CN108138678B - 用于用气体传感器来求取测量气体中的气体浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于用气体传感器（100）来求取测量气体中的气体浓度的方法，其特征在于，在内燃机的第一种运行模式中‑对于所述内燃机来说知道所述测量气体中的气体浓度‑检测多个分别由气体浓度信号（Ii）和压力信号（pi）构成的数值对（Ii、pi）并且在这些数值对（Ii、pi）的基础上求取所述气体传感器（100）的补偿参数（k）和比例因子（madap），并且随后在所述内燃机的第二种运行模式中在所述内燃机的第二种运行模式中所测量的气体浓度信号（Inom）的基础上并且在考虑到所述气体传感器（100）的补偿参数（k）和比例因子（madap）的情况下求取有待确定的气体浓度。

Description

用于用气体传感器来求取测量气体中的气体浓度的方法
技术领域
本发明涉及一种用于用气体传感器来求取测量气体中的气体浓度的方法。
背景技术
从现有技术中已经知道气体传感器并且也知道用于用气体传感器来求取测量气体中的气体浓度的运行方法，所述运行方法对由所述气体传感器所提供的信号与所述测量气体中的绝对压力的相关性进行补偿。
从DE 10 2006 011 837 A1中公开了一种用于用气体传感器来求取测量气体中的气体浓度的方法，对于该方法来说在内燃机的第一种运行模式时-对于所述内燃机来说知道所述测量气体中的气体浓度-检测气体浓度信号和压力信号。此外，在那里提出，在这些信号的基础上来求取所述气体传感器的补偿参数。此外规定，而后在所述内燃机的至少一个第二种运行模式中为求取所述气体浓度而考虑到如此求取的补偿参数。
发明内容
按照本发明，提出一种用于用气体传感器来求取测量气体中的气体浓度的方法，对于该方法来说在内燃机的第一种运行模式中-对于所述内燃机来说知道所述测量气体中的气体浓度-检测多个分别由气体浓度信号和压力信号构成的数值对并且在这些数值对的基础上来求取所述气体传感器的补偿参数和比例因子，并且对于该方法来说随后在所述内燃机的第二种运行模式中在所述内燃机的第二种运行模式中所测量的气体浓度信号的基础上并且在考虑到所述气体传感器的以前所求取的补偿参数和比例因子的情况下求取有待确定的气体浓度。
“多个”在本申请的范围内是不小于3、尤其是甚至不小于5的自然数。优选的是，以高数目的数值对来实施所述方法，因而“多个”在本申请的范围内尤其也能够是不小于10的自然数。
所述按本发明的解决方案适当地构造为以前知道的解决方案，因为在第一种运行模式中所检测到的数值对的基础上除了所述补偿参数之外也同时求取所述气体传感器的比例因子并且由此能够在所述第二种运行模式中在而后所测量的气体浓度信号的基础上能够更加精确地求取实际上的气体浓度。
所述补偿参数和所述比例因子尤其是下述参量，使用所述参量用于从气体传感器的信号中（也就是：气体浓度信号）、比如从由所述气体传感器所提供的电流或者由所述气体传感器所提供的电压或者与其成比例的参量、比如如此算出的假定的气体浓度中推断出实际上的气体浓度。这些参量可能在具有给定的气体浓度的测量气体中对每个个体的气体传感器来说按照制造偏差和或老化过程而略有所不同，所述个体的气体传感器经受了所述制造偏差和或老化过程。
在下述气体传感器的一种优选的改进方案中能够获取在所述第一种运行模式中并且在所述第二种运行模式中所测量的气体浓度信号，所述气体传感器在所述内燃机的进气装置中在废气再循环阀的下游暴露在所述测量气体下。在此，所述内燃机的废气再循环阀在所述第一种运行模式中优选关闭，使得所述气体传感器在这种运行模式中暴露在测量气体下，对于所述测量气体来说有待求取的气体浓度的份额和在环境空气中一样大、也就是说通常是20.95%。
优选所述补偿参数和所述比例因子以优化方法、比如通过适配（Fit）-方法来确定。所述优化方法为此尤其将在由相应的气体浓度信号和预先给定的函数构成的差的平方的所有数值对上的总和最小化，所述函数与所述气体浓度信号和所述压力信号有关并且所述函数的参数是所述补偿参数和所述比例因子。
尤其按照以下条件进行确定：
Figure 274293DEST_PATH_IMAGE001
其中p0是参考压力，k是所述补偿参数并且madap是所述比例因子，Ii是气体浓度信号并且pi是压力信号并且N是所检测到的数值对的数目。
也能够取代预先给定的函数和所述气体浓度信号而使用这些参量的倒数。
所述参考压力能够通过1013mbar的标准压力来给定。但是也能够将其它压力用作参考压力，这最后在对整个方法没有显著的影响的情况下保持住，只要在所述第二种运行模式中以所述相同的参考压力为基础确定所述气体浓度。
上面所说明的最小化问题能够得到解决，方法是：不仅将在由相应的气体浓度信号和所述预先给定的函数构成的差的平方的所有数值对上的总和对所述补偿参数的导数而且将这个总和对所述比例因子的导数设置为零。作为替代方案，也能够形成在相应的气体浓度信号和所述预先给定的函数的倒数的差的平方上的总和，并且将这个总和对所述补偿参数的导数设置为零并且同时将这个总和对所述比例因子的导数设置为零。
而后通过相同的变型尤其得出：
Figure 18258DEST_PATH_IMAGE002
以及
Figure 396150DEST_PATH_IMAGE003
其中p0是所述参考压力，k是所述补偿参数并且madap是所述比例因子并且其中系数尤其按照以下公式来计算：
Figure 465737DEST_PATH_IMAGE004
从三次方程式中能够以用数字表示的方式、比如用牛顿方法来快速地解所述补偿参数。而后能够用如此求取的补偿参数来确定所述比例因子。
所述方法能够借助于电子的控制单元来实施，所述电子的控制单元包括电子的存储介质。可能非常有利的是，在所述内燃机的第一种运行模式中在逐渐地检测所述数值对的时候，在所述电子的存储介质中仅仅保存系数、比如最多10个不同的系数、尤其是上面所定义的系数并且逐渐地、尤其是通过求和对这些系数进行更新。尤其如果应该将很多数目的数值对、比如30个以上的数值对考虑用于确定所述补偿参数和所述比例因子，则通过这种方式显著地减少在所述方法期间应该保存在所述电子的存储介质中的数据。
原则上能够考虑很多的数值对。因为能够在没有另外的限制的情况下连续地检测所述数值对，所以能够在短的时间之内甚至对1000个和更多个数值对加以考虑。因为应该逐渐地通过在新的数值对的基础上补充的加数来对所述系数进行调整，所以能够如此实施所述方法，从而似乎连续地以能够预先给定的时间常数来忘记以前的数值对的影响。
所检测到的数值对有利地考虑到在整个与功能相关的范围内的压力信号，所述整个与功能相关的范围比如从500mbar一直延伸到2000mbar或者甚至一直延伸到2500mbar。
在所述内燃机的第二种运行模式中，为了求取所述气体浓度而尤其能够计算所述参量I(pmeas)，尤其按照上面参照所述第一种运行模式已经提到的预先给定的函数、尤其是按照公式
Figure 194659DEST_PATH_IMAGE005
所述参量I (pmeas)与在所述第二种运行模式中所获取的气体浓度信号以及在所述第二种运行模式中所获取的压力信号有关，并且其参数是所述补偿参数和所述比例因子。
其中Inom是在所述第二种运行模式中所获取的气体浓度信号并且p0是上面已经提到的参考压力，k是所述补偿参数并且madap是所述比例因子并且pmess是在所述第二种运行模式中所检测的压力信号。
在所述第二种运行模式中所检测的压力信号能够是所述气体传感器或者另外的传感器的输出信号，所述传感器能够检测在所述气体传感器的位置处或者附近的压力。
不过，在所述第二种运行模式中所获取的压力信号也能够是下述参量，所述参量比如通过所述电子的控制单元借助于废气-空气模型来求取。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明中进行详细解释。
图1示意性示出了气体传感器的构造；
图2示出了按照本发明来求取的数值对；
图3示出了另外的按照本发明来求取的数值对。
具体实施方式
图1示范性地示出了用于确定气体混合物中的气体成分的浓度的气体传感器100连同所属的用于进行操控的装置200。所述气体传感器在当前的实施例中构造为宽带λ传感器（Breitband-Lambdasonde）。它主要在下方的区域中包括加热机构160、在当中的区域中包括奈斯特单元（Nernstzelle）140并且在上方的区域中包括泵单元120。所述泵单元120在中心的区域中具有开口105，废气10通过所述开口到达所述泵单元120的测量室130中。在所述测量室130的外部的端部上布置了电极135、145，其中上方的电极135分配给所述泵单元并且形成内泵电极（IPE）135，并且其中下方的电极145分配给所述奈斯特单元140并且形成奈斯特电极（NE）145。所述泵单元120的朝向废气的一侧具有保护层110，在该保护层的内部布置了外泵电极（APE）125。在所述测量室130的外泵电极125与内泵电极135之间延伸着固体电解质，通过所述固体电解质在所述电极125、135上施加泵电压时能够将氧气运送到所述测量室130中或者从所述测量室130中运走。
在所述泵单元120上连接着另一个固体，该固体形成具有参考气室150的奈斯特单元140。所述参考气室150朝所述泵单元的方向设有参考电极（RE）155。在所述泵单元120的测量室130中在参考电极155与奈斯特电极145之间出现的电压对应于奈斯特电压。在陶瓷的进一步的分布中在下方的区域中布置了加热机构160。
在所述奈斯特单元140的参考气室150中氧气-参考气体够用。通过流经所述泵电极125和135的泵电流，在所述测量室中出现氧气浓度，所述氧气浓度对应于所述测量室130中的“λ＝1”-浓度。
操控机构或者控制器200承担对于这些电流的控制和对于奈斯特电压的测评。运算放大器220在此测量在所述参考电极155上施加的奈斯特电压并且将所述电压与典型地大约为450mV的参考电压U_Ref进行比较。在偏差时，所述运算放大器220通过电阻210和所述泵电极125、135向所述泵单元120施加以泵电流。
所述按本发明的方法当然也能够用其它气体传感器100来实施，尤其就这方面而言重要的仅仅是，所述气体传感器100提供气体浓度信号，所述气体浓度信号具有与测量气体的绝对压力的相关性，就像比如也对于宽带λ传感器来说的情况一样，所述宽带λ传感器仅仅具有一个唯一的电化学的单元-该电化学的单元能够作为泵单元来运行-并且也像对于通常具有三个电化学的单元的NOx传感器来说的情况一样。
用按照图1的气体传感器100，在所述内燃机的进气装置中在关闭的废气再循环阀的下游、也就是在环境空气中-所述环境空气的氧气含量为20.95%-在处于950mbar到1900mabar的范围内的绝对压力的间隔中求取分别由绝对压力pi的数值和所属的气体浓度信号Ii的数值构成的28个数值对Ii、pi。这些数值对在图2中示出。作为替代方案，也已经能够在从500mbar一直延伸到2500mbar的范围内求取所述数值对。
在这些数值对Ii、pi的基础上首先逐渐地按照求和公式
Figure 257161DEST_PATH_IMAGE006
累进地用对于所述数值对的检测来形成所述系数，其中p0是参考压力、比如1013mbar的标准压力。所述系数A1-A6、B1-B4为此目的而被保存在电子的控制单元的电子的存储介质中并且接上步骤地用每个另外的所检测到的数值对Ii、pi通过相应的项的合计来修改。而对于所述数值对Ii、pi的持久的保存没有以爱护资源的方式和方法来进行。
随后从所述系数A1-A6、B1-B4中确定所述补偿参数k。为此用牛顿方法来解用于所述编译参数k的三次方程式
Figure 161663DEST_PATH_IMAGE007
。
随后按照公式
Figure 667731DEST_PATH_IMAGE008
计算所述比例因子madap。
在这方面可以强调十分有利的是，用于求取所述补偿参数k和比例因子madap的存储空间占用与为此所使用的数值对Ii、pi的数目无关。
在所述内燃机的随后的第二种运行模式中，用相同的气体传感器来连续地获取气体浓度信号Inom。同时以非固定地预先给定的方式和方法根据来自所述内燃机的运行的要求来打开、部分打开并且关闭所述废气再循环阀。
暴露在所述λ传感器下的测量气体中的氧气浓度、也就是输送给所述内燃机的空气的氧气浓度相应地波动。此外，在所述第二种运行模式中在所述气体传感器的位置处借助于压力传感器所获取的压力信号pmeas波动。
在所述第二种运行模式中所测量的气体浓度信号Inom的基础上，借助于以下公式
Figure 604988DEST_PATH_IMAGE009
始终以高的精度来确定实际上的氧气浓度。
图3示出了按本发明所求取的数值对Ii、pi的另一种实施例，借助于所述数值对同样能够实施所述方法。所述数值对Ii、pi的数目与图2相比大得多。但是，为了确定实际上的氧气浓度而需要的计算开销也随着很多的数值对Ii、pi而仅仅至多与所述数值对的数目成比例地增加。所述计算开销由此可以合适地接上步骤地随着所述数值对Ii、pi的积累而完成。在所述控制器中所需要的存储空间甚至保持不变。

Claims (14)

1.用于用气体传感器（100）来求取测量气体中的气体浓度的方法，其特征在于，
在内燃机的第一种运行模式中-对于所述内燃机来说知道所述测量气体中的气体浓度-检测多个分别由气体浓度信号（Ii）和压力信号（pi）构成的数值对（Ii、pi）并且在这些数值对（Ii、pi）的基础上求取所述气体传感器（100）的补偿参数（k）和比例因子（madap），
并且随后在所述内燃机的第二种运行模式中在所述内燃机的第二种运行模式中所测量的气体浓度信号（Inom）的基础上并且在考虑到所述气体传感器（100）的补偿参数（k）和比例因子（madap）的情况下求取有待确定的气体浓度，
在所述第一种运行模式中作为两个方程式的解来确定所述补偿参数（k）和所述比例因子（madap），其中所述气体浓度信号（Ii）和所述压力信号（pi）仅仅间接地通过系数（A1-A6、B1-B4）进入到所述方程式中，所述系数通过与所述气体浓度信号（Ii）和所述压力信号（pi）有关的项的合计来形成。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的第一种运行模式中所述内燃机的废气再循环阀关闭。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一种运行模式中以优化方法来确定所述补偿参数（k）和所述比例因子（madap），使得下述参量具有最小值：在由相应的气体浓度信号（Ii、pi）或者其倒数与预先给定的函数（I(pi)）或者其倒数构成的差的平方的所有数值对（Ii、pi）上的总和，其中所述预先给定的函数（I(pi)）与所述气体浓度信号（Ii）和所述压力信号（pi）有关并且所述补偿参数（k）和所述比例因子（madap）是所述预先给定的函数（I(pi)）的参数。
4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的第二种运行模式中为求取所述气体浓度而计算预先给定的第二函数（I(pmeas)）的数值，所述预先给定的第二函数与在所述第二种运行模式中所测量的气体浓度信号（INom）和在所述第二种运行模式中所获取的压力信号（pmeas）有关并且所述预先给定的第二函数的参数是所述补偿参数（k）和所述比例因子（madap）。
5.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预先给定的函数（I(pi)）和所述预先给定的第二函数（I(pmeas)）相同。
6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一种运行模式中从所述数值对（Ii、pi）中按照以下条件：
Figure 410641DEST_PATH_IMAGE001
确定所述补偿参数（k）和所述比例因子（madap），并且其中p0是参考压力（p0），k是所述补偿参数（k）并且madap是所述比例因子（madap）并且N是所检测到的数值对（Ii、pi）的数目。
7.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一种运行模式中，作为第一方程式（G1）：
Figure 858940DEST_PATH_IMAGE002
和第二方程式（G2）
Figure 638677DEST_PATH_IMAGE003
的解来确定所述补偿参数（k）和所述比例因子（madap），其中p0是参考压力（p0），k是所述补偿参数（k）并且madap是所述比例因子（madap）并且其中所述系数（A1-A6、B1-B4）按照：
Figure 768307DEST_PATH_IMAGE004
来计算。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一方程式（G1）根据牛顿方法用数字表示的方式来解。
9.按权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的第二种运行模式中为求取所述气体浓度而按照以下公式
Figure 254783DEST_PATH_IMAGE005
计算参量I(pmeas)，其中Inom是在所述第二种运行模式中所获取的气体浓度信号（Inom）并且p0是参考压力（p0）并且k是所述补偿参数（k）并且madap是所述比例因子（madap）。
10.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的第二种运行模式中求取在所述内燃机的进气装置中在废气再循环阀的下游的气体浓度。
11.电子的存储介质，在其上面保存有如下计算机程序，并且其中，所述计算机程序被设立用于实施按前述权利要求中任一项所述的方法的步骤。
12.电子的控制单元，所述电子的控制单元包括按前一项权利要求所述的电子的存储介质。
13.电子的控制单元，所述电子的控制单元包括电子的存储介质，在所述电子的存储介质上保存了计算机程序，所述计算机程序被设立用于实施按权利要求7或8所述的方法的步骤，其特征在于，所述系数（A1-A6、B1-B4）被保存在所述控制单元中。
14.根据权利要求13所述的电子的控制单元，其特征在于，所述系数（A1-A6、B1-B4）被保存在所述电子的存储介质中。
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