CN102033090A - 氧传感器运行方法以及用于实施该方法的装置 - Google Patents

氧传感器运行方法以及用于实施该方法的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及氧传感器运行方法以及用于实施该方法的装置，氧传感器用于测量在内燃机的排气通道中的废气λ，该氧传感器包含布置在与排气通道连接的测量气体空间中的第一电极以及布置在具有氧气存储器的参考气体通道中的第二电极，第二电极通过传导氧离子的固体电解质与第一电极连接。按本发明，在导入浓的内燃机运行之后预先给出第一持续时间，在该第一持续时间期间将由氧传感器提供的λ信号评价为有效的并且用于内燃机的λ调节，在第一持续时间结束之后倒转在两个电极之间流动的泵电流，从而将氧气从测量气体空间泵入氧气存储器，在第二持续时间结束之后结束该倒转过程，随后再将λ信号评价为有效的并且再用于浓的内燃机运行的λ调节。

Description

氧传感器运行方法以及用于实施该方法的装置
技术领域
本发明涉及按独立权利要求前序部分所述的氧传感器运行方法以及用于实施该方法的装置。
本发明的主题也是计算机程序以及计算机程序产品。
在燃烧技术中，用空气系数λ表示实际上提供的空气量与理论上燃烧所需的空气量、也就是化学计算的空气量之间的比例。相应地，浓的气体混合物、也就是具有过量燃料的气体混合物具有λ＜1的空气系数，而稀的气体混合物、也就是具有过量空气的气体混合物具有λ＞1的空气系数。
背景技术
在公开文件DE 19941051A1中描述了一种宽带氧传感器，该宽带氧传感器具有测量气体空间，该测量气体空间通过扩散障碍物与有待检测的废气连接。在测量气体空间中布置了内部的泵电极，该内部的泵电极与暴露在废气中的外部的泵电极以及传导在泵电极之间的氧离子的固体电解质一起形成了泵电池(Pumpenzelle)。通过泵电池的固体电解质能够传输氧离子，从而能够将氧气泵出测量气体空间或者泵入测量气体空间。除了泵电池还存在测量电池(Messzelle)，该测量电池位于内部的泵电极和参考气体电极之间。内部的泵电极和参考气体电极同样被传导氧离子的固体电解质相互分开。参考气体电极布置在参考气体通道中。
测量电池相当于能斯特电池，其中在热力学平衡中在内部的泵电极与参考电极之间形成的电势差与测量气体空间中有待检测的气体的分压与参考气体通道中空气的分压之比的对数成比例。测量废气λ的目的是影响测量气体空间中的氧气分压，从而将能斯特电势恒定地保持在确定的值(例如450mV)，该值近似相当于λ＝1。为此目的，线路装置提供了用以加载外部的泵电极的泵电压。该泵电压会引起泵电流。泵电流的极性以及数值取决于是否超过或者低于特定的能斯特电压(Nernstspannung)以及超过或者低于多少数值。所出现的泵电流是废气λ的尺度。
在专利文件DE 10216724C1中描述了一种用于运行宽带氧传感器的方法，其中在稀薄的内燃机运行期间反复地将泵电压换极。泵电压的短暂的换极用于将氧气泵入氧传感器的测量气体空间中，氧气应该在那里氧化碳氢化合物，所述碳氢化合物在燃料后喷射期间会到达氧传感器的测量气体空间中。所述氧传感器持续地保持在测量运行中，从而能够将氧传感器信号持续地提供给λ调节器。通过合适地选择泵电压换极的重复率来确保维持运行准备状态，其中不应改变氧传感器的动态性。
在公开文件DE 19838466A1中描述了一种用于运行氧传感器的方法，用该方法应该排除浓漂移(Fettdrift)，该浓漂移会由于变得无效的泵电极而出现。在可选择的仅仅用稀薄的废气加载氧传感器的时间段之后，在预先给出的间隔内将泵电压换极或者提高能斯特电压。由此支持将氧气从氧传感器的测量气体空间中泵出，从而补偿氧传感器的浓漂移。
在公开文件DE 10163912A1中描述了一种用于运行氧传感器的方法，该方法即使在腐蚀性的气体混合物中使用时也应该确保氧传感器的高使用寿命以及良好的测量精度。这通过以下方法实现，即在内燃机的运行暂停期中将氧传感器保持运行，然而其中转换泵电流，从而减少泵电极上的极化效应。此外，为了保护泵电极，可以用微小的泵电压持久地维持转换的泵运行，其中只有在需要氧传感器信号时才必须中断持续的再生运行。
在DE 102006061954A1中描述了一种氧传感器，该氧传感器专门用于测量稀薄运行的内燃机的排气通道中的废气λ。该氧传感器包含第一电极和第二电极，这两个电极通过传导氧离子的固体电解质相互连接。布置在测量气体空间中的第一电极通过扩散障碍物与有待研究的废气连接。所述第二电极布置在参考气体通道中。该参考气体通道能够用渗透氧气的多孔的填充材料进行填充。通过必要时填充参考气体通道并且通过其几何构造应该一方面确保从第二电极最佳地运走氧气，并且另一方面阻止脏物渗入参考气体通道中。
已知的氧传感器作为极限电流稀薄传感器实现，其中通过在所述两个电极之间施加足够高的电势差来形成泵电流，该泵电流首先在λ＞1直到λ＝1的范围内与空气系数λ成比例。通过用反向于在两个电极之间出现的能斯特电压的电势加载两个电极，也可以在浓的λ区域内用已知的氧传感器进行短暂的测量。在考虑在不同的运行状态中出现的能斯特电压的情况下，在边界层之间在电极后面出现的用于负氧离子的有效泵电压在从浓的内燃机运行过渡到稀薄的内燃机运行时或者说反向过渡时具有符号变换，使得负氧离子在稀薄的废气中从第一电极输送到第二电极，并且在浓的废气中从第二电极输送到第一电极。
在公开文件DE 102008001079A1(没有事先公开)中描述了一种氧传感器，该氧传感器相应于在以前评估的DE 102006061954A1中的极限电流稀薄传感器；然而其中在参考气体通道中设置了有针对性形成的氧气存储器。该氧气存储器实现了在参考气体通道中至少暂时地存储氧气，从而提供足够的氧气，在浓废气中测量期间在λ＜1时能够将氧气从参考气体通道返回泵送到测量气体空间中。由此能够在浓废气中用氧传感器以更长的持续时间进行测量，构造该氧传感器专门用于在稀薄的废气中进行工作。然而不包括关于方法过程的说明。
在公开文件DE 102008002735A1(没有事先公开)中说明了在DE 102008001079A1中描述的氧传感器的改进方案，其中同样在参考气体通道中设置了有针对性形成的氧气存储器。所述参考气体通道具有通往内燃机的排气通道的流动路径。
发明内容
按本发明的氧传感器运行方法从用于测量在主要稀薄运行的内燃机的排气通道中的废气λ的氧传感器出发，该氧传感器包含布置在与排气通道连接的测量气体空间中的第一电极以及布置在具有有针对性地形成的氧气存储器的参考气体通道中的第二电极，该第二电极通过传导氧离子的固体电解质与第一电极连接。按本发明的处理方法的突出之处在于，在导入浓的内燃机运行之后预先给出第一持续时间，在此期间由氧传感器提供的λ信号评价为有效的并且用于内燃机的λ调节，在第一持续时间结束之后倒转在两个电极之间流动的泵电流，从而将氧气从测量气体空间泵入氧气存储器，在第二持续时间结束之后结束该倒转过程，并且随后再将λ信号再次评价为有效的并且用于浓的内燃机运行的λ调节。
泵电流的倒转能够通过预先给出泵电流或者通过预先给出泵电压来实现。在此，从以下条件出发，即泵电压以一个数值出现在布置在测量气体空间中的第一泵电极上，其中能够通过例如水的化学分解来产生所需要的氧气。
按本发明的氧传感器运行方法实现了在浓的内燃机运行中、仅仅除了泵电流倒转期间用专门的氧传感器提供有效的λ信号，该氧传感器尤其适合于主要设置的稀薄的内燃机运行，然而也适用于周期性反复的浓的内燃机运行。这种氧传感器在已经于说明书导言中评估的按DE 102008002735A1和DE 102008001079A1的专利申请中得到说明，分别明确地参照所述专利申请。
周期性反复的浓的内燃机运行是调整例如再生布置在内燃机排气通道中的废气后处理装置的运行阶段。在此，例如可以涉及NOX存储催化器，该NOX存储催化器应该用浓的废气成分(碳氢化合物)进行再生。这种NOX存储催化器将在稀薄的内燃机运行中在废气中增加的氮氧化物尤其作为氮化合物进行储存。在存储容量耗尽之后，通过浓的内燃机运行开始再生过程，该浓的内燃机运行的持续时间处于从例如几秒到例如30秒的区域内。
为了使氧传感器也至少能够在暂时的浓的内燃机运行中提供有效的λ信号，暂时地倒转泵电流，更确切地说如此倒转，即在引入浓的内燃机运行之后预先给出第一持续时间，在该第一持续时间中将由氧传感器提供的λ信号评价为有效的并且用于内燃机的λ调节，在第一持续时间结束之后倒转泵电流，使得氧气从测量气体空间泵入氧气存储器中，在第二持续时间结束之后结束该倒转过程，并且随后再将λ信号再次评价为有效的并且再用于浓的内燃机运行的λ调节。在结束浓的内燃机运行之后，再开始主要设置的稀薄的内燃机运行。
按本发明的氧传感器运行方法的有利的改进方案和设计方案由从属权利要求中获得。
根据设计方案提出，在第二持续时间之后直接跟着第三持续时间，在该第三持续时间内λ信号还被评价为无效的。设置第三持续时间，从而在结束泵电流的倒转之后能够再出现所参与的电极上的稳定的关系。
一种设计方案提出，在用过量燃料运行内燃机时废气λ确定为0.7到0.95的值。由此能够提供足量多的浓的气体成分用于调整废气净化装置。
其它设计方案涉及持续时间的确定。相应地，第一持续时间优选在0.5到3秒的范围内，第二持续时间在1到8秒的范围内，并且第三持续时间在0.1到1秒的范围内。
一种设计方案提出，在倒转泵电流时泵电压至少相应于水的分解电压。由此，能够从渗入测量气体空间的或者说在那里出现的(冷凝)水中获得氧气。
按本发明的用于实施所述方法的装置首先涉及一种专门布置的控制设备，该控制设备包含用于实施所述方法的机构。
所述控制设备尤其包含泵信号确定装置。
所述控制设备优选包含至少一个电的存储器，在该存储器中保存了方法步骤作为控制设备程序。
按本发明的计算机程序在其于计算机上运行时实施按本发明的方法的所有步骤。
具有存储在机器可读的载体上的程序代码的按本发明的计算机程序产品在程序于计算机上运行时实施按本发明的方法。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例并且在下面的说明中对其进行详细解释。
图1示出了氧传感器所使用的技术环境，
图2示出了在空气系数λ＞1时氧传感器的运行状态，
图3示出了在空气系数λ＜1时氧传感器的运行状态，并且
图4示出了关于时间的信号曲线。
具体实施方式
图1示出了内燃机100，在该内燃机的排气通道110中布置了氧传感器120，该氧传感器向控制设备130提供λ信号lam。该控制设备130包含发动机控制装置140，该发动机控制装置至少根据扭矩额定值Md来确定控制信号K，该控制信号例如提供给没有详细示出的配属于内燃机100的燃料计量装置。此外，所述控制信号K至少还取决于调节信号Kon，该调节信号表示没有详细示出的废气净化装置的所需要的调节、例如再生。
此外，所述控制设备130包含泵信号确定装置150，该泵信号确定装置根据发动机控制装置140提供的切换信号S、并且根据计时器160提供的持续时间TI、T2、T3来确定用于氧传感器120的泵信号IP。
图2示出了暴露在内燃机100的废气流12中的氧传感器120。一部分废气通过进气通道14以及废气扩散障碍物16到达测量气体空间18，在该测量气体空间中布置了第一电极20。该第一电极20通过传导氧离子的固体电解质22与第二电极24连接。该第二电极布置在参考气体通道26中，该参考气体通道在其出口侧的端部28上例如通入环境空气中或者排气通道110中。测量气体空间18和参考气体通道26以及因此所述两个电极20、24通过气密的分离层32相互分开。为了加热氧传感器10设置了加热元件34。
所述氧传感器120包含有针对性地形成的氧气存储器40，该氧气存储器实现了提供氧气储备。在需要时也就是例如在氧传感器120的浓运行中在特定的运行持续时间中以足够的量来快速提供氧气。
在所示出的实施例中，有针对性地形成的氧气存储器40作为参考气体通道26中的体积实现，该参考气体通道朝出口侧的端部28由流动阻碍物42限制。该流动阻碍物42能够延伸到参考气体通道26的出口侧的端部28上。氧气存储器40的体积配合需要。能够至少部分地用废气扩散障碍物44来填充所述流动阻碍物42，该废气扩散障碍物44进一步提高流动阻碍物42的作用，或者防止脏物从环境空气或者排气通道110渗入氧气存储器40中。
图2专门示出了氧传感器120在废气流12稀薄的情况下的工作情况。所述两个电极20、24连接在提供这样的泵信号IP的泵信号确定装置140上，在所述泵信号中出现了稀薄运行泵电压UP，m，其中在第二电极24上存在正电势。例如将泵电压调节到800mV。在稀薄运行中，两个电极20、24之间出现了稀薄运行能斯特电压UN，m，该稀薄运行能斯特电压比较小并且例如为200mV，其中在第二电极24上出现正电势。稀薄运行泵电压UP，m和稀薄运行能斯特电压UN，m叠加，从而在两个电极20、24之间为了输送氧离子而提供有效稀薄运行泵电压UPeff，m，该有效稀薄运行泵电压相当于稀薄运行泵电压UP，m和稀薄运行能斯特电压UN，m之间的差，也就是大约600mV，其中在第二电极24上出现正电势。由此，从第一电极20到第二电极24进行稀薄运行氧离子输送O2-m，从而将氧气从测量气体空间18泵送到参考气体通道26，氧气首先用于填充氧气存储器40并且在氧气存储器40填充完时排放到环境空气中或者排气通道110中。稀薄运行泵电流IP，m是与空气系数λ成比例的关于化学计算值的极限电流。
图3示出了在图2中示出的氧传感器120在废气流12浓时的运行状态。
在图3中示出的与图2中的部分一致的部分分别具有相同的附图标记。
在关于化学计算比例氧气缺乏的废气流12中，在电极20、24之间出现显著更高的浓运行能斯特电压UN，f，该浓运行能斯特电压例如为900mV，其中正电势还出现在第二电极24上。在浓运行中，氧传感器120应该将氧气从参考气体通道26泵送到测量气体空间18。为了能够形成这样的浓运行氧气流O2-f，必须如此极化有效浓运行泵电压UPeff，f，使得正电势出现在第一电极20上。为了实现该电势关系，必须将电极20、24上的泵电压置于浓运行泵电压UPeff，f。在此，考虑到浓运行能斯特电压UN，f位于较高的例如900mV的电势，不一定需要电势倒转。当浓运行泵电压UP，f的电势相对于稀薄运行下降到例如300mV，其中正电势还在第二电极24上时，已经实现了有效浓运行泵电压UPeff，f的符号转换。对于有效浓运行泵电压UPeff，f同样提供600mV，其中正电势出现在第一电极20上。浓运行泵电流IP，f同样是与空气系数λ成比例的关于化学计算值的极限电流。浓运行泵电流IP，f沿着与稀薄运行泵电流IP，m相反的方向流动。在空气系数λ＝1时，在泵电压UP变化时出现泵电流IP的符号转换。
按本发明的氧传感器运行方法基于所描述的氧传感器120。废气净化装置例如是NOX存储催化器，该NOX存储催化器为了恢复存储能力必须不时地再生。此外，有时会需要对硫中毒进行再生。应该用氧气缺乏的也就是包含碳氢化合物的废气来调节、尤其是再生废气净化装置，该碳氢化合物例如能够通过合适地确定控制信号K在发动机内部提供，例如借助于燃料后喷射。
所述氧传感器120测量废气λ并且作为测量值将λ信号lam提供给发动机控制装置140，该发动机控制装置包含用于遵守预先给定的废气λ的λ调节器。以通常在稀薄运行状态下工作、也就是在废气中氧气过量的运行状态下工作的内燃机100为出发点。
根据在图4中示出的信号曲线对按本发明的氧传感器运行方法进行详细解释：
出发点是稀薄内燃机运行，其中应该存在例如1.2的废气λ。在此，泵电流IP例如处于值IP+，其中将氧气从第一电极20泵送到第二电极26，与之相应地从测量气体空间18泵送到氧气存储器40中，该氧气存储器在示出的例子中应该完全用氧气填充。示出了相对的氧气水平O2rel，其中完全填充的氧气存储器应该对应于相对值＝1。
在第一时间点t1应该出现调节信号Kon，随后发动机控制装置140提供切换信号S。泵信号确定装置150如此确定泵信号IP，从而出现具有值IP-的泵电流，该泵电流引起从氧气存储器40到测量气体空间18的氧气输送。这种运行状态应该存在由计时器160预先给出的第一持续时间T1。在该第一持续时间T1期间，氧气存储器40中的氧气水平持续地下降直至到达第二时间点t2。在第一持续时间T1期间，氧传感器120的运行准备状态完全确保提供有效的λ信号lam并且将其用于内燃机100的λ调节。
从第二时间点t2开始，在由计时器160预先给出的第二持续时间T2期间借助于泵信号P如此影响泵电流IP，从而能够进行从测量气体空间18到氧气存储器40的氧气输送。所述泵信号确定装置150用于调节相应的泵电流IPK，该泵电流相应于氧气输送。在此应该如此调节泵电压UP，从而在第一电极20的区域内通过例如在测量气体空间18中存在的(冷凝)水的化学分解产生氧气，然后其用于氧气输送。在第二持续时间T2期间没有提供有效的λ信号lam，从而没有进行λ调节，而是只能进行内燃机100的受控制的运行。
在第二持续时间T2结束之后在第三时间点t3，再取消泵电流IP的倒转，从而由于还存在的浓的内燃机运行而再次将氧气从氧气存储器40泵送到测量气体空间18，由于后填充的氧气存储器40而提供足量的氧气，从而再次进行内燃机100的调节λ的运行。
为了稳定尤其在第一电极20区域内的过程，优选还等待由计时器160预先给定的第三持续时间T3，该第三持续时间在第四时间点t4结束，从第四时间点开始，所述λ信号lam视作有效的并且提供给λ调节器。
所述浓的内燃机运行还应该持续到时间点t5，在该时间点再转换到通常设置的稀薄的内燃机运行。
不用按本发明的氧传感器运行方法，在浓的内燃机运行中，在氧气存储器40中提供用于返回泵送到测量气体空间18中的氧气量就会不充足，从而就不能再进行λ调节。在图4中从第二时间点t2开始用虚线记录了会在这种情况下出现的氧气存储器40中的氧气下降的曲线。在此假设，在到达第三时间点t3之前已经完全用完了所提供的氧气并且因此从该时间点起不能再进行λ测量并且因此不能再进行λ调节。相反，用按本发明的氧传感器运行方法能够在浓的内燃机运行期间、除了第二持续时间T2之外提供有效的λ信号lam，并且进行λ调节。
所述第一持续时间T1可以在0.5到3秒的范围内，所述第二持续时间T2可以在1到8秒的范围内，并且所述第三持续时间可以在0.1到1秒的范围内。在此，从第一到第五时间点t1、t5的整个持续时间、也就是浓的内燃机运行的持续时间例如可以持续几秒到例如30秒。

Claims (11)

1.氧传感器运行方法，其中，所述氧传感器(120)用于测量在内燃机(100)的排气通道(110)中的废气λ，该氧传感器包含布置在与所述排气通道(110)连接的测量气体空间(18)中的第一电极(20)以及布置在具有有针对性地形成的氧气存储器(40)的参考气体通道(26)中的第二电极(24)，该第二电极通过传导氧离子的固体电解质与所述第一电极(20)连接，其特征在于，在导入浓的内燃机运行之后预先给出第一持续时间(T1)，在该第一持续时间期间将由所述氧传感器(120)提供的λ信号(lam)评价为有效的并且用于所述内燃机(100)的λ调节，在所述第一持续时间(T1)结束之后倒转在所述两个电极(20、24)之间流动的泵电流(IP)，从而将氧气从所述测量气体空间(18)泵入所述氧气存储器(40)，在所述第二持续时间(T2)结束之后结束该倒转过程，随后再将λ信号(lam)评价为有效的并且再用于浓的内燃机运行的λ调节。
2.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，在所述第二持续时间(T2)之后直接跟着第三持续时间(T3)，在该第三持续时间期间还将λ信号(lam)评价为无效的。
3.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，在浓的内燃机运行期间废气λ确定为0.7到0.95的值。
4.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，所述第一持续时间(T1)在0.5到3秒的范围内。
5.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，所述第二持续时间(T2)在1到8秒的范围内。
6.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，所述第三持续时间(T3)在0.1到1秒的范围内。
7.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，在所述第二持续时间(T2)期间将施加在所述电极(20、24)上的泵电压(UP)调节到至少相应于水的分解电压的值。
8.用于运行氧传感器的装置，其特征在于，设置专门布置的控制设备(130)，该控制设备包含用于实施按权利要求1到7中任一项所述方法的机构(150)。
9.按权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制设备(130)包括泵信号确定装置(150)。
10.计算机程序，该计算机程序在程序于计算机上运行时实施按权利要求1到7中任一项所述的方法的所有步骤。
11.计算机程序产品，具有存储在机器可读的载体上的程序代码，用于在程序于计算机上运行时实施按权利要求1到7中任一项所述的方法。
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