CN102656447A - 用于控制排气传感器的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制排气传感器的设备，该排气传感器可选地被构造为极限电流探头（10）或者被构造为双单元探头（20），所述极限电流探头（10）和双单元探头（20）中的每个都包括由陶瓷材料构成的参考腔和由传导氧离子的材料构成的单元。根据本发明的设备包括调节器，该调节器的一个输入量是所测量的传感器电压（Vs），所述所测量的传感器电压（Vs）与在封闭的单元中的氧浓度有关，并且该调节器的另外的输入量是参考电压。所述调节器的输出量是要注入到单元中的电流（Ip），通过所述电流（Ip）可以将传感器电压（Vs）调节到预给定的值。用于控制极限电流探头（10）的设备被构造来将所注入的电流处理成调节器（36）的输入量之一。

Description

用于控制排气传感器的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制排气传感器的设备和方法，该排气传感器可选地被构造为极限电流探头（Grenzstrom）或者被构造为双单元探头（Zwei-Zellen-Sonde），所述极限电流探头和双单元探头中的每个都由包括陶瓷材料构成的参考腔和由传导氧离子的材料构成的单元。

背景技术

在内燃机运行时，采用如下排气传感器来遵守法律规定的排放边界值：所述排气传感器的信号被用于对内燃机进行排放调节。经常采用的排气传感器是所谓的二元的和线性的拉姆达探头以及NOx传感器。这类排气传感器分别包括由钇稳定化的二氧化锆陶瓷（ZrC>2）构成的经加热的固体电解质。为了在由二氧化锆构成的排气传感器的情况下能够通过固体电解质测量氧离子流形式的氧浓度或NOx浓度，设置有对陶瓷的加热。目标温度被调节到预给定的值或者与运行点有关地被先导控制。

基础材料“二氧化锆”具有两个主要的特性：

1.当在排气传感器的一个电极上附有拉姆达=1的氧浓度并且在排气传感器的另一电极上附有拉姆达=无穷的氧浓度（与环境空气同意）时，在这两个电极之间出现450mV的电压。该电压被称为按物理学家瓦尔特能斯脱来命名的能斯脱电压。

2.当通过排气传感器的二氧化锆引导电流时，通过二氧化锆输送氧粒子。

线性排气传感器的流行的实施方案包括两个彼此连接的基本材料“二氧化锆”的单元的装置。在其中一个单元（所谓的能斯脱单元）中，在这种情况下利用上面在第一点所提及的特性。在另外的第二单元（所述另外的第二单元被称作泵浦单元（Pump-Zelle））中，利用上面在第二点所提及的特性。在这种线性排气传感器中，在这两个单元之间存在通过扩散势垒与排气流连接的参考腔（所谓的Reference Cavity），在所述参考腔中要出现拉姆达=1的氧浓度。只要氧浓度具有拉姆达=1的值，在能斯脱单元的电极之间就可以测量到450mV的电压。然而，只要由偏离排气中的为拉姆达=1的理想氧浓度造成氧粒子通过扩散势垒流入或者流出，在封闭的单元中，氧浓度就受影响。由此，在能斯脱单元的电极之间的电压偏离要实现的450mV。

与排气传感器连接的调节电子装置或者控制设备的任务是测量能斯脱单元上的偏离450mV的电压值并且开始合适的逆反应，以便又达到450mV的电压。逆反应在于通过排气传感器的泵浦单元发送电流。由此，许多氧粒子被输送到参考腔中，使得氧浓度又被补偿到拉姆达=1。电流流动（Stromfluss）在这种情况下可以在两个方向上进行，因为排气中的氧浓度不仅可大于拉姆达=1而且可小于拉姆达=1。

在调节技术上，排气传感器因此是必须通过所连接的控制设备保持在工作点中的调节段。排气传感器和控制设备由此构造了如下调节回路：在该调节回路中，控制设备是调节器或者包括调节器。

线性排气传感器的另一流行的实施方案除了包括参考腔之外仅包括基本材料“二氧化锆”的一个单元。这些线性排气传感器被称作极限电流探头。通常，可变的电压被施加到该唯一的单元上。通过该单元的电流流动基本上与所施加的电压的大小以及与在通过扩散势垒分离的排气管道中的氧浓度有关。电流的特征在此为使得该电流在为450mV左右的电压范围中保持相对恒定，而该电流在极大偏离450mV时极大地改变。电流在“平台区域（Plateaubereich）”中的大小与参考腔中的气体扩散率有关，该气体扩散率又与排气中的气体浓度有关，并且该电流的大小因而可以被用作排气中的氧浓度的量度。

这两种所提及的排气传感器类型的不同的控制需要分别特定的控制设备。由于控制设备常常单片地被集成到特定的集成电路中，所以提供这种控制设备与高的组织和资金开销相联系。

发明内容

因而，本发明的任务是给出一种用于控制排气传感器的设备以及方法，该设备以及方法能够实现其中一个排气传感器或者另一排气传感器的可选的运行。尤其是，可选的运行要在没有附加的硬件部件的情况下实现，以便实现高灵活性。

这些任务通过根据权利要求1的特征的设备以及根据权利要求7的特征的方法来解决。有利的扩展方案分别由从属权利要求得到。

本发明提供了一种用于控制排气传感器的设备，该排气传感器可选地被构造为极限电流探头或者被构造为双单元探头，所述极限电流探头和所述双单元探头中的每个都包括参考腔和由传导氧离子的材料（诸如氧化锆）构成的单元。这种单元公知地包括两个电极，其中一个电极与参考腔处于连接，而另一电极与填充有微少的气体混合物（例如空气）的容积处于连接。该设备包括至少一个调节器，所述至少一个调节器的一个输入量是所测量的传感器电压，所述所测量的传感器电压与参考腔中的氧浓度有关，并且所述调节器的另外的输入量是参考电压。所述调节器的输出量是要注入到传感器的单元中的电流，通过该电流可以将传感器电压调节到预给定的值。根据本发明，用于控制极限电流探头的设备被构造用于将所注入的电流处理成调节器的输入量之一。

本发明提供了一种用于控制排气传感器的方法，该排气传感器可选地被构造为极限电流探头或者被构造为双单元探头，所述极限电流探头和所述双单元探头中的每个都包括由陶瓷材料构成的参考腔和由传导氧离子的材料构成的单元。在该方法中，给调节器输送作为输入量的传感器电压，该传感器电压与参考腔中的氧浓度有关。给调节器输送作为另外的输入量的参考电压。为调节器的输出量的电流被注入到传感器的单元中，使得传感器电压被调节到预给定的值。在这种情况下，所注入的电流被处理成调节器的输入量之一。

根据本发明的方法以及根据本发明的设备能够实现利用唯一的控制设备来使各种类型的排气传感器运行，这基本上基于双单元探头的概念。本发明所基于的思想在于不仅极限电流探头而且双单元探头都在调节回路中运行。类似于双单元探头，即使在极限电流探头的情况下也要测量单元上的电压并且根据所测量的电压将电流注入到该单元中。为了避免由于极限电流探头的内阻引起所测量的电压的伪造，所注入的电流被考虑作为调节回路的输入量。

该过程的优点在于获得在采用排气传感器、尤其是拉姆达探头时的高灵活性。与迄今的在限定和实施所需的控制设备时固定到确定类型的拉姆达探头相反，本发明能够实现可选的、因为类似的针对极限电流探头和双单元探头的控制。这样的设备因此能够使各种类型的排气传感器运行。与迄今实现的费事的对极限电流探头的控制相反，在所述极限电流探头中，可变的电压被施加到参考腔并且测量最终得到的电流，本发明能够实现使不同结构的线性探头的控制标准化。

根据适宜的扩展方案，用于控制双单元探头的调节器的输入量是能斯脱单元电压。相对应地，在根据本发明的方法中，能斯脱单元电压被处理为用于控制双单元探头的调节器的输入量。

与此相对，用于控制极限电流探头或者双单元探头的调节器的输入量是通过计算算出的方式确定的能斯脱单元电压。与此对应地，通过计算算出的方式确定的能斯脱单元电压被处理为用于控制极限电流探头或者双单元探头的调节器的输入量。

另一扩展方案设置的是，用于控制极限电流探头的设备被构造来在进一步处理以确定输出量之前将所测量的传感器电压或者参考电压修正了极限电流探头的内阻。以相对应的方式，在根据本发明的方法中，在进一步处理以确定输出量之前，所测量的传感器电压或者参考电压被修正了极限电流探头的内阻。由此，可以避免由极限电流探头的内阻引起的所测量的电压的伪造。由该内阻引起的在探头上的电压降能根据该内阻与调节输出量的函数（即要注入到封闭的单元中的电流）之积来确定。这例如可以是电流值本身，但是也可以是电流值的低通滤波。可选地，可以考虑在两个输入量之一处的校正。由于通过探头的电流直接为排气传感器的特征中的“平台电流”，所以该电流可以直接作为排气系统中的拉姆达值的量度而被处理。

根据另一扩展方案，该设备被构造来根据修正过的传感器电压确定用作输出量的电流。与此相对应地，在根据本发明的方法中，根据修正过的传感器电压来确定要用作输出量的电流。

尤其是，用于控制极限电流探头的调节回路的输出量是拉姆达值的量度。在根据本发明的方法中，以相对应的方式将用于控制极限电流探头的调节回路的输出量处理为拉姆达值的量度。

附图说明

随后依据实施例更为详细地阐述本发明。其中：

图1示出了根据本发明的用于控制排气传感器的设备的示意图，该排气传感器可选地被构造为极限电流探头或者被构造为双单元探头，以及 

图2示出了极限电流探头的电流电压特征。

具体实施方式

图1示出了控制设备30的示意图，该控制设备30可选地可以被用于控制极限电流探头10或者双单元探头20。极限电流探头10以及双单元探头20分别被示为电等效电路图。

极限电流探头10（也称为单单元探头）（对于本领域技术人员公知地）通过内阻11和电压源12来表示。这两个元件串联地连接在极限电流探头10的端子18、19之间。极限电流探头10（对于本领域技术人员同样公知地）仅包括基本材料“二氧化锆”的一个单元，通常可变的电压被施加到该单元，其中通过单个单元的电流流动与所施加的电压的大小以及与在通过扩散势垒分离的排气管道中的氧浓度有关。电流的特征在此为使得该电流在为450mV左右的电压范围中保持相对恒定，而该电流在偏离450mV时强烈地改变。该电流在平台区域中的大小与参考腔中的气体扩散率有关，该气体扩散率又与排气中的气体浓度有关，并且该电流在该平台区域中的大小因而可以被用作排气中的氧浓度的量度。

在图2中示意性地示出了这种关系，该图2以电流电压曲线图示出了不同拉姆达值（A/F比）的曲线组。在这种情况下，在横坐标上绘制了在极限电流探头上降落的电压Vp。在纵坐标上绘制了流经极限电流探头或者通过极限电流探头所注入的电流Ip。如从该图中容易得知的那样，电流电压特性曲线在平台区域之外斜坡状地走向，其中斜率与极限流量探头10的内阻Ri有关并且由此间接地与极限电流探头10的封闭的单元的温度有关。不同曲线组的平台的大小与排气系统中的氧浓度有关，其中在图2中示例性地示出了三条曲线，这三条曲线根据其不同的拉姆达值而利用拉姆达 1、拉姆达 2和拉姆达 3来表征。根据传感器元件的内阻和绕流探头的排气的拉姆达值，要达到的450mV的电压值在平台区域的中部（参见拉姆达 3）或者在边缘处（参见拉姆达 1）。然而所期望的是，与温度和拉姆达值无关地，要达到的电压值在平台区域的中部中。

双单元探头20包括两个彼此连接的基本材料“二氧化锆”的单元的装置，所述两个单元为所谓的能斯脱单元NZ以及泵浦单元PZ。能斯脱单元NZ通过内阻21和电压源22形成，所述内阻21和电压源22串联地连接在双单元探头的端子28、29之间。以相对应的方式，泵浦单元PZ同样通过内阻23以及电压源24形成。这两个元件同样彼此串联地连接，其中该串联电路被布置在双单元探头20的端子29与另外的端子26之间。在端子26与另外的端子27之间布置有构造校准电阻的电阻25。

在能斯脱单元NZ与泵浦单元PZ之间有与排气流通过扩散势垒连接的参考腔、即所谓的Reference Cavity。在该参考腔中要有拉姆达=1的氧浓度，其中燃料混合物接着最佳地燃烧。只要拉姆达=1，就在能斯脱单元的电极之间按公知方式测量到为450mV的电压。然而，一旦由偏离为拉姆达=1的理想氧浓度造成氧粒子在排气中通过扩散势垒流入或者流出，在封闭的单元中，氧浓度就受影响。由此，在能斯脱单元的（连接到端子28、29的）电极之间的电压也偏离450mV。

在通过控制设备30控制双单元探头20时，目的现在在于测量能斯脱单元上的与理想的450mV的电压偏差并且开始合适的逆反应。该逆反应在于，将电流Ip注入到泵浦单元PZ中，通过该电流Ip将许多氧粒子发送到参考腔中，使得氧浓度又被补偿到拉姆达=1。电流流动在这种情况下可以在两个方向上进行，因为排气中的氧浓度不仅可大于拉姆达=1而且可小于拉姆达=1。双单元传感器20由此是必须通过所连接的控制设备（所述控制设备具有调节器的功能）而保持在工作点中的调节段。在双单元探头20的情况下，调节器输入量是大小为450mV的能斯脱电压，而调节器输出量是通过泵浦单元PZ的泵浦电流Ip。通过动态地正确提高或降低泵浦电流，在此要将能斯脱电压保持到为450mV的值。

根据本发明的控制设备30被构造来在这种调节回路中也使极限电流探头运行。类似于双单元探头20，在极限电流探头10、即端子18、19之上的电压被测量，并且根据所测量的电压将电流注入到极限电流单元中。为了避免由于单单元探头的内阻引起的所测量的电压的伪造，所测量的电压在进一步处理之前被修正了该内阻上的电压降：

Vs'=Vs-(Ri*f(Ip))

调节器目标量在该情况下保持固定的量。

可替换地，在极限电流探头上的所测量的电压也可以不变地被用作调节器输入量。然而，在该情况下，“人工计算的”能斯脱电压Vs'接着被用作调节目标量，该“人工计算的”能斯脱电压Vs'根据整个单元电压的测量按照如下计算规则来得到：

Vs'=Vs +（Ri*f (ip))    (1)

在这种情况下，要注入到极限电流传感器中的电流Ip是调节器输出量。由于该电流直接表示在极限电流传感器的特征中的台地电流，所以该电流为排气中的拉姆达值的量度。

与迄今常见的借助可变的电压对单单元探头的控制和电流的测量相反，本过程的优点在于，调节原理与双单元传感器的调节概念相似。仅调节器的目标电压必须被修正由探头电流的函数与极限电流传感器的阻抗构成的乘积，以便能够测量到精确的电流值以及由此测量到拉姆达值。

图1以示意图示出了在控制设备30中所需的部件，以便也使调节回路中的极限电流探头运行。控制设备30可以被构造为集成芯片或者ASIC（Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路））。

优选地被构造为模拟数字转换器的输入放大器31的输入端与端子51、52以及50相连接。端子51、52在这种情况下可以跟绘画的图示相反地也通过共同的端子来构造。极限电流探头10的端子18、19或双单元探头20的端子28、29与端子50以及51、52相耦合。用于阻抗测量的交流电源用38表征。该交流电源可以通过转换开关41可选地给极限电流探头10或者双单元探头20通过端子53加载有交流信号。端子53与双单元探头20的端子28相连，或者但是通过端子51与极限电流探头10的端子18相连接。输入放大器31的与端子50相耦合的端子此外还与反馈比较器39相连接，该反馈比较器39的另外的输入端与虚拟地40相连接。虚拟地为控制设备30提供在0到5V之间的参考电势。在输入放大器31的输出端上附着电压Vs，该电压Vs对应于极限电流探头10的单元电压或者双单元探头20的能斯脱单元NZ的单元电压。

附加地，Vs可以是由于持久地周期执行的阻抗测量而配备有交流电压分量的混合信号（也可设想其他实施方案）。交流电压分量例如通过双单元探头20的阻抗测量或者单单元探头10的阻抗测量来引起，通过双单元探头20或者单单元探头10来进行温度测量。因此，也可以在输入放大器31的下游连接用于将Vs信号分离成直流电压分量和交流电压分量的电路装置32。直流电压分量Vs'被输送给补偿装置33。交流电压分量Vac被输送给用于进行阻抗测量的设备34，该用于进行阻抗测量的设备34为补偿装置33提供内阻值R。

补偿装置33被构造来根据输入量确定人工计算的能斯脱电压Vs''，该人工计算的能斯脱电压Vs''在进行进一步处理之前将所测量的电压修正了在内阻上的电压降。这根据等式（1）来进行。Vs''被输送给调节器35、例如PID调节器。该调节器35以公知的方式与比较器36相耦合，在该比较器36的参考输入端上附有（例如为450mV大小的）电压预期值作为参考量。在输出端侧，比较器36以及调节器35与可控制的电流源37（或者基于电流的数字模拟转换器）相连接，所述可控制的电流源37（根据所连接的排气传感器10或20）将电流注入到相应的所连接的单元，以便将Vs''适配到所述电压预期值。

Claims (14)

1.一种用于控制排气传感器的设备，所述排气传感器可选地被构造为极限电流探头（10）或者双单元探头（20），所述极限电流探头（10）和所述双单元探头（20）中的每个都包括由陶瓷材料构成的参考腔和由传导氧离子的材料构成的单元，其中该设备包括至少一个调节器（36），所述至少一个调节器（36）的一个输入量是所测量的传感器电压（Vs），所述所测量的传感器电压（Vs）与参考腔中的氧浓度有关，所述至少一个调节器（36）的另一输入量是参考电压并且所述至少一个调节器（36）的输出量是要注入到排气传感器的单元中的电流（Ip），传感器电压（Vs）能够通过所述电流（Ip）被调节到预给定的值，其中用于控制极限电流探头（10）的设备被构造来将所注入的电流（Ip）处理成调节器（36）的输入量之一。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，用于控制双单元探头（20）的调节器的输入量是所测量的能斯脱单元电压。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，用于控制极限电流探头（10）或者双单元探头（20）的调节器的其中一个输入量是通过计算算出的方式确定的能斯脱单元电压。

4.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，用于控制极限电流探头（10）的设备被构造来在进一步处理以确定输出量之前将所测量的传感器电压（Vs）或者参考电压修正了极限电流探头（10）的内阻。

5.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，该设备被构造来根据所修正的传感器电压（Vs）确定用作输出量的电流（Ip）。

6.根据上述权利要求之一所述的设备，其中，用于控制极限电流探头（10）的调节器的输出量是拉姆达值的量度。

7.一种用于控制排气传感器的方法，所述排气传感器可选地被构造为极限电流探头（10）或者被构造为双单元探头（20），所述极限电流探头（10）和所述双单元探头（20）中的每个都包括由陶瓷材料构成的参考腔和由传导氧离子的材料构成的单元，其中：

- 给调节器输送传感器电压（Vs）作为输入量，该传感器电压（Vs）与参考腔中的氧浓度有关，

- 给调节器输送参考电压作为另外的输入量，

- 为调节器的输出量的电流（Ip）被注入到单元中，使得传感器电压（Vs）被调节到预给定的值，

- 其中所注入的电流（Ip）被处理成调节器（36）的输入量之一。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所测量的能斯脱单元电压被处理为用于控制双单元探头（20）的调节器的输入量。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，通过计算算出的方式确定的能斯脱单元电压被处理为用于控制极限电流探头（10）或者双单元探头（20）的调节器的输入量。

10.根据权利要求7至9之一所述的方法，其中，输送给调节器（36）的参考电压在进一步处理以确定输出量之前被修正了极限电流探头（10）的内阻。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，根据所测量的传感器电压（Vs）与修正过的参考电压的偏差来确定要用作输出量的电流（Ip）。

12.根据权利要求7至9之一所述的方法，其中，所测量的传感器电压（Vs）在进一步处理以确定输出量之前被修正了极限电流探头（10）的内阻。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，根据修正过的传感器电压（Vs'）与参考电压的偏差来确定要用作输出量的电流（Ip）。

14.根据权利要求7至13之一所述的方法，其中，用于控制极限电流探头（10）的调节器的输出量被处理为拉姆达值的量度。

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