CN102959393A - 用于修正传感器元件的泵送电流的方法 - Google Patents

Abstract

用于运行传感器元件（10）、尤其是用于确定气体混合物的气体组分的浓度的氧气探头的方法，其中通过施加泵送电压从测量气体室（12）中除去气体组分，并由此推断出气体混合物中的气体组分的浓度，其特征在于，对于传感器信号的修正考虑泵送电流的由动态的压力波动所引起的振荡，所通过的方式是执行对泵送电流的频率分析。

Description

用于修正传感器元件的泵送电流的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行传感器元件、尤其是宽带氧气探头（Breitbandlambdasonde）的方法。

现有技术

已知用于确定气体混合物中的气体组分浓度的不同的传感器元件。因此例如采用所谓的氧气探头来确定描述空气与燃料的比例的空气系数。该比例对于燃料在内燃机中的燃烧以及对于废气后处理具有决定性的意义。

对于废气中的剩余氧气含量的测量，跳跃探头（Sprungsonde）和宽带探头在原理上是已知的。在跳跃探头的情况下，相对于氧气环绕的参考电极来测量废气侧的电极的电位。跳跃探头可以识别从富油混合物向贫油混合物的过渡以及从贫油混合物向富油混合物的过渡。宽带氧气探头可以在显著较宽的范围上、也就是既在富油范围中也在贫油范围中测量废气中的剩余氧气含量。该宽带氧气探头主要由常规的作为原电池起作用的浓度探头（能斯特（Nernst）探头）以及极限电流电池或“泵送”电池的组合所组成。从外部将电压施加到泵送电池上。如果电压足够大，则出现与电池两侧上的氧气浓度的差成比例的极限电流。与极性有关地用电流运送氧原子。通过电子调节电路，由泵送电池从废气中向浓度探头总是恰好输送这么多的氧气，使得状态λ = 1存在着。与废气中的氧气含量或富油气体含量成比例的相应的泵送电流形成宽带氧气探头的输出信号。根据在测量气体室中的能斯特电极和参考室中的氧气环绕的参考电极之间的能斯特电压的确定来进行测量气体室中的浓度的测量。为了达到对于氧离子输送所需的运行温度，宽带氧气探头装备了集成的加热装置。

氧气探头的测量信号既取决于空气特征数λ、也就是混合物中的空气与燃料的比例，也取决于存在着的绝对压力。废气的绝对压力随着内燃机的汽缸点火的频率而在几百毫巴附近波动。随着每一个压力脉冲，输入到氧气探头的测量气体室中的贫油气体组分或富油气体组分的量短时地强烈提高并且随后又强烈降低。由于泵送电流的调节器很快地反应，该调节器可以在输入阶段中快速地泵送出附加的气体组分，这些附加的气体组分显示出与λ=1的空室中的额定浓度的偏差。因此在随后的低压阶段中，与在高压阶段期间已输入的气体组分相比，输送出更少的气体组分。通过合适的电子滤波可以平整泵送电流的出现的振荡。但是总体上导致随着特性曲线精度的损失而带来的平均泵送电流的偏移。

将随之而来的不精确性最小化的方案使用将废气与测量气体室分开的扩散屏障的尽可能紧密的实施方案。不过由此提高了氧气探头的静态压力相关性。用于减小动态压力相关性的作用的另一种措施是与扩散屏障的体积相比减小测量气体室的体积，正如例如从公开文献DE 10 2004 023 004 A1中所得知的那样。由此也可以减少测量信号与动态压力波动的相关性。但是测量气体室的缩小可能随之带来另外的缺点。由于空室的高的扩散阻力，在此情况下仅在电极的前棱边处泵送出氧气并且由此使电极局部过载。这尤其是适用于由于输送到的气态电极毒素的中毒。

与此相对地，本发明所基于的任务在于，提供一种用于运行传感器元件、尤其是宽带氧气探头的方法，该方法允许可靠地补偿泵送电流的动态压力相关性并且因此提高传感器元件的测量精度。该方法也应可以对已有的传感器元件采用，而不必在传感器元件本身处进行另外的改动。

通过一种如权利要求1的对象的方法来解决该任务。由从属权利要求中得出本发明方法的优选的扩展方案。

发明内容

本发明的优点

本发明的方法被设置用于运行传感器元件、尤其是适用于确定气体混合物中的气体组分的浓度的氧气探头。通过施加泵送电压从测量气体室中除去气体组分，并由此推断出气体混合物中的气体组分的浓度。这样的传感器元件尤其是可以是按照所谓的双电池原理或按照所谓的单电池原理工作的宽带氧气探头。根据双电池原理，将测量气体室中的气体组分的浓度调定到可预先给定的值，并从在此所测量的泵送电流推断出气体混合物中的气体组分的浓度。在单电池情况下，可以借助极限电流来测量气体组分的浓度。本发明方法的特征在于，对于泵送电流的修正考虑由动态的压力波动所引起的泵送电流的振荡。例如随着内燃机的汽缸点火的频率所形成的动态的压力波动最终影响泵送电流并因此影响传感器元件的测量信号。本发明的核心在于，识别这些由动态的压力波动所生成的振荡或其频率分量，并相应地修正探头信号。由此可以补偿由压力振荡所引起的泵送电流的比平均值偏移，由此显著改善了传感器元件的测量精度。

优选分析泵送电流的振荡，以便识别由动态的压力波动所引起的频率分量。对泵送电流修正由动态的压力波动所引起的频率分量。以下也将这些频率分量称作为压力波动的频率分量。可以特别有利地将压力波动的频率分量的识别及其补偿执行为运行电子装置的软件的功能。不需要传感器元件本身的另外的适配。更确切地说，本发明的方法可以通过传感器元件的分析处理软件的适配或补充来采用，使得本发明方法也可以在已有的传感器元件上使用。

特别有利地通过频率分析来进行振荡的分析。由在空气与燃料的比例方面的波动或由氧气波动所引起的振荡，具有比由动态的压力波动所引起的振荡更小的频率。根据这些差别，可以将氧气振荡与压力振荡分开，使得可以识别和根据本发明对于修正来考虑压力波动的频率分量。在一种特别优选的实施形式中，通过傅立叶频率分析进行频率的分析，也就是将振荡分解成它们的不同的正弦函数和余弦函数，以便因此区分一方面归因于氧气振荡并且另一方面归因于动态的压力波动振荡的频率分量。

对于根据本发明的探头信号的修正，可以从泵送电流的振荡中减去由动态的压力波动所引起的频率分量，使得最终在分析处理传感器元件的测量信号时只有氧气振荡具有效用。

在本发明方法的另一优选的扩展方案中，可以借助特征曲线族来进行传感器信号的修正。通过所谓的比平均值偏移来表征由于由动态压力变化所引起的振荡或泵送电流的振荡分量而造成的平均泵送电流的开头所述的偏移。该比平均值偏移既与探头类型也与压力波动的频率有关，并且与存在着的平均压力有关。压力脉冲的形状和幅度对于该参量没有影响。因此可将比平均值偏移分配给当前的与运行点有关的组合，所述组合由平均泵送电流的探头典型的偏移的幅度、频率和形状因素组成。可将该关联例如以特征曲线族的形式寄存在分析处理和/或控制单元中。于是从压力脉冲幅度和压力脉冲形状的当前的与运行点有关的组合中以及从取自特征曲线族的比平均值偏移中计算出平均泵送电流的偏移。根据该特征曲线族可以偏移或修正所测量的泵送电流或传感器信号和氧气测量中的与此相联系的误差，以便补偿由于泵送电流的动态压力相关性而造成的比平均值偏移。可以与运行点有关地例如也借助特征曲线族或以特别优选的方式借助动态的压力模型来确定压力脉冲的幅度和形状因数。这样的压力模型例如与探头信号的静态压力相关性的补偿相关联地以类似的方式对于专业人员是已知的。在此例如可以从发动机转速推导出压力脉冲的频率。总之因此可以通过至少一个参量来表征由动态的压力波动所引起的振荡的频率分量，所述参量例如以特征曲线族的形式分配给泵送电流的传感器元件典型的平均值偏移。根据该分配可以进行泵送电流的修正。在其它实施形式中，可以借助动态的压力模型将由动态的压力波动所引起的频率分量和可以测量或推导的运行参量或运行条件之间的关系进行汇总，使得可以根据一个或多个运行参量确定泵送电流的由动态的压力波动所引起的振荡或该泵送电流的压力波动决定的频率分量，以便可以根据本发明对于传感器信号的修正进行考虑。

有利地对于传感器信号的修正仅考虑这种由动态的压力波动所引起的、其频率位于可预先给定的阈值之上的频率分量。由于在小的频率情况下压力脉冲在绝对值上是小的，因此可以在本发明的补偿方法的简化实施的意义上只分析处理高的频率就足够了。尤其是在高的频率情况下，用于平均值偏移的份额（Beitrag）对于测量信号是特别重要的。本发明方法的该实施形式与考虑所有的频率相比较是较不费事的，并且仍然可以显著改善传感器元件的测量精度。

在本发明方法的一种特别优选的实施形式中，在分析泵送电流的振荡时，仅仅将低的频率与高的频率区分开。低的频率优选是这种在25 Hz以下的频率，高的频率优选是这种在25 Hz以上的频率。例如（快速）傅立叶变换形式的该简化的频率分析可以用少的成本执行并且仍然达到很有利的结果。在此情况下例如将传感器的信号引导通过高通滤波器并且进行整流。取平均的幅度于是被用作为传感器信号修正的参数。附加地在该实施形式中应该考虑由于压力脉冲而出现的平均泵送电流的偏移。

压力脉冲的形状、幅度和频率与其周期持续时间相比较相对缓慢地变化。典型地随着例如仅10 Hz的频率也出现了混合物调节的富油-贫油振荡以及由于负载变换而造成的空气特征数的变化。这些相对缓慢的变化因此在与新的运行点的匹配中允许根据本发明的足够快速的补偿。

根据本发明，在修正泵送电流时也可以考虑另外的干扰信号。尤其是可以附加地补偿由于经过在λ=1时的废气浓度而造成的泵送电流的干扰信号。在经过通过λ=1的废气浓度期间，例如可以根据寄存在软件中的特征曲线族从泵送电流变化的陡度中确定出干扰信号，并且从所测量的泵送电流中减去该干扰信号。根据本发明也可以考虑由于传感器元件的加热器定时的串扰而造成的泵送电流的干扰信号。该干扰信号可以根据寄存在软件中的特征曲线族例如从加热功率、操控信号、尤其是加热器的工作循环、和加热器的加热电阻中以及必要时从发动机运行点、废气温度等中确定，并且从所测量的泵送电流中减去该干扰信号。在合适的运行阶段中可以重新标定相应的特征曲线族，其方式是在加热器输入耦合时测量和存储泵送电流的未滤波的和未补偿的干扰信号。

本发明还包括计算机程序，该计算机程序当其在计算设备或控制设备上运行时实施本发明方法的所有步骤。本发明最后包括一种具有存储在机器可读载体上的程序代码的计算机程序产品，用于当程序在计算机或控制设备上实施时执行本发明的方法。借助计算机程序或计算机程序产品，本发明方法也可以毫无问题地采用在已有的传感器元件上，并且在已有的传感器元件上用于补偿泵送电流的由动态的压力波动所引起的振荡或振荡分量。基于测量气体的波动的绝对压力尤其是由于汽缸点火的频率所形成的动态压力波动使得传感器元件的、尤其是宽带氧气探头的测量信号失真，其中这导致了平均泵送电流的偏移（比平均值偏移）。根据本发明可以补偿该比平均值偏移，其方式是对泵送电流修正由压力波动所引起的频率分量。

附图说明

由实施例的以下描述结合附图得出本发明的另外的特征和优点。在此可以分别单独地或互相组合地实现不同的特征。

附图示出：

图1  从现有技术中已知的宽带氧气探头，和

图2  在重叠的压力脉冲和气体变换时的探头信号的示意图（图2A），和探头信号的傅立叶频谱（图2B）。

具体实施方式

图1示出从现有技术中已知的宽带氧气探头，该宽带氧气探头被设置用于确定气体混合物中、尤其是内燃机的废气中的氧气浓度。传感器元件包括平坦的传感器本体10，该传感器本体10由固态电解质11形成，并且在该传感器本体10中构造有例如环状的空室12作为测量气体室。空室12经由中心孔13与废气相连接。在中心孔13和空室12之间布置多孔的扩散屏障14。在孔13侧布置由多孔的保护层16覆盖的外泵送电极15。在测量气体室12侧，在背向外泵送电极15的侧上布置内泵送电极17。外泵送电极15和内泵送电极17界定了被设置用于输送氧离子的泵送电池18。

在参考气体体积20内设置参考电极21。在测量气体室12内布置同样像内泵送电极17那样位于零电位上的另外的电极、即能斯特电极30。能斯特电极30和参考电极21共同形成能斯特电池或浓度电池50。

此外，在测量气体室12和参考气体体积20下方在加热器隔离层23中布置加热器22。加热器22例如可以构造为曲折形的。加热器22确保了传感器元件10的足够的运行温度。

传感器元件10的测量和分析处理电路包括差值放大器60，在该差值放大器60的一个输入端上施加尤其是450 mV的参考电压。另一个输入端与参考电极21相连接。此外设置由测量电阻R_M61和平衡电阻R_Abg62组成的分流器，该分流器将差值放大器60的输出端引向外泵送电极15。

将泵送电压施加到泵送电池18的电极15和17上，借助该泵送电压在测量气体室12中通过将氧气泵送入或泵送出来调整恒定的氧气分压。在此将泵送电压调节为，使得在浓度电池50的电极30和21上出现例如450 mV的恒定的电压值。该电压对应于λ=1的值。按照该所谓的双电池原理，通过泵送电流将测量气体室12中的空气系数调节到可预先给定的值，该值优选恒定地保持在λ=1。测量气体室中的该空气系数通过能斯特电池的可预先给定的比较电压、在此情况下为450 mV来预先给定。

可测量的信号一方面取决于废气混合物中的空气浓度，也就是取决于气体混合物的空气特征数。另一方面，测量信号也受绝对压力影响。在此情况下成问题的是，废气的绝对压力经受波动。该绝对压力例如随着汽缸点火的频率而在几百毫巴附近振荡。随着每一个压力脉冲，导致短时地强烈提高输入到测量气体室12中的废气的贫油气体组分或富油气体组分。传感器元件10的测量和分析处理电路可以对此很快地做出反应，使得在压力脉冲期间的输入阶段中渗入的、引起测量气体室12中的与λ=1的偏差的附加气体组分很快地经由泵送电池18被输送出。但是总体上导致测量信号的偏移，因为在随后的低压阶段中，与在高压阶段中已输入的气体组分相比，输送出更少的气体组分。即使在通过合适的电子滤波平整了泵送电流振荡的情况下，也导致损害测量精度的平均泵送电流的偏移。

该问题不仅出现在宽带氧气探头的这里详细示出的双电池原理中。按照根据极限电流可测量空气特征数λ的所谓的单电池原理的氧气探头也展示出由于动态压力波动而造成的极限电流的可比较的平均值偏移。因此，本发明方法也可以以特别的优点采用在按照单电池原理的氧气探头的运行中。

根据本发明，泵送电流的由动态压力波动所引起的振荡、亦即由动态压力波动所引起的频率分量在修正传感器信号时得到补偿，使得消除了平均泵送电流的由压力脉冲所引起的偏移。由此可以显著改善这样运行的传感器元件的测量精度。通过该措施也可以缩小***公差。为了识别泵送电流的由动态压力波动所引起的振荡的频率分量，优选对振荡进行分析。例如可以为此执行傅立叶频率分析，其中将泵送电流的周期性信号分解成其单个的频率分量。例如可以从所测量的泵送电流中减去这些频率分量。

在另一特别优选的实施形式中，在比平均值偏移的特征曲线族中，将当前的取决于运行点的由压力波动的幅度、频率和形状因数组成的组合分配给平均泵送电流的探头典型的偏移，使得根据该特征曲线族可以仅仅通过测量当前的泵送电流和考虑相应的运行点确定出比平均值偏移并且相应地修正氧气测量。在其它实施形式中，可对此使用动态的压力模型。在此情况下，借助动态的压力模型与运行点有关地进行压力脉冲的幅度和形状因数的确定。从发动机转速中得出压力脉冲的频率。

以优选的方式，将本发明方法应用在其汽缸均衡已经从运行平稳或其它方法得到确保的发动机上。在此情况下，泵送电流信号基本上不包含具有可能由氧气差产生的高频的分量。更确切地说，在高的频段中只预期由于压力脉冲而造成的波动。一般适用的是，由实际的氧气波动引起在某个频率阈值以下的、例如在25 Hz以下的波动。在该阈值以上原则上由压力脉冲引起振荡。在一定程度上，也在25 Hz以上出现归因于氧气波动的振荡。该氧气波动由汽缸位错引起。由于所述汽缸位错原则上在压力脉冲的一半频率时出现，所以可以在频谱中良好地将所述汽缸位错与压力脉冲区分开。在确保了汽缸均衡时，基本上仅由压力脉冲引起在特定阈值、例如25 Hz以上的波动。在废气组成突然变化时，氧气波动的频谱变宽，使得该频谱的尾部也可以在该阈值以上提供份额。但是，所述尾部比压力脉冲的份额平缓，并且因此可以与压力脉冲区分开。

在汽缸被调整过头的情况下优选的是，如果氧气波动与压力脉冲太过重叠，则通过频率分析将泵送电流的振荡分解成频率分量。由于由汽缸调整过头而造成的氧气波动最高具有如压力脉冲一半的频率，因此可以毫无问题地例如在傅立叶频谱中互相区分开频率分量。

优选分析处理尤其是应分配给双倍的发动机转速的傅立叶幅度，因为可将该傅立叶幅度可靠地分配给压力波动。

图2A以示意的方式示出在重叠的压力脉冲和气体变换（氧气变换）时的探头信号的时间变化曲线。从图2B中得知属于该时间变化曲线的傅立叶分解（FT[探头信号]）。图2B中用100表示的信号变化曲线示出探头信号的实数部分（FT[Ip]）。用200表示的变化曲线示出探头信号的虚数部分（FT[Ip]）。用300表示的区域表明了静态的泵送电流Ip。在静态的Ip 300之上的傅立叶频谱中的信号应分配给这里用400表示的气体变换或氧气变换。在这些频率之上的傅立叶频谱中的信号应分配给这里用500表示的压力脉冲。因此可将压力脉冲的影响与本来的氧气信号分离。但是，为此也应修正在0 Hz频率时引起附加份额的平均泵送电流的偏移。

Claims (10)

1.用于运行传感器元件（10）、尤其是用于确定气体混合物的气体组分的浓度的氧气探头的方法，其中通过施加泵送电压从测量气体室（12）中除去气体组分，并由此推断出气体混合物中的气体组分的浓度，其特征在于，对于传感器信号的修正考虑泵送电流的由动态的压力波动所引起的振荡。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，分析泵送电流的振荡以用于识别由动态的压力波动所引起的频率分量，并且对传感器信号修正动态的压力波动的频率分量。

3.按照权利要求2的方法，其特征在于，通过频率分析、尤其是傅立叶频率分析来执行振荡的分析。

4.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，从泵送电流的振荡中减去由动态的压力波动所引起的频率分量。

5.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，将泵送电流的传感器元件典型的平均值偏移分配给至少一个表征由动态的压力波动所引起的频率分量的参量，并且根据该分配进行传感器信号的修正，其中优选将该分配寄存在特征曲线族中。

6.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，对于泵送电流的修正，仅考虑那些由动态的压力波动所引起的、其频率位于可预先给定的阈值之上的频率分量。

7.按照以上权利要求之一的方法，其特征在于，在分析振荡时，将低的频率、尤其是在25 Hz以下的频率和高的频率、尤其是在25 Hz以上的频率互相区分开。

8.按照权利要求7的方法，其特征在于，将传感器的信号引导通过高通滤波器，并且将信号的经过整流的和取平均的幅度用于传感器信号的修正。

9.计算机程序，该计算机程序当其在计算设备或控制设备上运行时实施按照权利要求1至8之一的方法的所有步骤。

10.具有存储在机器可读载体上的程序代码的计算机程序产品，用于当程序在计算机或控制设备上实施时执行按照权利要求1至8之一的方法。

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