JPH07501152A - ポーラログラフ型センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ポーラログラフ型センサ 従来の技術 混合気中の所定の成分の濃度をポーラログラフ型センサを用いてめることができ るのは公知である。これはたとえば、オツトーエンジンやディーゼルエンジンの ようにガス状または流体状の燃料で駆動される内燃機関の排気ガスにおいて行わ れる。排気ガスの成分を酸素に関して、および／または水素、炭化水素、−酸化 炭素のような可燃性の成分に関して識別することが望ましい。それというのはこ れらの値からエンジンの動作状態を推定できるからであり、つまり”希薄な”空 気／燃料混合気による動作状態と”濃厚な”空気／燃料混合気による動作状態と を区別できるからである。

このような動作状態の識別は、空気／燃料混合気の組成をそのつと最適化する目 的を有する制御操作のための基礎である。希薄な空気／燃料混合気の場合、酸素 は化学量論的過剰量として存在しており、これに応じて排気ガス中では酸素に関 して高い濃度が測定されるのに対し、可燃性の成分は劣勢（下位的）量として現 われるにすぎない。エンジンが濃厚な空気／燃料混合気で駆動される場合、これ とは逆になる。この場合、排気ガス中にはなお多量の可燃性成分が存在するのに 対し、酸素は劣勢（下位的）成分として現われるにすぎない。希薄混合気と濃厚 混合気とを区別するための尺度となる数値はラムダ（λ）の数値であり、つまり 酸素と可燃性成分との当量比である。これが１よりも大きければ希薄混合気であ り、■よりも小さければ濃厚混合気であって、酸素と可燃性成分が化学量論的に 釣り合っていればｌと等しく、一般的にこれは努力目標（所期値）である。

ポーラログラフゾンデは、ポンプセルの限界電流の測定に基づくものである。希 薄混合気からの排気ガス（″希薄排気ガス”）中の酸素を測定するために、カソ ードの前に拡散バリアが配置される。この拡散バリアは酸素がカソードに到達す るのを著しく抑えるので、たんに中程度のポンプ電圧のもとでも分子状の酸素全 体が実質的に即座に０２−イオンに還元され、これは電解質を通って移動し、ア ノードにおいて再び分子状の酸素として放電する。電流強度はポンプ電圧を高め てももはや大きくできない。つまりこの場合には限界電流が流れており、この限 界電流の強さは実質的に、排気ガス中の酸素濃度と拡散バリアの特性−殊にバリ アの層厚と有孔率−にしか依存しない。基準ガスを用いてゾンデを較正すれば、 限界電流の強さと酸素濃度との一義的な関係を確立できる。

濃厚な空気／燃料混合気の排気ガス（”濃厚排気ガス”）の場合、その中に多量 に含まれる可燃性成分がアノードで酸化される。この場合も、可燃性成分がアノ ードに向かって拡散するのを阻止すれば、濃度に依存する限界電流を測定できる 。従来の測定ゾンデの場合、このことはポンプセルの極性を逆にすることにより 、つまりアノードとカソードを入れ替えることにより実現できる。したがって拡 散バリアは複数個の電極のうち１つの電極の前にしか設けられておらず、この電 極は希薄ガス中の測定時にはカソードとして接続され、濃厚ガス中の測定時には アノードとして接続される。濃厚／希薄の判定のためにゾンデを転極（極性反転 ）させなければならないことがこのようなゾンデの欠点であって、それというの はこのためには付加的な測定および制御コストが必要とされるからである。さら に、このようなゾンデは切替過程直後は確実には動作しない。その理由は、所定 時間後になってはじめて、転極された電極において定常状態が生じるからである 。

ヨーロッパ特許第０１９４０８２号により、２つのセルを備えたセンサが公知に なっており、このセンサは以下の構成素子を有する。すなわち、（ａ）第１の固 体電解質と、これに取り付けられた第１および第２の多孔性電極とを備えたポン プセル。

（ｂ）第２の固体電解質ならびに第３および第４の電極を備えた′電気化学的セ ンサセル”。この場合、第３の電極はポンプセルの第１の電極近傍に取り付けら れている。

（ｃ）測定ガスが第１および第３の電極へ接近するのを抑止する拡散抵抗。

（ｄ）ポンプセルの第１および第２の電極間にポンプ電流を印加する装置。

（ｅ）″電気化学的センサセルの第３および第４の電極間の電位差（または起電 力）を測定する装置。

さらに、 （ｆ）”電気化学的センサセル”の第３の電極と他の１つの電極間に補助ポンプ 電流を印加する装置。

複雑に構成されたこのセンサはつまり、電位差に基づき算出された制御信号を送 出する（特徴（ｅ）参照）。しかも濃厚と希薄の間での移行には電極の転極が必 要であり、このことは前述の欠点を伴う。

発明の利点 従来技術によるセンサの欠点は、請求項３記載の目的のための用途において後述 の請求項１および２の特徴を備えたポーラログラフ型センサにより回避される。

このセンサは、電気的な信号評価のために２つないし３つの接続端子しか必要と せず、その他の点でも簡単かつ好適に構成されている。このセンサは排気ガスの 特表千７−５０１１５２　（３） 組成の変化に対し即座に反応し、内燃機関における排気ガス測定のために一般的 である温度範囲内で確実に動作する。請求項２に記載の実施形態は広帯域センサ として適しており、つまり濃厚領域における測定にも希薄領域における測定にも 適している。濃厚排気ガスと希薄排気ガスとの間の移行時における電極の転極は 不要であり、このことにより電気的な評価回路が簡単になる６本発明によるセン サのさらに別の利点は、たとえばスクリーン印刷技術のように信頼性のある標準 的な技術でこのセンサを容易に製造できることである。

図面 第１図〜第３図には本発明によるポーラログラフ型センサの種々の実施形態が示 されており、次にこれについて詳細に説明する。第１図には、有利には通常、希 薄運転（λ＞１）で動作するエンジン−たとえばディーゼルエンジン−の制御に 適したセンサの基本構成図が示されている。第２図には、希薄領域でも濃厚領域 でも使用できる広帯域センサの基本構成図が示されている。第３図には、第２図 の基本構成に基づくセンサの実際の実施形態が横断面図で示されている。

本発明の説明 本発明によるポーラログラフ型センサにより、内燃機関の排気ガス中の酸素の濃 度と、炭化水素、水素や殊に一酸化炭素のような可燃性成分の濃度とをめること ができる。これはポンプセルの限界電流の測定により行われる。有利には、必要 に応じて酸化イツトリウム、酸化マグネシウム、酸化イッテルビウムのような他 の金属酸化物のドーピングされた二酸化ジルコンを電解質として含む通常のポン プセルが用いられる。

酸化ジルコンおよび上記の金属酸化物を伴うその混合物は、約３００°Ｃからの 温度で酸素に対するイオン伝導性を示す。したがって本発明によるセンサは、有 利には約４５０°Ｃ〜８０００Ｃの温度で作動される。

カソードとアノードは、概して触媒として作用する通常の金属材料から成り、た とえば白金から成る。

本発明によるセンサの重要な特徴は、カソードにもアノードにも拡散バリアが設 けられていることである。

カソードにおける拡散バリアは、ｆ直ｌよりも大きい空気／燃料混合気の排気ガ ス（希薄排気ガス）において酸素がカソードの方へ向かうのを阻止し、あるいは 遅らせる。これにより、ＩＶよりも小さい中程度のポンプ電圧−たとえば０．８ Ｖ−においてすでに式０式％） にしたがって（カソードの）限界電流が生じる。

アノードにおける拡散バリアは、内燃機関が値ｌよりも小さい空気／燃料混合気 で駆動される場合、つまり濃厚排気ガスが生成される場合、炭化水素、水素や殊 に一酸化炭素のような可燃性成分がアノードの方へ向かうのを妨げる。このよう にして式 ０式％） にしたがって（アノードの）限界電流が発生する。

アノード限界電流発生の前提条件は、酸化し得る構成成分の濃度すなわち一酸化 炭素、水素および炭化水素の濃度が、低減し得る構成成分の濃度すなわち水分お よび二酸化炭素の濃度よりも著しく小さいことである。しかしこのことは、内燃 機関の排気ガス中では常に該当する。

第１図には、請求項１によるポーラログラフをセンサの基本構成図が示されてい る。ポンプセル１０は電解質１１、拡散バリア１３を備えたカソード１２、およ び拡散バリア１５を備えたアノード１４を有する。

直流電流源１８により、一般的に約ＩＶである所要ポンプ電圧が供給される。こ の形式のセンサはたとえば、ディーゼルエンジンの場合に該当するように、希薄 領域で駆動されるエンジン制御のために使用するのに適している、しかしディー ゼルエンジンの全負荷運転時には、限界値λ＝１に達するかまたは意図的でなく 短期間これを下回ることが起こり得る。従来の希薄限界電流ゾンデの場合、濃厚 排気ガスの領域で電流が著しく上昇し、この電流上昇により、いっそう低いλ値 になるように、つまりいっそう濃厚な混合気になる方向で空気／燃料混合気の組 成を変化させる制御が引き起こされる。このことによって、排気ガス中に煤が要 員に生成されるようになる。著しい電流上昇の原因は、電極１２および１４にお ける電位形成（または分極）にある。濃厚排気ガスの場合、アノードにはもはや 酸素が発生せず、上述のように（僅かな過電圧で）−酸化炭素が二酸化炭素に酸 化される。この場合、カソードの電位は、酸化ジルコンにおいてすでに電子伝導 性が生じている領域にて低減される。このことにより、点λ−１を下回るとただ ちに著しい電流上昇が引き起こされる。本発明による拡散バリア１５により、カ ソード電位の低下が阻止される。アノードにおいて、アノードの一酸化炭素の酸 化の限界電流が発生し、これは印加される作動電圧の大部分を必要とする。この ためカソードは著しい電子伝導性の領域には到らず、上述の著しい電流上昇は生 じない。このようにして拡散バリア１５により、希薄ゾンデにおいてλ＝１の点 に到達したときの、および意図的でなくこの点を下回ったときの誤調整が阻止さ れる。

特表千７−５０１１５２　（４） 第２図の基本構成図による装置は、有利には広帯域センサとして適しており、つ まり要求に応じて希薄領域でも濃厚領域でも駆動できる内燃機関の制御に適して いる。この装置が第１図によるセンサと異なる点は、有利には電極ｌｌ上に配置 される無負荷の基準電極１６が設けられていることである。この基準電極は、濃 厚排気ガスと希薄排気ガスとの区別に用いられる。センサを作動させる一定のポ ンプ電圧Ｕは、アノードＰ６の分極、カソードＰＫの分極、および電解質中のオ ーム電圧降下ＩＨに分けられる。すなわち、Ｕ　＝Ｐ　Ａ＋　Ｐ　Ｋ　＋　Ｉ　 Ｒ 最後の項は、約５００″Ｃ〜約８００ｅ′Ｃまでの高い動作温度では電解質１１ の伝導性が高いことから、実際には無視できる。

限界電流の場合、限界電流の基準となる電極における分極は、限界電流のない対 向電極における分極よりも大きい。したがって希薄排気ガスの場合、カソードの 限界電流が生じるので、ｐ、＞ｐＡである。これに対して濃厚排気ガスの場合、 アノードにおける限界電流により電流の流れが定められるため、Ｐ＾＞　ｐ　ｘ である。電圧測定器１７を用いて無負荷の基準電極１６に対して電極分極を測定 する場合、カソード１２の基準電圧が高いことは、酸素拡散により定まるカソー ドの限界電流が生じていることを意味し、つまりは希薄排気ガスが生じているこ とを意味する。これに対して、基準電極に対し低いカソードの基準電圧は、可燃 性成分の拡散により定められるアノード限界電流を表わし、つまりは濃厚排気ガ スであることを示している。第２図とは異なリアノード１４と基準電極１６との 間で基準電圧を測定すれば、これとは逆の状態になる。この場合、アノード１４ の基準電圧が低いことからカソード限界電流（希薄排気ガス）が識別され、アノ ード４の基準電圧が高いことからアノード限界電流（濃厚排気ガス）が識別され る。λ＝１の場合、電流は実質的にゼロであり、セル電圧はほぼ均等に電極分極 ＰＡとＰにに分けられる。

第３図には、本発明による広帯域センサの実際の実施形態が横断面図で示されて いる。すべての素子は、場合によっては複数の作業工程で形成されたにしても切 れ目なくつながっている電解質１１中に埋め込まれている。カソード１２とアノ ード１４は好適にはリング状に形成されており、所属の拡散バリア１３および１ ５は浅いシリンダ状の拡散プレートである。これは通常の多孔質のセラミック物 質で満たされており、この物質は当該のガスが電極１２と１４の方へ向かうのを 阻止する。基準電極１６は測定ガス中に位置し、この電極もリング状であるが、 他の任意の形状であってもよい。絶縁体２０により電解質１１から分離されてい るヒータ１９は、約７００６Ｃ〜約８００°Ｃの最適な動作温度まで電解質を加 熱する。基準電極１６とカソード１２（またはアノード１６）は、図示されてい ない電圧測定器と接続されている。やはり図示され

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関の排気ガス中の所定の構成成分の濃度を測定するポーラログラフ型 センサにおいて、ポンプセル１０が設けられており、該ポンプセルのカソード１ ２には拡散バリア１３が、該ポンプセルのアノード１４には拡散バリア１５が設 けられていることを特徴とするポーラログラフ型センサ。
2. ２．測定ガス中に無負荷の基準電極１６が設けられており、前記基準電極は、該 基準電極に対する複数個の電極のうち少なくとも１つの電極の分極を測定するた めのものである、請求項１記載のポーラログラフ型センサ。
3. ３．内燃機関に供給される空気／燃料混合気の構成成分の成分比を調整するため に用いる、請求項１または２記載のポーラログラフ型センサ。