CN107762599B - 内燃机的废气管道上的氧传感器装置的运行方法和装置 - Google Patents

内燃机的废气管道上的氧传感器装置的运行方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于运行在内燃机的废气管道中的氧传感器装置的方法，其中，确定进入氧传感器的水输入和由所述氧传感器排出的水量，并且据此算出留在所述氧传感器中的水量，其中，在超过氧传感器中最大允许水量的情况下提高用于所述氧传感器的加热功率，以便把水从所述氧传感器排出。本发明还涉及一种具有废气通道和布置在废气通道中的氧传感器的内燃机，其中，内燃机具有控制设备，控制设备设置用于以按照本发明的方法运行所述氧传感器。

Description

内燃机的废气管道上的氧传感器装置的运行方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行在内燃机的废气管道上的氧传感器装置的方法。
背景技术
废气传感器可以用于控制和用于调节内燃机的各种参数。这种废气传感器的一个典型的例子是氧传感器，其用于调节内燃机的燃烧空气比，以便通过三元催化器实现尽可能最有效的废气后处理。
在冷启动时或者在内燃机热身阶段中，水分会在废气侧渗入氧传感器的探头体中并在此凝聚。若在氧传感器的探头体与传感器线缆的触点区域中达不到阈值温度，则这些水就通过多次冷启动过程而积累。当在探头体中汇聚了足够多的水，就会通过水发生短路，其导致氧传感器的功能故障。通过该短路形成升高的传感器电压，该电压通过控制设备的诊断功能被识别并且因而表示氧传感器失灵。因为在此大多涉及到的是暂时的故障表现，其可以通过把水从探头体排出而“治愈”，所以在氧传感器上发生短路之前，若在确定的运行小时数之后、在探头体和传感器线缆之间的接触区域中达到最低温度，就可以避免更换氧传感器。
由专利文献US 2014 0156172 A1已知一种方法，其中，根据在废气管路中水蒸汽的露点调整废气传感器中加热元件的功率，以便抵抗水在氧传感器的传感器元件的尖部上凝聚。
由专利文献US 2010 0300068 A1已知一种方法，其中，根据测得的废气温度、废气体积流和环境温度估计废气管路的壁的温度。在此，根据空气质量和燃烧空气比估计在废气管路的壁上的露点，并且由此估计在废气管路的壁上凝聚的冷凝水量。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，实现在水输入较高的情况下更快速地加热氧传感器、并且在发动机负荷较低时实现较高的温度水平，以便在探头体上产生足够大的蒸汽压力用于把水从探头体排出，并且因而防止短路和氧传感器的功能故障。
上述技术问题通过按照本发明的、用于运行在内燃机的废气管道上的氧传感器装置的方法解决，包括下述步骤：
-确定进入布置在内燃机的废气管道中的氧传感器的水输入，
-确定由氧传感器向废气管道中的废气输出的水量，
-结算留在氧传感器中的水量，
-把存在于氧传感器中的水量与最大许用阈值比较，其中，在超过最大许用阈值的情况下提高用于氧传感器的加热功率，以便把水从氧传感器排出。
为了更快速地加热探头并且在低负荷情况下实现较高的温度水平，氧传感器可以通过存在于氧传感器中的加热器比在相同条件和水输入较少情况下更强烈地加热。然而因为频繁的、强烈的加热会导致氧传感器的急速老化，所以按照本发明的解决方案在于，仅当用于进入氧传感器的探头体的水输入的临界阈值被超过时才开始强化的加热过程，以便此后干燥氧传感器。氧传感器装置在此包括至少一个布置在废气通道中的氧传感器以及控制设备，通过该控制设备可以控制氧传感器。
在本发明优选的设计方案中规定，配设有水量计数器，当未达到用于启动把水从氧传感器排出的阈值温度时，水量计数器累加经内燃机的多个启动过程进入氧传感器的水输入。因为尤其是具有多次冷启动阶段的频繁的短途交通导致积累的加强的进入氧传感器的水输入，所以安装水量计数器特别有利于实现根据需求控制氧传感器的加热器。
在本发明进一步优选的设计方案中规定，根据已确定的环境温度把多个启动过程与权重因子相乘。预料到其中废气侧的向氧传感器中的水输入较高的启动过程因而可以比估计其中向氧传感器的探头体中渗入的水较少的启动过程权重更高。以此可以更精确地估计探头体中的水量，使得可以相应地进行加热功率的提升。
在所述方法的有利的改进设计方案中规定，当在氧传感器上、尤其在氧传感器的探头体上达到阈值温度时，复位或者减小水量计数器计数。通过复位或者减小水量计数器计数考虑到的事实是，从确定的阈值温度起，存在于氧传感器中的水的蒸汽压力是这样得高，使得水、尤其以水蒸汽的形式从氧传感器向废气通道中排出。
在所述方法的进一步改进中规定，在氧传感器上的阈值温度位于160℃至220℃的范围中。在此，从175℃至190℃的范围已被证明特别有利，因为在此一方面存在足够高的水的蒸汽压力，而温度不是那么的高，以至于发生氧传感器的过早或者说加速老化。
在此特别优选的是，仅当阈值温度在至少确定的时间区间中被超过时才还原水量计数器。为了保证氧传感器的有水积聚的区域上的温度，有利的是，当不仅到达阈值温度，而是至少在确定的时间段内达到或超过阈值温度。以此确保氧传感器的所有组件被加热到如此的程度，即实现用于把水从氧传感器排出所需要的蒸汽压力。此外，能通过氧传感器的密封向废气通道中输送的体积是受限的，因此为了把水基本上或者完全从氧传感器排出，确定的时段是必要的。
在此有利地规定，根据在氧传感器上的温度进行水量计数器的值的减小。在温度更高的情况下在氧传感器中产生更高的蒸汽压力，因此有利于把水从氧传感器排出。通过根据温度的、用于计算从氧传感器向废气通道输出的水量的函数可以在计算模型中对其考虑，以此提高计算模型的精度，并且氧传感器的加热器的额外的加热功率可以比未关联温度的计算更早地进行。
在所述方法的进一步改进中规定，通过提高在氧传感器上的电压进行用于氧传感器的加热功率。通过提高电压可以在氧传感器电阻近似相同的情况下实现更快的加热。因而可以以简单的方式把探头温度升高到用于把水从氧传感器的探头体排出的阈值温度之上的温度。
此外有利地规定，作为用于加热氧传感器的额外的加热措施，进行内燃机的点火角向“延迟”方向的调节。通过向“延迟”方向的点火角调节可以提高内燃机的废气温度。通过内燃机更热的废气实现除了探头加热器以外通过废气对氧传感器的额外的加热。所述方法尤其适于把在废气通道中三元催化器上游的氧传感器加热超过阈值温度。
备选地或者附加地，可以通过下述方式提高氧传感器上的温度，即内燃机的至少一个第一缸、优选内燃机的第一组缸以低化学当量的燃烧空气比运行，并且内燃机的至少一个第二缸、优选内燃机的第二组缸以高化学当量的燃烧空气比运行，使得在废气通道中在三元催化器上游设置理想配比的废气，其中，来自一个或者多个低化学当量的燃烧空气比的缸的燃料的未燃烧的成分与来自一个或者多个高化学当量的燃烧空气比的缸的剩余氧气在废气通道中、尤其在催化器的表面上放热式转化。以这种方式实现尤其在三元催化器的下游的氧传感器的加热。
备选地规定，内燃机以稀的、高化学当量的燃烧空气比运行并且通过后喷射将燃料加入燃烧室中，该燃料在废气通道中、尤其在催化器的表面上才转化。以这种方式实现尤其在三元催化器的下游的氧传感器的加热。
按照本发明还建议一种用于调节内燃机的废气通道中的三元催化器的氧传感器装置，其包括至少一个布置在废气通道中用于调节三元催化器的氧传感器以及控制设备，其中，控制设备具有机器可读的程序码，程序码设置用于执行按照本发明的方法。
除非另有具体说明，否则多个在本申请中所述的不同实施方式就是能有利地相互结合的。
附图说明
下面在实施例中根据附图阐述本发明。附图中：
图1示出带有废气通道以及布置在废气通道中可通过氧传感器调节的三元催化器的内燃机，用于执行按照本发明的方法；
图2示出对于向氧传感器中的水输入的过程图；
图3示出用于根据温度确定权重因子的图表，以便根据在启动期间/在热身阶段中的废气温度评价水输入；
图4示出用于根据在探头上的温度的从氧传感器排水量图表；
图5示出用于根据在探头上的温度对水量计数器减数的图表；
图6示出在氧传感器的探头体上的实际温度曲线，其中示出通过按照本发明的方法提高加热功率，和未使用本发明的方法的情况。
具体实施方式
图1示出带有废气通道12的内燃机10。在废气通道12中布置有用于内燃机10的燃烧产物的废气后处理的三元催化器18。沿内燃机10的废气流动方向，在三元催化器18的上游布置有第一氧传感器14，并且在三元催化器18的下游布置有第二氧传感器16。氧传感器14、16通过信号线路20与内燃机10的控制设备22连接。氧传感器14、16与控制设备22构成传感器装置24，用该传感器装置可以实现按照本发明的用于控制氧传感器14、16的方法。在此，氧传感器14、16向废气通道12中突伸，使得其被内燃机10的废气作用。因为不透气的密封在一定程度上是不可能的，所以虽然在氧传感器14、16上有密封元件但在确定的边界条件下剩余量的废气还是能渗入两个氧传感器14、16之一或者说从氧传感器进入废气通道12。在控制设备22中在软件技术方面实施有水量计数器WZ，用水量计数器确定氧传感器14、16中的水量。
在图2至图5中示出用于运行在内燃机10的废气通道12上的氧传感器装置24的按照本发明的方法的流程。在所述方法的第一步骤中借助控制设备22的软件确定流入氧传感器的水量。因为在三元催化器18下游的氧传感器16承受较低的热负荷，所以尤其在该第二氧传感器16上发生水和/或水蒸汽的渗入。物理的积分模型可以确定水量，但是等效因数也可以确定水量，所述等效因数在内燃机10的冷启动时对于不同的启动温度可以经验式地确定。在图2中示出在多个冷启动过程n上的水量WZ的累加，在此期间未达到阈值温度Ts，从该阈值温度起在氧传感器14、16中的蒸汽压力是如此得高，使得水蒸汽被向废气通道12中排出。对于向氧传感器14、16中输入的或者排出的水量的决定性影响是启动温度以及废气或者说氧传感器14、16的探头温度TL。在图3中示出在两个相继的冷启动情况下，水量与启动温度的关联。在此，第一次冷启动在温度T1时进行，第二次冷启动在温度T2时进行，其中，温度T1大于温度T2。在图2中还能看出，从一定的冷启动次数n开始(其间没有复原水量计数器WZ)达到临界的阈值TW，从该阈值开始需要额外的用于把水从氧传感器14、16排出的措施。
图4中示出水量计数器WZ计数减小与在氧传感器14、16上的温度以及时间t的关联。若在氧传感器14、16上的温度TL达到在阈值温度Ts之上的温度确定的时间段Δt，则水以水蒸汽的形式流回内燃机10的废气中。从氧传感器14、16排出的水量在方法的第二步骤中同样通过物理的平衡或者等效确定。在方法的第三步骤中，结算水量，使得接着在第四步骤中能进行处于氧传感器14、16中的水量与氧传感器14、16中最大允许的、临界水量的比较。若该临界水量被超过，这可以通过水量计数器的阈值Tw被识别，则用于氧传感器14、16的探头加热器的加热器调节装置就被设置为较高的理论值。加热器调节装置的该理论值被升高的持续时间和幅度取决于老化、最大允许部件温度和取决于氧传感器14、16的渗滤表现。如图5所示，对于从氧传感器14、16排水重要的是，在氧传感器14、16的探头体和信号线缆20之间的接触区域中的温度TL。根据在阈值温度Ts之上的温度平衡模型以不同速度调整或者说当量因子以不同速度减小。
在图6中根据测量示出，第一氧传感器14以及第二氧传感器16通过按照本发明的方法被更快地到达阈值温度Ts之上的温度。在此在第二氧传感器16上尤其示出，在内燃机10的所示工作循环中在不升高加热功率的情况下氧传感器14、16不能到达阈值Ts的温度之上的温度。在此，第一氧传感器14的温度在有或没有额外的加热措施的情况下始终高于在第二氧传感器16上的温度。因此适宜的是，在按照本发明的方法中仅提高在三元催化器18下游的第二氧传感器16上的加热功率。
附图标记列表
10 内燃机
12 废气通道
14 (第一)氧传感器
16 (第二)氧传感器
18 三元催化器
20 信号线缆
22 控制设备
24 氧传感器装置
k 权重因子
KS 冷启动
n 冷启动次数
T 温度
TL 氧传感器温度
Ts 阈值温度
Tw 阈值水量
WZ 水量计数器
Δt 时间段

Claims (10)

1.一种用于运行在内燃机(10)的废气管道(12)上的氧传感器装置(24)的方法，其包括下述步骤：
-确定进入布置在内燃机(10)的废气管道(12)中的氧传感器(14、16)的水输入，
-确定由所述氧传感器(14、16)向废气管道(12)中的废气输出的水量，
-结算留在所述氧传感器(14、16)中的水量，并且
-把存在于所述氧传感器(14、16)中的水量与最大许用阈值(Tw)比较，其中，在超过最大许用阈值(Tw)的情况下提高用于所述氧传感器(14、16)的加热功率，以便把水从所述氧传感器(14、16)排出。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，配设有水量计数器(WZ)，当未达到用于启动把水从所述氧传感器(14、16)排出的阈值温度(Ts)时，所述水量计数器(WZ)累加经内燃机(10)的多个启动过程进入所述氧传感器(14、16)的水输入。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述启动过程根据已确定的环境温度(T)与权重因子(k)相乘。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当在所述氧传感器(14、16)上达到阈值温度(Ts)时，复位或者减小水量计数器(WZ)的值。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，仅当阈值温度(Ts)至少在确定的时间区间(Δt)中被超过时才减小水量计数器(WZ)计数。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，根据在氧传感器上的温度(TL)进行水量计数器(WZ)的计数减小。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，通过提高在所述氧传感器(14、16)上的电压(ΔU)进行用于所述氧传感器(14、16)的加热功率。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，作为额外的加热措施，将内燃机(10)的点火角朝“延迟”方向调节。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，作为额外的加热措施，内燃机(10)的第一缸或者第一组缸以低化学当量的燃烧空气比运行，并且第二缸或者第二组缸以高化学当量的燃烧空气比运行，其中，在废气管道(12)中在三元催化器(18)上游出现化学当量的废气，或者
内燃机(10)以稀的、高化学当量的燃烧空气比运行并且通过后喷射向内燃机(10)的至少一个缸中加入如此多的燃料，使得在废气管道(12)中在三元催化器(18)上游出现化学当量的废气。
10.一种用于调节内燃机(10)的废气管道(12)中的三元催化器(18)的氧传感器装置(24)，所述氧传感器装置(24)包括至少一个布置在废气管道(12)中用于调节所述三元催化器(18)的氧传感器(14、16)以及控制设备(22)，其中，所述控制设备(22)具有机器可读的程序码，程序码设置用于执行按照权利要求1至9之一所述的方法。
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