CN1788197A - 测量多种废气成分的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废气测量系统，其具有：测量传感器(1)，该测量传感器具有：外电极(6)，两个测量单元(4，8)，环境空气的参考电极(11)；该系统还包括电路，该电路将氧离子泵送到测量单元(4)和外电极(6)之间的泵电流(Ip0，Ip1，Ip2)中；所述电路包括控制单元(C)，它检测了在测量单元(4、8)和参考电极(11)之间的能斯特电压(V0，V1，V2)，并在评估或分析所检测的能斯特电压(V0，V1，V2)之后将第二泵电流(Ip1)调节到一个预期值，所述控制单元(C)可以在第一运转模式和第二运转模式之间切换，其中第一运转模式中的第二泵电流(Ip1)的预期值比第二运转模式中高，在第一运转模式中，通过第三泵电流(Ip2)检测氧化物含量，在第二运转模式中，利用第一泵电流(Ip0)检测废气的氧气含量或λ值。

Description

测量多种废气成分的装置和方法

本发明涉及到一种气体测量系统，该气体测量系统具有：测量内燃机的废气的测量传感器，该测量传感器包括：暴露于待测量废气之中的外电极，第一测量单元，与第一测量单元相连接的并在其中设置有测量电极的第二测量单元，暴露于环境空气之中的参考电极，其中测量单元位于固体电解质之中并且所有电极都与固体电解质接触；该气体测量系统还具有电路，该电路将氧离子泵送到或者说泵吸到第一测量单元和外电极之间的第一泵电流中，以及将氧离子泵送到第二测量单元和外电极之间的第二泵电流中，以及将氧离子泵送到测量电极和外电极之间的第三泵电流中，该电路包括控制单元，该控制单元检测测量单元和参考电极之间的能斯特电压，并在评估或者说分析该测量的能斯特电压之后将第二泵电流调整到预期值。本发明还涉及到用于测量内燃机废气的测量传感器的运行方法，该测量传感器具有：暴露于待测量废气之中的外电极，第一测量单元，与第一测量单元相连接并在其中设置有测量电极的第二测量单元，暴露于环境空气中的参考电极，其中测量单元位于固体电解质之中并且所有的电极都和固体电解质接触，以及还用于操作电路，该电路将氧离子泵送到第一测量单元和外电极之间的第一泵电流中，以及将氧离子泵送到第二测量单元和外电极之间的第二泵电流中，以及将氧离子泵送到测量电极和外电极之间的第三泵电流中，其中，测量单元和参考电极之间的能斯特电压被检测记录，并在对该检测的能斯特电压进行评估或者说分析之后将第二泵电流调整到预期值。

这种具有测量传感器和电路的系统通常用于测量内燃机废气中的NOx浓度，就像例如EP 0 816 836 A2中所描述的一样。该系统的测量传感器具有在由能够传导氧离子的氧化锆制成的一个本体中的两个测量单元。电路在此实现以下测量原理：在通过扩散障被提供有测量气体的第一测量单元中，借助于第一氧离子泵电流设定到第一氧气浓度，其中应尽可能地使得NOx没有分解。在通过另一个扩散障和第一测量单元相连接的第二测量单元中，借助于第二氧离子泵电流继续降低其氧含量。为了设定氧离子泵电流，电路采集各个测量单元中的能斯特电压，其中总是参考氧含量，参考电极通常暴露在其中，通常是环境空气的氧中。此外，第二氧离子泵电流和测量单元的能斯特电压被控制到预期值上。

第二测量单元中的测量电极处的NOx的分解引发了第三氧离子泵电流，它是用于NOx浓度的度量参数。借助于电加热器整个测量传感器在这里被加热到比较高的高温，比如750℃。

所提及的NOx测量系统能够检测废气中的氧化物。然而它不足以适用于其它的气体成分或气体参数。到目前为止，对于这样的成分必须使用单个的传感器。特别对于汽车技术领域更是如此，在该领域中如所公开的那样，为了测量氧气，除了所提及的NOx测量系统外，还要安置单独的氧气传感器或λ传感器。由于使用多个传感器而产生成本显然是不希望的。

因此本发明的目的在于，改进开始所提到的测量系统，不需要附加的传感器成本就可以检测多种气体成分。

根据本发明，这个目的通过开始时所提到类型的废气测量系统被实现，其中电路的控制单元可以在第一和第二运转模式中切换，其中，在第一运转模式中第二泵电流的预期值比第二运转模式更高一些，并且其中在第一运转模式中从第三泵电流的值得出气体中氧化物含量的测量信号，在第二运转模式中从第一泵电流得出废气中氧气含量或λ值的测量信号。该目的还通过开始时所提到类型的用于检测废气的测量传感器的运转方法实现，其中提供有第一运转模式和第二运转模式，其中在第一运转模式中，将第二泵电流的预期值选择为比第二运转模式中更高一些，其中，在第一运转模式中，从第三泵电流值中得出气体中氧化物含量的测量信号，在第二运转模式中，从第一泵电流值中得出废气的氧气含量或λ值的测量信号。

根据本发明，一个用于测量废气氧化物含量(比如NOx)的已知的传感器在两个不同的运转模式中运转，这样借助简单的运转模式的切换，就可以利用一个测量传感器检测两个物质的(成分的)废气参数。这里根据本发明可知，同时测量两种气体成分的方式被放弃了。但是这种乍看起来是有缺点的装置，却首次允许低成本高精度地测量两种组成成分。因此如果这里可以非常快地进行切换，那么对于很多使用场合就可以达到准同步的测量。

为了选择当前所测量的废气成分，电路合适地提供了对测量传感器的控制，如EP 0 816 836 A2或DE 199 07 947 A1的例子所描述的一样。

本发明这里应用了由发明人首次获得的知识，即如果泵电流设定为一个值，那么在第一测量单元中就可以获得高精度的氧气含量或λ值的量度，但是该泵电流预期值却使得第二单元中不可能获得令人满意的氧化物测量。同时，为了在第二测量单元中获得足够精确的氧化物浓度测量，在测量传感器的第一测量单元中必需是稀薄的，即低氧的气体混合物，这样还要在第二测量单元中检测的氧化物就不会在那里还原或说减少。因此，对于氧化物测量而言，第一测量单元中的混合气体没有完全进行化学反应，因而其还包含氮氧化物。因此，在实现第二测量单元中氧化物的最佳测量的条件下时，在第一测量单元中可能会产生可避免的氧浓度或λ值测量的大的误差。

通过根据本发明选择来自第二测量单元的第二泵电流的预期值，从而在两个运转模式下，均能达到测量相应的废气成分(氧气或者说λ或氧化物)的最佳条件。本发明借助时间上分开的测量方法取代了现有技术的目前力求同时准确测量氧气含量或者说λ值的方法。此时在汽油内燃机的情况下测量的是废气的λ值，以及在柴油内燃机的情况下测量的是氧气含量。氧离子泵电流在两种情况下产生类似地流动，但各自方向相反(对于柴油内燃机是流入测量单元，对于汽油内燃机是流出测量单元)。

为了在第二种运转模式中对于氧气含量或者说λ值尽可能精确地测量，有利的是，在第一测量单元中，将能斯特电压相对于参考电极设定到一定的预期值。在预期值为450mV的时候，达到最佳点，此时会得出最大测量精度。因此优选是这样一个废气测量系统的改进方案，其中，在第二运转模式下，控制单元将第一测量单元和参考电极之间的能斯特电压控制到一个预期值上，特别是450mV。对于运转方法而言，相类似的有利的改进方案是，在第二运转模式中，在第一测量单元和参考电极之间的能斯特电压控制到一个预期值，特别是450mV。

可选择或者附加的是，在根据本发明的废气测量系统里，为了精确地测量氧含量或者λ值，控制单元利用第一和第二泵电流进行主导控制，以控制第一测量单元与参考电极之间的能斯特电压。对于运转方法而言，当利用第一和第二泵电流控制在第一测量单元和参考电极之间的能斯特电压而实现了主导控制时，也能实现同样的优点。

运转模式之间的切换可以根据预定的时间模式来实现。然而如果运转模式之间的切换根据另外一个没有导致固定的时间顺序的标准进行，测量系统就必须精确地显示，测量了哪一个废气参数。因此，这导致了有利的废气测量系统的有利的设计，其中电路给出输出信号，该输出信号包括物质参数或者说成分参数(氧化物或氧气或者说λ)的测量信号和显示运转模式信号或者被测量的物质参数的部分。如果给出一个输出信号，该输出信号包括显示废气成分浓度的部分和显示运转模式或者测量的废气成分的部分，那么根据本发明的运转方法就实现了类似的优点。

运转模式之间的切换能够在废气测量系统中独立进行，例如实现时间上预定的切换。但是如果废气测量系统的电路具有用于在第一和第二运转模式之间切换的控制输入端的话，则对于一些应用是非常有利的。

以下参考附图对本发明进行进一步的解释。这唯一的图表示出了通过带有所属布线的NOx测量传感器的剖面示意图。

所示出的NOx测量传感器M检测内燃机废气的两个废气参数，即NOx浓度和氧气含量(在柴油系统)或者说λ值(在汽油系统或者说点火式系统中)。测量传感器M与电路一起构成了可以在两个运转模式中工作的测量系统1，其中该电路另外包括一个在实施例中设计为控制器的控制设备C。在第一运转模式中测量内燃机废气的NOx浓度，在第二运转模式中测量内燃机废气的氧气含量或者说λ值。运转模式根据控制设备C在测量传感器M处设定的电变量来进行区分。

由固体电解质2例如ZrO2组成的测量传感器M经由扩散障3接收将被测量的废气，废气的NOx浓度和/或氧气含量或者说λ值将被确定。整个测量传感器M被电加热器13加热到工作温度。废气通过扩散障3扩散到第一测量单元4中。该测量单元4(Messzelle)中气体的氧气含量或者说λ值通过采集第一电极5和参考电极11之间的第一能斯特电压V0而被测量，其中第一电极5在第一测量单元4中，参考电极11设置在参考单元12(Referenzzelle)中。参考单元12相对于环境空气几乎被封闭，其中在环境压力变化时采取合适的措施来实现压力均衡。

通过第一电路布置，在第一测量单元4中设定了预定的氧气浓度。为此，第一能斯特电压V0被一个通过控制设备C实现的调节器采集，该调节器提供了一个驱动电压Vp0，该电压通过测量传感器M的固体电解质2在第一电极5和外电极6之间驱动了第一氧离子泵电流Ip0。因此，在第一测量单元4中存在一个预定氧气浓度，它通过在电极5和参考电极11之间的能斯特电压V0被测量。通过一个测量电阻R0m和一个电压表V0m实现对于调节或说控制所必需的第一氧离子泵电流Ip0的测量。例如，这个通过一个带有内阻的A/D变流器(Wandler)实现。

第二测量单元8和第一测量单元4通过另一扩散障7连接起来。通过扩散障7，位于第一测量单元4中的气体扩散到第二测量单元8中。

在第二测量单元中，第二电路布置设定了第二氧气浓度。为此，在第二电极9和参考电极11之间的第二能斯特电压V1被采集，并传送给再次以控制设备C的形式实现的调节器，该调节器提供了第二驱动电压Vp1，利用该第二驱动电压Vp1，第二氧离子泵电流Ip1被从第二测量单元8驱动出，第二测量单元8中的氧气浓度进一步减少。这里为了调节第二氧离子泵电流Ip1也使用了一个测量电阻R1m和电压表V1m。

控制设备借助第二电路布置调节第二氧离子泵电流Ip1，从而使得在第二测量单元8中设定了一个预定的氧气浓度。

根据运转模式的不同，进行的所提及的泵电流的调节也不同。为了在第一运转模式中能够对氧化物比如NOx测量，第一测量单元中的预定氧气浓度选择为可使得在前述操作中NOx没有被影响，特别是没有被分解。接着NOx被泵送至设计为具有催化作用的测量电极10处的第二测量单元8中，从测量电极10向外电极6泵送，在第三氧离子泵电流Ip2中。在第一运转方式中，测量单元8中的剩余氧气含量大幅度地降低，使得第三氧离子泵电流Ip2基本上仅由测量电极10处的NOx的分解的所产生的氧离子所携带，第三泵电流Ip2是测量单元8中和进而是所测量废气中的NOx浓度的量度。

第三氧离子泵电流Ip2通过测量电阻R2m和电压表V2m被测定出来，如先前来自驱动电压(在这种情况下是指Vp2)的泵电流一样，被控制设备C预先确定，它采集测量电极10和参考电极11之间的第三能斯特电压V2。

对于第一运转模式，第二和第三能斯特电压V1和V2以及第三泵电流Ip1被调节到恒定的值。这通过改变第一和第三泵电流Ip0和Ip2来实现。为了足够精确地检测NOx浓度，控制设备C在测量传感器M的第一测量单元4中调整出稀薄的混合气，这样就不会发生氮氧化物的还原，借此使第一单元中的混合气不进行完全的化学反应，并仍然含有氮氧化物。

对于第一运转模式，为了检测氮氧化物，第一泵电流Ip0被调整为使得V1和Ip1的预期值被维持。第三泵电流Ip2被调整为使得V2的预期值被维持。

对于第二运转模式，控制设备C控制第二能斯特电压V1以及第二泵电流Ip1的预期值，从而使得第一测量单元4中的另一预设的第一能斯特电压V0被调整，优选的值为450mV。第一泵电流Ip0用于废气的氧气含量或λ值的度量参数，根据设计类型甚至特别是线性的取决于测量变量。

为了使第一泵电流Ip0作为足够精确的氧气含量或者说λ值的度量参数，也可以在第一测量单元4中进行主导控制，其中第一能斯特电压V0用作控制信号。

对于第二运转模式，为了检测氧气含量或者说λ值，第一泵电流Ip0被调整为使得V1、Ip1的阀值被维持，因而使V0显示化学计量比例如450mV。第三泵电流Ip2是不必要的。或者直接实现Ip0-V0调节(比如在450mV)，就像线性的λ探测器一样。

控制设备C具有一个两部分的输出端。在输出端的第一部分信号出现信号，它显示了运转模式，例如所测量气体的编码信号。在输出端A的第二部分给出所显示信号的浓度值。通过输入端S在控制设备C处能够进行运转模式的调节。可以选择地或附加地，例如由内燃机的控制设备，通过输入端S，输入气体测量系统测量废气参数(氧化物含量或氧含量或者说λ值)的测量需求。通过输入端S的输入可以是模拟的或数字实现的，就像输出端A可以导出模拟信号或数字信号一样。

Claims (9)

1.一种气体测量系统，其具有：检测内燃机废气的测量传感器(1)，该测量传感器具有：暴露于待测量废气中的外电极(6)，第一测量单元(4)，与第一测量单元(4)相连接的并且其中布置有测量电极(10)的第二测量单元(8)，暴露于环境空气中的参考电极(11)，其中所述测量单元(4、8)位于固体电解质(2)中，并且所有的电极(10、11)与固体电解质(2)接触；以及，该气体测量系统还包括一个电路，所述电路将氧离子泵送到第一测量单元(4)和外电极(6)之间的第一泵电流(Ip0)中，以及将氧离子泵送到第二测量单元(8)和外电极(6)之间的第二泵电流(Ip1)中，以及将氧离子泵送到测量电极(10)和外电极(6)之间的第三泵电流(Ip2)中，所述电路包括控制单元(C)，它检测了在测量单元(4、8)和参考电极(11)之间的能斯特电压(V0，V1，V2)，并在评估测量的能斯特电压(V0，V1，V2)之后将第二泵电流(Ip1)调整到一个预期值，其特征在于，所述控制单元(C)可以在第一运转模式和第二运转模式之间切换，其中第一运转模式中的第二泵电流(Ip1)的预期值比第二运转模式高，以及其中所述控制单元(C)在第一运转模式中从第三泵电流(Ip2)的值中得出废气中氧化物含量的测量信号，在第二运转模式中从第一泵电流(Ip0)中得出一个废气的氧气含量或λ值的测量信号(7)。

2.根据权利要求1所述的气体测量系统，其特征在于，所述控制单元(C)在第二运转模式中将第一测量单元(4)和参考电极(11)之间的能斯特电压(V0)调整到一个预期值，特别是450mV。

3.根据权利要求2所述的气体测量系统，其特征在于，所述控制单元(C)利用第一和第二泵电流(Ip0，Ip1)实现了主导控制，以用于控制第一测量单元(4)和参考电极(11)之间的能斯特电压(V0)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的气体测量系统，其特征在于，所述控制单元(C)给出一个输出信号(A)，所述输出信号包括显示废气成分含量的部分和显示运转模式的或者显示被测量的废气成分的部分。

5.根据上述权利要求中任一项所述的气体测量系统，其特征在于，通过控制输入端(S)来实现在第一和第二运转模式之间的切换。

6.一种用于检测内燃机废气的测量传感器(1)的运行方法，所述测量传感器具有一个暴露于被测量废气中的外电极(6)，第一测量单元(4)，与第一测量单元(4)相连接的并其中设置有测量电极(10)的第二测量单元(8)，暴露于环境空气中的参考电极(11)，其中测量单元(4、8)位于固体电解质(2)中，并且所有的电极(10、11)都与固体电解质(2)接触；以及，一个电路，所述电路包括第一电路布置、第二电路布置、第三电路布置，其中第一电路布置将氧离子泵送到第一测量单元(4)和外电极(6)之间的第一泵电流(Ip0)中，第二电路布置将氧离子泵送到第二测量单元(8)和外电极(6)之间的第二泵电流(Ip1)中，以及第三电路布置将氧离子泵送到测量电极(10)和外电极(6)之间的第三泵电流(Ip2)中；其中对测量单元(4、8)和参考电极(11)之间的能斯特电压值(V0，V1，V2)进行检测，并将所检测到的能斯特电压(V0，V1，V2)进行评估之后，将第二泵电流(Ip1)控制到一个预期值，其特征在于，提供有第一和第二运转模式，其中，在第一运转模式下，第二泵电流(Ip1)的预期值比在第二运转模式下要高，其中在第一运转模式中从第三泵电流(Ip2)的值中得出一个气体中氧化物含量的测量信号，在第二运转模式中从第一泵电流(Ip0)中得到废气中氧气含量或λ值的测量信号(7)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在第二运转模式中将所述第一测量单元(4)和所述参考电极(11)之间的能斯特电压(V0)控制到预期值，特别是450mV。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，借助第一和第二泵电流(Ip0，Ip1)进行主导控制，用于控制第一测量单元(4)和参考电极(11)之间的能斯特电压(V0)。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，给出一个输出信号(A)，所述输出信号包括一个显示废气成分浓度的部分和一个显示运转模式的部分或者显示被测量的废气成分的部分。

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