CN113196050A - 用于运行用于检测在测量气体中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于运行用于检测在测量气体中、尤其在内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统(100)的方法。所述传感器系统(100)具有用于感测在所述测量气体中的氮氧化物的至少一个第一测量单元(152)和用于感测在所述测量气体中的氨的第二测量单元(156)。所述方法包括：在用于所述测量气体的预先确定的条件中感测所述第一测量单元(152)的第一测量信号值，在用于所述测量气体的预先确定的条件中感测所述第二测量单元(156)的第二测量信号值，确定所述第二测量信号值相对于所述第一测量信号值的偏差值，基于所述偏差值形成修正值，并且基于所述修正值和所述第二测量单元的第二测量信号形成所述第二测量单元的修正的第二测量信号。
Description
背景技术
由现有技术已知用于检测在气体混合物中、尤其是内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的多种方法和传感器，其方式是在存在分子氧时感测通过具有结合氧的测量气体组分的还原产生的氧气的分量。
用于检测气体混合物中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器也简称为NOX传感器或氮氧化物传感器，所述传感器例如在K.,Deitsche,K-H.等(编者)的Kraftfahrtechnisches Taschenbuch，Springer Vieweg，Wiesbaden，2014年，第1338-1347页中描述。
现今使用在车辆技术中的氮氧化物传感器(＝NOX传感器)按照极限电流原理类似于氧传感器、如含氧传感器(Lambda Sensoren)起作用。这种氮氧化物传感器包括也被称为参考电池的能斯特浓度电池、改型的氧泵电池和另外的改型的氧泵电池，该另外的改型的氧泵电池是所谓的NOX电池。暴露给排气的外泵电极和在与排气通过扩散屏障分开的第一空腔中的内泵电极形成氧泵电池。能斯特电极也存在于第一空腔中并且参考电极位于参考气体室中，所述能斯特电极和所述参考电极共同形成能斯特电池。NOX电池包括NOX泵电极和对应电极。NOX泵电极位于第二空腔中，该第二空腔与内部的第一空腔连接并且相对于该第一空腔通过扩散屏障分开。对应电极位于参考气体室中。在第一和第二空腔中的所有电极具有共同的回路导线。
在氮氧化物传感器运行时在所谓的O2电池中将氧气从第一空腔中移除，所述第一空腔通过扩散屏障与排气连接。由此引起的泵电流与在测量气体流或排气流中的环境空气的氧含量成比例。在NOX电池中泵出氮氧化物。在位于第二空腔中的气氛中的氮氧化物NOX通过施加恒定的泵电压还原或分解。通过在第二空腔中的测量气体组分的还原或分解产生的氧气泵出到参考气体室中，所述氧气优选来源于氮氧化物NOX的还原。这样所施加的泵电压针对NOX电池的电阻并且通过氮氧化物NOX或氧气的浓度引起泵电流，该泵电流与氮氧化物NOX或氧气的含量成比例并且显示出NOX测量信号。
为了在现有的具有柴油发动机驱动的汽车中实现NO和NO2的高净化度，使用所谓的SCR技术(SCR＝selective catalytic reduction，选择催化还原)。在此，将含水的尿素溶液在SCR催化器之前喷入到排气管中。该尿素在排气温度时在催化器上分解为氨(NH3)和二氧化碳(CO2)。氨在催化器处与NO和NO2反应生成分子氮N2。在此，对于排气净化的效率有利的是，在一个催化器中或在两个催化器之间或在SCR催化器之后的位置处除了NO浓度和NO2浓度之外选择性地测量NH3浓度。如在K.,Deitsche,K-H.等(编者)的Kraftfahrtechnisches Taschenbuch，Springer Vieweg，Wiesbaden，2014年，第1338-1347页中描述的那样，已知的氮氧化物传感器以二氧化锆技术构造。这些氮氧化物传感器作为主要的测量器件包含陶瓷的传感器元件，所述传感器元件通过集成的加热器加热成650至850℃的范围中的固定的运行温度。由此使掺杂的二氧化锆变成O2离子电导体。测量电池的结构遵循按照双腔原理的已知的结构。这些传感器测量NO、NO2和NH3作为和信号。
测量NO/NO2的传感器能够配备有另外的测量电池，以便测量另外的气体组分。特别有利的是配备有一个或多个测量氨的测量电池。所述传感器可以用于在SCR系统中的改善调节。通过提供另外的测量参量简化用于高效率的排气净化的调节。
虽然由现有技术已知的传感器系统以及用于运行该传感器系统的方法具有优点，所述传感器系统具有用于感测氮氧化物的第一测量单元或测量电池和用于感测氨的第二测量单元或测量电池，但该传感器系统仍包含改善潜力。能够检测在排气中的NH3的测量电池例如构造有混合电势电极，该混合电势电极相对于例如由铂制造的平衡电极产生电化学电势。对于混合电势电极已知的是，所述混合电势电极在运行时间期间并且在排气中承受老化。这导致，信号在运行持续期间改变，通常减小。由此可能产生通常达到50％的测量误差。
发明内容
因此，提出一种用于运行用于检测在测量气体中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统的方法，所述方法至少在很大程度上避免用于运行该传感器系统的已知方法的缺点并且在所述方法中在感测氨时由于电极老化所引起的测量误差可以明显减少或避免。
在根据本发明的用于运行用于检测在测量气体中、尤其在内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统的方法中，传感器系统具有用于感测测量气体中的氮氧化物的至少一个第一测量单元和用于感测测量气体中的氨的第二测量单元，所述方法包括下列步骤，这些步骤优选以所说明的顺序进行：
-在用于测量气体的预先确定的条件中感测第一传感器的第一测量信号值，
-在用于测量气体的预先确定的条件中感测第二传感器的第二测量信号值，
-确定第二测量信号值相对于第一测量信号值的偏差值，
-基于偏差值形成修正值，并且
-基于修正值和第二传感器的第二测量信号形成第二传感器的修正的第二测量信号。
基本思想是，利用NOX传感器针对NH3的已知敏感性来获取修正值。这样可以针对马达和由此排气系统的事先确定的运行状态或由马达控制器中的不同信息的可信度测试推导出，在排气系中是否存在NO和NO2。如果这可以排除掉或者这些组分仅以可忽略的量存在并且同时在测量NOX(NOX＝NO+NO2)的传感器部件以及同时在测量NH3的传感器部件处探测到信号，由此推断出涉及NH3。现在可以将来自测量NH3的传感器部件的信号与测量NOX的传感器部件的那个信号相比较。如果NH3传感器信号的NH3等效特征曲线不同于NOX传感器的NH3等效特征曲线，那么获取偏差系数，计算出修正值并且自此开始作为修正系数应用到NH3信号上。由此能够以简单的方式减小或避免NH3测量单元或测量电池的测量误差。
在扩展方案中，预先确定的条件是低于在测量气体中的氮氧化物的分量的阈值。相应地，当例如通过马达控制器识别出以下运行状态，在所述运行状态中在排气系中不存在NOX或仅存在可忽略的量的NOX，例如在马达控制器中或在传感器控制器中实施修正功能。
在扩展方案中，对于氮氧化物的阈值是在测量气体中的氨的分量的20％并且优选是7％。这显示了优选的阈值，所述方法直至该阈值可以可靠地实施。
在扩展方案中，修正值通过第二测量信号值除以第一测量信号值并且随后形成倒数来形成。由此能够在没有大的耗费的情况下形成修正值。
在扩展方案中，修正的第二测量信号通过第二测量信号与修正值相乘来形成。由此能够以简单的方式修正第二测量信号。
在扩展方案中，如果第二测量信号值相对于第一测量信号值的偏差值超过针对偏差值预先确定的阈值、尤其是超出信号在10％和50％之间、优选在10％和25％之间的分量，那么形成修正值。由此确保，修正仅基于电极的明显的老化误差进行。
在扩展方案中，第一测量单元和第二测量单元布置在同一个传感器元件中。例如将如由上面提到的现有技术已知的氮氧化物传感器扩展出另外的测量单元或测量电池。
替代地，第一测量单元布置在第一传感器元件中并且第二测量单元布置在第二传感器元件中，其中，第一传感器元件不同于第二传感器元件，其中，第一传感器元件和第二传感器元件布置在单个传感器中。换言之，将两个分开的传感器元件安装在单个传感器中。
替代地，第一测量单元布置在第一传感器元件中并且第二测量单元布置在第二传感器元件中，其中，第一传感器元件不同于第二传感器元件，其中，第一传感器元件布置在第一传感器中并且第二传感器元件布置在第二传感器中，其中，第一传感器不同于第二传感器，其中，第一传感器和第二传感器彼此相邻地布置在测量气体中。换言之，第一传感器和第二传感器是物理上分开构造的传感器，所述传感器彼此相邻地暴露给要测量的气体混合物。
在扩展方案中，测量气体是内燃机的排气，其中，传感器系统与内燃机的马达控制器连接，其中，当马达控制器将触发信号发送给传感器系统时实施所述方法。由此所述方法的实施仅基于马达控制器的要求进行，从而确保存在预先确定的条件。
在扩展方案中，测量气体是内燃机的排气，其中，使用修正的第二测量信号来控制或调节喷入到排气中的尿素溶液的量。例如在SCR配量控制器中实施修正功能以用于控制或调节尿素溶液喷入量。
此外，提出一种计算机程序，所述计算机程序设置成用于实施根据本发明的方法的每个步骤。
此外，提出一种电子存储介质，在该电子存储介质上存储有用于实施根据本发明的方法的计算机程序。
本发明还包括一种电子控制器，该电子控制器包含具有用于实施根据本发明的方法的所述计算机程序的根据本发明的电子存储介质。
最后，本发明也涉及一种用于检测在测量气体中、尤其在内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统，包括用于感测测量气体中的氮氧化物的至少一个第一测量单元和用于感测测量气体中的氨的第二测量单元，其中，传感器系统还具有这种电子控制器。
在本发明的框架下，固体电解质理解为具有电解特性、即具有导离子特性的物体或对象。尤其可以涉及陶瓷固体电解质。这也包括固体电解质的原材料并且因此包括作为所谓的生坯件或褐色件(Braunling)的形成，所述生坯件或褐色件在烧结之后才变成固体电解质。尤其地，固体电解质可以构造为固体电解质层或由多个固体电解质层构造。在本发明的框架下，层理解为在一定高度的平面延展中的统一质量，所述质量位于另外的元件上面、下面或之间。
在本发明的框架下，电极通常理解为以下元件，该元件能够接触固体电解质，使得通过固体电解质和电极可以维持电流。与此相应地，所述电极可以包括以下元件，在该元件处可以将离子嵌入到固体电解质中和/或从固体电解质拆出。典型地，所述电极包括贵金属电极，该贵金属电极例如可以作为金属陶瓷电极施加在固体电解质上或者能够以该方式与固体电解质连接。典型的电极材料是铂金属陶瓷电极。但原则上也可以使用另外的贵金属、例如金或钯。
在本发明的框架下，加热元件理解为以下元件，所述元件用于将固体电解质和电极至少加热到其功能温度并且优选加热到其运行温度。功能温度是以下温度：从该温度起固体电解质变得导离子并且所述温度大约为350℃。与此不同地，运行温度是以下温度，通常在该温度中运行传感器元件并且所述温度高于功能温度。运行温度例如可以为500℃至950℃。加热元件可以包括加热区域和至少一个供应轨(Zuleitungsbahn)。在本发明的框架下，加热区域理解为加热元件的区域，该区域在层构造中沿着垂直于传感器元件的表面的方向与电极重叠。通常，加热区域在运行期间比供应轨更强烈地加热，使得这些区域是可以区分的。不同的加热例如可以通过以下方式实现：加热区域具有比供应轨高的电阻。加热区域和/或供应轨例如构造为电阻轨并且通过施加电压而加热。加热元件例如可以由铂金属陶瓷制造。
附图说明
本发明的其他可选细节和特征由下面对优选实施例的描述得出，所述优选实施例在附图中示意性示出。
附图示出：
图1根据本发明的传感器系统的原理性构造，
图2根据本发明的方法的流程图
具体实施方式
图1示出根据本发明的传感器系统100的原理性构造，该传感器系统特别适用于实施根据本发明的方法。传感器系统100设置成用于检测在气体混合物、例如内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分、下面例如被称为氮氧化物NOX的至少一个分量。
为此，传感器系统100包括第一传感器元件110。第一传感器元件110包括第一泵电池112，该泵电池构造在外泵电极114和内泵电极116之间。在这里，借助于多孔的氧化铝层118与第一传感器元件110的环境分开的外泵电极114具有第一导电连接部120，通过所述第一导电连接部能够在第一泵电池112中产生第一泵电流IP1。为此，第一导电连接部120与外部电子控制器122的接头P1连接。为了得到完整的回路，内泵电极116同样具有第二导电连接部124，该第二导电连接部导向至外部电子控制器122的共同的接头COM。第一泵电池112位于第一空腔126上面，该第一空腔位于第一传感器元件110内部并且与测量气体连接。通过在第一泵电池112中产生第一泵电流IP1，能够使由气体混合物中的分子氧形成的氧离子的第一分量在第一空腔126和传感器100的环境之间传输。在从环境至第一空腔126的进入路径中存在扩散屏障128。
第一传感器元件110还具有能斯特电池(elektrische Nernstzelle)130，该能斯特电池具有能斯特电极132和参考电极134。能斯特电极132通过第二导电连接部124与内泵电极116一起使用共同的接头COM，而参考电极134具有分开的导电连接部136，该分开的导电连接部通向外部电子控制器122的用于能斯特电压VS的接头VS。能斯特电池130位于参考气体室138上。测量气体室126和/或传感器100的环境中的氧离子的第二分量通过在接头VS和共同的接头COM之间施加参考泵电流传输到参考气体室138中。在这里，这样调节用于参考泵电流的值，使得在参考气体室138中产生氧离子的确定分量。优选地，在上下文中也这样调节用于第一泵电流IP1的值，使得得到在测量气体室126中的氧离子的第一分量和在参考气体室138中的氧离子的第二分量之间的确定比例。
在气体混合物中还包含的测量气体组分、具有结合氧的氮氧化物NOX尤其通过扩散尽可能不受影响地达到第一传感器元件110的第二泵电池140中，该第二泵电池也可以被称为“NOX泵电池”。第二泵电池140具有NOX泵电极142和NOX对应电极144并且紧邻在第一传感器元件110内部的第二空腔145。这两个电极、NOX泵电极142和/或NOX对应电极144中的至少一个电极这样构型，使得在施加电压时可以借助于催化从测量气体组分NOX产生另外的分子氧，所述另外的分子氧在第二泵电池140中形成。
NOX泵电极142具有导电连接部146，所述导电连接部引导至共同的接头COM，而NOX-对应电极144具有导电连接部146，通过所述导电连接部可以将第二泵电流IP2施加到第二泵电池140上。为此，导电连接部146与外部电子控制器122的接头P2连接。在将第二泵电流IP2施加到第二泵电池140上时，将已经由另外的分子氧形成的另外的氧离子的分量传输到参考气体室138中。第二空腔145与第一空腔126通过扩散屏障147分开。此外，第一传感器元件110具有加热元件148，该加热元件借助于两个输入管线150与控制器122的接头HTR+和HTR-连接，通过所述输入管线可以将加热电流引入到加热元件148中，所述加热元件可以借助于产生加热功率使第一传感器元件110达到期望的温度。第二泵电池140构造为测量电池或测量单元152以用于感测在测量气体中的氮氧化物。
传感器系统100还包括第二传感器元件154。第二传感器元件154包括第二测量电池或测量单元156以用于感测在测量气体中的氨。为了该目的，第二测量单元156具有至少一个混合电势电极158和平衡电极160。平衡电极160例如由铂制造。混合电势电极158相对于平衡电极160产生电化学电势。第二传感器元件154可以与电子控制器连接。替代地，第二传感器元件154与自身的控制器连接。
如在图1中可看出，第二传感器元件154布置在第一传感器元件110中，使得第一测量单元152和第二测量单元156集成。明确强调的是，第一传感器元件110和第二传感器元件154可以彼此分开地存在。此外明确强调的是，第二传感器元件154和第一传感器元件110可以布置在一个传感器中，并且例如由共同的传感器壳体包围。此外明确强调的是，第一测量单元152和第二测量单元156可以布置在彼此分开的传感器中，所述传感器彼此相邻地暴露给测量气体。
图2示出根据本发明的用于运行传感器100的方法的流程图。首先在步骤S10中收集数据，所述数据包含关于测量气体的信息或者可以基于所述数据获得关于测量气体的信息。在示出的实施例中，获取内燃机和内燃机的排气系统的数据。在步骤S12中分析评价这些数据。在示出的实施例中，分析评价内燃机和内燃机的排气系统的数据。
在步骤S14中，参照分析评价的数据检查，是否存在或满足用于测量气体的预先确定的条件。在示出的实施例中，预先确定的条件是低于在测量气体中的氮氧化物的分量的阈值。换言之，检查在测量气体或排气中的氮氧化物浓度是否足够低。为了该目的，所述阈值可以在测量气体中的氨的分量的20％和优选7％之间。如果在步骤S14中超过所述阈值并且在测量气体或排气中的氮氧化物浓度因此不足够低，那么返回步骤S12。如果在步骤S14中低于所述阈值并且在测量气体或排气中的氮氧化物浓度因此足够低，那么继续至步骤S16。对于提前确定的马达和由此排气系统的运行状态或者由马达控制器中的不同信息的可信度测试可以推导出，在排气系中是否存在NO和NO2。如果这可以在步骤S14中推断出并且同时探测到测量NOX的第一测量单元152处的信号以及同时探测到测量NH3的第二测量单元的信号，那么由此得出，所述信号涉及NH3。
在步骤S16中将第一测量单元152的第一测量信号值和第二测量单元156的第二测量信号值相互比较。在此，确定第二测量信号值相对于第一测量信号值的偏差值。这样可以将测量NH3的第二测量单元156的信号与测量NOX的第一测量单元152的信号进行比较。如果第二测量单元156的NH3等效特征曲线
不同于第一测量单元152的NH3等效特征曲线，那么获得偏差值。在不存在或仅存在可忽略的量的氮氧化物时，获得第二测量信号值和第一测量信号值的差。
在步骤S18中检查，第二测量信号值相对于第一测量信号值的偏差值是否超过用于偏差值的预先确定的阈值，例如在10％和50％之间的分量并且优选在10％和25％之间的分量。如果不是这种情况，那么由此可以推断出，第二测量单元156没有老化或者仅稍微老化并且因此不存在第二测量单元156的测量信号的修正需求。因此，在低于用于偏差值的阈值时返回步骤S12。在超过用于偏差值的阈值时可以推断出第二测量单元156的老化并且因此推断出第二测量单元156的测量信号的修正需求。因此，在超过用于偏差值的阈值时继续至步骤S20。在步骤S20中基于偏差值形成修正值。修正值通过第二测量信号值与第一测量信号值相除并且随后形成倒数来形成。
在步骤S22中，例如在电子控制器122中存储这样形成的修正值。在步骤S24中基于修正值和第二测量单元156的第二测量信号形成第二测量单元156的修正的第二测量信号。修正的第二测量信号通过第二测量信号与修正值相乘形成。换言之，此时修正值作为修正系数应用到第二测量单元156的NH3信号上。
可以实施所述方法，其方式是，传感器系统100与内燃机的马达控制器连接，其中，当马达控制器将触发信号发送给传感器系统100时执行所述方法。修正的第二测量信号可以用于控制或调节喷入到排气中的尿素溶液的量。
Claims (15)
1.用于运行用于检测在测量气体中、尤其在内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统(100)的方法，其中，所述传感器系统(100)具有用于感测在所述测量气体中的氮氧化物的至少一个第一测量单元(152)和用于感测在所述测量气体中的氨的第二测量单元(156)，其中，所述方法包括：
-在用于所述测量气体的预先确定的条件中感测所述第一测量单元(152)的第一测量信号值，
-在用于所述测量气体的预先确定的条件中感测所述第二测量单元(156)的第二测量信号值，
-确定所述第二测量信号值相对于所述第一测量信号值的偏差值，
-基于所述偏差值形成修正值，并且
-基于所述修正值和所述第二测量单元的第二测量信号形成所述第二测量单元的修正的第二测量信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预先确定的条件是低于在所述测量气体中的氮氧化物的分量的阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，氮氧化物的所述阈值是在所述测量气体中的氨的分量的20％并且优选是7％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述修正值通过所述第二测量信号值除以所述第一测量信号值并且随后形成倒数来形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述修正的第二测量信号通过所述第二测量信号与所述修正值相乘来形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，只有在所述第二测量信号值相对于所述第一测量信号值的所述偏差值超过用于所述偏差值的预先确定的阈值、超过在10％和50％之间的分量并且优选超过在10％至25％之间的分量时才形成所述修正值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述第一测量单元(152)和所述第二测量单元(156)布置在单个传感器元件中。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述第一测量单元(152)布置在第一传感器元件(110)中并且所述第二测量单元(156)布置在第二传感器元件(154)中，其中，所述第一传感器元件(110)不同于所述第二传感器元件(154)，其中，所述第一传感器元件(110)和所述第二传感器元件(154)布置在单个传感器中。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述第一测量单元(152)布置在第一传感器元件(110)中并且所述第二测量单元(156)布置在第二传感器元件(154)中，其中，所述第一传感器元件(110)不同于所述第二传感器元件(154)，其中，所述第一传感器元件(110)布置在第一传感器中并且所述第二传感器元件(154)布置在第二传感器中，其中，所述第一传感器不同于所述第二传感器，其中，所述第一传感器和所述第二传感器彼此相邻地布置在所述测量气体中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述测量气体是内燃机的排气，其中，所述传感器系统(100)与所述内燃机的马达控制器连接，其中，当所述马达控制器将触发信号发送给所述传感器系统(100)时实施所述方法。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述测量气体是内燃机的排气，其中，所述修正的第二测量信号用于控制或调节喷入到所述排气中的尿素溶液的量。
12.计算机程序，该计算机程序设置成用于实施根据前述权利要求中任一项所述的方法的每个步骤。
13.电子存储介质，在该电子存储介质上存储有根据前一权利要求所述的计算机程序。
14.电子控制器(122)，该电子控制器包括根据前一权利要求所述的电子存储介质。
15.用于检测在测量气体中、尤其在内燃机的排气中的具有结合氧的测量气体组分的至少一个分量的传感器系统(100)，包括用于感测在所述测量气体中的氮氧化物的至少一个第一测量单元(152)和用于感测在所述测量气体中的氨的第二测量单元(156)，其中，所述传感器系统(100)还具有根据前一权利要求所述的电子控制器(122)。
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