CN102033091A - 氧传感器运行方法以及用于实施该方法的装置 - Google Patents
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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，其中用于测量内燃机的排气通道中的废气λ的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，其中根据测量气体空间中的氧浓度出现相应于从测量气体空间带参考气体通道的氧离子流的正的泵电流或者出现相应于从参考气体通道到测量气体空间的氧离子流的负的泵电流。按本发明的氧传感器运行方法的突出之处在于，氧气求取装置从相应于氧离子流的泵电流借助于积分计算出参考气体通道中氧气水平的尺度。
Description
技术领域
本发明涉及一种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
在专利文件DE 10216724C1中描述了一种用于运行没有参考室的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，所述碳氢化合物在废气浓时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(Nernstspannung)。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。
在公开文件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调节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。
在德国专利申请DE 102008001079(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。
在德国专利申请102008002735(没有事先公开)中说明了在DE 102008001079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。根据测量气体空间中的氧浓度，要么出现相应于从测量气体空间到参考气体通道的氧离子流的正的泵电流，要么出现相应于从参考气体通道到测量气体空间的氧离子流的负的泵电流。按本发明的处理方法的突出之处在于，氧气求取装置从相应于氧离子流的泵电流借助于积分计算出参考气体通道中氧气水平的尺度。
按本发明的处理方法能够判断，由氧传感器提供的λ信号是否有效，或者由于缺少在参考气体通道中返回泵送到测量气体空间中的氧气是否必须将λ信号作为无效的而丢弃。
此外，基于参考气体通道中所计算的氧气水平的尺度，可以预测在浓的内燃机运行中还有可能的λ测量时间。
当应该借助于浓的废气成分调节、例如再生布置在内燃机的排气通道中的废气后处理装置时，例如可以进行浓的内燃机运行。在此，例如可以涉及NOX存储催化器，该NOX存储催化器用浓的废气成分(碳氢化合物)进行再生。此外，可以在这种应用中将NOX存储催化器从硫中毒中进行再生，这可以持续几分钟，其中也可以在这种情况下使用用于解毒的浓的废气成分。
由于计算在参考气体通道中为了返回泵送到测量气体空间中所提供的氧气，可以为了再生例如NOX存储催化器而为浓的内燃机运行预先给出最大可能的时间，而同时确保由氧传感器提供的λ信号是有效的。
专门设计所述氧传感器，使得其尤其适合于主要进行的稀薄的内燃机运行，然而也适合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 102008002735和DE 102008001079的专利申请中得到说明，分别明确地参照所述专利申请。
按本发明的处理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。
所述氧传感器优选包含从参考气体通道要么到环境空气要么到排气通道的连接，由此，在参考气体通道中的氧气水平在稀薄的内燃机运行期间不会超过相应于最大压力的预先给定的尺度。优选将最大压力与相对的氧气水平＝1(100％)等同起来。因此，有利的设计方案提出，氧气求取装置要考虑要么从参考气体通道到环境空气的氧气流要么考虑从参考气体通道到排气通道的氧气流。在此，优选考虑环境空气压力。
其它设计方案提出，所述氧气求取装置考虑至少一种另外的压力信号和/或温度。不仅压力而且温度都会影响测量气体空间和参考气体通道之间的氧气输送。
一种设计方案提出，将由氧气求取装置计算的氧气水平的尺度与阈值进行比较，并且在浓的内燃机运行期间在低于阈值时将在氧传感器的两个电极之间流动的泵电流进行转换，使得能够出现从测量气体空间到参考气体通道的氧离子流。如果在此允许高于水分解电压的泵电压，那么可以在浓的内燃机运行期间在测量气体空间中获得氧气，该氧气在转换泵电流时为了暂时提高氧气水平而从测量气体空间提供到参考气体通道中。
一种设计方案提出，将由氧气求取装置计算的氧气水平的尺度与阈值进行比较，并且在低于阈值时确定内燃机的空气燃料混合的λ调节器从调节运行变换到控制运行中。用该措施能够克服由氧传感器提供的λ信号无效的持续时间。
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氧气求取装置，该氧气求取装置反映在参考气体通道中存在的氧气的氧气水平的尺度。
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取决于调节信号Kond，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，所述控制信号K取决于释放信号FS，比较器150根据氧气水平O2rel的所计算的尺度O2rel_Mod与阈值SW的比较来提供所述释放信号。
此外，所述控制设备130包含泵信号确定装置160，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、根据释放信号FS并且必要时根据计时器170提供的持续时间T2、T3来确定用于氧传感器120的泵信号IP。
此外，所述控制设备130还包括氧气求取装置180，该氧气求取装置根据泵信号IP、第一压力信号p_Abg、第二压力信号p_U、温度信号temp、切换信号S以及特征参数KG计算出氧气水平O2rel的尺度O2rel_Mod。
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。
在参考气体通道26中能够储存氧气。然而氧传感器120优选包括有针对性形成的氧气存储器40。在需要时、例如在氧传感器120浓运行中，快速提供足够量的储存在参考气体通道26中或者说氧气存储器40中的氧气用于确定的工作持续时间。
所述参考气体通道26朝出口侧的端部28由流动阻挡物42限制。该流动阻挡物42可以一直延伸到参考气体通道26的出口侧的端部28。该流动阻挡物42可以至少部分地用废气扩散障碍物44来填充，该废气扩散障碍物进一步提高流动阻挡物42的作用并且阻止脏物从环境空气或者排气通道110渗入到参考气体通道26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，首先储存氧气并且在最大氧气水平时将氧气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：
第一时间点t1的出发点应该是稀薄内燃机运行，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+，其中将氧气从测量气体空间18泵送到参考气体通道26中，该参考气体通道在示出的例子中应该完全用氧气填充。示出了实际存在的氧气水平O2rel，其中相对值＝1应该对应于最大的氧气水平。
在第一时间点t1应该出现调节信号Kond，随后发动机控制装置140提供切换信号S。泵信号确定装置160如此确定泵信号IP，从而出现具有值IP-的泵电流，该泵电流引起从参考气体通道26到测量气体空间18的氧离子流O2-m。
所述氧气求取装置180主要从相应于氧离子流O2-m、O2-f的泵电流IP借助于积分计算出氧气水平O2rel的尺度O2rel_Mod。所计算的尺度O2rel_Mod应该尽可能精确地与实际存在的氧气水平O2rel一致。通常在较长的稀薄内燃机运行之后出现的第一时间点t1能够以存在最大可能的氧气水平O2rel并且氧气求取装置180提供氧气水平O2rel的相应精确的尺度O2rel_Mod为出发点。根据泵信号IP的积分并且根据表示稀薄的内燃机运行的切换信号S以及优选根据至少一个例如代表氧传感器120的结构形式的特征参数KG来计算所述尺度O2rel_Mod。
按本发明的处理方法通过计算氧气水平O2rel的尺度O2rel_Mod来判断，由氧传感器120提供的λ信号lam是否有效，或者由于缺少在参考气体通道26中返回泵送到测量气体空间18中的氧气是否必须将λ信号lam作为无效的而丢弃。
为此，将所计算的氧气水平O2rel的尺度O2rel_Mod在比较器150中与阈值SW进行比较。只要氧气足够，就提供释放信号FS，该释放信号提供给发动机控制装置140以及泵信号确定装置160。
基于所计算的氧气水平O2rel的尺度O2rel_Mod，还可以预测在浓的内燃机运行中还有可能的λ测量时间。
由于所计算的氧气水平O2rel的尺度O2rel_Mod，浓的内燃机运行为了再生例如NOX存储催化器可以持续最大可能的持续时间T1，而同时确保了由氧传感器120提供的λ信号lam是有效的。
在所示出的实施例中，在第二时间点t2应该低于阈值SW，从而取消释放信号FS。
根据设计方案可以提出，倒转泵电流IP，从而会出现从测量气体空间18到参考气体通道26的氧离子流。如果在此允许高于水分解电压的泵电压，那么可以在浓的内燃机运行期间在测量气体空间18中获得氧气，该氧气在倒转泵电流IP时为了暂时提高氧气水平O2rel而从测量气体空间提供到参考气体通道26中。在达到所计算的氧气水平O2rel的预先确定的尺度O2rel_Mod之后，在第二持续时间T2之后的第三时间点t3结束泵电流IP的倒转，所述尺度O2rel_Mod在所示的实施例中例如可以是0.9并且不必相应于值1。作为替代方案，所述第二持续时间T2能够由计时器170确定地预先给出。在第二持续时间T2期间，相对的氧气水平O2rel在参考气体通道26中再次上升。
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。
从第三时间点t3开始，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参考气体通道26泵送到测量气体空间18，由于后填充的氧气储备而提供足量的氧气，从而能够再次进行内燃机100的调节λ的运行。可以再次根据所计算的尺度O2rel_Mod与阈值的比较或者由计时器通过预先给定持续时间T2来结束泵电流IP的倒转。
为了稳定尤其在第一电极20区域内的过程，优选还等待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。所述第三持续时间仅仅由计时器170预先给出。
所述浓的内燃机运行还应该持续到时间点t5，在该时间点取消调节信号Kond并且再转换到通常设置的稀薄的内燃机运行。
不将氧气返回泵送到参考气体通道26中提供的氧气量就不充足，从而在用完所储存的氧气之后就不能再进行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参考气体通道26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。
所述第一持续时间T1例如在1到100秒的范围内，所述第二持续时间T2在0.5到8秒的范围内，并且所述第三持续时间在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。
所述氧气求取装置180优选考虑到要么从参考气体通道26流向环境空气的要么从参考气体通道26流向排气通道110的氧气流，其中在此，除了氧气水平O2rel的所计算的尺度O2rel_Mod之外，还考虑第一或者说第二压力信号p_Abg、p_U，其中第一压力信号p_Abg反映了废气压力并且第二压力信号p_U反映了环境空气压力。
此外，所述氧气求取装置180优选考虑温度信号temp，该温度信号例如反映了氧传感器120的温度的尺度，或者至少反映了废气温度的尺度。
Claims (10)
1.氧传感器运行方法，其中，用于测量内燃机(100)的排气通道(110)中的废气λ的氧传感器(120)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，其中根据所述测量气体空间(18)中的氧浓度出现相应于从所述测量气体空间(18)到所述参考气体通道(26)的氧离子流(O2-m)的正的泵电流(IP)或者出现相应于从所述参考气体通道(26)到所述测量气体空间(18)的氧离子流(O2-f)的负的泵电流(IP)，其特征在于，氧气求取装置(180)从相应于所述氧离子流(O2-m、O2-f)的泵电流(IP)借助于积分计算出所述参考气体通道(26)中氧气水平(O2rel)的尺度(O2rel_Mod)。
2.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，所述氧气求取装置(170)考虑从所述参考气体通道(26)到环境空气(28)或者从所述参考气体通道(26)到所述排气通道(110)的氧气流。
3.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，所述氧气求取装置考虑压力信号(p_U、p_Abg)。
4.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，所述氧气求取装置(180)考虑温度信号(temp)。
5.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，将由所述氧气求取装置(180)计算的氧气水平(O2rel)的尺度(O2rel_Mod)与阈值(SW)进行比较，并且在浓的内燃机运行期间在低于所述阈值(SW)时将所述泵电流(IP)进行转换，使得出现从所述测量气体空间(18)到所述参考气体通道(26)的氧离子流(O2-)。
6.按权利要求1所述的氧传感器运行方法，其特征在于，将由所述氧气求取装置(180)计算的氧气水平(O2rel)的尺度(O2rel_Mod)与阈值(SW)进行比较，并且在低于所述阈值(SW)时将确定所述内燃机(100)的空气燃料混合的λ调节器(140)从调节运行变换到控制运行中。
7.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6中任一项所述方法的机构(150)。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制设备(130)包含氧气求取装置(170)，该氧气求取装置反映在所述参考气体通道(26)中存在的氧气的氧气水平(O2rel)的尺度(O2rel_Mod)。
9.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6中任一项所述的方法的所有步骤。
10.具有存储在机器可读的载体上的程序代码的计算机程序产品，其在程序于计算机上运行时实施按权利要求1到6中任一项所述的方法。
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