特表 2024-542715 測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサを動作させるための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-15

(54)【発明の名称】測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサを動作させるための方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/419 20060101AFI20241108BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20241108BHJP

【ＦＩ】

G01N27/419 327Q

G01N27/419 327E

G01N27/416 331

G01N27/416 311G

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024532660

(86)(22)【出願日】2022-11-21

(85)【翻訳文提出日】2024-07-01

(86)【国際出願番号】 EP2022082556

(87)【国際公開番号】W WO2023099253

(87)【国際公開日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】102021213465.3

(32)【優先日】2021-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390023711

【氏名又は名称】ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

【住所又は居所原語表記】Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス シュヴェアツレ

(72)【発明者】

【氏名】シュテファン ハラー

(72)【発明者】

【氏名】エス ジー アルピタ

(57)【要約】

測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ（１００）、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサ（１００）を動作させるための方法が提案される。センサ（１００）は、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメント（１１０）と、センサエレメント（１１０）を加熱する加熱エレメント（１４８）と、加熱エレメント（１４８）に加熱電圧（Ｕ_Ｈ）を印加する電圧源（１５２）とを有している。本方法は、第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）印加することと、第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）を印加することと、第２の時点及び当該第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）を印加することとを含む。センサエレメント（１１０）の温度が予め定められた閾値を下回る場合、第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）、第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）及び／又は第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）が印加される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ（１００）、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサ（１００）を動作させるための方法であって、
前記センサ（１００）は、前記測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメント（１１０）と、前記センサエレメント（１１０）を加熱する加熱エレメント（１４８）と、前記加熱エレメント（１４８）に加熱電圧（Ｕ_Ｈ）を印加する電圧源（１５２）とを有している、方法において、
前記方法は、
・第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）印加することと、
・前記第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）を印加することと、
・前記第２の時点及び前記第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）を印加することと、
を含み、
前記センサエレメント（１１０）の温度が予め定められた閾値を下回る場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）及び／又は前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）が印加される、方法。

【請求項2】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）よりも大きく、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）は、前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）よりも大きい、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、最大許容加熱電圧であり、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）は、予め定められた制限された加熱電圧であり、前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）は、予調整加熱電圧である、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記方法は、
前記第２の時点において前記第２の温度測定が有効である場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することをさらに含む、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記方法は、
前記第２の時点にいたるまで前記第２の温度測定が無効である限り、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することをさらに含む、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記方法は、
前記第３の時点において前記第３の温度測定が有効である場合、又は、前記第３の時点に続く第４の時点において第４の温度測定が有効である場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することをさらに含む、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、２００ｍｓ乃至２０００ｍｓ、好ましくは３００ｍｓ乃至１８００ｍｓ、さらに好ましくは４００ｍｓ乃至１２００ｍｓの予め定められた期間にわたって印加される、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

温度測定のためのサンプリングレートは、少なくとも４ｍｓである、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、１２Ｖ乃至１４Ｖであり、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）は、９．０Ｖ乃至１１．５Ｖであり、前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）は、９Ｖ以下である、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法の各ステップを実施するために構成されているコンピュータプログラム。

【請求項11】

請求項１０に記載のコンピュータプログラムを記憶した電子記憶媒体。

【請求項12】

請求項１１に記載の電子記憶媒体を備えた電子制御装置（１２２）。

【請求項13】

測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ（１００）、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサ（１００）であって、
前記センサ（１００）は、前記測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメント（１１０）と、前記センサエレメント（１１０）を加熱する加熱エレメント（１４８）と、前記加熱エレメント（１４８）に加熱電圧（Ｕ_Ｈ）を印加する電圧源（１５２）とを有しており、さらに、
・第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加し、
・前記第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加し、
・前記第２の時点及び前記第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加する
ように構成されており、
前記センサ（１００）はさらに、前記センサエレメント（１１０）の温度が予め定められた閾値を下回る場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）及び／又は前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）を印加するように構成されている、センサ（１００）。

【請求項14】

前記センサは、請求項１３に記載の制御装置（１２２）をさらに含む、
請求項１３に記載のセンサ（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

従来技術
以下においては、本発明を、他の可能な構成を制限することなく、実質的に、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を定量的に及び／又は定性的に検出するために使用される方法及び装置を参照して説明する。

【背景技術】

【0002】

例えば、ガスとは、特に自動車分野における内燃機関の排気ガスであり得る。測定ガス空間とは、例えば、排気管であり得る。センサエレメントは、例えば、ラムダセンサであるものとしてよく、特にバイナリジャンプセンサ又は広帯域ラムダセンサであるものとしてよい。ラムダセンサについては、例えば、「Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1.Auflage 2010（ロバート・ボッシュ：自動車におけるセンサ、第１版、２０１０年）」の第１６０頁～第１６５頁に記載されている。

【0003】

ガスの割合とは、例えばターゲットガスの成分、例えば、酸素及び／又は窒素及び／又は窒素酸化物及び／又は炭化水素及び／又は他の種類のガスの成分であり得る。基本的に、センサエレメントは、他のセンサ、例えば、ＮＯ_ｘセンサであるものとしてよい。上述した形式のセンサエレメントは、特に、１つ又は複数の固体電解質の使用に基づくものであってよく、すなわち、イオン伝導性、特に酸素イオン伝導特性を有する固体、特にセラミック固体の使用に基づくものであってよい。このような固体電解質の例は、二酸化ジルコニウム、例えば、イットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）及び／又はスカンジウムドープ二酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ）を基礎とした固体電解質である。ラムダセンサ、特に広帯域ラムダセンサの場合、測定中空室内へ拡散している酸素（Ｏ_２）及び／又はリッチガスの量を、特に個々のセルにおいては例えば限界電流に基づいて、及び／又は、特にダブルセルにおいては中空室濃度のλ＝１への閉ループ制御に必要なポンピング電流に基づいて、測定することができる。例えば、流れる測定電流は、排気ガス中のＯ_２含有量及び／又はリッチガス含有量に比例し得る。中空室濃度の測定は、中空室内のネルンスト電極と基準空間内の酸素パージされた及び／又は空気パージされた基準電極との間のネルンスト電圧の特定に基づいて行うことができる。限界電流と酸素分圧との線形関係から、排気ガス中の酸素分圧の測定を行うことができる。

【0004】

さらに、いわゆるパーティキュレートセンサが公知である。パーティキュレートセンサにおいては、セラミック上に配置された２つの電極を用いて、排気ガス中の粒子、例えば、煤粒子又は塵埃粒子の濃度が測定される。このことは、例えば、２つの電極を分離するセラミック材料の電気抵抗を測定することによって行うことができる。より正確に言えば、電圧が電極に印加された際にこれらの電極間に流れる電流が測定される。煤粒子は、静電力に基づいて電極間に堆積し、時間と共に電極間に導電性のブリッジを形成する。こうしたブリッジが増加するにつれて測定される電流も増加する。したがって、電極での短絡が増加する。

【0005】

さらに、分子状の酸素が存在する場合に、結合した酸素を有する測定ガス成分の還元によって生じる酸素の割合を検出することによって、ガス混合物中、特に内燃機関の排気ガス中の、結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサが公知である。

【0006】

ＮＯ_ｘセンサ又は窒素酸化物センサと簡略化され又は簡素化されて称されることもある、ガス混合物中の結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサは、例えば、「Reif, K., Deitsche, K-H.等著、“Kraftfahrtechnisches Taschenbuch（自動車技術ハンドブック）”, Springer Vieweg, Wiesbaden、２０１４年」の第１３３８頁～第１３４７頁に記載されている。

【0007】

今日の自動車技術において使用されている窒素酸化物センサ（＝ＮＯ_ｘセンサ）は、例えばラムダセンサなどの酸素センサと同様に、限界電流方式に従って機能する。このような窒素酸化物センサは、基準セルとも称されるネルンスト濃度セル、修正された酸素ポンピングセル、及び、別の修正された酸素ポンピングセル、いわゆるＮＯ_ｘセルを含む。排気ガスに曝露される外側ポンピング電極と、拡散バリアによって排気ガスから分離されている第１の中空室内の内側ポンピング電極とが、酸素ポンピングセルを形成する。第１の中空室内にはさらにネルンスト電極が配置されており、これと共にネルンストセル又は基準セルを形成する基準電極が基準ガス室内に配置されている。ＮＯ_ｘセルは、ＮＯ_ｘポンピング電極と対向電極とを含む。ＮＯ_ｘポンピング電極は、第１の内側中空室に接続されておりかつ拡散バリアによって第１の内側中空室から分離された第２の中空室内に配置されている。対向電極は基準ガス室内に配置されている。第１の中空室内及び第２の中空室内の全ての電極は、共通のフィードバック導体を有している。

【0008】

窒素酸化物センサの動作時には、いわゆるＯ_２セル内で、拡散バリアを介して排気ガスに接続されている第１の中空室から酸素が除去される。この場合、これによって得られるポンピング電流は、測定ガス流中又は排気ガス流中の周囲空気の酸素含有量に比例する。ＮＯ_ｘセル内で、窒素酸化物がポンピングされる。第２の中空室内の雰囲気中の窒素酸化物ＮＯ_ｘは、一定のポンピング電圧が印加されることによって還元される又は分解される。第２の中空室内の測定ガス成分が還元される又は分解されることによって生成された酸素、好適には窒素酸化物ＮＯ_ｘの還元に由来する酸素は、基準ガス室へとポンピングされる。したがって、印加されたポンピング電圧は、ＮＯ_ｘセルの抵抗と窒素酸化物ＮＯ_ｘの濃度又は酸素の濃度とに対して、ポンピング電流、すなわち、窒素酸化物ＮＯ_ｘの含有量又は酸素の含有量に比例してＮＯ_ｘ測定信号を表すポンピング電流を生じさせる。

【0009】

内燃機関を備えたシステムにおいては、排出限界値を遵守するために複雑な排気ガス後処理システムが使用されている。ディーゼルシステムにおいては、酸素濃度及び窒素酸化物濃度を測定する複数のセンサがこれに含まれる。特に、ＮＯ_ｘセンサは、Ｏ_２濃度もＮＯ_ｘ濃度も同時に測定可能である。これらのセンサは、典型的には測定センサとしてのセンサエレメントと小型制御装置（ＳＣＵ）とから構成されている。測定センサは、電気化学プロセスによってＯ_２濃度及びＮＯ_ｘ濃度をそれぞれ電流信号へと変換する。ＳＣＵは、当該電流信号からＯ_２濃度及びＮＯ_ｘ濃度を計算し、ＣＡＮインタフェースを介してこれらをエンジン制御装置（ＥＣＵ）へ送信する。

【0010】

上述した排気ガスセンサには、それぞれの機能形式を保証するために加熱エレメントが設けられている。粒子センサのヒータは、例えば、センサエレメントの再生のために用いられ、再生時には加熱によって煤の燃焼が行われる。この場合、ヒータは非定常的に駆動されるのみである。他のセンサは、センサセラミックの十分に高い作業温度でしか機能せず、したがって、特定の目標温度まで連続的に加熱される。

【0011】

粒子センサは、再生の正確な制御を可能にするために、－４０℃乃至９５０℃の測定範囲を有する組み込み型の温度測定エレメントを有する。これに対して、ＮＯ_ｘセンサ及びラムダセンサにおいては、センサエレメントの温度は、センサセラミックの内部抵抗を介して算定される。当該内部抵抗は、各センサエレメント及び使用される評価ロジック（アナログ回路又はＡＳＩＣ）に依存して、上昇した温度に達してはじめて測定可能となる。ＡＳＩＣを使用する場合のセンサセラミックの内部抵抗のサンプリングレートは、典型的には５ｍｓである。例えば、バイナリラムダセンサに用いられるアナログ回路の場合、サンプリングレートは３００ｍｓ～６００ｍｓである。著しく低いサンプリングレートに基づき、温度の閉ループ制御は、較正可能な予調整成分（ＭＡＰ制御）及び閉ループ制御成分（ＰＩＤ制御）を介して行われる。付加的に、例えば不都合な物理的な条件に基づく測定値は破棄されなければならないので、実際のサンプリングレートはさらに著しく低くなる可能性がある。

【0012】

従来技術から公知のセンサ及びこうした公知のセンサを動作させるための方法には利点もあるが、これらは、まだ改良の余地を含むものである。ここで、閉ループ制御成分は、サンプリングレートが低いにもかかわらずセンサが過熱することのないように、標準的には約２．５Ｖまでに制限される。８Ｖ未満の典型的な予調整成分により、閉ループ制御動作において１０．５Ｖの最大有効加熱電圧を要求することができる。しかし、大部分のメーカ設定に対応して、１２Ｖの最大有効ヒータ電圧が許容されている。このため、多くの場合にヒータ温度は周囲条件に動的に追従することができず、センサが酸素測定の最大信号精度に必要な温度よりも低い温度で駆動される傾向がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1.Auflage 2010（ロバート・ボッシュ：自動車におけるセンサ、第１版、２０１０年）、第１６０頁～第１６５頁

【非特許文献2】Reif, K., Deitsche, K-H.等著、“Kraftfahrtechnisches Taschenbuch（自動車技術ハンドブック）”, Springer Vieweg, Wiesbaden、２０１４年、第１３３８頁～第１３４７頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

発明の開示
よって、センサを動作させるための公知の方法の欠点を少なくとも大幅に回避し、センサのより迅速な加熱、より迅速な温度追従によるより動的な閉ループ制御動作、及び、部品保護を考慮した（センサの仕様に対応する）有効最大許容加熱電圧による加熱を可能にする、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサを動作させるための方法が提案される。

【課題を解決するための手段】

【0015】

したがって、本発明の第１の態様においては、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサを動作させるための方法が提案される。センサは、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメントと、センサエレメントを加熱する加熱エレメントと、加熱エレメントに加熱電圧を印加する電圧源とを有している。本方法は、次のステップ、すなわち、
・第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧を印加するステップと、
・第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧を印加するステップと、
・第２の時点及び当該第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧を印加するステップと、
を、好ましくは上記の順序で含む。ここで、センサエレメントの温度が予め定められた閾値を下回る場合に、第１の加熱電圧、第２の加熱電圧及び／又は第３の加熱電圧が印加される。

【0016】

本方法は、温度測定の時点でのセンサ温度が正確に既知となるという認識を利用している。閉ループ制御アルゴリズムによって問い合わせが行われた場合に、センサは、短い期間にわたって最大許容加熱電圧で加熱可能となる。直近の温度測定が欠落した場合、加熱電圧を低下させる必要がある。センサは、メーカによって指定された（目標値近傍の）温度範囲内で、比較的長い期間にわたって駆動される。これにより、センサセラミックの経時劣化現象を緩和することができる。さらに、信号測定精度を高めることができ、これにより排気ガス排出量がより低下する。センサ温度をより動的に調整することができ、比較的冷たい排気ガスの場合にも、センサの冷却をより良好に回避することができる。

【0017】

各加熱電圧の高さは、それぞれ唯一の値に固定されていないことを理解されたい。すなわち、基本的には温度制御はＰＩＤ制御回路を介して行われる。したがって、印加される加熱電圧は、制御偏差、温度の時間特性及び選択されたパラメータに依存する。第１の加熱電圧から第３の加熱電圧は部品保護の理由から制御回路出力のそれぞれの上限に対応し、第１の加熱電圧の場合にはメーカ仕様に対応する。換言すれば、各加熱電圧の高さは、温度目標値からの温度実際値の偏差に合わせて調整することができる。

【0018】

第１の加熱電圧は、第２の加熱電圧よりも大きいものとしてよい。第２の加熱電圧は、第３の加熱電圧よりも大きいものとしてよい。これに応じて、温度測定値が無効である場合、加熱電圧が段階的に又は連続的に低減される。

【0019】

第１の加熱電圧は、最大許容加熱電圧であるものとしてよい。第２の加熱電圧は、予め定められた制限された加熱電圧であるものとしてよい。第３の加熱電圧は、予調整加熱電圧であるものとしてよい。センサは、メーカによって指定された（目標値近傍の）温度範囲内で、比較的長い期間にわたって駆動される。これにより、センサセラミックの経時劣化現象を緩和することができる。さらに、信号測定の精度を高めることができ、これにより、排気ガス排出量がより低下する。センサ温度をより動的に閉ループ制御することができ、比較的冷たい排気ガスの場合に、センサの冷却をより良好に回避することができる。

【0020】

本方法はさらに、第２の時点において第２の温度測定が有効である場合、第１の加熱電圧を印加することを含み得る。これに応じて、第１の加熱電圧の印加期間を延長することができる。

【0021】

本方法はさらに、第２の時点にいたるまで第２の温度測定が無効である限り、第１の加熱電圧を印加することを含み得る。これに応じて、第１の加熱電圧を印加する期間を、有効な測定値が算定されるまでとすることができる。

【0022】

本方法はさらに、第３の時点において第３の温度測定が有効である場合又は第３の時点に続く第４の時点において第４の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧を印加することを含み得る。これに応じて、有効な温度測定値が得られると直ちに、加熱電圧を（再び）増加させることができる。

【0023】

第１の加熱電圧は、２００ｍｓ乃至２０００ｍｓ、好ましくは３００ｍｓ乃至１８００ｍｓ、さらに好ましくは４００ｍｓ乃至１２００ｍｓの予め定められた期間にわたって印加することができる。このように、最大許容加熱電圧での動作を比較的短時間だけ行うことができるので、センサの損傷が回避される。

【0024】

温度測定のためのサンプリングレートは、少なくとも４ｍｓであるものとしてよい。このように、必要に応じて又は制御装置内の回路に応じて、温度測定が行われる。

【0025】

第１の加熱電圧は、１２Ｖ乃至１４Ｖの範囲にあるものとしてよい。第２の加熱電圧は、９．０Ｖ乃至１１．５Ｖであるものとしてよい。第３の加熱電圧は、９Ｖ以下であるものとしてよい。例えば、第３の加熱電圧は、５Ｖから最大９Ｖまでの範囲にある。この場合、上記の加熱電圧の高さは、加熱電圧の印加のための上述した予め定められた時間が短くなるにつれて高くすることができる。よって、電圧の印加時間が短くなるほど、電圧をより高くすることができる。

【0026】

また、本発明に係る方法の各ステップを実施するために構成されたコンピュータプログラムが提案される。

【0027】

さらに、本発明に係る方法を実施するためのコンピュータプログラムを記憶した電子記憶媒体が提案される。

【0028】

さらに、本発明に係る方法を実施するための上述したコンピュータプログラムを含む本発明に係る電子記憶媒体を備えた電子制御装置が提案される。

【0029】

最後に、本発明は、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサであって、センサは、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメントと、センサエレメントを加熱する加熱エレメントと、加熱エレメントに加熱電圧を印加する電圧源とを有しており、さらに、
・第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧を印加し、
・第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧を印加し、
・第２の時点及び当該第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧を印加する
ように構成されたセンサに関する。本センサはさらに、センサエレメントの温度が予め定められた閾値を下回る場合に、第１の加熱電圧、第２の加熱電圧及び／又は第３の加熱電圧を印加するように構成されている。

【0030】

センサはさらに、前述した又は後述する実施形態のうちの１つによる制御装置を含み得る。

【0031】

固体電解質とは、本発明の範囲においては、電解質特性、すなわち、イオン伝導性の特性を有する物体又は対象物と理解されるべきである。特に、固体電解質とは、セラミックの固体電解質であるものとしてよい。これには固体電解質のロー材料も含まれ、したがって、焼結後にはじめて固体電解質となるいわゆるグリーンシート又はブラウンシートとしての構成も含まれる。特に、固体電解質は、固体電解質層として形成可能であり、又は、複数の固体電解質層から形成可能である。層とは、本発明の範囲においては、他の要素の上、下又は中間に位置し、ある高さでの面状の拡がりを有するひとまとまりの質量体と理解されるべきである。

【0032】

電極とは、本発明の範囲においては、一般的に、固体電解質と電極とを通して電流が維持可能であるように固体電解質を接触接続させ得るエレメントであると理解されるべきである。したがって、電極は、イオンを固体電解質へ導入することが可能であり及び／又はイオンを固体電解質から取り出すことが可能であるエレメントを含み得る。典型的には、電極は、例えば、金属セラミック電極として固体電解質上に被着可能である又は他の方式により固体電解質と接続可能である貴金属電極を含む。典型的な電極材料は、白金サーメット電極である。しかし、基本的には、例えば金又はパラジウムなどの他の貴金属も使用可能である。

【0033】

本発明の範囲において、加熱エレメントとは、固体電解質及び電極を少なくともその機能温度まで、有利にはその動作温度まで加熱するために使用されるエレメントであると理解されるべきである。機能温度とは、当該温度以上で固体電解質がイオン伝導性となる温度であり、約３５０℃である。動作温度とは、機能温度と区別されるべき、センサエレメントが通常駆動される温度であって、機能温度よりも高い温度である。動作温度は、例えば７００℃乃至９５０℃とすることができる。加熱エレメントは、加熱領域と少なくとも１つのリード線とを含み得る。本発明の範囲において、加熱領域とは、層構造において、加熱エレメントのうち、センサエレメントの表面に対して垂直な方向に沿って電極と重なる領域であると理解されるべきである。通常、加熱領域は動作中にリード線よりも強く加熱されるので、加熱領域とリード線とは区別可能である。加熱領域がリード線よりも高い電気抵抗を有することによって、例えば、それぞれ異なる加熱を実現することができる。加熱領域及び／又はリード線は、例えば、電気抵抗路として形成されており、電圧の印加により加熱される。加熱エレメントは、例えば、白金サーメットから製造可能である。

【0034】

測定量とは、本発明の範囲において、基本的には、任意の物理量及び／又は化学量並びに当該量を等価に表示する信号すなわち等価信号と理解されるべきである。好ましくは、測定量は、センサエレメントの少なくとも１つの測定信号である。好ましくは、測定量は、少なくとも１つのポンピング電流、例えば限界電流であり得る。例えば、測定量は、ポンピング電流に依存した量であるものとしてよい。例えば、測定量は、ポンピング電圧及び／又は変換された電荷であるものとしてよい。このことに関連して、「検出される」なる表現は、本発明の範囲においては、測定量が例えば測定信号としてセンサエレメントから出力されること、及び／又は、測定量が制御装置によって処理される及び／又は評価される及び／又は記憶されることであると理解されるべきである。

【0035】

拡散バリアとは、例えば、ガス流及び／又は液流及び／又はガス混合物流及び／又はガス成分流を抑制する材料から成る層であり、一方、層は、ガス及び／又は液体及び／又はガス混合物及び／又はガス成分及び／又はイオンの拡散を促進するものであると理解することができる。

【0036】

中空室とは、センサエレメント内の、構造的には確かに測定ガス空間から分離されているが、測定ガス空間からのガス成分及び／又はガス混合物及び／又はガスを例えば少なくとも１つのガス進入路及び／又は拡散バリアを介して供給可能である空間のことであると理解することができる。中空室は、例えば、チャンバであるものとしてよい。当該装置は、少なくとも１つの基準ガス室及び／又は少なくとも１つの基準ガス通路を有し得る。固体電解質は、好ましくはイオン伝導性の固体電解質であるものとしてよい。拡散バリアを介して、特に中空室へ向かって、特にガス及び／又はその少なくとも一部のガス交換が、好ましくは拡散によって可能となり得る。

【0037】

「第１の」、「第２の」などの数称は、部品及び特徴の単なる呼称及び語の区別として用いられる。これらの記載は、特に、順序、重み、又は、例えば、さらに当該タイプの他の部品若しくは他の特徴が存在するかどうかに関する情報を与えるものではない。

【0038】

本発明の任意選択手段としてのさらなる詳細及び特徴は、図面に概略的に示した好ましい実施例についての以下の説明から明らかとなる。

【図面の簡単な説明】

【0039】

【図1】本発明に係るセンサの基本構造を示す図である。

【図2】一実施形態によるセンサの経時変化を補償するための信号処理を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0040】

発明の実施形態
図１には、本発明に係る方法を実施するために特に適した本発明に係るセンサ１００の基本構造が示されている。

【0041】

センサ１００は、測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するように構成されている。単なる例であるが、センサ１００は、ガス混合物中、例えば、内燃機関の排気ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分（以下においては、例として窒素酸化物ＮＯ_ｘを挙げる）の少なくとも１つの割合を検出するように構成されている。このために、センサ１００はセンサエレメント１１０を含む。センサエレメント１１０は、外側ポンピング電極１１４と内側ポンピング電極１１６との間に構成された第１のポンピングセル１１２を有しており、ここで、ポンピング電極１１４，１１６は固体電解質１１７によって相互に接続されている。この場合、ポーラス質の酸化アルミニウム層１１８によってセンサ１００の周囲から分離されている外側ポンピング電極１１４は、第１の導電性接続部１２０を有しており、この第１の導電性接続部１２０を介して、第１のポンピングセル１１２において第１のポンピング電流Ｉ_Ｐ１が生成される。このために、導電性接続部１２０は、電子制御装置１２２の端子Ｐ１に接続されている。制御装置１２２は、センサ１００の一部であっても、又は、センサ１００に接続されるものであってもよい。完全な電流回路を得るために、内側ポンピング電極１１６も同様に、電子制御装置１２２の共通端子ＣＯＭへ通じる導電性接続部１２４を有している。第１のポンピングセル１１２は第１の中空室１２６に接して位置しており、この第１の中空室１２６はセンサエレメント１１０の内部に位置しており、測定ガスに接続されている。第１のポンピングセル１１２において第１のポンピング電流Ｉ_Ｐ１を生成することによって、ガス混合物の分子状酸素から形成された第１の割合の酸素イオンが、第１の中空室１２６とセンサ１００の周囲との間で輸送される。周囲から第１の中空室１２６への入口経路に２つの拡散バリア１２８が設けられている。

【0042】

センサエレメント１１０はさらに、ネルンスト電極１３２と基準電極１３４とを有する電気的な基準セル１３０を有している。ネルンスト電極１３２は内側ポンピング電極１１６と共に共通端子ＣＯＭへの導電性接続部１２４を有しているが、基準電極１３４は、外部の電子制御装置１２２のネルンスト電圧Ｖｓ用の端子Ｖｓへの別個の導電性接続部１３６を有している。基準セル１３０は、基準ガス室１３８に接して位置している。測定ガス空間１２６からの及び／又はセンサ１００の周囲からの酸素イオンの第２の割合は、端子Ｖｓと共通端子ＣＯＭとの間に基準ポンピング電流を印加することによって、基準ガス室１３８へ輸送される。ここで、基準ポンピング電流の値は、定められた割合の酸素イオンが基準ガス室１３８内に形成されるように設定される。好適には、このことに関連して、第１のポンピング電流Ｉ_Ｐ１の値も、測定ガス空間１２６内の酸素イオンの第１の割合と基準ガス室１３８内の酸素イオンの第２の割合との間の定められた比が生じるように設定される。

【0043】

ガス混合物にさらに含まれている、結合した酸素を有する測定ガス成分すなわち窒素酸化物ＮＯ_ｘは、特に拡散により、影響をほとんど受けずに、センサエレメント１１０の「ＮＯ_ｘポンピングセル」とも称されることのある第２のポンピングセル１４０へ到達する。第２のポンピングセル１４０は、ＮＯ_ｘポンピング電極１４２とＮＯ_ｘ対向電極１４４とを有しており、センサエレメント１１０の内部の第２の中空室１４５に接して位置している。第２の中空室１４５は、複数の拡散バリア１２８のうちの１つによって第１の中空室１２６から分離されている。２つの電極のうちの少なくとも１つ、すなわち、ＮＯ_ｘポンピング電極１４２及び／又はＮＯ_ｘ対向電極１４４は、電圧が印加されると、測定ガス成分ＮＯ_ｘからの触媒作用によって、さらなる分子状酸素が第２のポンピングセル１４０において生成可能となるように構成されている。

【0044】

ＮＯ_ｘポンピング電極１４２は、共通端子ＣＯＭへ通じる導電性接続部を有していないが、ＮＯ_ｘ対向電極１４４は、第２のポンピング電流Ｉ_Ｐ２を第２のポンピングセル１４０に印加することが可能である導電性接続部１４６を有している。このために、導電性接続部１４６は、外部の電子制御装置１２２の端子Ｐ２に接続されている。第２のポンピング電流Ｉ_Ｐ２が第２のポンピングセル１４０に印加されると、さらなる分子状酸素から形成された所定の割合のさらなる酸素イオンが基準ガス室１３８へ輸送される。

【0045】

センサエレメント１１０は、さらに加熱エレメント１４８を有しており、加熱エレメント１４８は、２つのリード線１５０によって制御装置１２２の端子ＨＴＲ＋及びＨＴＲ－に接続されており、これらを介して加熱電流が加熱エレメント１４８に導入可能であり、加熱エレメント１４８は、加熱電力を生成することによってセンサエレメント１１０を所望の温度へと移行させることができる。この目的のために、センサ１００は、加熱エレメント１４８に加熱電圧Ｕ_Ｈを印加する電圧源１５２を有する。電圧源１５２は、制御装置１２２によって開ループ制御又は閉ループ制御され、この目的のために制御装置１２２に接続されている。

【0046】

センサ１００の動作時、第１のポンピングセル１１２の第１のポンピング電流Ｉ_Ｐ１と第１のポンピングセル１１２に印加される電圧Ｕ_Ｐ１とが検出される。結合した酸素を有する測定ガス成分を示すセンサエレメント１１０の測定信号は、第２のポンピングセル１４０の第２のポンピング電流Ｉ_Ｐ２に基づいて算定される。

【0047】

以下においては、センサを動作させるための方法を説明する。本方法は、コンピュータ実装可能である。センサエレメントの温度が予め定められた閾値を下回る場合に後続の方法ステップが実行されることを明示的に強調しておく。換言すれば、特に、センサエレメント１１０の温度が予め定められた閾値を下回る場合、すなわち、加熱エレメント１４８の閉ループ制御アルゴリズムによる問い合わせが行われた場合に、加熱エレメント１４８に加熱電圧Ｕ_Ｈが印加される。この場合、センサエレメント１１０の温度調整は閉ループ制御によって行われる。この場合、閉ループ制御成分は標準的に約２．５Ｖまでに制限されている。８Ｖ未満の典型的な予調整成分により、閉ループ制御動作において、１０．５Ｖの予め定められた制限された加熱電圧Ｕ_Ｈｌｉｍが要求可能となる。なお、メーカ設定の大部分に対応するように、例えば１２Ｖの有効加熱電圧Ｕ_Ｈｍａｘが許容される。ここで、温度は定期的に測定される。例えば、温度測定のためのサンプリングレートは少なくとも４ｍｓである。ＡＳＩＣが使用される場合のセンサセラミックの内部抵抗のサンプリングレートは、典型的には５ｍｓである。例えば、バイナリのラムダセンサに用いられるアナログ回路の場合、サンプリングレートは３００ｍｓ～６００ｍｓである。

【0048】

第１の時点において第１の温度測定が有効であり、したがって、センサエレメント１１０の温度が既知である場合、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１が印加される。第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１は最大許容加熱電圧Ｕ_Ｈｍａｘであり、すなわち、センサ１００のメーカが最大許容可能と示している値を有する加熱電圧である。例えば、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１は１２Ｖである。第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１は、２００ｍｓ乃至２０００ｍｓ、好ましくは３００ｍｓ乃至１８００ｍｓ、さらに好ましくは４００ｍｓ乃至１２００ｍｓの予め定められた短い期間にわたって、例えば６００ｍｓの予め定められた短い期間にわたって印加される。

【0049】

第１の時点に続く第２の時点において、例えば、故障のために第２の温度測定が無効である場合には、第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２が印加される。第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１は第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２よりも大きい。第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２は、予め定められた制限された加熱電圧Ｕ_Ｈｌｉｍである。例えば、第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２は、８Ｖの最大予調整成分と２．５Ｖの閉ループ制御成分とから得られる１０．５Ｖである。

【0050】

第２の時点において第２の温度測定が有効である場合、（引き続き）第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１が印加される。すなわち、第２の時点にいたるまで第２の温度測定が無効である限り、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１の印加が行われる。

【0051】

第２の時点及び当該第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合には、第３の加熱電圧Ｕ_Ｈ３が印加される。第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２は第３の加熱電圧Ｕ_Ｈ３よりも大きい。第３の加熱電圧Ｕ_Ｈ３は予調整加熱電圧Ｕ_Ｈｍａｐであり、すなわち、予調整成分に対応する加熱電圧である。第３の加熱電圧Ｕ_Ｈ３は、例えば、８Ｖ以下である。

【0052】

本方法においては、第３の時点において第３の温度測定が有効である場合又は当該第３の時点に続く第４の時点において第４の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１を（再び）印加することができる。

【0053】

この場合、従来技術による加熱電圧の実際限界は、Ｕ_Ｈｌｉｍ＝１０．５Ｖに対応する。最大許容加熱電圧Ｕ_ＨＭａｘとＵ_ｌｉｍとの時間比が１：１であるとき、本発明に係る方法を用いて、効果的に達成可能なエネルギ入力Ｅを、次の計算、すなわち、
Ｅ_ｔｏｔ＝（Ｅ_ｍａｘ＊０．５＋Ｅ_ｌｉｍ＊０．５）／Ｅ_ｌｉｍ＝（１２^２＊０．５＋１０．５^２＊０．５）／１０．５^２＝１．１５３
から得られるように、１５％増加させることができる。ここで、Ｅ_ｔｏｔは、総エネルギ入力であり、Ｅ_ｍａｘは、最大許容エネルギ入力であり、Ｅ_{ｌｉｍｉｔ}は、エネルギ入力の限界である。

【0054】

変換は、新しい温度測定値でリセットされるそれぞれ異なる時間的なデバウンシングによって行われる。最後の測定値からどれだけの時間が経過したかに応じて、加熱電圧の閉ループ制御は、較正可能な限界に対応するように制限される。その際には、以下の例に従って３つ以上の段階付けも考えられる。

【0055】

図２には、例としての加熱電圧の特性が示されている。Ｘ軸１５４には、時間が単位ｓでプロットされている。Ｙ軸１５６には、加熱電圧が単位Ｖでプロットされている。曲線１５８は、例示的な加熱電圧の時間特性である。第１の範囲１６０においては、例えば、温度測定の１つおきの測定値が有効となっている。したがって、本発明に係る方法においては、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１すなわち最大許容加熱電圧Ｕ_Ｈｍａｘと、第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２すなわち予め定められた制限された加熱電圧Ｕ_Ｈｌｉｍとの間での交番が行われる。第２の範囲１６２においては、全ての測定値が有効である。このため、温度測定の測定値が有効である期間の全体にわたって、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１が加熱エレメント１４８に印加される。第３の範囲１６４においては、比較的長い時間にわたって新たな有効な測定値が存在しない。したがって、加熱電圧は、まず第２の加熱電圧Ｕ_Ｈ２へ低減され、続いて第３の加熱電圧Ｕ_Ｈ３すなわち予調整加熱電圧Ｕ_Ｈｍａｐまで低減される。加熱電圧が低減された後の温度測定の第１の有効な測定値に対応する第４の範囲１６６において、第１の加熱電圧Ｕ_Ｈ１までの（再）増加が行われる。

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-22

【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】

測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ（１００）、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサ（１００）を動作させるための方法であって、
前記センサ（１００）は、前記測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメント（１１０）と、前記センサエレメント（１１０）を加熱する加熱エレメント（１４８）と、前記加熱エレメント（１４８）に加熱電圧（Ｕ_Ｈ）を印加する電圧源（１５２）とを有している、方法において、
前記方法は、
・第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することと、
・前記第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）を印加することと、
・前記第２の時点及び前記第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）を印加することと、
を含み、
前記センサエレメント（１１０）の温度が予め定められた閾値を下回る場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）及び／又は前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）が印加される、方法。

【請求項2】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）よりも大きく、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）は、前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）よりも大きい、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、最大許容加熱電圧であり、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）は、予め定められた制限された加熱電圧であり、前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）は、予調整加熱電圧である、
請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記方法は、
前記第２の時点において前記第２の温度測定が有効である場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記方法は、
前記第２の時点にいたるまで前記第２の温度測定が無効である限り、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記方法は、
前記第３の時点において前記第３の温度測定が有効である場合、又は、前記第３の時点に続く第４の時点において第４の温度測定が有効である場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、２００ｍｓ乃至２０００ｍｓ、好ましくは３００ｍｓ乃至１８００ｍｓ、さらに好ましくは４００ｍｓ乃至１２００ｍｓの予め定められた期間にわたって印加される、
請求項１に記載の方法。

【請求項8】

温度測定のためのサンプリングレートは、少なくとも４ｍｓである、
請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）は、１２Ｖ乃至１４Ｖであり、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）は、９．０Ｖ乃至１１．５Ｖであり、前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）は、９Ｖ以下である、
請求項１に記載の方法。

【請求項10】

コンピュータ上で実行されるときに、当該コンピュータに、請求項１に記載の方法の各ステップを実施させるためのコンピュータプログラム。

【請求項11】

請求項１０に記載のコンピュータプログラムを記憶した電子記憶媒体。

【請求項12】

請求項１１に記載の電子記憶媒体を備えた電子制御装置（１２２）。

【請求項13】

測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を特定するセンサ（１００）、特に測定ガス中の分子状の測定ガス成分及び／又は結合した酸素を有する測定ガス成分の少なくとも１つの割合を検出するセンサ（１００）であって、
前記センサ（１００）は、前記測定ガス空間内のガスの少なくとも１つの割合を検出するセンサエレメント（１１０）と、前記センサエレメント（１１０）を加熱する加熱エレメント（１４８）と、前記加熱エレメント（１４８）に加熱電圧（Ｕ_Ｈ）を印加する電圧源（１５２）とを有しており、さらに、
・第１の時点において第１の温度測定が有効である場合に、第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）を印加し、
・前記第１の時点に続く第２の時点において第２の温度測定が無効である場合に、第２の加熱電圧（Ｕ _Ｈ２ ）を印加し、
・前記第２の時点及び前記第２の時点に続く少なくとも１つの第３の時点において第３の温度測定が無効である場合に、第３の加熱電圧（Ｕ _Ｈ３ ）を印加する
ように構成されており、
前記センサ（１００）はさらに、前記センサエレメント（１１０）の温度が予め定められた閾値を下回る場合に、前記第１の加熱電圧（Ｕ_Ｈ１）、前記第２の加熱電圧（Ｕ_Ｈ２）及び／又は前記第３の加熱電圧（Ｕ_Ｈ３）を印加するように構成されている、センサ（１００）。

【請求項14】

前記センサは、請求項１２に記載の電子制御装置（１２２）をさらに含む、
請求項１３に記載のセンサ（１００）。

【国際調査報告】