CN102362176A - 操作传感器元件的方法和传感器元件 - 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λ探针的方法的特征在于如下步骤：确定内阻；将内阻与可预先给定的电阻阈值进行比较；在低于电阻阈值时接通泵浦电压。

Description

操作传感器元件的方法和传感器元件

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）的情况下或通过加载有泵浦电压的参考来工作，其中通过外施的（aufgepraegt）阳极电流从废气出来与氧气一起流过参考电极。

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渗入。由此，在参考电极上发生未燃烧的碳氢化合物的相对富积或发生氧气相对缺乏。最后，由于所阐述的机制，在参考气体通道中的CSD特性的危险明显大于在探针壳体中的与参考气体通道连接的内部容积中的CSD特性的危险。

现在通过如下方式可以抵制CSD特性：电子流通过传感器元件来施加，该电子流由此驱动氧气流。氧气流从参考电极出发并且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λ传感器通常在没有泵浦电流的情况下工作。这一方面由于相对内阻的比例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

现在，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

该任务通过具有独立权利要求1和5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这样的传感器元件来解决。

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（即在这些探针中的信号扭曲）最小化：调节点与相应的内阻比（Innenwiderstandsverhaeltnisse）适配。

这通过如下方式来实现：确定内阻，将该内阻与可预先给定的阈值进行比较，并且当内阻低于阈值时，接通泵浦电压。以这种方式可能的是，λ探针不仅在空气参考的情况下而且在被泵浦的参考的情况下来工作。在高电阻且低温度的范围中，探针通常在空气参考的情况下来工作。而当内阻随着温度升高而降低时，接通泵浦电压。

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5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，可以直接测量传感器元件的内阻。

在本方法的另一改进方案中，通过传感器元件的温度借助内燃机的工作参数通过计算算出的方式确定内阻或者得知特性曲线族。在此，例如根据内燃机的工作点也确定废气温度和/或废气量比和/或废气质量流量，并且由这些参数推断出传感器元件的温度以及因此推断出传感器元件的内阻。

作为电阻值的阈值例如可以选择在500Ω到3500Ω之间、尤其是1.5kΩ的电阻值。

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被印刷的电解质层的传感器元件、尤其是λ探针的特点在于：被印刷的电解质层由钪稳定氧化锆构成。一方面，被印刷的电解质可以相对于借助生膜（Gruenfolie）制造的电解质显著更薄地被制造，由此极大地减小了内阻。此外，也通过使用钪稳定氧化锆而不是钇稳定氧化锆，主要在低温范围中在相同的层厚度的情况下实现更低的内阻值。这种传感器元件可以特别优选地被用于执行根据本发明的方法。

为了建立改善的离子电导率，在此可以使用具有钇稳定氧化锆的局部区域。

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表面来定位，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。

传感器元件有利地通过分压器被操作，该分压器具有可改变的分压器电阻。由此可以以技术上可简单实现的方式接通泵浦电压，并且由此该传感器元件在被泵浦的参考的情况下工作。

此外，这样的λ探针可以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）。泵浦电流在此有利地在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。

图1示意性地以截面示出了根据本发明的传感器元件；

图2示出了用于操作传感器元件的电路装置。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了传感器元件，该传感器元件通过由钪稳定氧化锆构成的电解质100形成，该电解质100可以例如借助丝网印刷被施加在支承体105上。电解质具有大约500μm的厚度。用于在外电极110之下的区域101中制造电解质的印刷方法被采用，以便实现钪稳定氧化锆的小的层厚度，并且由此由离子嵌入反应（Einbaureaktion）引起地使内阻最小化。

λ探针具有遭受（未示出的）废气的参考电极110，该参考电极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的电解质面被选择得尽可能大，在理想情况下在考虑结构情况下被最大地选择。参考电极120被定位尽可能靠近该探针的遭受废气的外表面，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。

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着参考电极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130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，结合图2描述了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。

在图2中示意性地示出了由电阻R₁和R₂构成的分压器，该分压器通过串联电阻R_V在探针上产生探针电压U_S。为此，电压U₀通过分压分器被划分，其中分压器电压U_T通过串联电阻R_V作为探针电压U_S附在探针上，该探针在图2中示意性地通过内阻R_I和能斯脱电压U_N形式的电压源示出。

以下所描述的用于操作图1中所示的传感器元件、即λ探针的方法也可称作“混合模型”（探针在空气参考的情况下或在被泵浦的参考的情况下工作，与温度引起的探针的内阻有关）。在高内阻和低温度的范围中，探针通常在空气参考的情况下来工作。如果电阻低于可预先给定的阈值（该阈值如上面所提及的那样在1或者1.5kΩ处），即如果温度升高足够远，则泵浦电压被接通。内阻在此可以直接被测量或者通过电阻模型被确定，其中这里作为输入量可以考虑内燃机的废气温度、废气质量流量和其他工作量。这些量例如可以借助其他传感器或者基于寄存在控制设备SG中的关于转速和负载的特性曲线族的认知来进行。泵浦电压的接通通过分压器例如通过开关S的打开并且由此关断为1kΩ的电阻R₂ ^P来实现，该电阻R₂ ^P与电阻R₂并联。与由能斯脱电压引起的电压偏差（Spannungshub）相比，通过该措施，由于在温度提高时存在的小的内阻仅仅出现探针电压的小的并且尚可容忍的扭曲。用于操作该传感器元件的方法尤其是鉴于富气成分从密封包装蒸发（所谓的“热CSD”）而是有利的。

在下文中描述了图2中所示的电路的确定尺寸例子。针对大小在10mV的探针电压和5μA的泵浦电流的可容忍的扭曲，内阻在接入的泵浦电流的情况下还允许改变R＝U/I=2kΩ。本身公知的λ探针在850℃时具有R_I=16kΩ的内阻。在冷却到500℃时，内阻升高了2kΩ，并且在探针材料转入非导电状态之前，该内阻在350℃时进一步升高直到大约70kΩ。前面描述的混合模型在此可以在无需从500℃的传感器元件温度起通过接通泵浦电压来补偿调节点的情况下而被采用。如果在传感器元件上通过其他措施进一步减小传感器元件的内阻，则实现在很大程度上无扭曲的泵浦的温度范围相对应地扩宽。

分压器的电阻对于小于500℃的温度以比1:10、即例如R₁=10kΩ和R₂=1kΩ来选择。在500℃之上的温度的情况下，针对R₂接通例如2.17kΩ的电阻，使得在为5V的供电电压U₀的情况下得到为1.78V的分压器电压U_T。电阻可以任意地被减小，只要保持该比并且电流源不过载。然而，串联电阻R_V由于分路强度而没有被提高。

通过在对应于电阻阈值的温度以上接通泵浦电流，可以减少已存在的CSD并且防止进一步形成。

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 (11)

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λ探针的方法，其特征在于如下步骤：

- 确定内阻；

- 将内阻与可预先给定的电阻阈值进行比较；

- 在低于电阻阈值时接通泵浦电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量内阻或者借助模型确定内阻。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为电阻的阈值设置在500Ω到3500Ω之间、尤其是1.5kΩ的电阻值。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通过关断调整泵浦电压的分压器的电阻（R₂ ^P）进行泵浦电压的接通。

5.一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、尤其是λ探针，其具有至少一个被印刷的电解质层（100，101），其特征在于，被印刷的电解质层（101）由钪稳定氧化锆构成。

6.根据权利要求5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（101）上构造电极面（110，120），使得所述电极面（110，120）具有最大可能的表面。

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

8.根据权利要求5至7之一所述的传感器元件，其特征在于，该传感器元件能够通过具有可改变的分压器电阻（R₁、R₂、R₂ ^P）的分压器被操作。

9.根据权利要求5至8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。

10.一种计算机程序，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4之一所述的方法的所有步骤。

11.一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4之一所述的方法。

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