CN102077083A

CN102077083A - 在基准通道中包含λ探测器的氧气存储器

Info

Publication number: CN102077083A
Application number: CN2008801300059A
Authority: CN
Inventors: G·赖因哈特; H·伦格; H·赖因沙根
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2011-05-25
Also published as: DE102008002734A1; WO2009156007A1

Abstract

本发明提出一种λ探测器（10），用于测量内燃机的废气区域中的废气λ值，该探测器包含第一电极（20），它设置在与废气连接的测量气体空腔（18）中，该探测器包含第二电极（24），它通过导通氧离子的固体电解质（22）与第一电极（20）连接并且它设置在基准气体通道（26）中。该λ探测器（10）的特征在于，在基准气体通道（28）中设置有针对性构造的氧气存储器（40，50，62，64，70）。

Description

在基准通道中包含λ探测器的氧气存储器

技术领域

本发明涉及一个如独立权利要求所述的λ探测器，它尤其适合于测量内燃机废气通道中的废气λ。

背景技术

在内燃机技术中以过量空气系数λ表示实际给出的空气质量与对于燃烧理论上必需的空气质量、化学当量的空气质量之间的比例。相应地富油的气体混合物、即具有过量燃料的气体混合物具有λ<1的过量空气系数，而贫油的气体混合物、即具有过量空气的气体混合物具有λ>1的过量空气系数。

在DE 199 41 051 A1中描述了宽带λ探测器，它具有测量气体空腔，它通过扩散阻障（Diffusionsbarriere）与要被检测的废气连接。在测量气体空腔中设置内部的泵电极，它与外部的、处于废气下的泵电极和位于泵电极之间的导通氧离子的固体电解质形成泵电池。通过泵电池可以通过固体电解质从测量气体空腔或往测量气体空腔中泵出或者泵入氧离子。除了泵电池以外存在测量电池，它位于内部的泵电极与基准气体电极之间。内部的泵电极和基准气体电极同样与导通氧离子的固体电解质相互分开。基准气体电极设置在基准气体通道中。

测量电池对应于能斯脱电池，其中以热动态平衡在内部泵电极与基准电极之间构成的电位差与要被检测的测量气体空腔中的气体分压与基准气体通道中的空气分压的比例的对数成比例。测量废气λ的目的是，这样影响测量气体空腔中的氧气分压，使能斯脱电位恒定地保持在确定的数值（例如450mV），它接近于λ＝1。为此电路结构提供泵电压，以该电压加载外部的泵电极。泵电压引起泵电流。泵电流的极性和数值取决于，是否且以何种程度超过或低于确定的能斯脱电压。所产生的泵电流是废气λ的尺度。

在DE 10 2006 061 954 A1（未公开）中给出与上述λ探测器相比更简单的λ探测器，其中省去外部泵电极。简单的成本有利的λ探测器尤其适合于测量贫油运行的内燃机废气通道中的λ。λ探测器包含第一电极以及第二电极，它们通过导通氧离子的固体电解质相互连接。设置在测量气体空腔中的第一电极通过扩散阻障与要被检测的废气连接。第二电极设置在基准气体通道中。基准气体通道可以以透氧气的多孔填充材料填充。通过同样填充的基准气体通道以及其几何结构能够实现，一方面保证从第二电极最佳地排出氧气，另一方面防止污物进入到基准气体通道中。

已知的λ探测器以极限电流－贫油探测器（Grenzstrom- Magersonde）实现，其中通过在两个电极之间施加足够高的电位差产生泵电流，它首先在λ>1至λ＝1的范围中与过量空气系数λ成比例。通过以与两个电极之间产生的能斯脱电压相反的电位加载两个电极也可以使已知的λ探测器在富油的λ范围中测量。因为能斯脱电压在贫油范围中是微小的（约200mV）并且在富油范围中跃变到更高的数值（约900mV），施加在电极上的泵电压不仅可以在贫油范围而且可以在富油范围中具有相同极性，其中电位在贫油范围中位于比在富油范围中更高的数值。在考虑在不同的工作状态产生的能斯脱电压的情况下在边界层之间在电极后面出现的有效泵电压对于负氧离子在从富油过渡到贫油或者反之时具有符号变化，由此使负氧离子对于贫油的废气从第一电极输运到第二电极并且对于富油的废气从第二电极输运到第一电极。

发明内容

本发明的目的是，给出λ探测器，它适合于测量内燃机废气通道中的废气λ值，其中该内燃机一方面贫油地运行并且另一方面至少暂时富油地运行。

这个目的通过在独立权利要求中给出的特征得以实现。

按照本发明的用于测量内燃机的废气区域中的废气λ值的λ探测器涉及一种传感器元件，其包含设置在测量气体腔中的第一电极和设置在基准气体通道中第二电极，它们通过导通氧离子的固体电解质连接。按照本发明在基准气体通道中设置有针对性构造的氧气存储器。

有针对性地构造的氧气存储器意味着，采取措施，它们至少暂时保证氧气储存在基准气体通道中或者保证在第二电极上至少提供氧气。

所述氧气存储器至少对于确定的测量时间提供氧气，它在富油废气中测量期间在基准气体通道的λ<1时可以通过固体电解质泵回到测量气体腔中。由此至少对于确定的测量时间可以在富油废气时测量。在此测量时间取决于在第二电极上供使用的氧气。

按照本发明的λ探测器尤其适合于测量内燃机废气区域中的λ值，尽管内燃机主要是贫油运行，但是暂时富油地或至少化学当量地运行。如果在废气通道中设置废气清洁装置如NO_x储存催化器或颗粒过滤器，尤其规定内燃机的这种运行。在富油阶段未燃烧的碳氢化合物带到废气区。未燃烧的碳氢化合物可以在废气区例如与在废气中存在的余氧放能地反应，用于加热废气清洁装置如NO_x储存催化器、颗粒过滤器和类似装置，或者可以用于再生废气清洁装置如NO_x储存催化器。

因此按照本发明的λ探测器不仅能够在贫油范围、而且至少对于确定的测量时间在富油或至少化学当量的λ范围中调节λ。

按照本发明的工作原理的有利改进方案和方案由从属权利要求给出。

一种方案规定，所述氧气存储器邻接于第二电极。如果氧气存储器与第二电极相邻，在需要情况下在给定富油λ时储存的氧气立刻供泵送过程使用。

另一方案规定，所述基准气体通道包含氧气存储器空腔并且在基准气体通道的输出侧的端部上设有流阻。在氧气存储器空腔中在内燃机的贫油运行期间可以建立氧气过压。通过流阻节流氧气损失。

一个特别简单实现的这个方案规定，所述氧气存储器空腔具有基准气体通道的较大的横截面，并且所述流阻相应地通过较小的横截面实现。

这个方案的另一改进方案规定，所述流阻至少部分地通过废气扩散阻障实现。除了节流氧气流以外废气扩散阻障防止污物进入到基准气体通道中。

除了废气扩散阻障还可以设有氧气存储器扩散阻障，它具有例如许多微孔，用于储存氧气。由此使氧气存储器至少部分地通过氧气存储器扩散阻障实现。

这个措施的另一改进方案规定，附加地设有氧气存储器空腔，它邻接于第二电极。由此在需要情况下特别快速地提供氧气。

这个措施的另一改进方案规定，所述用于氧气存储器扩散阻障的容积大于用于废气扩散阻障的容积。通过这个措施可以改变供氧气存储器使用的容积。

一种方案规定，所述氧气存储器包含材料，它通过吸附或吸收储存氧气。这种材料例如是非化学当量的氧化物，如掺杂的CeO_2－x或La_1-xSr_xFe_yCo_1-yO_3-d。这种非化学当量的氧化物通过化学反应储存氧气。

例如所述废气扩散阻障，但是优选氧气存储器扩散阻障，可以至少部分地包含所述储存氧气的材料。

一种方案规定，所述储存氧气的材料至少涂覆在基准气体通道的一部分表面上。附加或备选的措施规定，所述材料涂覆在第二电极上或者第二电极包含材料。

附图说明

在附图中示出本发明的实施例并且在下面的描述中详细解释。附图中：

图1示出由现有技术已知的λ探测器在过量空气系数λ>1时的工作状态，

图2示出由现有技术已知的λ探测器在过量空气系数λ<1时的工作状态，

图3示出按照本发明的λ探测器，具有氧气存储器空腔和流阻，

图4示出按照本发明的λ探测器，具有由通道构成的氧气存储器空腔，

图5示出按照本发明的λ探测器，具有废气扩散阻障和附加的氧气存储器扩散阻障，

图6示出在图5中所示的λ探测器，具有在第二电极部位中的附加的氧气存储器空腔，

图7示出由通道构成的氧气存储器空腔，它设置在按照本发明的λ探测器的另一平面中，

图8示出按照本发明的λ探测器，其中氧气存储器至少部分地由储存氧气的材料实现，

图9示出按照本发明的按照图8的λ探测器，其中储存氧气的材料附属于第二电极。

具体实施方式

图1示出λ探测器10，它经受未详细示出的内燃机的废气流12。一部分废气通过输入空气通道14并通过排气扩散阻障16进入到测量室18中，在其中设置第一电极20。第一电极20通过导通氧离子的固体电解质22与第二电极24连接，第二电极设置在基准气体通道26中，它在其输出侧的端部28上例如通到环境空气或者未详细示出的内燃机废气通道。所述测量气体腔18和基准气体通道26和与此相关的两个电极20、24通过气密的隔离层32相互分开。为了加热λ探测器10设有加热元件34。

图1示出λ探测器10尤其在贫油废气流12中的运行。两个电极20，24连接在未详细示出的泵电压源上，它提供贫油运行－泵电压UP,m供使用，其中正的电位施加在第二电极24上。泵电压源例如调整到800mV上。在贫油运行中在两个电极20，24之间产生贫油运行－能斯脱电压UN,m，它是相对微小的并且例如为200mV，其中在第二电极24上产生正的电位。贫油运行－泵电压UP,m以及贫油运行－能斯脱电压UN,m叠加，由此在两个电极20，24之间为了输送氧离子提供有效的贫油运行－泵电压UPeff,m供使用，它相当于贫油运行－泵电压UP,m与贫油运行－能斯脱电压UN,m之间的差，即约600mV，其中在第二电极24上产生正的电位。由此开始从第一电极20到第二电极24的贫油运行－氧离子－输送O^2-m，由此使氧气从测量气体腔18泵送到基准气体通道26，它排到环境空气或废气通道中。贫油运行－泵电流IP,m是极限电流，它与过量空气系数λ成比例，以化学当量值为基础。

图2示出在图1中所示的λ探测器10在富油废气流12时的工作状态。

那些在图2中所示的、与在图1中所示的部件一致的部件分别配有相同标记符号。这种一致性也适用于后面的附图。

在相对化学当量比例贫氧的废气流12中在两个电极20，24之间产生显著更高的富油运行－能斯脱电压UN,f，它例如为900mV，其中还在第二电极24上产生正的电位。在富油运行中λ探测器10要将氧气从基准气体通道26泵送到测量气体腔18。为了可以产生这种富油运行－氧流O^2-f，必须使有效的富油运行－泵电压UPeff,f这样极化，使得在第一电极20上产生正的电位。为了实现这个电位特性，必需使施加在电极20，24上的泵电压确定在富油运行－泵电压UPeff,f上。在此鉴于富油运行－能斯脱电压UN,f位于相对较高的、例如900mV的电位，因此不必一定需要电位反向。当富油运行－泵电压UP,f的电位与贫油运行相比下降到例如300mV时，已经实现有效的富油运行－泵电压UPeff,f的符号反向，其中正的电位还施加在第二电极24上。对于有效的富油运行－泵电压UPeff,F同样提供600mV供使用，其中正的电位在第一电极20上产生。富油运行－泵电流IP,f同样是极限电流，它与过量空气系数λ成比例，以化学当量值为基准。贫油运行－泵电流IP,m与贫油运行－泵电流IP,m相比在相反方向上流动。在过量空气系数λ＝1时在泵电压UP变化时产生泵电流IP的符号反向。

在富油运行中在按照上述现有技术的λ探测器中只提供有限量的氧在第二电极范围中供使用，因为基准气体通道优化用于使氧气尽可能快速地排出。按照本发明的λ探测器10设置有针对性构造的氧气存储器，它能够储存氧气。这个氧气在需要情况下、即在按照本发明的λ探测器10富油运行时以足够的程度对于确定运行持续时间迅速地供使用。

有针对性地构成的氧气存储器可以通过不同的方式和方法实现。在图3中示出第一实施例，其中基准气体通道26包含氧气存储器空腔40，它向着输出侧端部28通过流阻42限制。流阻42按照一种改进方案可以一直延伸到基准气体通道26的输出侧的端部28。氧气存储器空腔40按照一种方案可以通过与流阻42的横截面相比较大的基准气体通道26横截面实现，流阻具有较小的横截面。氧气存储器空腔40的容积匹配于需求。流阻42可以通过废气扩散阻障44至少部分地填充，废气扩散阻障进一步提高流阻42的效率或者它防止污物从环境空气或废气通道进入到氧气存储器空腔40中。

在图4中示出另一实施例，其中基准气体通道26与由现有技术已知的基准气体通道相比在很大程度上保持不变，但是其中设有氧气存储器空腔50，它通过单侧封闭的氧气存储器通道实现，其开口52位于第二电极24的区域中。

在图5中示出另一实施例，其中基准气体通道26至少部分地以废气扩散阻障60填充并且其中附加地设有气体存储器空腔40、50，它通过氧气存储器扩散阻障62填充。在图6中示出这个实施例的另一变化，其中附加地设有另一氧气存储器空腔64，它邻接于第二电极24。按照一种方案可以规定，为氧气存储器扩散阻障62设置的容积大于为废气扩散阻障60设置的容积。

在图7所示的实施例中，氧气存储器空腔40、50对应于在图4中所示的实施例由氧气存储器通道实现，但是它设置在λ探测器10的另一平面中。在图7所示的实施例中氧气存储器通道的开口52按照一种方案一直导引到第二电极24。

在图8所示的实施例中通过材料70实现氧气存储器，该材料通过吸附或吸收储存氧气。材料70例如是非化学当量的氧化物如CeO_2－x或La_1-xSr_xFe_yCo_1-yO_3-d。在图8所示的实施例中材料70设置在氧气存储器空腔40、50中，它必要时可以附加地包含氧气存储器扩散阻障62并且它必要时可以具有尤其与第二电极24相邻的氧气存储器空腔64。

在图9中所示的按照本发明的λ探测器10的另一变化规定，通过吸附或吸收可以储存氧气的材料70附属于第二电极24。在图9所示的实施例中材料70涂覆在第二电极24上。如果作为材料70使用高导通电子的非化学当量的氧化物如La_1-xSr_xFe_yCo_1-yO_3-d，也可以完全通过材料70或与ZrO₂的混合物实现第二电极24。此外使材料70至少部分地覆盖基准气体通道26的表面。

在λ探测器10的贫油工作状态中，由于泵电压UP,m，使氧气从测量气体腔18泵送到基准气体通道26的氧气存储器40、50、62、64，70。在例如1.7的废气λ、相应地在N₂中8.29％的O₂和最大几百微安培的贫油运行－泵电流时，可以在例如2bar至30bar的静态贫油运行中在氧气存储器40、50、62、64、70中实现氧气过压。过压最好在2bar至10bar之间调节。在按照本发明的λ探测器10运行期间，储存的氧气通过富油运行－泵电压UP,f和相应的富油运行－泵电流IP,f可以从氧气存储器40、50、62、64、70泵回到测量气体腔18，它在那里供在测量气体腔18中氧化可氧化的废气－组成部分使用，其中富油运行－泵电流IP,f在按照本发明的λ探测器10的富油运行情况下也是废气λ值的尺度。

Claims

1. λ探测器，用于测量内燃机的废气区域中的废气λ值，该探测器包含第一电极（20），它设置在与废气连接的测量气体空腔（18）中，该探测器包含第二电极（24），该第二电极通过导通氧离子的固体电解质（22）与第一电极（20）连接，并且该第二电极设置在基准气体通道（26）中，其特征在于，在基准气体通道（28）中设置有针对性构造的氧气存储器（40，50，62，64，70）。

2. 如权利要求1所述的λ探测器，其特征在于，所述氧气存储器（40，50，62，64，70）邻接于第二电极（24）。

3. 如权利要求1所述的λ探测器，其特征在于，所述基准气体通道（26）包含氧气存储器空腔（40，50，64），并且至少在基准气体通道（26）的输出侧的端部（28）上设有流阻（42）。

4. 如权利要求3所述的λ探测器，其特征在于，所述氧气存储器空腔（40，50，64）通过基准气体通道（26）的较大的横截面实现，并且所述流阻（42）通过基准气体通道（26）的较小的横截面实现。

5. 如权利要求1所述的λ探测器，其特征在于，所述基准气体通道（26）包含氧气存储器空腔（40，50，64），它通过单侧封闭的氧气存储器通道实现，其开口（52）位于第二电极（24）的区域中。

6. 如权利要求3所述的λ探测器，其特征在于，所述流阻（42）至少部分地包含废气扩散阻障（44）。

7. 如权利要求6所述的λ探测器，其特征在于，所述氧气存储器（40，50，62，64，70）至少部分地由存储器扩散阻障（62）实现。

8. 如权利要求7所述的λ探测器，其特征在于，附加地设有氧气存储器空腔（64），它邻接于第二电极（24）。

9. 如权利要求6和7所述的λ探测器，其特征在于，所述用于氧气存储器扩散阻障（62）的容积大于用于废气扩散阻障的容积。

10. 如权利要求1所述的λ探测器，其特征在于，所述氧气存储器（40，50，62，64，70）包含材料（70），它通过吸附或吸收储存氧气。

11. 如权利要求10所述的λ探测器，其特征在于，所述材料（70）包含非化学当量的氧化物。

12. 如权利要求10和6或10和7所述的λ探测器，其特征在于，所述废气扩散阻障（44，60）或存储器扩散阻障（62）至少部分地包含所述材料（70）。

13. 如权利要求10所述的λ探测器，其特征在于，所述材料（70）至少涂覆在基准气体通道（26）的一部分表面上。

14. 如权利要求10所述的λ探测器，其特征在于，所述材料（70）涂覆在第二电极（24）上，或者第二电极（24）包含所述材料（70）。