JP4864556B2 - 広帯域λセンサによるλ値の決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、広帯域λセンサの特性曲線の決定方法に関するものである。

広帯域λセンサは、例えばドイツ特許第１０２１６７２４号から既知となっている。
このような広帯域λセンサにおいては、λ値に対して必要な機能ポンプ電流が一義的に割り当てられているλ特性曲線が決定される。この場合、割当は、ガス試験台における測定および自動車それ自体内における測定によって行われる。ガス試験台において測定されたλ特性曲線は技術資料内に記入される。車両エンジン制御装置に、ガス試験台において測定され且つ技術資料内に記録されている特性曲線の代わりに、内燃機関において決定された特性曲線が、例えばデータ・セットとして記録されている。この特性曲線は内燃機関の制御のために使用される。このように決定されたλ特性曲線は正確な制御のためには十分ではない。

拡散要素を有するλセンサは常にいわゆる拡散シフトを示し、拡散シフトは、異なる質量を有する異なるガス・タイプが拡散要素内を異なる速度で拡散することから発生されるものである。この拡散シフトは、排気ガス混合物の関数として、ガス試験台において測定された正規の特性曲線から明らかな信号偏差を形成させる。したがって、拡散シフトは車両内における誤測定の原因となり、この誤測定が、内燃機関のλ制御に大きなエラーを与えることがある。

ガス成分の上記の拡散シフトまたは１つまたは複数のガス成分の完全な欠如がλ値の決定において考慮可能なように、広帯域λセンサの特性曲線の決定方法を改良することが本発明の課題である。本発明は、特に、水素、エタノールまたはＣＮＧ（天然ガス）で運転される内燃機関におけるλ決定もまた含む。

本発明によれば、自動車の内燃機関の広帯域λセンサによるλ値の決定方法において、測定ポンプ電流と、検出されるべきガスに対する広帯域λセンサの感度と、ガス濃度比とから、リーン運転において酸素濃度が決定され、且つリッチ運転において酸素不足が決定され、これからそれぞれλ値が推測される。

本発明の基本的な考え方は、λセンサに、測定λにおいてもはや固定のポンプ電流を割り当てるのではなく、要するに特定ガス成分の関数としてセンサの感度を測定することである。ガス混合物に対する合成総合ポンプ電流が、広帯域センサに存在するそれぞれのガス・タイプの個々の感度の重ね合わせ、即ち和が、その濃度と乗算されることから計算されることにより、ポンプ電流がガス混合物の感度を介して割当可能である。

１より小さいλ値においては、このように代替ポンプ電流が決定され、代替ポンプ電流によりある程度酸素不足が計算可能である。１より大きいλ値に対しては、排気ガス内において測定された酸素が求められる。このようにして、それ自身既知のいわゆるピッシンガー（Ｐｉｓｃｈｉｎｇｅｒ）の公式により、全λ範囲にわたり特性曲線が得られる。

この方法により、車両におけるλ制御特性曲線がほぼ正確に決定され、したがって本質的に改善された触媒前制御が実行可能である。これにより、有害物質エミッションは低下する。さらに、制御は本質的により安定になる。これは触媒の寿命を延長させ、したがって、結果的に、触媒に対して使用される原料を節約させる。この場合、センサ特性が排気ガスの広帯域λセンサの特性曲線への影響を受けることはないことが、エラーの検出のために特に有利であることは明らかである。

図１には、略断面図で示されている広帯域λセンサ１０は、内燃機関の排気ガス内のガス成分、特に酸素濃度を決定するために使用され、これにより燃料／空気混合物を設定するための制御信号が得られ、この制御信号を用いて内燃機関は運転される。広帯域λセンサ１０は、測定セルまたはネルンスト・セル１１およびポンプ・セル１６を有し、測定セルまたはネルンスト・セル１１は、固体電解質１４上に配置されている測定電極１２および基準電極１３を有し、一方、ポンプ・セル１６は、外側電極１８および内側電極１７を有し、外側電極１８は外側ポンプ電極ＡＰＥとも呼ばれ、また内側電極１７は内側ポンプ電極、それがネルンスト電極と同じ電位にあるので略してＩＰＮとも呼ばれ、外側電極１８および内側電極１７もまた同様に、固体電解質１９上に配置されている。固体電解質として、酸化イットリウムにより安定化された酸化ジルコニウムが使用される。基準電極１３は基準チャネル１５内に配置され、基準チャネル１５には、基準ガスが、通常空気が供給されている。ポンプ・セル１６の内側電極１７は、ネルンスト電極とも呼ばれるネルンスト・セル１１の測定電極１２と共に測定室２０内に配置され、測定室２０は、拡散隔壁（拡散バリヤ）２１を介して内燃機関の排気ガスと結合されている。外側電極１８は多孔質保護層２２で被覆され且つ直接排気ガスに露出されている。広帯域λセンサ１０にはさらに加熱装置２３が付属し、加熱装置２３は、いわゆる曲折加熱線として形成されている。加熱装置２３に加熱電圧Ｕ_Ｈが印加され、且つ加熱装置２３は、例えば７８０℃の一定作動温度に保持される。広帯域λセンサ１０を作動させるために、広帯域λセンサ１０は制御装置２４と結合され、制御装置２４は、一方で、内燃機関３１内の燃料／空気混合物を設定するための制御信号を発生する。図１において、内燃機関３１はブロックとして示され、制御装置２４による内燃機関３１の操作は信号ライン２５により表わされている。ポンプ・セル１６は端子２６および２７を介して制御装置２４と結合され、この場合、外側電極１８は端子２６におよび内側電極１７は端子２７に接続されている。ネルンスト・セル１１は端子２７、２８を介して制御装置２４と結合され、この場合、測定電極１２は端子２７に接続され、また基準電極１３は端子２８に接続されている。端子２７および２８の間において検出電圧またはネルンスト電圧Ｕ_Ｎが測定可能であり、端子２６、２７にポンプ電圧Ｕ_Ｐが印加される。制御装置２４は、ここに図示されていない制御回路を有し、この制御回路によりポンプ電圧Ｕ_Ｐがネルンスト電圧Ｕ_Ｎの関数として設定される。ネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、一方で、測定電極１２および基準電極１３が露出されている酸素比の関数である。

制御装置２４により、広帯域λセンサは下記のように作動される。測定電極１２と基準電極１３との間に存在する酸素濃度差により、特定のネルンスト電圧Ｕ_Ｎが設定され、ネルンスト電圧Ｕ_Ｎは、測定室２０内の酸素濃度に対する尺度である。ネルンスト電圧Ｕ_Ｎの関数として、ポンプ・セル１６に印加されるポンプ電圧Ｕ_Ｐが設定され、ポンプ電圧Ｕ_Ｐは、ポンプ・セル１６を介してポンプ電流Ｉ_Ｐを発生させる。排気ガス組成、したがって排気ガスの酸素含有量に応じてそれぞれ、このポンプ電流Ｉ_Ｐは、図１に示されているように陰極性であるか、または陽極性である。第１の場合、外側電極１８は陽極として、および内側電極１７は陰極として作動され、第２の場合、逆に、外側電極１８は陰極として、および内側電極１７は陽極として作動される。リーン範囲内にある燃料／空気混合物による内燃機関３１の安定運転においては、ポンプ電流Ｉ_Ｐは陰極性であり、即ちポンプ・セル１６の内側電極１７は陰極として印加されている。リッチ範囲内にある燃料／空気混合物による内燃機関３１の安定運転においては、ポンプ電流Ｉ_Ｐは陽極性であり、即ちポンプ・セル１６の内側電極１７は陽極として印加されている。第１の場合には、酸素イオンが測定室２０から排出され、第２の場合には、酸素イオンが排気ガスから測定室２０内に供給される。この場合、ポンプ電圧Ｕ_Ｐは、測定室２０内に、例えば４５０ｍＶの一定ネルンスト電圧が発生する一定酸素濃度が設定されるように制御される。設定されたポンプ電流Ｉ_Ｐは、酸素濃度に対する尺度ないしは排気ガス内の酸素不足に対する尺度であり、且つ測定電圧として測定される。特性曲線から関連のλ値が決定される。

λ特性曲線を決定するために、はじめに、試験台において、オフラインで、広帯域λセンサセンサ１０が測定されるべきそれぞれのガスまたはガス混合物に露出され且つ合成ポンプ電流Ｉ_Ｐが測定されることにより、広帯域λセンサまたは二位置λセンサのガス感度が決定される（図２のステップ２１０）。このようにして、内燃機関の排気ガス内に存在する全ての排気ガス成分の感度値が決定され且つ技術資料内に記録される。

ステップ２１０におけるガス感度のこの決定は、予め試験室内において行われる。同様に予めオフラインで、内燃機関内におけるガス濃度比の測定が実行される（ステップ２３０）。ステップ２２０において、内燃機関の運転の間に、ポンプ電流Ｉ_Ｐが上記の広帯域λセンサにより測定され且つ制御装置２４に出力される。この制御装置２４内においてλ値の決定が行われ（ステップ２４０）、この場合、リーン運転とリッチ運転とが区別され、リーン運転においては、酸素濃度が、ポンプ電流Ｉ_Ｐと、予めオフラインで決定された酸素感度ε_Ｏ２とから計算され、またリッチ運転においては、酸素不足が、測定ポンプ電流Ｉ_Ｐと、酸素、水素およびＣＯのガス感度：ε_Ｏ２、ε_Ｈ２、ε_ＣＯと、予め決定された、エンジン内におけるガス濃度比Ｋ、即ち水素の一酸化炭素に対する比とから計算される。このガス濃度比Ｋは、内燃機関の運転の間においてほとんど変化しない。この計算方式は、１つまたは複数のガス成分が欠けている、例えば水素エンジンにおいても使用可能である。

このように決定された、リーン運転における酸素濃度ないしはリッチ運転における酸素不足から、ここで、以下に詳細に説明するように、λ値を計算するための実験式で、あるいわゆるピッシンガーの公式により、λ値が計算される。

以下にリッチ運転におけるλ値の決定を詳細に説明する。リッチ運転において測定ポンプ電流が代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}に変換され、代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}は、酸素不足の理論ポンプ電流Ｉ_Ｐに対応する。代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}を測定ポンプ電流Ｉ_Ｐから計算するために、２つの式が使用される。これらの式の第１はＨ_２およびＣＯに対する測定排気ガス濃度ｘ＿Ｈ_２およびｘ＿ＣＯと、これらのガスに対する広帯域λセンサ１０の感度ε＿Ｈ_２およびε＿ＣＯとからのポンプ電流の計算を示している。

ここで、排気ガス濃度は、いわゆる湿り排気ガスの値であることに注意すべきである。排気ガス分析化学により測定された、乾き排気ガス内のガス、即ち一酸化炭素ＣＯ、水素Ｈ_２および酸素Ｏ_２に対する値が、湿り排気ガスに対する値に換算される。ここで、一酸化炭素ＣＯおよび水素Ｈ_２に対する値のみが考慮される。代替ポンプ電流に対する次の第２の式により酸素不足が決定される。

これらの２つの式の除算は、水素の一酸化炭素に対する濃度比Ｋ＝ｘ＿Ｈ_２／ｘ＿ＣＯを考慮して、代替ポンプ電流に対して次の値を与える。

したがって、代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}は、予めオフラインで測定された水素の一酸化炭素に対するガス濃度比と、酸素、水素および一酸化炭素に対するセンサの感度とから決定される。この計算方式は、排気ガス内に水素または一酸化炭素が存在しない場合、即ちＫ＝０（水素が存在しない）またはＫ→∞（一酸化炭素が存在しない）が成立するときにおいても適用される。このとき、式は次のように簡単になる。

リッチ運転において、即ちＩ_Ｐが≦０Ａのとき、このように決定された代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}および酸素に対する既知の感度ε＿Ｏ_２から、酸素不足ｘ＿Ｏ_２が決定される。

リーン運転において、即ち０Ａより大きいポンプ電流においては、酸素濃度が、ポンプ電流の測定値Ｉ_{Ｐ−ｇｅｍｅｓｓｅｎ}および酸素に対するセンサの感度から直接決定される。

酸素値ｘ＿Ｏ_２から、即ちリッチ運転の場合には酸素不足から、またはリーン運転の場合には酸素濃度から、ここで、ピッシンガーによるλ値を計算するための実験式により、λ値が決定される。

ここで、ｍ、ｎ∈｛０、１、２、…｝は、燃料のＣ_ｍＨ_ｎＯ_ｋからの値を示し、Ｘ_Ｏ２は、Ｘ_Ｏ２＝Ｏ_２の濃度／不足を示す。

広帯域センサによるλ値のこの決定の大きな利点は、リッチ運転においてもλ値をきわめて正確に決定可能にするために、測定のみ、即ちポンプ電流Ｉ_Ｐの測定が必要であることにみられる。

内燃機関において上記の方法を使用することは、さらに、リーンにおけるＨＣ補正を可能にし、これにより精度が上昇される。リーンにおいては、λの上昇と共に、エラーの分散が大きくなり、且ついわゆるブレットシュナイダー（Ｂｒｅｔｔｓｃｈｎｅｉｄｅｒ）の公式により決定されたλ値λ＿_{Ｂｒｅｔｔｓｃｈｎｅｉｄｅｒ}からの偏差の上昇が観察される。この原因は、ＨＣ濃度の大きな変動にあるものと思われる。リーン運転における概略ＨＣ割合が特性曲線群内に記憶可能であるという仮定のもとに、理想燃焼式を考慮して、ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}が、仮定される後燃焼により計算可能である。

ここで、異なる炭化水素は次の比でＯ_２と反応する。
１Ｖｏｌ．％Ｃ_２Ｈ_４ ３Ｖｏｌ．％Ｏ_２
１Ｖｏｌ．％Ｃ_３Ｈ_６ ４．５Ｖｏｌ．％Ｏ_２
１Ｖｏｌ．％Ｃ_３Ｈ_８ ５Ｖｏｌ．％Ｏ_２
ＨＣ補正方法は、次のステップを含む。
１．湿り排気ガスの排気ガス濃度に対しては、ポンプ電流Ｉ_Ｐは、Ｏ_２およびＨＣの排気ガス濃度から計算される。これに対して、他の排気ガス成分は無視される。

２．Ｏ _２ により決定される測定Ｉｐの部分は次のとおりである。

従って、Ｉ _Ｐ Ｏ _２ に対するＯ _２ 濃度に対しては、次の式が得られる。

３．ピッシンガーの公式の使用に対しては、Ｏ_２過剰が計算される。ここで、存在するＨＣは完全にＯ_２と反応するものと仮定される。Ｃ_３Ｈ_６に対しては、以下である。

ｘ＿Ｏ_{２−Ｕｅｂｅｒｓｃｈｕｓｓ}＝ｘ＿Ｏ_２−（ｘ＿ＨＣ＿ｐｐｍ＿Ｃ１／３）・４．５
この場合、式内においてＣ_３Ｈ_６分子により炭化水素量の１／３のみが考慮されるべきである。

この酸素過剰ｘ＿Ｏ_{２−Ｕｅｂｅｒｓｃｈｕｓｓ}から、上記のピッシンガーの公式により、λ値が計算される。上記のＨＣ補正により、値λ_{−Ｂｒｅｔｔｓｃｈｎｅｉｄｅｒ}からの平均偏差が明らかに低下可能であり、これにより、結果として、λ値が本質的により正確に決定可能である。

広帯域λセンサの概略断面図および広帯域λセンサを操作するためのブロック回路図である。 本発明による方法を説明するための概略ブロック回路図である。

符号の説明

１０ 広帯域λセンサ
１１ ネルンスト・セル（測定セル）
１２ 測定電極
１３ 基準電極
１４、１９ 固体電解質
１５ 基準チャネル
１６ ポンプ・セル
１７ 内側電極
１８ 外側電極
２０ 測定室
２１ 拡散隔壁（バリヤ）
２２ 多孔質保護層
２３ 加熱装置
２４ 制御装置
２５ 信号ライン
２６、２７、２８ 端子
３１ 内燃機関
Ｉ_ｐ ポンプ電流
Ｕ_Ｈ 加熱電圧
Ｕ_Ｎ ネルンスト電圧
Ｕ_Ｐ ポンプ電圧
ε_ｉ センサのガス感度

Claims (4)

1. 自動車の内燃機関の広帯域λセンサであってネルンスト・セル及びポンプ・セルを有する広帯域λセンサによるλ値の決定方法において、
   前記ポンプ・セルにおいて測定された測定ポンプ電流と、検出されるべきガスに対する広帯域λセンサの感度と、内燃機関内の予め測定された水素Ｈ _２ の一酸化炭素ＣＯに対するガス濃度比とから、リーン運転において酸素濃度が決定され、且つリッチ運転において酸素不足が決定され、これからそれぞれλ値が推測されること、
   測定ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−ｇｅｍｅｓｓｅｎ}と、水素Ｈ_２の一酸化炭素ＣＯに対するガス濃度比Ｋと、およびガス即ち酸素、水素および一酸化炭素に対するセンサの感度ε＿Ｏ_２、ε＿Ｈ_２、ε＿ＣＯとから、リッチ運転における酸素不足の理論ポンプ電流に対応する代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}が、次式
   

   

   により決定されること、及び
   決定された代替ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−Ｅｒｓａｔｚ}及び酸素に対するセンサの感度ε＿Ｏ_２から酸素不足が決定されること、
   を特徴とする広帯域λセンサによるλ値の決定方法。
2. 感度ε＿Ｏ_２、ε＿Ｈ_２、ε＿ＣＯが、ガス試験台において内燃機関を運転することにより予めオフラインで決定されることを特徴とする請求項１に記載の決定方法。
3. 水素Ｈ_２の一酸化炭素ＣＯに対するガス濃度比Ｋが、ガス試験台において内燃機関を運転することにより予めオフラインで決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の決定方法。
4. 考慮されなかったガス成分の残量であるＨＣ残量を補正するために、
   測定ポンプ電流Ｉ_{Ｐ−ｇｅｍｅｓｓｅｎ}、ＨＣの排気ガス濃度ｘ＿ＨＣ及び酸素及び炭化水素に対するセンサの感度ε＿Ｏ_２、ε＿ＨＣから酸素濃度ｘ＿Ｏ２が次式から求められ、
   
   ｘ＿Ｏ_２＝（Ｉ_{Ｐ−ｇｅｍｅｓｓｅｎ}−ｘ＿ＨＣ・ε＿ＨＣ）／ε＿Ｏ_２
   
   当該求められた酸素濃度ｘ＿Ｏ_２及びＨＣの炭化水素量から所定の式により酸素過剰ｘ＿Ｏ_{２−Ｕｅｂｅｒｓｃｈｕｓｓ}が求められ、
   当該求められた酸素過剰ｘ＿Ｏ_{２−Ｕｅｂｅｒｓｃｈｕｓｓ}から別の所定の式によりλ値が求められる
   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決定方法。

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