CN101256165A - λ探测器的工作方法 - Google Patents
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Abstract
具有两个作为泵电极工作并构成一个泵电池的电极以及必要时附加具有两个作为能斯特电极和参考电极工作并构成一个能斯特电池的电极来确定内燃机废气中的氧浓度的宽带λ探测器的工作方法可用下列步骤描述其特征：泵电池用一个恒定的、相当于一个预先给定的λ值的泵电流进行工作；表征内燃机的喷油过程的参考数是这样变化的，在作为能斯特电极工作的电极和作为参考电极工作的电极之间分接的能斯特电压保持一个预定的值。
Description
背景技术
本发明涉及独立权利要求1所述的那类的λ探测器的工作方法，该探测器用于测定内燃机的废气中的气体成分。
本发明还涉及一种计算机程序以及一种带有一个存储在机器可读的载体上的程序代码的计算机程序产品，用以实施上述方法。
人们经常用所谓的宽带λ探测器来测定空气系数。这类探测器主要由一个常规的、起感应电池(galvanische Zelle)作用的浓度探测器(能斯特探测器)以及一个极限电流电池或“泵”电池组成。在这个与公知的浓度电池同类的泵电池上只从外部加一个电压。如果这个电压足够大，则产生一个“极限电流”，该极限电流与探测器阴极侧的氧浓度成比例。用这个电流-取决于极性-运送氧原子。用一个电子调节电路来把来自废气的足够的氧通过一个很窄的扩散缝隙总是精确地供给该浓度探测器，使该处保持λ＝1的状态。在废气中的空气过剩的情况下，即在所谓的稀薄范围内，氧被抽走，而在废气的残余含氧量很小的情况下，即在所谓的浓气范围内，则通过泵电压的极性变换供给氧。相应的泵电流与废气中的氧或浓气含量成比例并形成输出信号。浓度的测量借助在作为能斯特电极作用的电极和作为参考电极作用的电极之间的能斯特电压的测定来进行。
基于极限电流原理的宽带λ探测器既可作为单电池又可作为双电池构成。
在单电池时，废气侧的两个电极布置在一个固体电解质物上，加一个固定的泵电压，阴极位于扩散垒区的下方。
也可把一个电极布置在废气的一个扩散垒区的下方，而把另一个电极布置在具有高极限电流的参考气道中。
作为双电池构成的宽带λ探测器具有一个泵电池，该泵电池由一个暴露在废气混合物的泵电极和一个内部泵电极组成，后者通过一个多孔的扩散垒区与气体混合物隔离布置在一个测量空腔中，以及具有一个能斯特电池，该电池由一个例如同样布置在测量空腔中的能斯特电极和一个参考电极组成。
在作为双电池构成的空度λ探测器时，需要昂贵的调节电路，这种电路可使整个系统对运产生敏感。此外，在接近λ＝1(λ＝1-脉动)交换气体时，探测信号对干扰信号的输入以及节拍加热器电流的输入反应都是敏感的。探测器运态的这两个干扰因数是基于要调节的450毫伏的能斯特电压发生很少几毫伏的变化。在λ＝1-脉动时，在泵电池的范围内沿着外泵电极产生短时间的平衡电流。这种平衡电流是由于在换气时在外泵电极的表面上产生的暂时的不均匀的气体浓度引起的(燃料电池原理)。这种平衡电流是与电解质中的电位降有关联的，而这种电位降则受到参考电极和能斯特电极或内泵电极之间的电位测量的干扰。
由于在绝缘层内含有钠离子，在加热器耦合时，绝缘的加热器电极的周期电位升例如13伏的可预先给定的电压部分地被传输到高欧姆连接的参考电极上。
在两种情况中，虽然能斯特电压的变化很小，但由于电子调节电路中的放大而引起泵电流的大的变化，亦即探测信号的大的变化。在极端情况中，这种干扰可使汽车中的探测器的运态运行成为不可能。在单缸调节时，这些干扰信号还必须保持小得多。
一个具有固定泵电压的作为单电池构成的空带λ探测器的稀废气时产生一个与废气氧含量明显相关的正泵电流。但在浓废气中，由于废气含有的水在阴极处被分解也产生正的泵电流，虽然所加的泵电压明显低于水的电解电压，但由于废气中存在氢，在能量上水分解变成可能，这是在对应电极即阳极处产生了水的缘故。所以在浓废气中，电流受氢含量限制。由于这种浓泵电流与稀泵电流具有相同的方向，所以不再可能准确地从泵电流推断出废气成分。
发明内容
具有权利要求1所述特征的用于确定内燃机废气中的氧浓度的λ探测器的本发明工作方法既在作为单电池构成的宽带λ探测器中又在作为双电池构成的宽带λ探测器中如下解决上述问题的：不用调节泵电流，而是设定一个恒定的、相当于一个要求的λ值的泵电流。在这种情况下，在作为双电池构成的宽带λ探测器的情况中，使用能斯特电池用作跃变探测器，并根据能斯特电压的跃变对表征内燃机喷油过程的参数进行调节。
在作为单电池构成的λ探测器的情况中，同样设定一个确定的正泵电流，并调节表征内燃机的喷油过程的参数，即假定两个泵电极之间的能斯特电压为一个确定的值。这种调节方式相当于一个跃变探测器的运行。
这个方法的大优点在于可取消调节并由此取消对振荡具有上述不稳定性的电子调节电路。此外，由于λ-1-脉动和加热器耦合，能斯特电压的小的偏差不再被放大。相对于由于换气引起的能斯特电压的上升来说，这种误差是无关紧要的。所以λ探测器的动态性特别是在单缸调节的情况中是很少受到干扰的。
本发明的其他优点和特征可从权利要求1后面的各项从属权利要求中得知。
所以例如在作为单电池构成的λ探测器的情况中，在预定的λ值位于稀薄范围时，表征内燃机喷油过程的参数被调节到一个可预定的特别是450毫伏的能斯特电压，从而通过混合物变稀响应在数值上超过能斯特电压；通过混合物变浓则响应在数值上低于能斯特电压。如果在变浓时能斯特电压下降，则在这种情况中也被变稀。而如果所需的λ值位于浓气范围，则表征内燃机喷油过程的参数被调节到尤其是450毫伏的能斯特电压，从而通过混合气的变浓来响应数值上超出泵电压。相应地，通过混合物变稀来响应数值上低于泵电压。如果在变稀过程中能斯特电压下降，则重新变浓，这就是说，表征内燃机的喷油过程的参数是变化的，从而混合物在浓混合物的方向变化。
这种方法在单电池时可在由稀到浓的整个运行中进行明确的废气确定。
附图说明
本发明的一些实施例示于附图中并在下面进行详细说明。附图表示：
图1内燃机按现有技术的喷油过程的调节系统示意图；
图2按现有技术的一种方法对于由双电池构成的λ探测器的用于调节表征内燃机喷油过程的参数的电路的示意图；
图3按本发明方法表征内燃机喷油过程的参数的调节装置的示意图；
图4按本发明方法对由为双电池构成的λ探测器的用于调节表征内燃机喷油过程的参数的电路的示意图；
图5本发明方法使用的一种由单电池构成的宽带λ探测器；
图6说明本发明方法的泵电流以及能斯特电压与λ的变化曲线。
具体实施方式
图1表示表征内燃机喷油过程的参数的一种调节系统的示意图。
在内燃机100的排气道105中布置了一个λ探测器110，其输出信号在一个电子控制装置120中尤是发动机控制装置中进行处理。
例如在要调节的λ＝1.7的λ值时，电子控制装置120借助存储在一个软件中的特性曲线预先给出一个例如0.94毫安的可预定泵电流IP作为发动机喷油的调节理论值。
在图2中示出的由双电池构成的λ探测器110具有一个外泵电极APE、一个内泵电极IPE以及一个参考电极RE。在外泵电极APE和内泵电极IPE之间有泵电压UP，在也作为能斯特电极工作的内泵电极IPE和参考电极RE之间有能斯特电压UN。外泵电极APE和内泵电极IPE构成一个具有内阻RP的泵电池。内泵电极IPE或能斯特电极和参考电极RE构成一个具有内阻RN的能斯特电池。在参考电极RE上接出的电压按公知的方式输入运算放大器210的反相输入端，在其非反相的输入端有一个参考电压源220，该电压源产生450毫伏的参考电压，即空气系数λ＝1的要求的能斯特电压。运算放大器210的输出信号在相应处理和放大后以可预定的泵电流IP的形式输入外泵电极的放大器230中。泵电流IP的值相应于废气105中存在的λ值，该值借助模/数转换器240以相应的方式输出并进行后续处理。
上述的调节电路对振荡是很敏感的。此外，在接近λ＝1(λ＝1-脉动)换气时，探测器信号对干扰信号的输入以及对探测器加热装置的有节拍的加热电流的输入也是敏感的。探测器动态性的这两个干扰因素是基于450V的要调节的能斯特电压发生几毫伏的变化。在λ＝1-脉动时，在泵电池的范围内沿着外泵电极APE产生短时间的平衡电流，这种平衡电流在外泵电极APE表面上是由于在换气时产生的暂时的不均匀气体浓度引起的(燃料电池原理)。这种平衡电流与电解质的电位降相关，而该电位降则干涉参考电极RE和能斯特电极或内泵电极IPE之间的电位测量。在加热器接通时，绝缘加热电极的周期性的电位升高由于绝缘层内含有钠离子而部分地传输到高欧姆连接的参考电极RE上。
在全部情况中，尽管能斯特电压的变化很小，但这种变化由于通过电子调节电路的放大而导致泵电流即探测信号的大变化。在极端情况中，这种干扰可使汽车中的探测器的动态运行成为不可能，尤指在单缸调节时。
由于这个原因，本发明的基本理念是取消泵电流的调节，取而代之设定一个恒定的、相应于一个所需λ值的泵电流的调节，并把宽带λ探测器的能斯特电池作为跃变探测器使用。这时发动机喷油装置调节到能斯特电池电压的跃变，这如在跃变探测器时的情况一样。恒定泵电流的值确定跃变在哪个λ值发生。宽带λ探测器按这种方式在一定程度上作为在测量电极上具有可变氧基础(Untergrund)的跃变探测器工作，如图3示意图所示。在电子控制装置120中，这时0.94毫安的泵电流IP作为固定的设定值预先给出，并探测能斯特电压的跃变。为此所用的电路示意图如图4所示，其中相同的部分用图2相同的标记表示。
数-模转换器410预先给定一个泵电流IP，这个泵电流是所需空气系数λ的函数，即IP＝f(λ)。这个预定给出的泵电流IP在放大器420中放大并输入外泵电极APE。
现在能斯特电压通过一个模-数变换器430读出，并调节发动机喷油装置，使能斯特电压UN具有一个例如在λ＝1时的450毫伏的预定值。在UN＞450毫伏时，混合气变稀，在UN＜450毫伏时，混合气变浓，象用一个跃变探测器运行时那样。这种运行方式的优点在于不用电子调节装置并由此避免了对振荡的不稳定性。此外，由于λ＝1-脉动以及加热器连接的能斯特电压的微小变化不再被放大。这种微小变化相对于由换气引起的能斯特电压由0升到800毫伏变化来说是无关紧要的。所以探测器的动态较少受到干扰，因而该探测器即使用于单缸调节也好得多。
对于这种宽带λ探测器，在一定的氧浓度情况下，泵电流可借助一个(未示出的)可变的并联平衡电阻按公知的方式进行校准。最好在控制装置中只确定并存储例如进给工作(Schubbetrieb)中在空气中测出的IP与标准特性曲线的相应IP值之比值作为校正系数。因此，校准系数是已知的，该校准系数为每种废气成分描述为在空腔中调节一个λ＝1-气体哪个泵电流是必需。如果这时一定的λ值是发动机喷油装置所需的，则借助这条校准曲线馈入与这个λ值相应的泵电流。然后象在跃变探测器时那样调节发动机的喷油，使参考电极RE和内泵电极IPE 450之间的电压为450毫伏。按此方式，也可用这里提出的方法来考虑泵电流的校准。
上面以一个作为双电池构成的宽带λ探测器为例描述了本发明方法。但这个方法不限于用在作为双电池构成的宽带λ探测器，而是也可用于图5用示意图示出的作为单电池构成的宽带λ探测器。这种λ探测器具有一个固体电解质体500，在该电解质体中绝缘层560内嵌入一个加热器550。该加热器可用加热引线570、580工作，以便把固体电解质体500加热到所需的工作温度。
在固体电解质体500的顶面设置有泵电极510、520，它们通过扩散垒540与内燃机的废气隔开。所述泵电极加一个泵电压UP，于是泵电流IP流动。现在表征内燃机喷油过程的参数不象在这类宽带探测器通常那样产生一定的泵电流来调节，而是在宽带探测器上固定设定一个确定的泵电路IP，并调节发动机喷油装置，从而在两个泵电极510、520之间产生一定的电压。这个理论电压相当于作为气体浓度的函数的能斯特电压的跃变发生的那个电压。
所以在这个探测器上根据一个预先给定的所需λ值调定一个确定的正泵电流IP。然后调节确定和表征内燃机喷油过程的参数，使这两个泵电极510、520之间的能斯特电压UN具有一个最好为450毫伏的确定值。这种调节方式相当于一个跃变探测器的运行。电流测量通过一个与泵电池串联的测量电阻RM来进行。能斯特电压UN通过泵电压减去在测量电阻RM上和泵电池上算出的欧姆电压降即可确定，即：UN＝UP-IP*RM-IP*RP。RP表示泵电池的(已知)内阻。由于在稀薄运行范围和浓气运行范围都有一个产生理论能斯特电压的发动机工作点，所以应按下述方式进行调节：如果所需的λ值位于稀薄范围，则把表征内燃机喷油过程的参数调节到450毫伏能斯特电压UN的理论值，即通过混合物的变稀来响应在数值上超出能斯特电压。相应地，通过混合物的变浓来响应在数值上低于能斯特电压。
如果所需的λ值位于浓气范围，则调节表征内燃机喷油过程的参数，从而通过混合物的变浓来响应在数值上超出泵电压。相应地，通过混合物的变稀来响应在数值上低于泵电压。
通过这种方法，确保了两个工作点中的正确的工作点被启动。即在一个所需稀薄λ情况下，如果设定稍微对稀工作点(图6b中的范围IV)，则能斯特电压比理论电压小几个100毫伏，因为取消了氧浓度限制。因此要进行的变浓在浓方向校正喷油，直至能斯特电压跳到理论值为止。
在所需稀薄λ比值时，如果设定稍微过浓工作点，如图6中的范围III所示，则能斯特电压大几个100毫伏，因为出现了氧浓度限制。因此要进行的变稀在稀方向内校正喷油，直至该电压跳到理论值为止。
向稀薄方向的这种校正在可达到理论能斯特电压的两个可能的工作点之间的整个λ范围内进行，亦即在图6所示的范围II和III进行。一旦系统在这个区间内位于浓气范围(图6b用II标出的范围)，则通过阴极附近的水分解产生泵电流。由于在这个用II表示的范围内在阳极附近不提供足够的氢，所以产生一个大约800至1000毫伏的能斯特电压，该电压相当于水的分解电压。因此在这里也进行混合气的变稀。
其结果是，上述λ范围内的喷油系统被稳定地调节到稀薄理论值。只有在废气偶然地比同样提供理论电流的浓的工作点还浓时，用于执行这种方法的算法才会出现不稳定。这种状况在图6中用I表示的范围标出。在这种情况中，根据上述方法，随着进一步无限制变浓，在阳极上由于取消氢浓度限制所引起的太低的能斯特电压而使喷油起作用。此外，为了对这种情况进行逆向控制，附加地要求变浓必须与泵电压的增加相联系，如图6用IV标出的范围。反之，如果在变浓时泵电压UP稍微下降，则表明系统处于临界范围I(图6)。所以在这种情况中，表征喷油过程的参数必须变化，从而进行“变稀”，直至能斯特电压UN明显高于450毫伏为止(范围II)。然后按上述方式“启动”正确的理论值。
如果要求废气值位于浓气范围，则上面的论述相应适用。在这种情况中，如果废气成分比同样提供一个泵电流理论值IPsoll的稀薄工作点(范围IV)还稀，则可能出现不稳定性。所以对浓气范围所需的值附加地要求变稀必须与能斯特电压UN的增加相联系，如范围I(图6)所示。反之，如果在变稀时能斯特电压稍微下降，则表明存在一个临界状态(范围IV)。所以在这种情况中，表征喷油过程的参数必须变化，从而进行“变浓”，直至能斯特电压UN明显高于450毫伏为止(范围III)。然后才可“启动”正确的理论值。
上述方法例如可作为计算机程序在一种计算装置上尤其是内燃机的控制装置上执行，它的一部分也是电子控制装置120。程序编码可存储在控制装置可读出的一种机器可读的载体上。
Claims (11)
1.用来确定内燃机(100)的废气中的氧浓度的宽带λ探测器的工作方法，探测器具有两个作为泵电极(APE、IPE；510、520)工作的并构成泵电池的电极以及必要时具有两个作为能斯特电极和参考电极(RE)工作并构成能斯特电池的电极，其特征在于以下步骤：
-泵电池用恒定的、相应于可预先给定的λ值的泵电流(IP)工作；
-内燃机(100)的表征喷油过程的参数是变化的，即在作为能斯特电极工作的电极和作为参考电极工作的电极之间接出的能斯特电压(UN)占据可预定的值。
2.按权利要求1的方法，其特征为：所述λ探测器是双电池，它的泵电池加载恒定的、相应于可预先给定的λ值的泵电流，该泵电流向或从外泵电极(APE)流动；并且调节表征内燃机的喷油过程的参数，使得在能斯特电极(IPE)和参考电极(RE)之间产生可预先给定的电压。
3.按权利要求1的方法，其特征为：所述λ探测器是单电池，该单电池加载可预先给定的泵电流；并且调节表征内燃机的喷油过程的参数，使得在作为能斯特电极和作为参考电极工作的两个泵电极(510、520)之间接出的电压占据可预定的值。
4.按权利要求3的方法，其特征为：测量电阻(RM)与两个泵电极并联；并且通过减去测量电阻(RM)上和泵电池上的高欧姆电压降按下列方程式计算能斯特电压UN，即：
UN＝UP-IP*RM-IP*RP，
式中UP表示加到泵电压上的电压，IP表示泵电流，RP表示泵电池的内阻。
5.按权利要求1和2中任一项的方法，其特征为，表征内燃机的喷油过程的参数是变化的，即在数值上超出预先给定的能斯特电压(UN)使废气成分向稀薄方向移动。
6.按权利要求1、3和4中任一项的方法，其特征为，如果可预先给定的λ值位于内燃机(100)的稀薄工作范围内，则表征内燃机的喷油过程的参数进行变化，即在数值上低于预先给定的能斯特电压(UN)导致废气成分朝浓气方向移动，而在数值上超出预先给定的能斯特电压(UN)则导致变稀。
7.按权利要求1、3和4中任一项的方法，其特征为，如果可预先给定的λ值位于浓气的工作范围，则表征内燃机(100)的喷油过程的参数调节到预先给定的能斯特电压(UN)上，从而在数值上超出能斯特电压(UN)导致混合物的变浓，而其在数值上的低于能斯特电压(UN)则导致混合物的变稀。
8.按权利要求6的方法，其特征为，如果混合物的变浓使能斯特电压(UN)减小，则进行混合物的变稀。
9.按权利要求7的方法，其特征为，如果混合物的变稀使能斯特电压(UN)减小，则进行混合物的变浓。
10.计算机程序，如果在计算装置上运行，则该计算机程序执行权利要求1至9中任一项所述方法的全部步骤。
11.具有保存在机器可读的载体上的程序代码的计算机程序产品，用于当在内燃机(100)的计算机上或控制装置(120)上执行该程序时，实施权利要求1至9中任一项所述的方法。
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