CN104737011B - 用于对宽带氧传感器的空气基准通道进行诊断的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对宽带氧传感器的基准通道进行诊断的方法，所述宽带氧传感器用于确定废气中的氧含量，其中使用至少一个具有泵单元及奈斯特单元的传感器元件，其中在用于确定废气中的氧含量的测量模式中一种经过调节的泵电流从所述泵单元中流过，并且由此在测量室与所述废气之间实现氧离子的交换，并且由此将在所述测量室中的λ值调节到1的数值，其中通过所述奈斯特单元对在所述测量室中的λ值进行监控，并且其中对此来说必要的泵电流的数值取决于氧气浓度，并且由此取决于废气的有待确定的λ值，其中所述传感器元件以其电极与用于对所述宽带氧传感器进行操控和测评的控制单元相连接，其中除了所述测量模式之外，也设置了至少一个诊断模式。按照本发明，在此规定，在所述诊断模式中在所述泵电流‑调整电路上进行转换，并且通过电压测量来对在所述基准通道中的空气基准的品质实施诊断。此外，本发明涉及一种用于实施所述按本发明的方法的装置。

Description

用于对宽带氧传感器的空气基准通道进行诊断的方法和装置

背景技术

本发明涉及一种用于对宽带氧传感器的基准通道进行诊断的方法，所述宽带氧传感器用于确定废气中的氧含量，其中使用至少一个具有泵单元及奈斯特单元的传感器元件，其中在用于确定废气中的氧含量的测量模式中，一种经过调节的泵电流从所述泵单元中流过，并且由此在测量室与所述废气之间实现了氧离子的交换，并且由此将在所述测量室中的λ值调节到1的数值，其中通过所述奈斯特单元对在所述测量室中的λ值进行监控，并且其中对此来说必要的泵电流的数值取决于氧气浓度，并且由此取决于所述废气的有待确定的λ值，其中所述传感器元件以其电极与用于对所述宽带氧传感器进行操控和测评的控制单元相连接，其中除了所述测量模式之外也设置了至少一种诊断模式。

此外，本发明涉及一种相应的、用于实施所述按本发明的方法的装置。

氧传感器比如在内燃机的排气系中用于测量废气的氧含量，以便对于所述内燃机的燃料-空气-混合物的处理进行控制。所述氧传感器利用由二氧化锆-陶瓷所构成的固体电解质的特性，所述固体电解质自大约300℃的温度起让氧离子通过。在所述固体电解质的至少两个侧面上安装了铂电极。如果所述侧面之一暴露在具有降低了氧气分压的废气下并且另一侧暴露在基准气体、比如空气下，那么氧离子就会通过所述固体电解质来扩散。在这样的集中单元（Konzentrationszelle）的两个电极之间的、由此引起的电压差通过奈斯特方程式来描述，并且可以用于在窄小的、围绕着λ=1的窗口中确定所述废气的λ值。所述λ值代表着当前的、相对于计量化学的空气/燃料比的空气/燃料比。

通过将外部的电压加载到所述电极上这种方式，可以通过所述固体电解质来泵吸氧离子。将这种特性用在所谓的宽带氧传感器中，用于能够在较大的、从稀薄到浓厚的废气的范围内确定所述λ值。为此，一个电极、也就是外部的泵电极朝向所述废气。第二电极作为内部的泵电极通过一种扩散障碍与所述废气相连接。所述第二电极可以布置在所述固体电解质的测量室中，所述测量室通过扩散通道以及所述扩散障碍与所述废气相连接。在一种作为替代方案的结构中，所述两个电极布置在所述固体电解质的、朝向废气的一侧上，其中所述内部的泵电极被所施加的扩散障碍层所遮盖。

外部的泵电极、内部的泵电极以及处于其之间的固体电解质形成一个所谓的泵单元。通过加载一种电压，就将氧离子从所述内部的泵电极运送给所述外部的泵电极。在足够高的电压时，在此出现一种极限电流，该极限电流由从所述扩散障碍中穿过的氧气扩散来确定。所述氧气扩散以及由此为了确定所述λ值而测量的极限电流直接取决于在所述废气中的氧气分压，并且取决于所述扩散障碍的扩散特性。在所述扩散障碍的已知的扩散特性的情况下，可以从所述极限电流中确定所述废气的λ。

另一种作为双单元的宽带氧传感器而熟知的结构由一泵单元和一集中单元的组合所构成。在此，所述外部的泵电极朝向所述废气，并且所述内部的泵电极布置在通过所述扩散障碍与所述废气相连接的测量室中。此外，所述集中单元的、被称为测量电极的第一电极处于所述测量室中。在单独的基准通道中，作为所述集中单元第二电极，在所述固体电解质上施加了基准电极。所述基准通道用具有所定义的氧含量的基准气体、优选通过外部的开口利用空气来填充。

对于这样的双单元的宽带氧传感器来说，通过所述泵单元通过氧离子的抽入或者抽出来将在所述测量室中的λ值调节到优选为1的λ。为此，通过所述集中单元来测量所述测量室中的λ值，并且通过相应的、对于流经泵单元的泵电流的调节来将其调节到λ=1。所述对此来说必要的泵电流取决于通过所述扩散障碍扩散到所述测量室中的氧气量，并且由此取决于所述废气的λ以及所述扩散障碍的扩散特性。在所述扩散障碍的已知的特性的情况下，可以从所述泵电流中确定所述废气的λ。

所述扩散障碍的扩散特性受到较大的制造离散度的影响。因此，在对所述宽带氧传感器的信号进行测评时，必须对个性化的扩散特性加以考虑。

宽带氧传感器的一种实例在DE 10 2008 002 734 A1中得到了说明。

用于运行宽带氧传感器的、用作测评及控制单元的装置比如在DE 10 2010 000663 A1中得到了说明。在该文件中所说明的控制单元的基本构思、构造和基本功能基本上相当于在本申请人的文件DE 10 2008 001 697 A1中所描述的、用于宽带氧传感器的测评及控制单元。在此，所述控制单元构造为ASIC的形式，并且以CJ 125或者CJ 135的名称为人所知（参见本申请人的、具有标题“CJ135-Lambda Probe Interface IC（CJ135-λ探针界面IC）”的产品信息）。

在DE 10 2010 039 188 A1中说明了一种用于对于在测量室中的气体的至少一种特性进行检测、尤其是用于对所述气体的气体成分进行探测的方法。在该方法中，使用至少一个具有至少一个单元（Zelle）的传感器元件。所述单元具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和至少一个将所述第一电极和所述第二电极连接起来的固体电解质。所述第一电极能够利用来自所述测量室的气体来加载。所述第二电极与至少一个基准气体室处于连接之中，所述基准气体室被设立用于：储存所述气体的气体分成的储备。所述方法包括至少两种运行模式：

-至少一种测量模式，其中在所述测量模式中所述单元作为泵单元来运行，并且从至少一种流经所述泵单元的泵电流中推断出所述特性，以及

-至少一种诊断模式，其中在所述诊断模式中对所述基准气体室的储存能力进行检查，其中检测至少一个受到加载在所述单元上的奈斯特电压的影响的测量值，并且从所述测量值中推断出所述储存能力。

当前在市场上能够获得的氧传感器的大部分对于其作用原理来说需要一种所谓的空气基准（Luft-Referenz）（本来是氧气基准（Sauerstoff-Referenz）），所述空气基准的突出之处在于，这种空气基准的氧含量大约为21%的氧气或者更高。所有提供这种空气基准的方法都包含某些风险：它们没有包含足够的氧气或者通过具有负的氧化合价（Sauerstoffwertigkeit）的元素而“中毒”。作为这种有缺陷的基准的后果而出现λ特性曲线的偏移，并且在逻辑的后果中出现有欠缺的λ确定结果，并且偶尔在发动机控制仪的软件中出现不受欢迎的错误记录。通常在常规的测评线路中不可能对空气基准进行诊断，并且必须忍受上面所描述的剩余风险。

因此，本发明的任务是，提供一种相应的方法，用该方法可以容易并且快速地对宽带氧传感器的、上面所描述的空气基准实施诊断。

此外，本发明的任务是，提供一种相应的、用于实施所述方法的装置。

本发明的公开内容

与所述方法有关的任务通过以下方式来解决：在所述诊断模式中在所述泵电流-调整电路上进行一种转换，并且通过电压测量来对于在所述基准通道中的空气基准的品质实施诊断。利用所述方法，可以对在所述传感器元件中的有欠缺的基准通道进行诊断，并且由此避免了可能错误的λ值，这对于内燃机来说提高了λ调节机构的运行可靠性，并且有助于避免有害物质排放。

在此规定，如此对所述泵电流-调整电路进行改良，从而如此改变在所述传感器元件中的氧气浓度，以便可以在两个具有较高的氧气浓度的位置之间进行一种比较测量。如果得到一种可以表明为有欠缺的基准的测量结果，那么，作为结果就可能产生多种情况。一方面，通过持久较高的基准泵电流可以尝试对所述空气基准进行净化，并且用氧气来填充。另一方面，可以通过所述错误记录（Fehlereintrag）来显示，迫切地需要更换传感器。

在优选的方法变型方案中规定，对于所述诊断来说要设定最大可能的负的泵电流。这能够用氧离子的过压来填充所述测量室。这种较高的氧气分压在较短的时间之后（典型地在＜250ms之后）已经引起一种静止的状态，这种静止的状态的、对所有新添加的氧离子的平衡处理通过穿过扩散障碍而扩散并且流动到所述废气中这种方式来进行。在达到所述稳定的状态之后，可以实施开头所提到的电压测量，而时间上的变化对于所述电压测量没有干扰。

此外，这也可以通过对所述奈斯特单元的负的调节电压的要求来实现。

在此规定，在所述诊断阶段中—在该诊断阶段中所出现的奈斯特电压已经呈现出稳定的数值—对所述奈斯特电压进行测评，并且对于+50mv到+150mV的奈斯特电压来说认为存在具有完好的空气基准的、完好的基准通道，并且对于所出现的、相对于此较低的或者负的电压来说则认为存在有欠缺的空气基准。可以容易地借助于相应的比较器来对此进行监控。

在一种方法变型方案中，在识别出差错时，要求接通所述传感器元件，用于强化地用空气或者氧气来填充所述基准通道，而在时间上紧挨着诊断阶段所测量的λ值则可以被标识为“不利”。由此至少部分地又使所述传感器元件再生或者“解毒”。

如果通过其它的措施来对所测量的、尤其是处于0到500mV的范围内的奈斯特电压进行核实（plausibilisieren），则由此获得特别高的诊断可靠性。

由于相当短的、最大一秒钟、典型地大约0.5秒的诊断持续时间，所以仅仅短时间地中断所述λ测量，从而能够继续进行差不多无空隙的废气监控。

优选的是，在宽带氧传感器的使用寿命的开始并且/或者在使用寿命期间，以特定的间隔来实施所述诊断方法连同其前面所描述的方法变型方案。由此，在所述使用寿命的开始比如可以识别，所述氧传感器是否存放了太久或者未正确地得到存放。在使用寿命期间的使用就提供了可以识别老化或者机械的损伤这种优点。暂时“中毒的”传感器由此可以在使用其λ信号之前得到再生。这对于利用所述λ信号的功能来说，可以防止不正确的、难以分配的后果。

此外，有利的是，只须在一个行驶周期里、尤其是在一个行驶周期的开始或者结束时来实施一次诊断。

与所述装置有关的任务通过以下方式来解决：所述控制单元具有用于实施所述方法连同其前面所描述的方法变型方案的机构、尤其是用于改变流经所述泵单元的泵电流的泵电流调节状态的转换机构以及用于对在所述奈斯特单元上的奈斯特电压进行测评的比较器。所述控制单元在此至少可以部分地是内燃机的上级的电动机控制机构的、集成的组成部分。所述功能在此至少可以部分地或完全在软件的基础上得到实现，这尤其能够相当容易地实现一种适应。

如果像一种特别优选的装置变型方案所规定的那样所述控制单元具有CJ 135ASIC组合件，那么用于使用所述诊断方法的装置方面的开销就比较小，因为这个组合件已经具有相应的广泛的调节可行性，用于进行必要的、相对于正常运行必须进行的转换。

下面借助于在附图中示出的实施例来对本发明进行详细解释。附图示出：

图1是双单元的宽带氧传感器的传感器元件连同插头壳体的示意图；并且

图2是用于奈斯特电压和泵电流的信号-曲线图表。

具体实施方式

图1以示意图示出了一个平坦的、双单元的、用于确定废气18的λ值的宽带氧传感器的传感器元件10连同一个插头壳体50。所述传感器元件10基本上由一种固体电解质11所构成。它包含泵单元20、奈斯特单元30以及加热元件16。所述固体电解质11在图示中作为统一的、由传导氧离子的二氧化锆所构成的本体来示出，但是它在构造中可以由多个固体电解质层所构成。

所述泵单元20包括一外部的泵电极21和一布置在测量室12中的内部的泵电极22。所述外部的泵电极21在通过保护层23遮盖的情况下暴露在内燃机的废气18之下。所述外部的泵电极21和所述内部的泵电极22环状地围绕着扩散通道14来布置。所述扩散通道14通过扩散障碍13来将所述废气输送给所述测量室12。

在所述测量室12的、与内部的泵电极22对置的一侧上布置了测量电极31。所述测量电极31与布置在基准通道15中的基准电极32及处于其之间的固体电解质11一起形成了所述奈斯特单元30或者集中单元。所述基准通道15用透气的材料来填充，并且朝向作为基准气体的外界空气敞开。在所泵吸的基准的情况下，所述基准通道15也可以完全地或者在很大程度上关闭，并且比如用氧化锆来填充。所述基准通道15示出了一种空气基准（Luft-Referenz）或者也示出了氧气基准（Sauerstoff-Referenz）。

所述加热元件16通过绝缘材料17在电方面与所述固体电解质11隔开。

所述外部的泵电极21通过接线APE 40与所述插头壳体50相连接。所述内部的泵电极22和所述测量电极31并联，并且通过一根共同的接线IPN 41来通往所述插头壳体50。所述基准电极32通过接线RE 42并且所述加热元件16通过第一加热接线43和第二加热接线44来连接到所述插头壳体50上。

所述电极，也就是所述内部的和外部的泵电极21、22、所述基准电极32以及所述测量电极31由铂制成。

在所述宽带氧传感器的运行中，废气通过所述扩散通道14和所述扩散障碍13来扩散到所述测量室12中。通过所述奈斯特单元30，通过测量在所述测量电极31与所述基准电极32之间的奈斯特电压的方式来确定在所述测量室12中的λ值。所述奈斯特单元30在此能够在窄小的、围绕着λ=1的测量窗口中确定所述λ。通过在所述外部的与内部的泵电极21、22之间加载相应地经过极化的电压这种方式，可以将氧离子通过所述固体电解质11从所述废气泵吸到所述测量室12中，或者从所述测量室12泵吸给所述废气。

所述奈斯特单元30在运行过程中，在例如在DE 10 2008 001 697 A1中所描述的那样的、比如可以是CJ 135 ASIC的控制单元上在利用基准泵电流的情况下被调节到450mV的电压，因而可以将所述处于氧传感器内部的测量室12（λ-1-空腔）基本上视为无氧气。这通过将电源加载到所述泵单元20上这种方式来进行。通过对于在所述泵电极21、22之间流动的泵电流102的适当的调节（参见图2）、以及由此对于在所述测量室12与所述废气之间的氧离子的交换的适当的调节，来将在所述测量室12中的λ值调节到1的数值。在此，通过所述奈斯特单元30来对于在所述测量室12中的λ值进行监控。对此必要的泵电流的数值取决于氧气浓度，并且由此取决于所述废气的有待确定的λ值，并且取决于所述扩散障碍13的扩散特性。所述方案发挥功能的主要条件是，通过上面所提到的基准泵电流提供了一种具有很高的氧含量、也就是空气基准的腔室。

如果这种空气基准或者氧气基准不存在，那么在传感器定义的意义上，所加载的泵电流102（参见图2）再不应该视为用于所述废气18的氧含量的、有效的尺度。

在对于所述空气基准进行诊断的过程中，可以使所述控制单元（比如CJ 135ASIC）在诊断时间间隔中设定最大的负的泵电流102（参见图2），所述最大的负的泵电流102用氧离子的过压来填充所述测量室12（λ-1-空腔）。所述氧离子的过压比如在这个阶段中可以处于-10mA到-15mA的数量级中。这要么可以通过在所述奈斯特单元30上要求负的调节电压的方式要么通过在所述控制单元中要求所调节的泵电流-运行的方式来进行。

上面所描述的氧气过压（较高的氧气分压力）在较短的时间之后引起静止的状态，所述静止的状态的、对所有新添加的氧离子的平衡处理通过经过所述扩散障碍13扩散并且流动到所述废气18中这种方式来进行。

在图2中，以信号-曲线图表100示出了一种奈斯特-电压曲线104和泵电流曲线105，其中横坐标描绘了时间103，并且纵坐标描绘了所述奈斯特电压101的及泵电流102的水平。

从恒定地调节的、450mV的奈斯特电压101连同相应的泵电流102为出发点，在上面所提到的措施之后，在第一侧边106处在大约250ms之内出现一种新的静止的状态。在此，在所述测量室12（λ-1-空腔）与所述空气基准之间构成了一种奈斯特电压101，该奈斯特电压处于大约+100mV的范围内，因为典型地在所述空气基准中的氧气分压力还比在现在用氧气来填充的测量室12中的要高。在正常运行时，所述奈斯特电压大约为+450mV。

如果构成了一种明显负的电压，则可以认为存在有欠缺的空气基准，并且，如果所述空气基准应该真正地可以使用，那要识别传感器故障或者要求进行反应，以便强化地填充所述空气基准，在所述空气基准中所述λ信号应该被视为不利。

往回转换到正常运行中的过程—在奈斯特电压曲线104中或者在泵电流曲线105中的第二侧边107示出了这一点—仅仅持续了大约200ms，直至所述泵电流102又显示出正确的数值，并且所述奈斯特电压101又被调节到450mV的数值。一个诊断周期的持续时间在总体上处于大约1秒钟并且更小（典型地＜500ms）的范围内。不必以大于每个行驶周期一倍的频率来实施所述诊断。可能的、用于所述诊断的时刻比如在车辆行驶运行的开始时或者结束时。

Claims (15)

1.用于对宽带氧传感器的基准通道（15）进行诊断的方法，所述宽带氧传感器用于确定废气（18）中的氧含量，其中使用至少一个具有泵单元（20）及奈斯特单元（30）的传感器元件（10），其中在用于确定废气（18）中的氧含量的测量模式中一种经过调节的泵电流（102）从所述泵单元（20）中流过，并且由此在测量室（12）与所述废气（18）之间实现氧离子的交换，并且由此将在所述测量室（12）中的λ值调节到1的数值，其中通过所述奈斯特单元（30）对在所述测量室（12）中的λ值进行监控，并且其中对此来说必要的泵电流（102）的数值取决于氧气浓度，并且由此取决于废气（18）的有待确定的λ值，其中所述传感器元件（10）以其电极与用于对所述宽带氧传感器进行操控和测评的控制单元相连接，其中除了所述测量模式之外也设置了至少一种诊断模式，其特征在于，在所述诊断模式中在一种泵电流-调整电路上进行转换，并且通过电压测量对在所述基准通道（15）中的空气基准的品质实施诊断。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，如此对所述泵电流-调整电路进行改良，从而如此改变在所述传感器元件（10）中的氧气浓度，以便可以在两个具有较高的氧气浓度的位置之间进行比较测量。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为所述诊断设定强烈的负的泵电流（102）。

4.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向所述奈斯特单元（30）提出了负的调节电压的要求。

5.按权利要求1或2所述的方法，在所述诊断阶段—在该诊断阶段中所出现的奈斯特电压（101）已经具有稳定的数值—中对所述奈斯特电压进行测评，并且对于+50mv到+150mV的奈斯特电压（101）来说认为存在具有完好的空气基准的、完好的基准通道（15），并且对于所出现的、相对于此较低的或者负的电压来说则认为存在有欠缺的空气基准。

6.按权利要求5所述的方法，其特征在于，在识别出差错时，要求接通所述传感器元件（10），用于强化地用空气或者氧气来填充所述基准通道（15），而在时间上紧挨着所述诊断阶段所测量的λ值则被标识为“不利”。

7.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过其它的措施来对所测量的奈斯特电压（101）进行可信性检测。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，所测量的奈斯特电压（101）处于0到500mV的范围内。

9.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一秒钟的诊断持续时间之内实施这种诊断。

10.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在宽带氧传感器的使用寿命的开始并且/或者在使用寿命期间以特定的间隔来实施所述诊断方法。

11.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在一行驶周期里实施一次诊断。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，在一行驶周期的开始或者结束时实施一次诊断。

13.用于对用来确定废气（18）中的氧含量的、宽带氧传感器的基准通道（15）进行诊断的装置，其中设置了至少一个具有泵单元（20）和奈斯特单元（30）的传感器元件（10），并且所述传感器元件（10）以其电极与用于对所述宽带氧传感器进行操控和测评的控制单元相连接，其特征在于，所述控制单元具有用于实施按方法权利要求1到12中任一项所述的方法的机构。

14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述控制单元具有CJ 135 ASIC组合件。

15.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述机构是用于改变流经所述泵单元（20）的泵电流（102）的泵电流调节的转换机构以及用于对在所述奈斯特单元（30）上的奈斯特电压（101）进行测评的比较器。