KR19990037001A - Methods for determining exhaust gas temperature and air-fuel ratio lambda and sensor arrangements for implementing such methods - Google Patents
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Abstract
종래 기술에 따르면 두 개의 개별적 센서 중 어느 하나가 배기가스 온도와 공연 비 람다를 결정하는 데 일반적으로 사용되어 진다. 즉 적어도 250℃보다 작은 온도에서 온도와 람다의 읽기가 동시에 이루어지지 않는다. 게다가 충분하게 정확한 동시 측정이 단지 정상적인 작동 중에만 가능하다. 캐리어부 위에 온도 감지와 산소 감지부가 있는 가열된 센서가 가열 시스템이 꺼져있는 낮은 온도에서조차도 배기가스 온도를 측정하는데 사용되어지고 람다 읽기가 동시에 얻어 질 수 있으며 이는 더 높은 온도 범위에서만 가능하다는 점에서 본 발명에 따른 장치와 그에 대응하는 센서 장치는 최소한도의 계측학적 복잡성 정도에서, 특히 비정상적 조건하에서 정확한 온도와 람다 읽기를 가능하게 한다.According to the prior art, one of the two individual sensors is commonly used to determine the exhaust gas temperature and the air-fuel lambda. In other words, readings of temperature and lambda are not simultaneously performed at temperatures lower than at least 250 ° C. In addition, fully accurate simultaneous measurements are only possible during normal operation. Heated sensors with temperature sensing and oxygen sensing on the carrier are used to measure the exhaust gas temperature even at low temperatures when the heating system is off and lambda readings can be obtained simultaneously, only in higher temperature ranges. The device according to the invention and the corresponding sensor device enable accurate temperature and lambda readings at the minimum degree of metrological complexity, especially under abnormal conditions.
Description
본 발명의 목적은 배기가스 온도와 정확한 온도 측정을 허용하는 람다를 결정하기 위한 장치와 적절한 센서 장치를 제공하는 것이며, 이러한 온도 측정은 전 온도 범위에 걸쳐 있고 다양한 동작 조건들, 특히 비 정상적인 경우들 아래에서, 최소한의 계측학적 복잡성을 가지도록 이루어 진다.It is an object of the present invention to provide a device and an appropriate sensor device for determining the lambda which allow for exhaust gas temperature and accurate temperature measurement, which temperature measurement covers the entire temperature range and various operating conditions, in particular abnormal cases. In the following, it is done with minimal metrology complexity.
본 발명은 청구항 제 3항에 따른 센서 장치와 그의 응용뿐만 아니라 청구항 제 1항에 따른 장치에 관한 것이다.The invention relates to the sensor device according to claim 3 and its application as well as to the device according to claim 1.
배기 가스 온도를 결정하기 위한 장치는 DE 38 35 852 A1으로부터 알려져 있는데, 그것에 의하여 배기 가스에 위치한 람다 센서의 내부 저항이 측정된다. 정상상태에서 배기가스 온도(Ta)는 내부 저항(Ri)과 프로우브 온도(Ts) 사이의 관계에 대한 우리의 지식을 근거로 해서 추측될 수 있다. DE 38 35 852 A1은 온도 읽기의 정확성에 바탕을 두고 혼합물 구성의 효과를 설명하기 위해서 부가적인 옵션들을 제공한다. 그 기술의 이러한 상태의 결과로 알려진 장치는 0.5%의 정확도에서 작동된다. DE 38 35 392 A1에 의하면, 각각 다른 람다 값을 가지는 복수개의 내부 저항 온도 특성 곡선들은 좀 더 정확한 읽기를 필요로 한다. 게다가 작동 조건들은 Ts와 Ta 사이의 수적 관계속으로 인자화 된다.A device for determining the exhaust gas temperature is known from DE 38 35 852 A1, whereby the internal resistance of the lambda sensor located in the exhaust gas is measured. Exhaust gas temperature in a steady state (T a) may be assumed on the basis of our knowledge of the relationship between the internal resistance (R i) and temperature probe (T s). DE 38 35 852 A1 offers additional options to explain the effect of the mixture composition on the basis of the accuracy of the temperature reading. Devices known as a result of this state of the art operate at an accuracy of 0.5%. According to DE 38 35 392 A1, a plurality of internal resistance temperature characteristic curves, each with a different lambda value, requires a more accurate reading. In addition, the operating conditions are factored into the numerical relationship between Ts and Ta.
DE 43 39 692 A1 은 전기적으로 가열된 람다 프로우브에 의하여 배기가스 온도를 결정하는 일반적인 장치를 나타내고 있으며, 여기에서는 배기가스 온도가 람다 프로우브를 일정한 온도로 유지하기 위해 필요한 전기적 파워의 양에 의해 추측되어 진다. 이러한 장치에서 배기가스의 흐름이 거의 일정하게 유지되면 배기가스 온도는 직접 결정되어질 수 있다. 그러나 배기가스 흐름의 비율이 연소 시스템의 작동 조건에 따라 변화 된다면 특성곡선은 각각의 개별적 작동 조건에 대하여 그려져야 하며 이러한 곡선들의 합성 상태는 특성 도표를 만들어 낸다. 작동 조건, 그리고 결과적으로 센서들의 측정상 부정확성에 영향을 미치는 다른 매개변수들은 또한 배기가스 온도를 측정할 때 고려되어 져야 한다. 예를 들면 엔진 속도와 배기 가스 흐름 비율 사이의 관계로 인하여 전기적 출력과 엔진 속도를 포함하는 특성 도표는 또한 배기가스 온도를 결정하는 데 사용되어 져야 한다. 달리 가능한 매개변수들은 절기판 각 또는 분기관 압력을 포함한다. 많은 수의 가능하고 영향을 미치는 매개변수들이 주어진 상태에서 이 장치는 정확성의 구체적인 정도를 전해준다고 기대될 수 없다.DE 43 39 692 A1 represents a general apparatus for determining exhaust gas temperature by electrically heated lambda probes, where the exhaust gas temperature is determined by the amount of electrical power required to keep the lambda probe at a constant temperature. It is assumed. In such a device, the exhaust gas temperature can be determined directly if the flow of exhaust gas remains almost constant. However, if the ratio of exhaust gas flows varies with the operating conditions of the combustion system, the characteristic curve should be drawn for each individual operating condition and the composition of these curves produces a characteristic plot. Other parameters affecting operating conditions and, consequently, the measurement inaccuracies of the sensors, should also be considered when measuring exhaust gas temperatures. Due to the relationship between the engine speed and the exhaust gas flow rate, for example, a characteristic chart containing the electrical power and the engine speed should also be used to determine the exhaust gas temperature. Other possible parameters include section angle or branch pressure. Given the large number of possible and affecting parameters, the device cannot be expected to convey a specific degree of accuracy.
가열된 람다 프로우브와 가변 센서 특성들, 부가적 람다 프로우브와 일정한 특성들의 조합이 DE 43 20 881에 나타나 있다. 두 개의 센서 부들의 공간적 근접성으로 인해 프로우브 온도를 알 수 있으면 가변 신호에 의하여 일정한 신호가 정해질 수 있다. 부가적인 전자 전도성 온도 센서가 프로우브 온도를 측정하는 데에 사용됨으로써 일정한 온도 수준이 유지되어질 수 있다. DE 38 35 852 와 DE 43 39 692 A1 에 따른 장치에서 기술된 바와 같이 배기가스 온도의 계산은 여기에 기술되어지지 않았다. DE 38 35 852 와 DE 43 39 692에서 고려된 온도 감지 부는 이온 전도성 전해질의 내부 저항이다. 그러나 전해질의 내부 저항은 단지 더 높은 온도에서 측정 가능한 저항의 범위에 들어간다. 0℃ 에서 250℃의 범위에서 배기가스의 실험은 불가능 하다.The combination of heated lambda probe and variable sensor characteristics, additional lambda probe and constant characteristics is shown in DE 43 20 881. If the probe temperature is known due to the spatial proximity of the two sensor units, a constant signal may be determined by the variable signal. An additional electronically conductive temperature sensor can be used to measure the probe temperature so that a constant temperature level can be maintained. The calculation of the exhaust gas temperature as described in the apparatus according to DE 38 35 852 and DE 43 39 692 A1 is not described here. The temperature sensing part considered in DE 38 35 852 and DE 43 39 692 is the internal resistance of the ion-conducting electrolyte. However, the electrolyte's internal resistance is only in the range of resistance measurable at higher temperatures. Testing of exhaust gases in the range of 0 ° C to 250 ° C is not possible.
편극 현상으로 인하여 내부 저항의 측정은 구체적인 계측학적 복잡성과 연관되어 진다. 거기에 기술되어 진 람다 프로우브들은 그들의 기하구조의 면에서 매우 바람직하지 않다. 배기관의 낮은 침수 깊이 때문에 단지 주변의 흐름만이 측정되고 배기관의 온도로 인하여 읽기가 심하게 어긋나게 된다.Due to the polarization phenomena, the measurement of internal resistance is associated with specific metrological complexity. The lambda probes described there are very undesirable in terms of their geometry. Due to the low immersion depth of the exhaust pipe, only the surrounding flow is measured and the readings are severely misaligned due to the temperature of the exhaust pipe.
본 발명에 따르면 상기의 목적들은 장치의 면에서는 특허 청구 범위 제 1항의 특징부에 의해, 그리고 이에 대응하는 센서 장치의 면에서는 특허 청구 범위 제 3항의 특징부에 의해 해결되어 지는데, 여기서 온도 감지와 산소 감지 성분을 가진 센서는 적어도 촉매 컨버터 본체 또는 그 다음 지점에 있는 배기관 깊이의 20%까지 잠기게 되며 열이 차단되고 250℃보다 더 큰 배기 온도에서만 산소 읽기, 그리고 람다의 결정과 동시에 배기가스 온도 읽기가 행해진다.According to the invention the above objects are solved by the features of claim 1 in the aspect of the device and by the features of claim 3 in the sense of the corresponding sensor device, wherein the temperature sensing and Sensors with an oxygen sensing component will be locked to at least 20% of the depth of the exhaust pipe at the catalytic converter body or next and will shut off the heat and read oxygen only at exhaust temperatures greater than 250 ° C, and at the same time as the determination of the lambda Reading is done.
본 발명의 유리한 실시 예들과 더 발전된 사항들은 종속 청구항 제 4항 내지 11항뿐만 아니라 제 2항에서 제공되어진다.Advantageous embodiments and further developments of the invention are provided in the dependent claims 4 to 11 as well as in the second claim.
람다는 전압원이 없는 전압측정, 전류측정 또는 저항 측정 과정에 의하여 유리하게 결정되어 진다.Lambdas are advantageously determined by a voltage measurement, current measurement, or resistance measurement process without a voltage source.
센서 장치의 면에서 박 층(thin-layer) 또는 후 층(thick-layer) 기술을 사용하여 온도 감지부와 산소 감지 부를 산화 알루미늄과 같이 전기적으로 절연된 캐리어 또는 전기적으로 절연된 층에 부착시키는 것이 유리하다고 입증되어 왔으며 여기서 온도 감지 부는 전자 전도성 또는 반도체성 물질로 만들어진다.In terms of sensor devices, using a thin- or thick-layer technique to attach the temperature sensing and oxygen sensing to an electrically insulated carrier such as aluminum oxide or an electrically insulated layer It has proven to be advantageous where the temperature sensing section is made of an electronically conductive or semiconducting material.
백금 류 금속, 특히 백금 또는 백금 합금이 전자 전도성 물질로 사용되어 진다. 특정의 실행에 따라서는 PCT 특성(양의 온도 계수), 즉 예를 들면 Pt/PtRh 열소자 성분을 가진 백금 저항이 유리할 수도 있다.Platinum metals, in particular platinum or platinum alloys, are used as the electronically conductive materials. Depending on the particular implementation, platinum resistance with PCT characteristics (positive temperature coefficient), ie Pt / PtRh thermal element components, may be advantageous.
택일적으로 NTC 특성(부의 온도 계수)을 나타내는 산소에 기반을 둔 알루미늄, 산소에 기반을 둔 크롬 그리고 산소에 기반을 둔 철의 반도체 서미스터의 사용이 또한 유리하다고 입증되어 왔다.Alternatively, the use of semiconductor thermistors of oxygen-based aluminum, oxygen-based chromium and oxygen-based iron, which exhibit NTC properties (negative temperature coefficient), has also proved advantageous.
전압 또는 전류 측정 원리가 채택되어 지면 ZrO1이 산소 감지 부에 사용되어지는 물질로서 효과적이라고 입증되어 왔다. 페로브스키틱(Perovskitic) 반도체 물질, 특히 티탄산 염들이 저항 센서에 사용되어 져야 한다.When the voltage or current measurement principle is adopted, it has been proved that ZrO 1 is effective as a material used for oxygen sensing. Perovskitic semiconductor materials, in particular titanates, must be used in resistance sensors.
청구항 제 12항은 제 1항에 있어서 제 3항에 따른 센서 장치의 용도에 관한 것인데, 이 장치는 배기가스 성분들의 촉매에 의한 변환 도중 발생하는 열적 토닝이 온도 센서에 의해 감지되고 이러한 열적 토닝의 세기가 촉매 컨버터의 변환율의 척도를 나타낸다는 점에서 촉매 컨버터의 효능을 검사하는데 특히 적합하다. 게다가 측정된 배기가스 온도 및/또는 람다 값은 배기가스의 유동 내에 설치된 온도 또는 람다 센서의 온도 또는 람다 값과 비교되어질 수 있으며 그의 캘리브레이션을 위하여 사용되어질 수 있다. 특히 본 발명에 따른 센서 장치는 비교 측정에 의해 뜨거운 작동 조건 하에서 제 2람다 센서에 대한 제 1 람다 센서의 캘리브레이션, 소위 두 개의 온도 센서(뜨거운 작동 중) 사이의 온도 차이의 측정을 통한 촉매 컨버터 작동의 차내 진단을 수행하는데 사용되고 실내 온도에 있는 두 개의 온도 센서의 캘리브레이션(동일한 온도에 대한 캘리브레이션)을 수행하는데 사용되어 진다.Claim 12 relates to the use of the sensor device according to claim 1, wherein the thermal toning that occurs during the conversion of the exhaust gas components by the catalyst is detected by a temperature sensor and the temperature of this thermal toning is reduced. It is particularly suitable for examining the efficacy of catalytic converters in that the strength represents a measure of the conversion rate of the catalytic converter. In addition, the measured exhaust gas temperature and / or lambda values can be compared with the temperature installed in the flow of exhaust gas or the temperature or lambda value of the lambda sensor and used for its calibration. In particular, the sensor device according to the invention operates catalytic converters by calibration of the first lambda sensor with respect to the second lambda sensor under hot operating conditions by means of comparative measurements, the measurement of the temperature difference between the so-called two temperature sensors (in hot operation). It is used to perform in-vehicle diagnostics, and to perform calibration of two temperature sensors at room temperature (calibration for the same temperature).
도 1a와 1b는 센서 장치의 앞면(도 1a)과 뒷면(도 1b)을 공중에서 본 그림이며 여기서 앞면은 사시도로 그려져 있다.1A and 1B show the front (FIG. 1A) and the back (FIG. 1B) of the sensor device viewed from the air, where the front is drawn in perspective view.
도 2는 도 1a와 도 1b에 따른 센서 장치를 가진 센서 케이싱의 단면도를 나타내고 있다.2 shows a cross-sectional view of a sensor casing with the sensor device according to FIGS. 1A and 1B.
본 발명은 도면을 바탕으로 해서 자세하게 설명될 것이다.The invention will be explained in detail on the basis of the drawings.
도 1a는 AL2O3로 만들어지고 평평한 막대 모양이며 그 한쪽 끝에 장치된 접촉 패드 (2)와 (2')를 가진 캐리어 부 (1)의 앞부분을 나타내고 있다. 리드선 (3)과 (3')는 이들 접촉 패드 (2)와 (2')로부터 캐리어 성분의 다른 쪽 끝 부분에 다다라 있으며, 거기에 정밀 저항이 부착되어 있고 리드선 (3)과 (3')와 접촉되어 있다. 정밀 저항으로 사용되는 Pt 200 저항은 여기서 온도 감지 부 (4)로 작용한다. 도 1b는 캐리어 부 (1)의 뒷면을 묘사하고 있으며, 여기에 대응하는 리드선 (13)과 (13')를 가진 가열 부 (5), 접촉 패드 (12)와 (12'), 그리고 SrTiO3로 만들어진 층을 포함하여 구성되는 산소 감지 부 (6)가 부착되어 있다. 귀금속을 포함하며 그의 리드선 (23)과 (23')가 접촉 패드 (22)와 (22')에 미치고 있는 두 개의 전극 (7)과 (7')는 산소 감지 부 (8)위에 장치되어 있으며, 그것은 층으로 고안되었다. 두 개의 전극 (7)과 (7')와 더불어 층 (6)은 저항 람다 센서를 나타낸다. 배기가스 온도와 배기 가스에서의 부분적 산소 압력은 도 1a와 1b에 따른 센서 장치로 측정 될 수 있다.FIG. 1a shows the front part of the carrier part 1 made of AL 2 O 3 and having a flat bar shape and having contact pads 2 and 2 'mounted at one end thereof. Lead wires 3 and 3 'reach the other end of the carrier component from these contact pads 2 and 2', with precision resistors attached thereto and lead wires 3 and 3 '. In contact with The Pt 200 resistor, used as a precision resistor, acts as the temperature sensing section 4 here. FIG. 1B depicts the back side of the carrier part 1, which corresponds to a heating part 5 with corresponding lead wires 13 and 13 ′, contact pads 12 and 12 ′, and SrTiO 3. Attached is an oxygen sensing section 6 which comprises a layer made of metal. Two electrodes (7) and (7 '), including a precious metal, whose leads (23) and (23') extend across the contact pads (22) and (22 ') are mounted on the oxygen sensing section (8). , It was designed as a layer. Layer 6, together with two electrodes 7 and 7 ', represents a resistive lambda sensor. The exhaust gas temperature and the partial oxygen pressure in the exhaust gas can be measured with the sensor device according to FIGS. 1A and 1B.
도 2는 캐리어 부 (1)위의 본 발명에 따른 센서 장치를 둘러싸는 센서 케이싱 (8)의 단면도를 묘사하고 있다. 케이싱 (8)은 시험되는 가스에 잠겨있는 보호 캡 (19)를 가진 금속 보호 튜브 (9), 오버 플로워 너트 (10')을 위한 한계 스트립 (10), 개스킷 (11), 케이블 결선 (14), 접촉 클립 (15), 그리고 캐리어 부 (1)을 지지하기 위해서 보호 튜브 (9)안에 있는 높은 온도에 저항하는 쿠션닝 패드 (16)를 포함하고 있다. 보호 캡 (19)은 적어도 하나의 기체 유입 구멍 (17)을 제시하고 있으며, 이 경우 그 구멍은 보호 캡 (19)의 끝에 있는 하나의 구멍으로 구성된다. 이러한 유형의 케이싱을 설치하는 것은 자동차 배기가스 시스템에서 배기가스 시험을 위한 장치에 센서 장치가 사용될 때 특히 효과적인 것으로 입증되어 왔다.2 depicts a cross-sectional view of a sensor casing 8 surrounding the sensor device according to the invention on a carrier part 1. The casing (8) consists of a metal protective tube (9) with a gas immersed protective cap (19), a limit strip (10) for an overflow nut (10 '), a gasket (11), a cable connection (14) , A contacting clip 15, and a cushioning pad 16 that resists the high temperature in the protective tube 9 to support the carrier portion 1. The protective cap 19 presents at least one gas inlet hole 17, in which case the hole consists of one hole at the end of the protective cap 19. Installing this type of casing has proven particularly effective when sensor devices are used in devices for exhaust testing in automotive exhaust systems.
본 발명에 따르면 상기의 목적들은 장치의 면에서는 특허 청구 범위 제 1항의 특징부에 의해, 그리고 이에 대응하는 센서 장치의 면에서는 특허 청구 범위 제 3항의 특징부에 의해 해결되어 지는데, 여기서 온도 감지와 산소 감지 성분을 가진 센서는 적어도 촉매 컨버터 본체 또는 그 다음 지점에 있는 배기관 깊이의 20%까지 잠기게 되며 열이 차단되고 250℃보다 더 큰 배기 온도에서만 산소 읽기, 그리고 람다의 결정과 동시에 배기가스 온도 읽기가 행해진다.According to the invention the above objects are solved by the features of claim 1 in the aspect of the device and by the features of claim 3 in the sense of the corresponding sensor device, wherein the temperature sensing and Sensors with an oxygen sensing component will be locked to at least 20% of the depth of the exhaust pipe at the catalytic converter body or next and will shut off the heat and read oxygen only at an exhaust temperature greater than 250 ° C, and at the same time as the determination of the lambda exhaust temperature Reading is done.
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