CN102758696A - 用于运行内燃机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法，其中，内燃机具有至少一个用于检测内燃机的废气的至少一个参数的陶瓷的传感器元件尤其至少一个λ传感器和/或至少一个NOx传感器和/或至少一个HC传感器，其中陶瓷的传感器元件具有至少一个用于加热陶瓷的传感器元件的加热元件，其中该方法包括下列步骤，优选按所示顺序：a)检测至少一个用于在内燃机激活前激活加热元件的触发事件，b)激活用于在预热运行中借助加热元件加热陶瓷的传感器元件的加热元件，以及c)激活内燃机。

Description

用于运行内燃机的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行内燃机的方法。

背景技术

由现有技术已知多种用于运行内燃机的方法。在此，在运行时伴随尽量小的有害物质排放率如一氧化碳、氮氧化物等有着重要的意义。为了能使内燃机的催化转换器中的有害物质转变成危害尽量少的物质，需要向内燃机输送尽量均衡的氧气与燃料的比例。

为了确定在测量气体空间内的气体，尤其是废气的至少一个参数，通常使用陶瓷的传感器元件。测量气体空间例如涉及内燃机的排气系。至少一个参数原则上涉及至少气体的一个任意的物理和/或化学特性，其中，可以检测一个或多个特性。检测可以在质量和/或在数量方面进行。至少一个参数可以包括气体的至少一种气体成分的份额，例如百分比和/或分压力。尤其是可以进行气体中氧含量的检测。氧含量可以例如以分压力的形式和/或以百分比的形式进行检测。但备选或附加地也可以检测气体的其它特性。本发明也适用于这种检测。

这种陶瓷的传感器元件可以例如也设计成所谓的λ传感器，其例如由Konrad Reif(作者)的“汽车中的传感器(Sensoren im Kraftfahrzeug)”(2010第一版，第160-165页)一书公开。借助所谓的切换式传感器可以例如完成将空气系数调节成λ=1。用宽带λ传感器，尤其是用平坦的宽带λ传感器，可以例如确定在大区域内的废气中的氧气浓度以及因而推断出燃烧室内的空燃比。空气系数λ描述这个空燃比。

尤其在汽油机中在λ=1时运行具有特殊的意义，因为仅在λ=1的很窄的范围内才能在催化转换器中几乎完全清除上述有害物质或将上述有害物质转化成危害较少的物质。大量有害物质在发动机启动后被直接排放。为了能够尽量快速地在发动机启动后完全清除有害物质，需要能够尽量快地进行λ=1的调节。这个过程也被称为λ调节的结束。

这种调节需要一个能测量的λ信号，其仅在准备好运行的λ传感器中存在。基于它的测量原理，λ传感器通常必须先加热到它的运行温度，因为固体电解质仅在温度在350℃以上才能传导氧离子。运行温度通常在600至900℃的范围内。但传感器的加热需要一定的时间，该时间根据起始状态或起始温度例如持续至20秒。在将λ传感器加热到其运行温度的这个时间段内，λ传感器不可用。λ值因此不能调节，从而在这个时间段内不能最佳地转换在催化转换器中的有害物质。

另一个问题在于，在燃料燃烧时产生的水蒸气会在排气管中冷凝，因为在排气管中，在发动机启动后的一定的时间段内存在低于水的露点的温度。由此会在排气管中形成水滴。λ传感器的加热进行得较快。加热后的λ传感器的陶瓷会通过与水的相遇而由于热应力或传感器陶瓷内的裂口而受损或甚至损毁。因此λ传感器不能在超过露点之前加热到运行温度。基于这个原因，λ传感器的安装点尽量靠近发动机，由此也能快速加热在λ传感器流动上游区域中的排气管。为了避免冷凝水在λ传感器的流动上游积聚，通常力求使排气管有向下的走向。此外，λ传感器的保护管的排气孔不是逆着废气流的。也尝试通过延迟λ传感器加热的接通或自发动机启动起减小功率地加热来减少热应力的问题。但这种策略延长了λ传感器不能使用的时间。

因此发明了λ传感器，其在其表面上具有多孔的陶瓷保护层，该保护层也被称为热冲击保护层。这个保护层促使出现在λ传感器上的水滴分布在大面积上并且因而减小在固体电解质或λ传感器陶瓷中出现的局部温度梯度。这些λ传感器在加热状态下也容忍一定的冷凝水液滴大小，而不会受损。因此在这种类型的λ传感器中，在一定的边界条件下也能自发动机启动起就激活λ传感器的加热。

尽管由现有技术公开的用于运行带有λ传感器的内燃机的方法有众多优点，但它们也具备改进潜力。因此上述λ传感器例如包含技术挑战，即，将λ传感器在内燃机激活后加热到其运行温度所需的约为10秒的时间进一步缩短。

发明内容

因此建议一种用于运行内燃机的方法和一种能按该方法运行的内燃机，它们至少尽量避免了公知的方法和内燃机的缺陷并且尤其可以缩短在内燃机激活后将陶瓷的传感器元件带至其运行温度所需的时间。在λ传感器中，这例如可以是在所期望的空燃比例如λ=1下转为被调节的运行。

本发明原则上适用于这样的内燃机，其具有至少一个用于检测内燃机的废气的至少一个参数的陶瓷的传感器元件尤其至少一个λ传感器和/或至少一个NOx传感器和/或至少一个HC传感器，其中，陶瓷的传感器元件具有至少一个用于加热陶瓷的传感器元件的加热元件。内燃机尤其可以涵盖汽油机和/或柴油机。作为备选或附加地，内燃机也可以如下文还将说明的那样，涵盖混合动力装置，例如带有至少一个汽油机和/或至少一个柴油机和额外至少一个电动机。

所述方法包括下列步骤，优选以所述顺序：

－检测至少一个用于在内燃机激活前激活加热元件的触发事件；

－激活用于在预热运行中借助加热元件对陶瓷的传感器元件进行加热的加热元件；以及

－激活内燃机。

陶瓷的传感器元件可以尤其是λ传感器或包括λ传感器。λ传感器可以例如设计成指形传感器或平坦的λ传感器，例如设计成带有层形结构的λ传感器。例如可以实现为跃变传感器和/或宽带λ传感器。作为备选或附加，陶瓷的传感器元件也可以包括至少一个另一种类型的陶瓷传感器元件，例如NOx传感器。

在激活加热元件的步骤中，加热元件可以被加热至至少一个预定的温度，其中，预定的温度是在陶瓷的传感器元件的功能极限之上的温度。

触发事件可以被至少一个传感器检测到。传感器可以将检测到的触发事件转达给内燃机的控制装置。

陶瓷的传感器元件可以包括至少一个电化学电池，以及陶瓷的传感器元件的温度可以借助电化学电池内阻的确定来确定。

在内燃机激活时，可以终止预热运行以及激活标准加热运行。

在加热元件激活之前，可以检查至少一个边界条件的存在。边界条件可以从群组中选取，该群组包括：

-   涉及电能源，尤其是电蓄能器的状态的条件；

-   在内燃机的排气系统中的环境条件，尤其是存在这样的环境条件，对于该环境条件而言，加热元件的激活可以无破坏地进行，尤其选自下述内容的环境条件：废气的温度、内燃机的温度、排气系统的温度、排气系统中的冷凝水量。

加热元件仅当内燃机的温度，尤其是内燃机的排气管中的温度，达到或超过预定的阈值时才被激活。

内燃机可以是混合动力装置的组成部分并且触发事件是一个信号，该信号表示，在检测到触发事件之后在预定的时间点上激活内燃机。

加热元件可以在预热运行中受控制或调节地运行。

陶瓷的传感器元件可以具有至少一个热冲击保护层。

内燃机可以例如是汽车的汽油机。

本发明的思想在于，陶瓷的传感器元件在内燃机激活之前就已经被主动地加热或预热。陶瓷的传感器元件预热的温度可以在功能温度之上以及在运行温度之下。若内燃机设计成车辆的发动机，那么陶瓷的传感器元件在驾驶员启动发动机之前就已被加热。为此例如要利用的是，与发动机连接的发动机控制器已经在本来的发动机启动之前几秒内就可以进入准备运行的状态。这可以由此发生，即，触发事件被传感器检测到并且触发事件被转达给发动机控制器，从而发动机控制器激活对陶瓷传感器元件的加热。在车辆的例子中，触发事件可以通过车门触点开关或操纵无线远程操作装置检测到。若控制器被唤醒或准备好运行，那么例如陶瓷的传感器元件就被加热，从而在发动机启动时就已经预热陶瓷的传感器元件。因此用于在发动机启动后加热陶瓷的传感器元件所需的时间相应地减少。

尤其是可以由此运行形式为汽车的发动机的内燃机，此时触发事件被传感器检测到并且转达给内燃机的控制装置。在此，控制装置可以在它获得对内燃机点火的信号之前就已经被激活。控制装置然后例如激活陶瓷的传感器元件，例如λ传感器的加热元件，由此可以将陶瓷的传感器元件例如加热到至少一个预定的温度。预定的温度可以是在运行温度之下，但在λ传感器的功能极限之上的温度。功能极限是这样一个极限，从这个极限起，陶瓷的λ传感器能实施本来的功能，即使必要时会受到限制。

由加热元件为了加热陶瓷的传感器元件而输送的热量可以在达到预定的温度时这样变小，使得陶瓷的传感器元件的预定的温度保持恒定或在一定的时间间隔内保持恒定。由此能考虑到在激活加热元件或达到陶瓷的传感器元件预定的温度和内燃机本身的激活之间的更长的时间间隔，而不会必进一步加热陶瓷的传感器元件或在去激活加热元件时冷却陶瓷的传感器元件以及在接下来激活内燃机时重新更为强烈地加热陶瓷的传感器元件。

陶瓷的传感器元件可以包括至少一个电化学电池。电化学电池通常是这样一种元件，其包括至少两个电极和至少一个连接电极的固体电解质。陶瓷的传感器元件的温度可以例如借助电化学电池的内阻的确定来确定。因此在带有能斯特电池的陶瓷的传感器元件中，可以例如借助确定能斯特电池的内阻来检测陶瓷的传感器元件的温度。

在激活内燃机时，可以终止预热运行以及激活标准加热运行。这意味着，陶瓷的传感器元件预热至预定温度，例如在功能极限之上，但在激活内燃机时却加热到运行温度。

在激活加热元件之前，可以检查至少一个边界条件的存在。边界条件可以从群组中选取，该群组包括：涉及电能源，尤其是电蓄能器的状态的条件；在内燃机的排气系统中的环境条件，尤其是存在这样的环境条件，即，在该环境条件下可以无破坏地完成对加热元件的激活，环境条件尤其可以从废气温度、内燃机的温度、排气系统的温度、排气系统中由于之前的发动机启动而积累的冷凝水的量中选取。因此尤其可以这样触发加热元件，即，加热元件仅在内燃机的温度，尤其是在内燃机的排气管中的温度，达到或超过至少一个预定的阈值时才被激活。这可以例如是在陶瓷的传感器元件的区域中或区域钱的排气管中的水的露点。

加热元件可以在预热运行中例如这样受控制地运行，即，加热元件加热预定的时间，或例如这样受调节地运行，即，加热元件与温度无关地加热。

此外，陶瓷的传感器元件具有至少一个热冲击保护层。陶瓷的传感器元件由此在出现水滴时被保护不受热应力的影响。

在本发明的另一个方面，建议一种内燃机，该内燃机包括至少一个用于检测内燃机的排气的至少一个参数的陶瓷的传感器，此外还包括至少一个控制装置。控制装置设置用于实施按本发明的方法。控制装置例如涉及一种集中或分散设计的控制装置，其可以选择性地全部或部分集成在发动机控制装置中，例如中央发动机控制器中。控制装置可以例如包括至少一个数据处理器，例如至少一个微控制器，微控制器例如在程序技术上设置用于实施所述方法。

内燃机可以尤其是混合动力装置的组成部分并且触发事件可以是信号，该信号表示，在检测到触发时间后在预定的时间点触发内燃机。这种触发事件再次可以借助用于运行混合动力驱动装置的电动机的算法确定。因此接通内燃机的时间点被精确地确定，从而用于激活加热元件的时间点也能被精确地预知或确定。

通常适用的是，用于预热运行的触发事件应当是与内燃机的点火信号不同的信号。

在没有混合动力装置的汽车中，内燃机可以是汽车的发动机并且触发事件可以至少从群组中选出，该群组包括：操纵车门触点开关、检测到用于解锁车门的无线远程操作的信号、操纵座椅触点开关。

随着温度的上升，输入λ传感器的热量会减少并且在预定的时间间隔内达到运行温度后被保持。在带有能斯特电池的λ传感器中，λ传感器的温度例如借助能斯特电池的内阻的确定而确定。

一旦发动机或内燃机被启动，那么优选中止或结束λ传感器的预热。取决于是否低于内燃机的预定的温度，可以确定内燃机的预定的温度。这意味着，在例如温度低于预定的阈值，例如内燃机的运行温度时，可以加热陶瓷的传感器元件，例如λ传感器。由此例如达到仅在发动机冷启动时预热陶瓷的传感器元件，但在发动机在例如仅短时间中断后又重新启动时却不预热陶瓷的传感器元件。但作为备选也可能的是，λ传感器始终被预热，以便确保快速结束λ调节。

陶瓷的传感器元件的加热和/或加热元件的能量供应可以借助电能源，例如车辆中的电池实现。有利地在当存在于电能源中的电荷足够将陶瓷的传感器元件加热到预定的温度时，确定触发事件。这应当防止在电池中存在的电压不再足以启动发动机。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并在接下来的说明中详细阐释。

附图中：

图1是按本发明的方法的流程图；以及

图2是在实施按本发明的方法期间施加到λ传感器的加热元件上的电压。

具体实施方式

在图1和2中示出的方法参考了内燃机，内燃机位于汽车中并且在下文中示例性地也被称为发动机。发动机在排气管中具有用以检测发动机的排气的至少一个参数的陶瓷的传感器元件，尤其是至少一个λ传感器和/或至少一个NOx-传感器和/或至少一个HC传感器。发动机在此示例性地具有λ传感器。λ传感器可以用于证明气体的物理和/或化学特性，其中，可以检测一个或多个特性。本发明在接下来尤其参考对内燃机的排气的气体成分的质量和/或数量的检测来说明，尤其是参考对排气中氧含量的检测。氧含量可以例如以分压力的形式和/或以百分比的形式检测。但原则上也可以检测其它类型的气体成分，例如氮气、碳氢化合物和/或氢。但作为备选或附加也可以检测气体的其它特性。

在当前范例中，λ传感器例如是一种平坦的λ传感器。λ传感器具有内部的固性电解质体作为传感器陶瓷。内部的固性电解质体含有例如未示出的电化学电池和未示出的加热元件。可以额外设一个未示出的所谓的基准空气通道。例如当前的λ传感器就不再有敞开的基准空气通道，而是具有所谓的已泵入的基准，此时借助很小的流动就能连续地将氧气满满地泵入封闭的基准腔。对此的更详细的细节例如由上述现有技术可知。电化学电池是这样一种电池，其包括至少两个通过至少一个固定电解质连接的电极，并且可以设计成所谓的泵电池和/或能斯特电池。能斯特电池、光学的基准空气通道和加热元件优选安装或集成在内部的固性电解质体中。

在固性电解质体的承受废气流的表面的一个区段上布置着电极并且优选被陶瓷的保护层覆盖。陶瓷的保护层是所谓的热冲击保护层。陶瓷的保护层不仅覆盖电极，还覆盖固性电解质体的承受废气流的、不被电极覆盖的表面，亦即上面没有电极的区域。在可选的基准空气通道中有其它电极。加热元件是含有贵金属的回纹体，其电绝缘地集成在固性电解质体中并且在很低的功率消耗下能快速加热。集成的加热元件确保了在排气温度很低时λ传感器本身的功能。这样的安装或集成对应例如由上述现有技术公开的平坦的λ传感器的陶瓷的传感器元件的通用的安装。λ传感器内部可以有保护管。固性电解质体的温度间接地通过能斯特电池的内阻确定。

λ传感器优选与内燃机的控制装置连接和/或具有自己的控制装置。此外，与内燃机的控制装置连接的还有车门触点开关和/或座椅触点开关和/或用于检测联锁或解锁车门的无线远程操作的信号的传感器。

在内燃机的静止状态中，在排气管中基本上有汽车的环境温度，也就是说约20℃的温度。若驾驶员想要驾驶汽车，那么他就操纵无线远程操作装置来解锁车门。用于检测无线远程操作信号的传感器将这个信号的存在转达给发动机控制装置。驾驶员紧接着打开车门，这被车门触点开关检测到并且转达给发动机控制装置。倘若驾驶员在驾驶员座位上，那么座椅触点开关就检测到有人在座椅上并且将这个信号转达给发动机控制装置。作为备选，将其中一个所述信号传递给发动机控制装置就已足够。由此在步骤10中将发动机控制装置置于准备运行状态。传感器或在发动机控制器-软件中的模型求出λ传感器的环境的温度以及发动机控制装置在步骤12中识别到，无论是发动机还是λ传感器，都没有处在它们的运行温度。在驾驶员激活点火之前，通过在发动机控制器中的输出级关闭加热元件的电路并且向加热元件施加电压，从而使加热元件在步骤14中被激活，以便在时间点t1预加热λ传感器。这意味着，加热元件从时间点t1起在预热运行中工作。由此施加给λ传感器加热元件的电压，也就是说，有效的加热电压U_Heff上升，由图2可知。在此，λ传感器的温度上升并且在步骤16中或者引入λ传感器的热能借助电能的消耗和/或借助能斯特电池的内阻检测λ传感器的温度。一旦在步骤18中检测到的λ传感器的温度达到或超过预定的温度阈值，那么在时间点t2，加热电压可以在步骤20中变小并且从时间点t2起恒定地保持在很低的水平上，所述温度阈值在λ传感器的运行温度之下，但在350℃时超过λ传感器的运行极限。倘若不是这种情况，那么就回到步骤12。在此，在步骤22中还监控λ传感器的温度，确定是否需要进一步预热运行来将λ传感器保持在预定的温度上。若需要预热运行，那么返回步骤18。若不再需要预热运行，那么在步骤24中中止预热运行并且在步骤26中结束所述方法。这是加热元件的调节温度的运行。作为备选，例如控制时间的运行也是可行的，在这种运行中，按照预定的时间间隔减小加热电压，所述时间间隔对应一定的引入λ传感器的热能量。在检测通过操纵汽车的点火装置的点火信号时，也在时间点t3上取消施加给λ传感器的加热元件的加热电压以及λ传感器被带至其最终运行温度600至900℃。这意味着，加热元件自时间点t3起在受控制的标准加热运行中运行，该标准加热运行随着内燃机的激活开始。

当近似达到运行温度时，在时间点t4上从被控制的标准加热运行切换到被调节的标准加热运行，从而按照需要通过在发动机控制器中的调节器调节所需的加热功率。也能取代在图2中在时间点t3上示出的有效加热电压U_Heff的跳跃式上升的是，根据各个λ传感器或它们的陶瓷组成部分，也能逐渐上升或有其它方式的上升。

为了确保在汽车电池中存在的电荷足以既将λ传感器加热到其运行温度又能启动发动机，可以设另一个用于检测电池电荷状态的传感器。若信号表示电池状态不满，那么就中断或不激活预加热。但也可以在步骤28中考虑到其它用于激活在步骤12和/或22中的加热元件的参数，例如发动机温度、环境温度、由于发动机中断的冷启动而造成的在排气管中的冷凝水的量等。这用于确保，仅当在接下来的发动机启动中期望冷凝水的有公差的量时才加热λ传感器，从而不会有很多水滴滴落到传感器陶瓷上以及因而不会造成λ传感器损坏。作为备选或附加，当例如在一定的时间后内燃机没被激活时，中断λ传感器的预热。当λ传感器的温度确定检测到，在发动机去激活和重新激活之后，λ传感器的温度在功能温度之上时，同样中断预热，从而使发动机控制装置在步骤12中认识到，为标准加热运行以及激活发动机启动的加热电压的施加已经足够在适当的时间内达到λ传感器的运行温度以及因而在步骤30中结束方法。因此加热元件仅在内燃机的温度低于预定的阈值时才在预热运行中工作。预热运行仅仅在排气管中的气体的温度或排气管的温度本身超过温度阈值时才被实施，从而防止在接下来的发动机启动时有太多的水被冷凝，这些水对λ传感器造成损害。

在一种备选的实施形式中，λ传感器位于混合动力车辆的内燃机的排气管中。接下来仅探讨其与第一种实施形式的区别。在混合动力车辆中，通常借助电动机完成启动。为了加热λ传感器，电动机的控制装置的信息足够让车辆开始运动以及在一定的时间点上在检测到内燃机的切断后应当接通内燃机。内燃机的接通通常通过控制器内的算法完成，从而能毫无问题地估算接通以及有针对性地在限定的时间点上在计划的发动机启动之前如上所述地加热λ传感器。

因此在这两种所述的实施形式中，能在所期望的空燃比，例如λ=1下直接在发动机激活之后过渡到调节后的运行，因为在内燃机激活后将λ传感器加热到最终运行温度所需要的时间被缩短。

Claims (14)

1.用于运行内燃机的方法，其中，内燃机具有至少一个用于检测内燃机的废气的至少一个参数的陶瓷的传感器元件尤其至少一个λ传感器和/或至少一个NOx传感器和/或至少一个HC传感器，其中陶瓷的传感器元件具有至少一个用于加热陶瓷的传感器元件的加热元件，其中该方法包括下列步骤，优选按所示顺序：

a)检测至少一个用于在内燃机激活前激活加热元件的触发事件，

b)激活用于在预热运行中借助加热元件加热陶瓷的传感器元件的加热元件，以及

c)激活内燃机。

2.按前述权利要求所述的方法，其中在步骤b)中加热元件被加热至至少一个预定的温度，其中该预定的温度是在陶瓷的传感器元件的功能极限之上的温度。

3.按前述权利要求之一所述的方法，其中触发事件被至少一个传感器检测到。

4.按前述权利要求所述的方法，其中传感器将检测到的触发事件转达给内燃机的控制装置。

5.按前述权利要求之一所述的方法，其中陶瓷的传感器元件包括至少一个电化学电池并且陶瓷的传感器元件的温度借助电化学电池的内阻的确定而确定。

6.按前述权利要求之一所述的方法，其中在激活内燃机时结束预热运行并且激活标准加热运行。

7.按前述权利要求之一所述的方法，其中在激活加热元件之前检查至少一个边界条件的存在。

8.按前述权利要求所述的方法，其中，边界条件从群组中选取，该群组包括：

涉及电能源尤其电蓄能器的状态的条件；

在内燃机的排气系统中的环境条件，尤其是存在这样的环境条件，对于该环境条件而言，加热元件的激活能够无破坏地进行，尤其是选自下列内容的环境条件：废气的温度、内燃机的温度、排气系统的温度、排气系统中的冷凝水量。

9.按前述权利要求之一所述的方法，其中仅当内燃机的温度尤其在内燃机的排气管中的温度达到或超过预定的阈值时激活加热元件。

10.按前述权利要求之一所述的方法，其中内燃机是混合动力装置的组件并且触发事件是信号，该信号表示在检测到触发事件之后在预定的时间点上激活内燃机。

11.按前述权利要求之一所述的方法，其中加热元件在预热运行中受控制或受调节地运行。

12.按前述权利要求之一所述的方法，其中陶瓷的传感器元件具有至少一个热冲击保护层。

13.按前述权利要求之一所述的方法，其中内燃机是汽车的汽油机。

14.内燃机，包括至少一个用于检测内燃机的废气的至少一个参数的陶瓷的传感器元件，此外还包括至少一个控制装置，其中控制装置设置用于实施按前述权利要求之一所述的方法。

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