CN102362175A - 操作λ探针的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于操作用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的传感器元件、尤其是λ探针的方法的特征在于如下步骤：确定传感器元件的内阻；使传感器元件的调节点与所述内阻适配。

Description

操作λ探针的方法

技术领域

本发明涉及一种用于操作用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的传感器元件的方法，以及涉及一种用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的传感器元件，该传感器元件可以被使用在这种方法中。

本发明的主题也为一种计算机程序和一种计算机程序产品，所述计算机程序和计算机程序产品适于执行该方法。

背景技术

这样的传感器也被称作λ探针，并且例如由图书出版物“Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”（第25版，第133页及以下各页等等）得知。此外，由DE 100 43 089 C2已公知了用于确定在混合气体中（尤其是在内燃机的废气中）的气体成分和/或气体组成部分的浓度的传感器，所述传感器具有通过参考气体通道可加载有参考气体（尤其是空气或者含氧的气体）的参考电极。

通常平面地构造的用于λ探针的传感器元件具有布置有参考电极的参考气体通道。这些传感器例如被用作分离液面传感器（Sprungsonden）。表述“分离液面传感器”由这样的λ传感器的特性曲线导出，该特性曲线在空气系数λ=1的情况下实施从在大约900mV的范围中的第一电压值“跳跃”到在数mV的范围中的第二电压值。该跳跃被检测并且被分析用于确定在λ=1时的正确的空气燃料混合，其中存在最优的化学计量上的燃烧。

此外，这些传感器也在所谓的被泵浦的参考（Referenz）的情况下或在加载有泵浦电压的参考电极的情况下来工作，使得通过外施的（aufgepraegt）阳极电流从废气出来与氧气一起流过参考通道。

在操作这样的λ探针时现在出现如下问题：在参考电极上或在相邻的参考气体容积中出现为未燃烧的碳氢化合物，所述未燃烧的碳氢化合物例如源于探针的受污染的和/或过热的部件或者不紧密的包装。通过未燃烧的碳氢化合物消耗输送给参考电极的氧气中的不可忽略的部分，使得在参考电极上的氧浓度降低并且由此干扰了探针功能。该现象作为CSD（“特征下移（Characteristic-Shift-Down）”）特性而公知。在这一点，进一步是干扰性的是，未燃烧的碳氢化合物优选地在热的催化活性面上、即尤其是在探针的热区域（“热点（Hot-Spot）区域”）中的参考电极上被氧化。此外，未燃烧的碳氢化合物在参考气体通道中尽管大多比氧气更缓慢地扩散，然而单个碳氢化合物分子通常比单个氧分子移位（umsetzen）更多，使得有效氧气消耗率由于渗入的未燃烧的碳氢化合物而大于氧气的扩散率。由此，在参考电极上发生未燃烧的碳氢化合物的相对富集或发生氧气相对缺乏，即发生CSD。

现在通过如下方式可以抵制CSD特性：电压被施加在传感器元件上，或电子流通过传感器元件被施加，该电子流由此驱动氧离子流。氧离子流在参考电极上逐渐变为氧气流并且从参考电极通过参考通道引导到传感器元件的外部区域中。在此，产生足够的氧分压，以便氧化或者运走富气成分（Fettgaskomponent），使得CSD特性被主动地消除。

此外，这样的λ探针的内阻与温度有关。只要这样的探针以泵浦电流来工作，泵浦电流就导致内阻上的电压降并且由此导致测量信号的偏移。在恒定的供电电压和恒定的内阻的情况下（恒定的内阻由恒定的温度引起），电压降也是恒定的并且这样可以事先在控制设备中予以考虑。然而，在传感器未被加热时，内阻与废气温度有关。由此，可发生在内阻上的与温度有关的电压降，该电压降对应于信号扭曲（Signalverzug）。该信号扭曲与泵浦电流成比例。

由现有技术公知的未被加热的λ传感器通常在没有泵浦电流的情况下工作。这尽管一方面由于信号扭曲与内阻的比例关系而导致与温度有关的信号扭曲的消失。另一方面，以这种方式不可实现用于通过冲洗参考通道来消除CSD特性的泵浦作用。

发明内容

因而，本发明所基于的任务是介绍一种用于操作未被加热的传感器元件、尤其是λ探针的方法和这样的λ探针，其中消除了CSD特性。

本发明的优点

该任务通过具有权利要求1和4的特征的用于操作用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的传感器元件的方法和传感器元件来解决。

本发明的基本思想是通过如下方式使在λ探针未被加热的情况下的CSD特性（即信号扭曲）最小化：调节点动态地与相应的内阻比（Innenwiderstandsverhaeltnisse）适配。调节点在此描述了探针电压的值，在该值之上，废气朝着贫气（Magergas）被再调节（nachregeln），而在该值之下，废气朝着富气被再调节。这允许传感器借助通过恒流源来提供的恒定电流工作。传感器元件的调节点在此与传感器元件的再度被确定的内阻适配。

通过在从属权利要求中举出的措施实现了在独立权利要求1和4中所说明的方法和传感器元件的有利的扩展方案和改善方案。

这样，例如传感器元件的内阻在本方法的有利的改进方案中通过RI-Puls内阻测量来确定。

在本方法的又一改进方案中，基于废气量比（Abgasmengenverhaeltnisse）或废气质量流量和废气温度借助如下特性曲线族确定内阻：该特性曲线族表示内阻和废气量比或废气质量流量和废气温度的关系。该特性曲线族事先根据经验来确定。

对于根据本发明的用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的具有至少一个电解质层的传感器元件，使用钪稳定氧化锆而不是钇稳定氧化锆作为电解质。

为了建立改善的总电阻，在此可以使用分别具有不同的钪稳定氧化锆或者钇稳定氧化锆的局部区域，以便使电极上的氧离子的嵌入反应（Einbaureaktion）和固体中的离子导电的电阻贡献单独地优化。由此，主要在低温范围中在相同的层厚度的情况下可实现更低的内阻值。

此外，为了降低直流内阻而设置的是，使电极面最大化并且将参考电极靠近朝向废气的外表面定位，以便使被布置在其间的电解质尽可能良好地耦合到热废气。

此外，这样的λ探针以非常低的泵浦电流来工作，所述非常低的泵浦电流导致尽可能小的电压扭曲并且仍然保证了CSD强度和分路强度（Nebenschlussfestigkeit）。泵浦电流在此在0μA到10μA之间的范围中，优选地在2μA到5μA之间的范围中。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下的描述中予以详细阐述。

在图1中示意性地以截面示出了根据本发明的传感器元件。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了传感器元件，该传感器元件通过被施加到支承体105上的电解质100形成。该电解质具有大约500μm到600μm的厚度。电解质100在区域101中的外电极之下的部分可以通过钪稳定氧化锆来形成，而不是通过钇稳定氧化锆来形成。

为了制造电解质，根据本发明采用了印刷层，以便在区域101中实现小的层厚度并且由此通过嵌入反应使内阻分量最小化。相对于现有技术中公知的纯粹通过预制的陶瓷生膜（Gruenfolie）制造的电解质由此实现了电阻的降低。

λ探针具有遭受（未示出的）废气的外电极110，该外电极110与控制设备SG通过在图1中仅示意性地示出的电线路111相连，并且λ探针具有被布置在参考气体容积130中的参考电极120，该参考电极120同样通过线路140与控制设备SG相连。为了降低直流内阻，遭受废气的电极110的电极面被选择得尽可能大，在理想情况下在考虑结构情况下，该电极面被最大地选择。参考电极120被定位尽可能靠近该探针的外表面，以便使被布置在其间的电解质尽可能良好地耦合到热废气。该探针可以以泵浦电流来工作，该泵浦电流被选择得尽可能小，以便造成小的电压扭曲并且仍然保证CSD能力和分路能力。泵浦电流在0μA到10μA之间的范围中，尤其是并且优选地在2μA到5μA之间的范围中。

纯粹在原理上也可能的是，在更高的温度（例如>500℃）时才接通如下泵浦电流：该泵浦电流用于引起从密封包装蒸发出的富气的“疏导”。泵浦气体的排出口132被小得确定尺寸，以便尽可能抑制富气朝参考电极120的推进。然而，该排出口132必须被大得选择，使得保证与环境的压力平衡。在这种情况下，必须避免具有高流动阻力的多孔层。可优选具有相对应小的横截面的敞开的通道。参考通道可以通过具有厚度为20μm到30μm并且通道宽度在0.5mm到1mm之间的牺牲层的简单的印刷层来实现（未示出）。纯粹在原理上也可能的是，利用并未完全紧密印刷的电极引线作为参考通道（未示出）。此外，可以设置的是，利用在参考通道的输入区域中的多孔印刷层133遏制富气成分进一步渗透到参考气体通道中并且同时调整流动阻力和因此调整参考区域中的压力形成。

在下文中，描述了一种用于操作这样的用于补偿信号扭曲的λ传感器的方法，该信号扭曲由CSD特性得到。信号扭曲的补偿的前提条件是内阻作为导电参数（Leitgroesse）的认知。出于该原因，首先确定传感器元件的内阻。这例如可以通过RI-Puls内阻测量来实现。该方法本身已知用于宽带λ探针的加热器调节。此外，内阻也可以通过确定废气量比或废气质量流量和废气温度例如借助其他传感器或者基于在控制设备SG中寄存的关于转速和负载的特性曲线族的认知来进行。要注意的是，仅废气温度的认知并不充分，因为体积流主要针对能量输入到传感器元件。出于该原因，废气质量流量或废气量比的认知是必要的。

在传感器元件的内阻的认知中，传感器元件的调节点现在与内阻相适配。这具有如下优点：λ探针可以以恒定的电流工作，即可以使用恒流源来操作λ探针。

通过泵浦电流可以通过用氧气冲洗参考通道来遏制CSD。通过改变调节点也可以补偿通过内阻引起的非温度引起的信号扭曲（信号扭曲例如也在老化的范围中出现），其中该调节点在控制设备SG中的调节软件之内实现。

前面所描述的方法例如可以被实施为内燃机的控制设备中的计算机程序并且在那里运行。程序代码可以被存储在控制设备SG可读取的机器可读的载体上。

Claims (9)

1.一种用于操作用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的传感器元件、尤其是λ探针的方法，其特征在于如下步骤：

- 确定传感器元件的内阻；

- 使传感器元件的调节点与内阻适配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过内阻测量来确定传感器元件的内阻。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，内阻基于废气量比或废气质量流量和废气温度借助如下特性曲线族来确定：该特性曲线族表示内阻与废气量比或废气质量流量和废气温度在内燃机的限定的转速值和负载值的情况下的关系。

4.一种用于确定内燃机的废气中的气体成分的浓度的传感器元件，其具有至少一个电解质层（100，101），其特征在于，电解质的区域（101）由钇稳定氧化锆或者钪稳定氧化锆或两者的混合构成。

5.根据权利要求4所述的传感器元件，其特征在于，为了使传感器元件的直流内阻最小化，在电解质（100）上构造电极面（110，120），使得所述电极面（110，120）具有在几何学上最大可能的表面。

6.根据权利要求4或5所述的传感器元件，其特征在于，参考电极（120）被布置靠近传感器元件的遭受废气的外表面。

7.根据权利要求4至6之一所述的传感器元件，其特征在于，该传感器元件被加载有泵浦电流，该泵浦电流在0μA到10μA之间，优选地在2μA到5μA之间。

8.一种计算机程序，当所述计算机程序运行在内燃机的计算设备、尤其是控制设备上时，所述计算机程序实施根据权利要求1至3之一所述的方法的所有步骤。

9.一种具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被存储在机器可读的载体上，用于当程序被实施在车辆的计算机或者控制设备上时执行根据权利要求1至3之一所述的方法。

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