CN102362174B - 用于运行传感器元件的方法和传感器元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行用来确定内燃机废气中气体组分浓度的传感器元件、尤其是λ探测器的方法，其特征在于以下步骤：确定传感器元件的内阻；在随着温度上升而内阻下降时，如此重新调节参考电极的泵浦电压，使得传感器元件的调整点不改变并且可预先给定的最小泵浦电流不被低于。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行用来确定内燃机废气中气体组分浓度的传感器元件的方法和用于确定内燃机废气中气体组分浓度的传感器元件。
本发明的主题还有适用于执行所述方法的计算机程序和计算机程序产品。
背景技术
又称作λ探测器（Lambdasonden）的这种传感器例如由图书出版物“Bosch 汽车技术袖珍本”（第25版，第133 页及以下页）得知。另外，用于确定在混合气体中、特别是在内燃机废气中的气体组分和/或者气体成分浓度的传感器（其带有参考电极，所述参考电极可经由参考气道被加载参考气体，特别是空气或者含氧的气体）从DE 100 43 089 C2中公知。
通常平坦构造的λ探测器用的传感器元件具有参考气道，在此参考气道中安排了参考电极。所述传感器例如被用作跳跃式探测器。表述“跳跃式探测器”从这种λ传感器的特征曲线推导而来，此特征曲线阐明了在空气系数λ=1时从大约900mV范围内的第一电压值跳跃到几个mV范围内的第二电压值。此跳跃被探测并且被分析用于在λ=1时（其中存在最优的化学计算燃烧）确定正确的空气燃料混合物。
此外，所述传感器也以所谓泵浦式（gepumpt）参考或者以加载泵浦电压的参考运行，其中通过所施加的阳极电流参考电极从废气中提供氧。
在运行这种λ探测器时现在出现问题，即在参考电极处或者在邻近的参考气体容积内出现未燃尽的碳氢化合物，其例如起因于受污染的和/或者过度加热的部件或者不密封的探测器包装。通过所述未燃尽的碳氢化合物，给参考电极所输送的氧的不可忽视的一部分被消耗，使得在参考电极处的氧浓度降低并且因而干扰探测器功能。这种现象公知为CSD特征(“特征下移（Characteristic-Shift-Down）”) 。就此而论，此外干扰的是，未燃尽的碳氢化合物优选地在热的催化活性面处、也就是说特别是在探测器热区域 (“热点区域（Hot-Spot-Bereich）”) 内的参考电极处被氧化。此外，未燃尽的碳氢化合物在参考气道中虽然大多比氧扩散慢，但是单个碳氢化合物分子通常转化多于单个氧分子，使得通过扩散的未燃尽的碳氢化合物的有效氧消耗速率比纯氧的扩散速率大。因此，在参考电极处产生未燃尽的碳氢化合物的相对浓缩或者相对的氧缺乏。最后，由于所解说的机制，CSD特性的危险在参考气道中明显比在与参考气道相连接的探测器外壳中内部容积中大。
现在可以通过以下方式抵抗CSD特性，即通过施加电压而对传感器元件加载电子流，所述电子流由此驱动氧离子流。氧离子流在参考电极处转为氧流并且经由参考通道引到传感器元件的外部区域内。在此，产生足够的氧分压力，以便氧化油气组分或者将其运走，使得有效消除CSD特性。
此外，这种λ探测器的内阻是温度有关的。只要以泵浦电流驱动这种探测器，泵浦电流导致内阻处的电压降并且因而导致测量信号偏移。在供电电压恒定和内阻恒定（其由恒定的温度决定）的时候，电压降也是恒定的并且因此可以提前在控制设备中被考虑。然而，在未加热的传感器的情况下，内阻依赖于废气温度。由此可能产生在内阻上的温度有关的电压降，所述电压降对应于信号迟延。所述电压降与泵浦电流成比例。
从现有技术状况已知的未加热的λ传感器通常在没有泵浦电流的情况下运行。一方面，这由于信号迟延与泵浦电流成比例而导致温度有关的信号迟延消失。另一方面，以这种方式，通过冲洗参考通道，不能实现消除CSD特性的泵浦作用。
因此，本发明所基于的任务在于，介绍一种用于运行未加热的传感器元件、特别是λ探测器的方法以及这种λ探测器，其中消除CSD特性。
发明内容
所述任务通过具有独立权利要求1和4特征的用于运行用来确定内燃机废气中的气体组分浓度的传感器元件的方法和传感器元件解决。
本发明的基本思想是，通过以下方式将CSD特性、即在未加热的λ探测器情况下的信号迟延最小化，即首先确定传感器元件的内阻并且随着温度上升和由此内阻下降如此重新调节传感器元件的供电电压，使得传感器元件的调整点不改变，也就是说，处于同一位置并且在此可预先给定的最小泵浦电流不被低于。
这种措施的优点在于，在高温下增加的泵浦，其中油气也可能增加地从包装中蒸发。
通过在从属权利要求中提及的措施，在独立权利要求1和4中说明的方法和传感器元件的有利改进和改善是可能的。
因此，在所述方法的第一个扩展方案中例如测量传感器元件的内阻。
在所述方法的另一个实施形式中，经由传感器元件的温度根据内燃机的运行参数在计算上确定内阻或者从特性曲线族得出。在此，例如根据内燃机的运行点，也确定废气温度，废气量比、废气质量流并且从中推断出温度和从而传感器元件的内阻。
用于确定在内燃机废气中气体组分浓度的带有至少一个电解质层的根据本发明的传感器元件的特征在于，在厚度处于10μm和50μm之间的外部电极下的区域内使用钪稳定化氧化锆而非钇稳定化氧化锆。由此，首先在低温范围内可实现较低内阻值，因为离子装入反应（Ioneneinbaureaktion）的阻抗分量（Widerstandsanteil）下降。
为建立改善的离子导电性，在此可以应用带有钇稳定化氧化锆的局部区域。这尤其涉及一个或者也两个电极与电解质连接所经由的层。
此外，为减小直流内阻规定，最大化电极面并且将参考电极定位在探测器外表面附近，以便使安排在其间的电解质尽可能好地与热废气耦合。
此外，以很微小的泵浦电流运行这种λ探测器，所述泵浦电流导致尽可能小的电压迟延，然而确保抗CSD和分流性。泵浦电流在此位于0μA和10μA之间、优选地2μA和5μA之间的范围内。
附图说明
在附图中表示本发明的实施例并且在接下来的说明中进一步解说。
图1示意地分步表示根据本发明的传感器元件。
具体实施方式
图1示意性地表示传感器元件，其通过电解质100构成，所述电解质例如可以借助于丝网印刷被施加在载体105上。电解质的厚度大约500μm。使用根据本发明的用于在外部电极110下的区域101内建立电解质的印刷术，以便获得钪稳定化氧化锆的大约10μm到50μm的小层厚，和由此通过离子装入反应决定地最小化内阻。
λ探测器具有遭受（未示出）废气的外部电极110，其与控制设备SG通过在图1中只是示意性表示的电线路111连接；和安排在参考气体容积130（参考气道）中的参考电极120，其同样通过线路140与控制设备SG连接。为降低直流内阻，将特别是遭受废气的电极110的电极面选得尽可能大，在理想情况下，所述电极面在考虑到施工情况和由此得出的温度分布选得最大。将参考电极120（其面与遭受废气的电极110匹配）定位于离探测器外表面尽可能地近，以便使安排在其间的电解质尽可能好地与热废气耦合。可以以泵浦电流运行所述探测器，所述泵浦电流被选得尽可能小，以便引起小的电压迟延，然而确保抗CSD和分流性。泵浦电流位于0μA和10μA之间的范围内，特别地且优选地位于2μA和5μA之间的范围内。
纯理论上，也可以在较高温度、例如>500oC时才接通泵浦电流，其用于引起从密封包装中蒸发的油气“消散”。泵浦气体的出口132被小地确定尺寸，以便尽可能阻止油气到参考电极120的传播。然而，必须将所述出口选择得如此大，使得确保与环境的压力平衡。在此，必须避免具有高流动阻力的多孔层。可以优选具有相应小截面的开放式通道。参考通道可以通过具有厚度20到30μm的消耗层和在0.5和1mm之间的通道宽度的简单的印刷层实现（未示出）。纯理论上，也可以将未完全密封印刷的电极引线用作参考通道（未示出）。此外可以规定，利用在参考通道的入口区内的多孔印刷层133抑制油气组分到参考气道130中的进一步侵入并且同时调整流动阻力和从而参考区域内的印刷结构。
接下来说明一种用于运行这种λ传感器以便补偿由用于抑制CSD特性的泵浦电流而得出的信号迟延的方法。信号迟延的补偿以知道传感器元件的内阻为前提，其中首先确定所述内阻。所述内阻例如可以通过测量或者在计算上或者例如借助特性曲线族根据内燃机运行参数、如废气质量流、废气量比、废气温度诸如此类来确定。现在如此进行探测器供电电压与随着温度上升而下降的内阻的匹配，使得随着温度上升重新调节供电电压，使得调整点一直位于相同位置，也就是不改变并且在此最小的泵浦电流不被低于。在此，以有利的方式在高温下达到增加的泵浦，其中油气也可以增加地从包装中蒸发。
通过改变在控制设备SG中的调节软件内进行的调整点，可以补偿以CSD为条件的信号迟延。
前述的方法例如可以作为计算机程序在内燃机的控制设备中实现并且在那运行。程序代码可以存储在可机读载体上，控制设备SG可以读取所述载体。
Claims (11)
1.用于运行用来确定内燃机废气中气体组分浓度的传感器元件的方法，其特征在于以下步骤：
-确定传感器元件的内阻；
-在（120）随着温度上升而内阻下降时如此重新调节参考电极的泵浦电压，使得传感器元件的调整点不改变并且可预先给定的最小泵浦电流不被低于，其中恰好当不出现传感器的信号的附加延迟时，也即当在泵单元处下降的电压、也即Ri*IP是恒定的时，传感器元件的调整点是恒定的。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述传感器元件是λ探测器。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，通过Ri脉冲内阻测量来确定传感器元件的内阻。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，根据内燃机的运行参数在计算上确定或者从特性曲线族得出传感器元件的内阻。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述传感器元件被使用用于确定在内燃机废气中气体组分浓度，具有至少一个电解质层，其中在厚度为10和50μm之间的废气侧电极之下的电解质层(101 )，包括：
a.钪稳定化氧化锆和/或者
b.由钪和钇稳定化氧化锆组成的混合和/或者
c.借助于由钪和钇稳定化氧化锆组成的混合。
6.按照权利要求5的方法，其特征在于，为最小化传感器元件的直流内阻，电极面（110，120）如此在电解质处被构成，使得电极面具有几何上最大可能的表面。
7.按照权利要求5或者6的方法，其特征在于，参考电极 (120)被安排在传感器元件的遭受废气的外部表面附近。
8.按照权利要求5或6的方法，其特征在于，所述传感器元件被加载泵浦电流，所述泵浦电流在0μA和10μA之间。
9.按照权利要求8的方法，其特征在于，所述泵浦电流在2μA和5μA之间。
10.用于运行用来确定内燃机废气中气体组分浓度的传感器元件的设备，其特征在于包括：
-用于确定传感器元件的内阻的装置；
-用于在（120）随着温度上升而内阻下降时如此重新调节参考电极的泵浦电压使得传感器元件的调整点不改变并且可预先给定的最小泵浦电流不被低于的装置，其中恰好当不出现传感器的信号的附加延迟时，也即当在泵单元处下降的电压、也即Ri*IP是恒定的时，传感器元件的调整点是恒定的。
11.按照权利要求10的设备，其特征在于，所述传感器元件是λ探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141105 Termination date: 20210218 |