を示す。
【図７】本発明に基づくガスセンサの別の実施例を示す。
【図８】本発明に基づくガスセンサの別の実施例を示す。
【図９】本発明に基づくガスセンサの更に別の実施例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2009529689.tif 000014
2009529689.tif 000015
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