(57)【要約】  本発明は排ガス分析のためのセンサセル（１）を作動させるための方法および装置に関する。この方法、またセンサのあらゆる動作状態において加熱素子（６）の有利にはパルス幅制御される装置の制御を使用しても確実な測定結果を供給する相応の装置を提供するために、センサの基準電極（Ｒｅｆ）の電位が電気的な加熱素子の供給電圧（ＶPWM）の算術平均値と同期して補正されることが提案される。
2007532927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱素子（６）によって電気的に加熱される、セラミック性の排ガス分析センサセルを作動させる方法において、
センサ（１）の電気的な基準（Ｒｅｆ）を実質的に前記電気的な加熱素子（６）の供給電圧（ＶPWM）の算術平均値と実質的に同期して変化させることを特徴とする、排ガス分析センサセルを作動させる方法。
【請求項２】
基準としての電極Ｐ＋を広域センサ（１）の場合には、ＰＷＭ制御されたヒータ電圧（ＶPWM）で追従制御する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
加熱素子（６）によって電気的に加熱される、セラミック性の排ガス分析センサセルを作動させる装置において、
請求項１または２記載の方法を実施するために構成されており、
センサ（１）の基準電極（Ｒｅｆ）の電位を補正する回路と接続されている、前記電気的な加熱素子（６）のパルス幅変調およびクロック制御される、またはその他のやり方で変化される入力電圧（ＶPWM）の算術平均値または直流成分を検出する手段（９）が設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項４】
前記電位を補正する回路として増幅器（１０）が設けられている、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記入力電圧（ＶPWM）の算術平均値または直流成分を検出する回路としてＲＣ素子が設けられている、請求項３または４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、公知のように内燃機関の排気管において有害物質排出を制御および低減するために使用される、排ガス分析のためのセンサセルを作動させる方法と装置に関する。この種の排ガス分析センサセルは、窒素酸化物の含有量、また排ガス混合気の構成要素であるその他の環境に有害な気体を検出するために使用される。制御のためにこれらのセンサの電気的な出力信号から必要な制御量が処理される。
【０００２】
自動車の排ガスのためのτセンサおよび窒素酸化物センサないしＮＯｘセンサとして電気的に加熱されるセラミックセンサが有効であると実証されている。セラミック材料として実質的に酸化ジルコニウムＺｒＯ2が使用され、このセラミック材料は動作中に電気的な抵抗ヒータによって３００〜８５０℃の温度に加熱される。
【０００３】
本発明はこの特定な適用事例に限定されるものではないが、以下ではτセンサおよび窒素酸化物センサとして自動車技術において有害物質排出を制御するために使用されるようなセラミック広域センサについてのみ検討する。τセンサと窒素酸化物センサが実質的に等しい構造の場合、これらのセンサは、排気管内でτセンサが触媒の上流側に配置されており、かつ窒素酸化物センサが触媒の下流側に配置されているように排気管内に配置されている。広域センサは、ここでは別個に考察しないフィンガ型、プレーナ型または抵抗型のジャンプセンサ（Sprungsonde）とは異なり、τ≒１付近の範囲だけではなく、連続的にリッチからリーンまでの混合気の広範なτ範囲にわたる測定を行う。このために広域センサは２つのセル、すなわちいわゆるポンプセルと濃度セルとを有し、この濃度セルはセンサセルまたはネルンストセルとも称される。したがって広域センサの出力信号を基礎とする相応の制御によって、内燃機関の燃焼室においてはその都度所望される空気比τを常に生じさせることができる。
【０００４】
原理的に２つのセルから構成されている広域τセンサは３つの異なる媒体、すなわち周囲からの空気と排ガス混合気とτ１混合気と接触している。τ１混合気は測定室において排ガスおよび周辺空気からポンプ電流Ｉpによって自動的に形成される。このポンプ電流Ｉpは空気比τに対する尺度として評価される。しかしながらそもそもこのプロセスを開始できるようにするためには、広域センサが予め約５００℃の最低動作温度に高めなければならない。この温度においては酸化ジルコニウムセラミックが電気絶縁体としての特性を失い、酸素イオンに対して透過性になり、イオン輸送のための固体電解質体として機能するようになる。
【０００５】
より僅かな所要面積またより経済的な製造を基礎として、現在の排ガスセンサには通常の場合、広域センサを動作温度まで電気的に加熱するためのヒータ層が設けられており、このヒータ層はセラミック上に直接配置されており、また例えば空所によって形成できる付加的な絶縁部を有していない。このことはプレーナ型または抵抗型のジャンプセンサの構造形態に該当し、またセラミック製の広域センサにも該当する。酸化ジルコニウムセラミックを基礎とするこの種の広域センサに関しては、ドイツ連邦共和国特許明細書DE 102 21 392 A1において、調節可能なパルス幅を有している、周期的に切換可能なパルス幅変調された電流の使用を基礎とする、ＮＯxセンサとして使用する場合の加熱素子の殊に有利な制御方法が開示されている。しかしながらその動作温度に達すると、酸化ジルコニウムセラミックはセンサの測定電極に対して非常に制限的に作用する電気的な加熱素子の電気抵抗しか有さない。これによって、最低動作温度に到達した後には電流の流れをもはや効果的に阻止することはできないので、前述の効果によってセンサの測定結果の質が実質的に低下する可能性がある。酸化アルミニウムセラミックからなる中間層を使用してもセンサの動作温度において根本的な改善は見られない。何故ならば、温度が上昇するとＡｌ2Ｏ3材料の抵抗も非常に大幅に低下し、したがってこの材料の電気的な絶縁作用も低下するからである。
【０００６】
したがって本発明の課題は、有利にはパルス幅制御された加熱素子の制御を使用してもセンサのあらゆる動作状態において確実な測定結果を供給する方法と相応の装置を提供することである。本発明によればこの課題はそれぞれの独立請求項に記載されている特徴を備えた方法と装置によって、それぞれのセンサのそれぞれの電気的な基準が実質的に、電気的な加熱素子の供給電圧の算術平均値と同期して変化されることによって解決される。すなわち基準としての電極Ｐ＋は広域センサの場合においてＰＷＭ制御されたヒータ電圧において追従制御される。相応に本発明による装置においては、センサの基準電極の電位を補正するための回路と接続されている電気的な加熱素子のパルス幅変調され制御される入力電圧またはその他のやり方で変化される入力電圧の算術平均値または直流成分を検出するための手段が設けられている。
【０００７】
本発明は、空所を有さずにそれぞれのセラミック上に直接被着されているヒータ層を有する排ガスセンサにおいては、ヒータ層と基準電極との間の漏れ電流を阻止できず、これにより少なくとも制御された加熱動作においては基準電位の変位に基づき測定エラーの発生が不可避であるという知識を基礎としている。電極への負荷が少ない動作方式として例えばDE 102 21 392.5において提案されるように、ヒータ層のパルス幅変調された制御動作において決定的な測定エラーが生じることが明らかになっている。ヒータ層と基準電極との間の電流の影響を遮断することによるこの問題の解決手段は、パルス幅変調されるヒータ電圧信号のアクティブ期間外にのみ測定が行われることによって達成できる。しかしながらこのアプローチは、基準電位がこの過程の間に一定の値に維持されるのではなく、それぞれの動作期間に比べて長い時定数で減少過程生じるということを考慮していない。ヒータ層の電位は一般的にセンサの基準電極における電位よりも大きいので、多室型の広域センサの場合においてはＯ2濃度が漏れ電流によって平均的な加熱電位に補償調整される。
【０００８】
さらには文献においてまだ完全には考察されていない別のエラーの影響として、自動車におけるバッテリ電圧ないし供給電圧が負荷に依存しているということを確認できる。したがって例えば、排気弁に対する駆動系がセンサないしそのセンサのヒータ層と同じケーブルハーネスに依存することによって電圧変動が惹起される可能性がある。同様のことがヘッドライトまたは方向指示器に対しても該当し、その結果他の車両電子装置およびバッテリ電圧の電子装置による所定の動作状態においては正弦波状の変調が排ガスセンサに対する付加的な妨害量として現れている可能性がある。
【０００９】
ここで本発明による装置は、測定すべき電位がバッテリ電圧の変化による影響を受けることを阻止することによって、センサセルの動作に介入する。このために本発明の実施形態においては、電極Ｐ＋を広域センサの電気的な基準として、事前に経験的に求められた、または計算された補正値を用いて、バッテリ電圧の算術平均値と同期して変化させることができる。すなわち、可変のバッテリ電圧の重み付けされた直流成分が電気的な基準電極の電位に加算される。
【００１０】
このために有利な実施形態においては、ヒータ層の制御信号がパルス幅変調される電圧信号として、算術平均値を求めるＲＣ素子に供給される。ＲＣ素子の出力信号は係数ｋを有する増幅器において増幅され、加算点を介して電極Ｐ＋の電位に付加される。したがって、基準電極と電極Ｐ＋との間には補正された電位差が生じ、この電位差は前述の電流の影響からは実質的に解放されている。
【００１１】
本発明はこの明細書の枠内では実質的に自動車産業における広域センサの使用を背景として示されている。しかしながら、冒頭で述べた別の適用事例としての平坦型または抵抗型のジャンプセンサを考慮の対象から外すべきではない。当業者には周知のように、例えば抵抗測定においても基準電位の一面的な電位変位が持続的に測定結果に対して影響及ぼしている。したがってこれに基づき、抵抗型のジャンプセンサの原理的に既に比較的狭い測定範囲においては、前述の例示的であって限定的ではないエラーの作用源が取得された制御信号の信頼性を実質的に低下させる。
【００１２】
本発明による方法および本発明による方法を実施する装置のさらなる利点を、図面に示した実施例を参照しながら以下において説明する。概略的な図面において、
図１はτを測定するための広域センサの断面図と所属の回路を示し、
図２は本発明による入力手段を表したブロック図を示す。
【００１３】
それぞれの図面の説明において同一の構成部分、コンポーネントおよびパラメータには全体を通して同じ符号が付されている。
【００１４】
図１は測定センサの原理的な構造の断面図を示し、この測定センサは具体的な構成に応じて、内燃機関の排気管における燃焼生成物のＮＯｘ濃度、または相応の空気数τを検出することができる。図示されている測定センサはセンサ１として構成されており、また実質的に固体電解質体２、ここでは酸化ジルコニウムＺｒＯ2からなる。図１において常に同一のハッチングによって示唆されているように、層状の構造によって別個の空所ないし測定セル３，４，５を有する内部構造が形成され、これらの測定セルにはそれぞれ所属のチャネル３ａ、４ａ、５ａを介して到達することができる。全体がセラミック性のセンサ１は電気的なヒータ層６によって動作温度に高められる。ここでヒータ層６の制御信号はパルス幅変調およびクロック制御された電圧ＶPWMである。
【００１５】
約７００℃の動作温度においては、Ａｌ2Ｏ3セラミックからなり付加的に装入されている絶縁層７もセンサ１内での高い電位から低い電位への漏れ電流を阻止することができない。電位測定点はセル３，４，５それぞれの領域において電極Ｒｅｆ、Ｐ−、Ｐ＋、Ｍ１およびＭ２として配置されている。湾曲している矢印として示されている漏れ電流およびこれに付随する電位変位によって、センサセル１の測定精度はその実際の測定動作中に実質的に損なわれる。以下これを説明する。
【００１６】
ここでは別個に図示していない排気管から、燃焼混合気Ａがチャネル４ａを介して第１の測定セル４に供給される。センサ１がスイッチオンされるとチャネル５ａを介して、それ以外は閉じられた形のセル５に少量のガスが到達する。ここでは電極Ｍ１，Ｍ２を介して、電流源および電圧源を備えた図示されている外部回路を用いて、Ｏ2-イオンが周囲を包囲している固体電解質体によってポンピングされる。したがってセル５はポンプセルとも称される。セル３にはチャネル３ａを介して酸素含有率が２１％である周囲空気Ｕないし新鮮な空気が供給され、排ガス混合気Ａが充填されているセンサセル４と対比して基準セルとして使用される。
【００１７】
図１の概略図からは、セル３内の電極Ｒｅｆが全ての電圧測定に対する基準電位を表していることが分かる。したがって、漏れ電流およびこの基準電位ＶRefの相応の変位に起因する質の低下τＶも原理的なエラーとして、その測定に基づき最終的にＮＯx含有量またはτ値が検出される全ての電圧測定および電流測定に作用する。
【００１８】
図２は、入力手段９の形で実施される、前述のエラーを取り除くための補償方法を示す。入力手段９には入力信号として加熱素子６のパルス幅変調およびクロック制御された制御信号ＶPWMが供給される。ＲＣ素子はこの制御信号ＶPWMから算術平均値を検出し、この平均値は制御信号の直流成分として、重み付け係数ｋを有する増幅器１０を介して、基準電極Ｒｅｆにおける電位変位を補償するために電極Ｐ＋の電位に加えられる。これによって基準電極Ｒｅｆと電極Ｐ＋との間の電位差は測定の質を低下させる直流成分について処理されている。
【００１９】
補正値ｋは実験において事前に経験的に求められる。しかしながらこの補正値ｋを計算することもできる。経験的に求めるために比較的簡単なテストが実験室測定場において、ＮＯxまたは空気数τに関する値が一定に維持されて、所定のステップで負荷される供給電圧Ｕbatないしパルス幅変調されたヒータ制御電圧ＶPWMがセンサに供給されることによって実施される。信号変化から、３〜４秒の範囲にある時定数τが算出される。およそ１秒のτｔの範囲における急速かつ周期的な妨害に対して効果的に使用することができることから較正量が取得される。
【００２０】
したがって本発明による方法および相応の使用によって、比較的大きいバッテリ電圧変動においても総じて平滑なＮＯx信号が動的な範囲において達成される。これにより、前述のセンサ１の寿命に関して重要なパラメータがより正確に遵守された場合に、静的な範囲において殊に２進のτ信号に関する比較的高い精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】τを測定するための広域センサの断面図と所属の回路。
【図２】本発明による入力手段を表したブロック図。
【図１】
2007532927.tif 000003
【図２】
2007532927.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成17年12月14日(2005.12.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な加熱がクロック制御されてパルス幅変調されるか、その他のやり方で可変に制御される加熱素子（６）によって電気的に加熱される、セラミック性の排ガス分析センサセルを作動させる方法において、
前記センサ（１）の電気的な基準電位を前記電気的な加熱素子（６）の供給電圧（ＶPWM）の算術平均値と実質的に同期して変化させ、基準としての電極（Ｐ＋）の電位を補正値の重畳によって追従制御することを特徴とする、排ガス分析センサセルを作動させる方法。
【請求項２】
広域センサ（１）の場合に、ＰＷＭ制御されたヒータ電圧（ＶPWM）において使用する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
加熱素子（６）によって電気的に加熱される、セラミック性の排ガス分析センサセルを作動させる装置において、
請求項１または２記載の方法を実施するために構成されており、
センサ（１）の基準電極（Ｒｅｆ）の電位を補正する回路と接続されている、前記電気的な加熱素子（６）のパルス幅変調および制御される、またはその他のやり方で変化される入力電圧（ＶPWM）の算術平均値または直流成分を補正値の加算的重畳により検出する手段（９）が設けられていることを特徴とする、装置。
【請求項４】
前記電位を補正する回路として増幅器（１０）が設けられており、該増幅器（１０）の出力信号を前記基準電極（Ｒｅｆ）の電位に加算する、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記入力電圧（ＶPWM）の算術平均値または直流成分を検出する回路としてＲＣ素子が設けられている、請求項３または４記載の装置。
【国際調査報告】
2007532927.tif 000005
2007532927.tif 000006
2007532927.tif 000007
2007532927.tif 000008