CN201502442U - 自校准传感器系统及包含该系统的车用系统和车辆 - Google Patents

自校准传感器系统及包含该系统的车用系统和车辆 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及自校准传感器系统及包含该系统的车用系统和车辆。具体提供一种车辆包括发动机、增压器、排气传感器和排气传感器的自校准装置。在希望进行传感器校准检查时控制单元开启阀以便使传感器的感测元件经受具有已知气体浓度的气体的供给。比较来自传感器的气体浓度信号与已知浓度值，结果用于重新校准传感器。气体的供给可以直接从增压器接收或从可选的储存器接收。本实用新型特别适用于由柴油发动机提供动力的车辆中的通用排气氧传感器。本实用新型有利地允许排气传感器自动地进行自校准以在整个使用寿命期间保持高敏感度，从而增加系统精度。

Description

自校准传感器系统及包含该系统的车用系统和车辆
技术领域
本实用新型涉及汽车中的自校准传感器系统，更具体地，涉及用在车辆排气系统中的自校准传感器系统及包含该系统的车用系统和车辆。
背景技术
由于政府对车辆排放的规定日益严格，已使用排气传感器以确保车辆在排放标准之内。为此，目前美国的多数汽油车都包括一个或多个排气氧传感器(EGO)。典型的排气氧传感器基本上根据排气流中的氧浓度提供电压或电流信号，该信号用作调节工作空燃比的反馈。此外，很多柴油车制造商和传感器供应商已开始发展用于发动机排气中的氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)和碳烟以及氨(NH3)的传感器。
在使用之前，需要校准排气传感器。例如，为了校准氧传感器，向传感器施加包含氧气和其他气体的混合物并具有已知氧浓度的校准气体。比较氧的测量值与校准气体中的已知氧浓度并计算出校正因子。随着时间推移，排气传感器的灵敏度会发生漂移，这至少部分地是因为传感器暴露在极端温度、来自排气的碎片和水之下。即，这些传感器在车辆运行期间会受到损害，因为来自排气的碎片和随时间累积的碳烟会改变传感器的信号输出。因此，为了保持精确，排气传感器需要定期的校准。
实用新型内容
为了解决上述问题，特别有利的是在车辆中结合自校准传感器系统以允许排气氧传感器的定期自校准。具体来说，需要使用车辆中已有的部件向排气传感器定期提供具有已知气体浓度的校准气体以检验排气传感器并对为该传感器确定的校正因子作出需要的任何调整。特别有利的是提供一种可以允许在车辆的发动机运行时校准排气传感器的系统。最后，需要为传感器提供保护以使其免于碎片、水和累积的碳烟的损害。
根据本实用新型的一方面，提供一种车辆，其特征在于，包括：发动机；增压器，其具有用于将空气吸入所述增压器的空气入口和用于将空气引导至所述发动机的空气出口；用于引导燃烧产物离开所述发动机的排气通道；及自校准传感器系统。所述自校准传感器系统包括：延伸进入所述排气通道并用于感测预定气体的浓度的排气传感器，所述排气传感器包括：具有孔的主体、从所述主体延伸进入所述排气通道的感测元件、延伸进入所述排气通道并形成传感器校准室的帽构件、及延伸进入所述孔并与所述传感器校准室流体连通的气体入口管，其中所述感测元件延伸进入所述传感器校准室中，所述帽构件包括允许燃烧产物进入所述传感器校准室的多个开口；位于包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置与所述气体入口管和所述排气传感器两者之间的阀；用于调节所述阀的控制单元；其中所述排气传感器的感测元件感测在所述车辆的运行期间流过所述排气通道的预定气体的浓度，所述控制单元在传感器自校准周期期间切换所述阀以使所述排气传感器与所述包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通以感测包含已知浓度的预定气体。
根据本实用新型的另一方面，提供一种车用系统，包括：发动机；用于引导燃烧产物离开所述发动机的排气通道；及自校准传感器系统。所述自校准传感器系统包括：延伸进入所述排气通道并用于感测预定气体的浓度的排气传感器；及控制单元；其中所述排气传感器感测在车辆运行期间流过所述排气通道的预定气体的浓度，所述控制单元在传感器自校准周期期间使所述排气传感器与包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通。
根据本实用新型的又一方面，提供一种自校准传感器系统，包括：适用于延伸进入车辆的排气通道以感测预定气体的浓度的排气传感器，所述排气传感器包括：具有孔的主体、从所述主体伸出的感测元件、形成传感器校准室的帽构件、及延伸进入所述孔中并与所述传感器校准室流体连通的气体入口管，其中所述感测元件延伸进入所述传感器校准室中，所述帽构件包括允许燃烧产物进入所述传感器校准室的多个开口；及控制单元，所述控制单元在传感器自校准周期期间在使所述排气传感器与包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通以使所述感测元件暴露在包含已知浓度的预定气体中。
根据本实用新型，一种系统可以结合到车辆中，该系统即使在车辆运行期间也允许排气传感器进行定期自校准。该自校准传感器系统包括设置在车辆的排气通道中的排气传感器，位于排气传感器和具有已知气体浓度的校准气体的源之间的阀，以及控制单元。控制单元工作以定期开启该阀以向传感器提供校准气体。然后控制单元从传感器接收一个或多个基于已知气体浓度的信号并对来自传感器的信号得出修正的校正因子。从这个意义上来说，可以定期校准排气传感器以补偿随时间推移发展的灵敏度漂移。
根据本实用新型的一个优选实施例，车辆装备有具有空气入口和多个空气出口的空气增压器，如涡轮增压器或机械增压器。空气出口中的一个用于将进气引导至车辆的发动机，而空气出口中的另一个连接到自校准系统的阀。通过该配置，控制单元使得能够在对排气氧传感器进行校准的情况下，选择性地向传感器直接提供具有已知气体浓度，如21％的氧的进气以用于校准目的。根据本实用新型的一个优选实施例，自校准系统包括用在柴油发动机中的排气氧传感器。在任一情况下，传感器自身包括具有孔的主体，设置在孔中的气体入口管，连接到控制单元的感测元件。在通过阀将校准气体引导至气体入口管时，感测元件测量该已知浓度并发送信号到控制单元。然后控制单元比较测量的浓度与已知浓度，并为了后续的排气读数(exhaust gasreadings)相应地对传感器进行校准。
本实用新型的优点包括允许排气传感器自动地进行自校准以在其整个使用寿命期间保持高敏感度，从而增加系统精度。通过提供可以在车辆运行期间使用的自校准系统，可以执行校准而不需车辆驾驶员负担耗时的维护要求。本实用新型还适合于减少碎片和水滴冲击传感器感测元件的可能性。
结合附图通过本实用新型的优选实施例的下述详细说明，本实用新型的其他目标、特征和优点将变得显而易见，在附图中类似的参考标号在若干视图中表示对应的部分。
附图说明
图1示意性地示出结合有根据本实用新型的优选实施例实现的自校准排气传感器系统的车辆；及
图2是在图1的自校准系统中使用的传感器的详细视图。
具体实施方式
首先参考图1，车辆10总体上如图1所示包括支承在车轮14上的车身12，且车辆10结合有根据本实用新型的优选实施例实现的自校准传感器系统20。如图1所示，车辆10包括发动机22，特别是连接到燃料源(未示出)的燃烧发动机，还包括增压器24，如涡轮增压器或机械增压器，用于将进气26的流引导至发动机22。在涡轮增压器的情况下，增压器实际上可以是通过轴(未标记)连接到涡轮25的压缩机24。在机械增压器的情况下，不使用涡轮或相关的轴。在任一情况下，以现有技术中公知的方式，将燃料和空气26提供给发动机22并在其中燃烧，而燃烧产物从车辆中排出。根据本实用新型，车辆10的自校准系统20包括位于导管(未单独标记)中的阀28，该导管在增压器24的空气出口(未标记)和传感器30之间提供流体连通，该传感器如下文详述暴露在来自发动机22的排气流之下。如下文详述，自校准系统20还包括电连接到阀28和传感器30两者的电子控制单元(ECU)32。如图1中进一步示出，可选的气体储存器36可以设置在增压器24的空气出口和阀28之间，同时可以在储存器36之前提供附加的电子控制阀37以便有可能结合阀28捕集气体以备使用。如下文详述，该装置也可以由气泵替代用在传感器校准中。
在此，应理解车辆10可以采取各种形式，如发动机22可以是汽油发动机或柴油发动机。另外，控制单元32不必专用于自校准系统20，而是优选地可以是车辆10的主ECU以便还控制各种发动机功能、变速器功能和其他功能。
在车辆10正常运行期间阀28关闭时，增压器24以现有技术中已知的方式接收进气26并向发动机22提供空气用于燃烧目的。来自发动机22的排气如图所示在被排出之前流经传感器30。如上所述，预先校准传感器30以便向由控制单元32接收的信号应用校正因子以通过由传感器测量的气体浓度确定排气流中的实际气体浓度。为此，排气传感器30实际上可以设计为感测发动机22产生的排气中的氧、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)和/或碳烟的浓度。
本实用新型的优选实施例在图2中示出，其中传感器30可以是排气氧传感器，优选地为NOx传感器。如图2所示，传感器30延伸通过发动机22的排气管40，该发动机在本实用新型的优选形式中可以是柴油发动机。根据本实用新型，传感器30可以通过各种适合的连接方法连接到排气管40，如通过螺纹连接到沿排气管40形成的凸台(未示出)。以现有技术中已知的方式，排气管40可以连接到后处理装置或尾处理装置，如催化剂、柴油微粒过滤器(DPF)或类似装置(未示出)。在结合催化转化器使用排气氧传感器时，排气氧传感器安装在该催化转化器之前。在任一情况下，传感器30可以位于后处理装置之前、后处理装置的各部分之间或后处理装置之后。如图2所示，传感器30包括传感器主体302，孔304延伸穿过该主体。气体入口管306设置为与阀28流体连通并延伸至孔304中。传感器30还包括从传感器主体302伸出并电连接到控制单元(ECU)32的感测元件308。保护帽310围绕感测元件308和孔304两者延伸。
根据本实用新型，感测元件308可以采取任何形状，包括平面形或圆柱形。感测元件308优选地由陶瓷材料制成，但也可以使用其他已知材料。此外，可以加热感测元件308，以允许感测元件308处于足够高的温度从而使排气碳烟氧化或蒸发。最后，如上文所述，感测元件308可以是氧传感器、NOx传感器或任何其他类型的排气传感器。此外，本实用新型最优选的形式结合柴油发动机或其他稀薄燃烧发动机使用传感器30。
保护帽310实际上连接到传感器主体302并封装感测元件308以便界定出传感器校准室314。保护帽310具有多个开口，如孔或槽312，这些开口控制如图2中的流线所示流过传感器30的排气流。槽312的尺寸适合于减少碎片和水滴冲击感测元件308的可能性，而仍然允许排气流过传感器校准室314。
在车辆10正常运行期间，传感器30工作以通过允许排气流过保护帽310的槽312并进入传感器校准室314来感测排气流中预定气体的浓度。在排气进入校准室314时，感测元件308发送信号到控制单元32，指示排气流中的气体的浓度。若仅有其初始校准，传感器30测量的浓度将趋向于随时间推移而漂移，从而读数的精度下降。为了解决此问题，控制单元32定期激活或开启阀28，使传感器30接收具有已知浓度的气体的流。在该周期中，控制单元32比较来自传感器30的信号与已知浓度的预定值，并重新校准传感器30。更具体地，对传感器30取得的后续的读数确定修正的校正因子以提高总体感测精度。虽然本实用新型不限于这一方面，但优选地，执行传感器30的零点校准(zero calibration)时使用空气作为具有已知浓度的气体，而不出现NOx、HC、水和NH3。根据本实用新型的零点校准结合NOx传感器使用特别有利，且也可考虑用于NH3传感器。在任一情况下，对于该自调节装置，传感器30即使在老化时也能够提供精确的读数。
如果增压器24与阀28直接连接，则优选地在增压器24有足够动力产生加压气体的补充流量时进行校准。然而，如果使用储存器36，则可以通过使用阀28和37将校准气体(在此情况下为空气)存储在储存器36中，从而即使流过增压器24的空气流量较低或甚至发动机22不在运行时也允许执行校准操作。气泵的使用也可以提供宽范围的校准周期(calibration period)。在任一情况下，如果存在足够的压力，则可以在车辆10移动或发动机22怠速时校准传感器30。在希望进行校准时，控制单元32开启阀28以通过气体入口管306提供具有已知气体浓度的加压流体以在校准周期中充满传感器校准室314。即，通过阀28提供的直接来自增压器24或来自可选的储存器36的具有已知浓度的加压气体，流入气体入口管306然后进入传感器校准室314，从而强制性地置换先前处于传感器校准室314中的任何排气。然后感测元件308测量气体的浓度，将测量信号发送到控制单元32。控制单元32比较气体浓度的测量值与已知浓度并相应地校准传感器30。作为示例，如果感测元件308是NOx传感器且向传感器校准室314提供的是加压空气，则可以基于感测元件308检测到的O2相对于21％O2的偏差量容易地确定零点校准。
进一步根据本实用新型，控制单元32还可以编程为允许加压空气在冷起动期间流经传感器30直到排气变暖。使用本实用新型的这方面以消除水滴直接地接触感测元件308的潜在危险。
基于上述，显而易见的是本实用新型有利地允许排气传感器自动地进行自校准以在其整个使用寿命期间保持高敏感度，从而增加系统精度。通过提供可以在车辆运行期间使用的自校准系统，可以执行校准而不需车辆驾驶员负担耗时的维护要求。虽然上文中参考本实用新型的优选实施例进行说明，但应理解可以对本实用新型作出各种改变和/或修改而不脱离其精神。例如，如上文所述，可以在排气路径中使用一个或多个自校准传感器。虽然图2示出使用单个保护帽，但可以使用多个重叠的保护帽。此外，可以向自校准传感器提供任何加压气体，这可以由维修人员在例行维护中进行，通过用所需气体预充储存器来进行，或甚至结合由电子控制单元控制以在发动机关闭时供给空气的气泵(未示出)来进行。最后，应理解，本实用新型的系统实际上可以用于确定一系列的校准点。总体上，本实用新型仅由本申请权利要求的范围限定。

Claims (10)

1.一种车辆，其特征在于，包括：
发动机；
增压器，其具有用于将空气吸入所述增压器的空气入口和用于将空气引导至所述发动机的空气出口；
用于引导燃烧产物离开所述发动机的排气通道；及
自校准传感器系统，其包括：
延伸进入所述排气通道并用于感测预定气体的浓度的排气传感器，所述排气传感器包括：具有孔的主体、从所述主体延伸进入所述排气通道的感测元件、延伸进入所述排气通道并形成传感器校准室的帽构件、及延伸进入所述孔并与所述传感器校准室流体连通的气体入口管，其中所述感测元件延伸进入所述传感器校准室中，所述帽构件包括允许燃烧产物进入所述传感器校准室的多个开口；
位于包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置与所述气体入口管和所述排气传感器两者之间的阀；
用于调节所述阀的控制单元；
其中所述排气传感器的感测元件感测在所述车辆的运行期间流过所述排气通道的预定气体的浓度，所述控制单元在传感器自校准周期期间切换所述阀以使所述排气传感器与所述包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通以感测包含已知浓度的预定气体。
2.一种车用系统，其特征在于，包括：
发动机；
用于引导燃烧产物离开所述发动机的排气通道；及
自校准传感器系统，其包括：
延伸进入所述排气通道并用于感测预定气体的浓度的排气传感器；及
控制单元；
其中所述排气传感器感测在车辆运行期间流过所述排气通道的预定气体的浓度，所述控制单元在传感器自校准周期期间使所述排气传感器与包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通。
3.如权利要求2所述的车用系统，其特征在于，所述自校准传感器系统还包括位于所述包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置和所述排气传感器之间的阀，所述控制单元切换所述阀以使所述排气传感器与所述包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通。
4.如权利要求3所述的车用系统，其特征在于，还包括增压器，所述增压器具有用于将空气吸入所述增压器的空气入口和用于将空气引导至所述发动机的空气出口。
5.如权利要求4所述的车用系统，其特征在于，所述阀位于所述增压器的空气出口和所述排气传感器之间。
6.如权利要求5所述的车用系统，其特征在于，所述增压器是机械增压器或涡轮增压器。
7.如权利要求3所述的车用系统，其特征在于，还包括储存器，所述储存器与所述阀流体连通并用于储存所述包含已知浓度的预定气体的流体。
8.如权利要求2所述的车用系统，其特征在于，所述排气传感器包括延伸进入所述排气通道的感测元件和围绕所述感测元件延伸的帽构件，所述帽构件具有用于允许所述感测元件暴露在燃烧产物之下的多个开口。
9.一种自校准传感器系统，其特征在于，包括：
适用于延伸进入车辆的排气通道以感测预定气体的浓度的排气传感器，所述排气传感器包括：具有孔的主体、从所述主体伸出的感测元件、形成传感器校准室的帽构件、及延伸进入所述孔中并与所述传感器校准室流体连通的气体入口管，其中所述感测元件延伸进入所述传感器校准室中，所述帽构件包括允许燃烧产物进入所述传感器校准室的多个开口；及
控制单元，所述控制单元在传感器自校准周期期间在使所述排气传感器与包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通以使所述感测元件暴露在包含已知浓度的预定气体中。
10.如权利要求9所述的传感器系统，其特征在于，还包括：位于包含所述已知浓度的预定气体的流体的供给装置和所述气体入口管之间的阀，所述控制单元切换所述阀以使所述排气传感器与所述包含已知浓度的预定气体的流体的供给装置连通。
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