CN105899944A - 用于监视废气传感器的油气测量能力的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视在贫油运行的内燃机的废气通道中的废气传感器的油气测量能力的方法，其中，废气在废气传感器中经由扩散屏障被从废气通道扩散到废气传感器的测量空腔中，以及其中，氧气根据流动的泵电流经由带有内部的泵电极和第二泵电极的泵单元通过在电极之间施加泵电压被泵入到测量空腔中或泵出到测量空腔外。在此规定，在内燃机的贫油运行期间在诊断阶段中反转泵单元的泵方向以及将氧气泵入到测量空腔中，以及由泵电流和/或泵电压推断出了废气传感器的油气测量能力。本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。该方法和该设备能在不将内燃机的废气成分转换到富油的废气的情况下进行对废气传感器的油气测量能力的诊断。因此可以避免内燃机的燃耗或排放的提高。

Description

用于监视废气传感器的油气测量能力的方法和设备

本发明涉及一种用于监视在贫油运行的内燃机的废气通道中的废气传感器（Abgas-Sonde）的油气测量能力（Fettgas-Messfähigkeit）的方法，其中，废气在废气传感器中经由扩散屏障被从废气通道扩散到废气传感器的测量空腔中，以及其中，氧气根据流动的泵电流经由带有内部的泵电极和第二泵电极的泵单元通过在电极之间施加泵电压被泵入到测量空腔中或从测量空腔泵出。

本发明此外还涉及一种用于监视在贫油运行的内燃机的废气通道中的废气传感器的油气测量能力的设备，其中，废气传感器的测量空腔通过扩散屏障与废气通道连接，其中，带有内部的泵电极和第二泵电极的泵单元被设置用于将氧气泵入到测量空腔内或从测量空腔泵出，其中，为了将氧气从测量空腔泵出，在电极之间设置正的泵电流，以及为了泵入而在电极之间设置负的泵电流，以及其中，为废气传感器配设控制单元。

废气传感器例如以λ-传感器（Lambda-Sonden）的形式在内燃机的废气通道中被用于确定输送给内燃机的空气燃料混合物的成分。按照法律规定，必须在运行中就有正确的功能、所谓的“测量能力”对废气传感器进行检查。为此可以将已知成分的气体混合物输送给废气传感器且对废气传感器的输出信号进行评估。因此，在具有λ值＜1的“富油的（fetten）”空气燃料比下就正确的功能对λ-传感器进行检查、对所谓的“油气测量能力”进行检查时，必须向λ-传感器输送这种混合物。特别是在正常运行下在贫油（mageren）的废气的范围内运行的柴油机（Dieselmotor）中，用于诊断的富油运行造成了有害物质的排放增加以及造成了额外的燃耗并且因此优选予以避免。其它的、在不干预到马达运行中的情况下进行的提供在λ-传感器上的富油的气体成分的可行方案，出于多种多样的原因而无法实现。

不过用其它方式的可靠的诊断也是有缺陷的。为了确定λ值而使用λ-传感器的泵电流。所述泵电流在贫油的废气中是正的，在富油的废气中是负的。在λ-传感器内部的运输过程中在贫油和富油的废气下，在电极上的电流方向、电极反应和气体方面极为不同。因此为了接近实际的诊断，必须提供这些只要是诊断所需的条件。

废气传感器可以被设计成宽带-λ-传感器、氧跃变传感器（Lambda-Sprungsonden）、双单元式宽带-λ-传感器或设计成单个单元式极限电流传感器，但也可以例如设计成NO_x传感器。

DE 10 2011 005 490 A1公开了一种针对运行用于检测在测量气室内的气体的至少一种特性的传感器元件的方法，其中，传感器元件包括至少一个泵单元，泵单元带有至少两个电极和至少一种连接电极的固体电解质，其中，泵单元的至少一个第一电极能用来自测量气室的气体加载，其中，泵单元的至少一个第二电极与至少一条参考通道处于连接中,其中,在该方法中检查,流经泵单元的泵电流是否通过用气体加载第一电极而受到限制或泵电流是否通过参考通道而受到限制。在本发明的说明中指出了为了诊断目的的泵电压反转的可能性。但在该文献中并不探讨对废气传感器的富油测量能力（Fettmessfähigkeit）的诊断。

DE 10 2010 040 817 A1说明了一种用于平衡用来检测在测量气室内的气体的至少一种特性，特别是用来确定气体组分的份额的传感器元件的方法，其中，传感器元件具有至少两个单元，这两个单元分别带有至少两个电极和至少一种连接电极的固体电解质，其中，至少一个第一电极是两个单元的组成部分，其中，第一电极经由至少一个扩散屏障能用来自测量气室的气体加载，其中，所述单元包括至少一个第一单元和至少一个第二单元，其中，气体的至少一种从第一电极出来经由第二单元被泵出的气体组分能经由扩散屏障被至少部分引回到第一电极，其中，第一泵电流通过第一单元被测量，其中，第二泵电流通过第二单元被测量，其中，由第一泵电流和第二泵电流推断出了扩散屏障的至少一种特性。在该文献中公开了以下内容：宽带-λ-传感器的特征线在生产期间或在生产后或也在现场运行中，例如在柴油机的推进运行中，都可以得到校正或者说调准（abgeglichen）。在此，可以例如借助泵电流反转和/或将电极空腔泵满来执行相应的诊断方法和/或再生方法。用于诊断λ-传感器的富油测量能力的方法未被公开。

文献DE 10 2009 060 172 A1公开了一种用于诊断废气传感器的动力的方法，借助该方法可以表征废气流的特性，其中，废气传感器具有测量调节回路以及借助该测量调节回路的调整信号可以表征废气流的特性，该方法带有：

- 产生调整信号的变化；

- 求出测量调节回路的测量信号对该变化的反应；以及

- 借助所述反应评定废气传感器的动力。

在该文献中指出了下述可行方案：可以取代废气质量流量的混合物成分地通过切断和/或转换调节器或其调整信号来改变在参考单元中的氧含量，其中，切断和/或转换调节器或其调整信号可以例如发生在产生废气流的内燃机的调节器或马达控制器的集成的开关电路中。在此并未公开用于诊断贫油运行的马达中废气传感器的富油测量能力的可行方案。

因此本发明的任务在于：提供一种方法和一种设备，它们能够执行对废气传感器的功能性能以及用于确定富油的废气混合物的成分的附属的测量回路的功能性能的检查，而无需用富油的废气加载废气传感器。

发明内容

本发明的、涉及所述方法的任务通过以下方式解决：在内燃机贫油运行期间在诊断阶段内对泵单元的泵方向进行反转以及将氧气泵入到测量空腔中，以及由泵电流和/或泵电压推断出废气传感器的油气测量能力。

在此可以规定：当能够出现相对贫油运行反转的泵电流方向时，推断出废气传感器完好无损或所配设的传感器电子器件（Sondenelektronik）完好无损。

在正常测量运行中，在贫油运行的内燃机中，例如在柴油机中，来自废气的氧气经由扩散屏障扩散到废气传感器的测量空腔中。根据运行策略在测量空腔中例如有λ值为1。扩散进入到测量空腔中的氧气利用泵单元用正的泵电流运走。

为了诊断油气测量能力，以下述方式来修改泵电压：使得必然产生负的泵电流。在此，氧气被泵入到测量空腔中。为了诊断，对所测得的泵电流加以评估。若没有出现负的泵电流，那么存在废气传感器或所配设的测量回路的缺陷。

所述方法能够实现对废气传感器和所配设的传感器电子器件的油气测量能力的检查，而不必将富油的废气输送给废气传感器。因此，在诊断期间提高的燃耗和提高的有害物质排放可以得到避免。因而监视可以被足够频繁地执行，以便例如遵循“使用监控性能比（in use monitor performance ratio）”（IUMPR）的要求。

对废气传感器的油气测量能力的精确的评估可以由以下方式达到：在反转的泵电流方向下泵电流的时间走向或泵电压的时间走向或泵电压或泵电流或用于评估废气传感器的油气测量能力的废气的成分分别被单独地观察或以特性参数的组合被考虑。

根据本发明的另一种变型方案可以规定：借助调节器来调整预定的反转的泵电流以及为了判定废气传感器的油气测量能力而对为此所需的泵电压加以评估。在此也可以一并考虑废气传感器上废气的成分。

针对废气传感器的更进一步的诊断可能性由以下可行方案得出：紧接着诊断阶段在接下来的测量运行中重新反转泵单元的泵方向以及将氧气从测量空腔泵出且由产生的最大的泵电流推断出在测量空腔中的氧气积聚和/或推断出泵单元的有效功率和/或推断出针对贫油运行的废气传感器可动用的功能储备。

在从诊断阶段返回测量运行之后，废气传感器的信号为了确定废气成分而对于短时间内是无效的，直至在测量空腔内再次出现近似1的λ值。因此为了避免错误测量而可以规定：在诊断阶段之后，在常规的测量运行中在预定的等待时间之后对废气传感器的输出信号进行评估。

本发明的、涉及所述设备的任务通过以下方式得到解决：在控制单元中设置有用于在内燃机的贫油运行期间以及在废气传感器的诊断阶段期间反转泵单元的泵方向的开关电路或程序流程，以及控制单元包含用于在诊断阶段期间出现负的电流值时用于诊断正确的油气测量能力的开关电路或程序流程。所述设备因此能执行所说明的方法。

根据本发明的一种特别优选的设计变型方案可以规定：废气传感器被构造为宽带-λ-传感器或氮氧化物传感器。在两种废气传感器中，各废气组分，亦即氧气或氮氧化物（NO_x）的浓度，借助所形成的泵电流求出。

在本发明的另一个变型方案中，废气传感器可以被设计成带有集成的氧气存储器的单个单元式极限电流传感器（Einzellen-Grenzstromsonde）。

附图说明

接下来借助在附图中所示出的实施例对本发明作更详细地阐释。附图中：

图1在示意图中示出了双单元式宽带-λ-传感器的传感器元件；

图2示出了单个单元式废气传感器的传感器元件。

具体实施方式

图1在示意图中示出了带有插头壳体50的、用于确定废气18的λ值的平坦的双单元式宽带-λ-传感器的传感器元件10。传感器元件10基本上由固体电解质11构成。它包含泵单元20、浓度单元30和加热元件16。固体电解质11在图中被示出为是由传导氧离子的二氧化锆（Zirkondioxid）构成的统一体，但它在结构上可以由多个固体电解质层构成。

泵单元20由布置在测量空腔12内的内部的泵电极22和外部的第二电极21构成。由保护层23覆盖的外部的泵电极21承受（ausgesetzt）未示出的内燃机的废气18。外部的泵电极21和内部的泵电极22环形地围绕扩散通道14布置。扩散通道14将废气18经由扩散屏障13输送给测量空腔12。

在测量空腔12的与内部的泵电极22对置的一侧上，布置有测量电极31。测量电极31和布置在参考通道15中的参考电极32以及位于其间的固体电解质11一起形成了浓度单元30。参考通道15用一种透气的材料填充且朝着作为参考气体的外界空气打开。在泵吸参考物的情况下，参考通道15也可以被完全或尽可能地关闭以及例如用氧化锆（Zirkonoxid）填充。

加热元件16通过绝缘材料17与固体电解质11电分离。

外部的电极21经由接线APE 40与插头壳体50连接。内部的泵电极22和测量电极31被并联且经由一根共同的接线IPN 41通往插头壳体50。参考电极32经由接线RE 42以及加热元件16经由第一加热器接线43和第二加热器接线44连接在插头壳体50上。经由插头壳体50完成了废气传感器到未示出的传感器电子器件或控制单元的电的连接。

在宽带-λ-传感器的运行中，废气18经由扩散通道14和扩散屏障13扩散进入测量空腔12。经由浓度单元30通过测量在测量电极31和参考电极32之间的能斯托电压（Nernstspannung）来确定在测量空腔12中的λ值。浓度单元30在此能确定在围绕λ=1的一个狭窄的测量窗口中的λ。通过在第二和内部的泵电极21、22之间施加一相应的极化的电压，氧离子可以通过固体电解质11被从废气18泵入到测量空腔12中或从测量空腔12泵向废气18。

通过合适地调节在泵电极21、22之间流动的泵电流以及因此合适地调节在测量空腔12和废气18之间的氧离子的交换，将在测量空腔12内的λ调节到为1的值。在测量空腔12中的λ值在此由浓度单元30监视。为此所需的泵电流的值取决于氧浓度，并且因此取决于废气18的有待确定的λ值以及取决于扩散屏障13的扩散特性。

如果在贫油运行的柴油机的废气18中采用这种双单元式宽带-λ-传感器，那么氧气从废气18经由扩散通道14和扩散屏障13扩散到测量空腔12中。氧气通过相应地在内部的泵电极22和外部的第二泵电极21之间施加的电压和由此得出的正电流被从测量空腔12泵入到废气18中。

在在线诊断（On-Board-Diagnose）的框架内监视宽带-λ-传感器的正确的功能。为此必须也证实宽带-λ-传感器的油气测量能力。在柴油机的情况下，必须为此通过对马达运行的相应的干预调整富油的废气18，然而这由于对有害物质排放和燃耗的负面影响而是不利的。因此按照本发明规定：在诊断阶段期间借助泵电压的受控制的改变来调整负的泵电流。在这种情况下，氧气在内部的泵电极22上被送出到测量空腔12中，假如实际上流过的是负的泵电流的话。因此，在测量空腔12中形成具有λ大于1的气体。

为了诊断而对所测得的泵电流加以评估。如果没有出现负的泵电流，那么存在缺陷。此外，可以在考虑到传感器元件10上的气体成分的情况下也评估泵电压，泵电压在泵单元20上被调整。在另一个扩充阶段（Ausbaustufe）中设置有一调节器，调节器试图调整预定的负的泵电流。在此可以同样在考虑到当前的废气18的成分的情况下，对为此所需的泵电压加以评估。

所述方法例如能识别宽带-λ-传感器和所连接的传感器电子器件的操作，在宽带-λ-传感器和所连接的传感器电子器件中，二极管被置入泵单元回路中以防止负的泵电流。

在诊断阶段之后在接下来的测量运行开始时，宽带-λ-传感器的信号还对于短时间内对确定废气18的成分无效，直至在测量空腔12中又出现了为1的λ。

在本发明的另一个扩充阶段中,对在返回正常的测量运行时通过测量空腔12的空泵而出现的提高的泵电流加以评估。泵电流的峰值既是对在测量空腔12中的氧气积聚的衡量尺度也是对泵单元20的有效功率的衡量尺度。此外它还适用于诊断用于宽带-λ-传感器的贫油运行的可动用的功能储备。

图2示出了单个单元式废气传感器的传感器元件10，带有固体电解质11作为基体以及带有扩散通道14，所述扩散通道朝着未示出的内燃机的废气通道打开。废气传感器被用作用于确定输送给内燃机的空气燃料混合物的成分的λ-传感器。固体电解质11例如由钇稳定化的二氧化锆制成，二氧化锆在运行温度下是传导离子的且以电极和气体输送装置的一种合适的布置适用于确定气体成分的特定组分的浓度。废气18经由扩散通道14穿过扩散屏障13进入测量空腔12。扩散屏障13是一种多孔的元件，其至少尽可能阻止气体从扩散通道14到测量空腔12中的反流（Nachströmen）或沿相反方向的反流以及仅能实现扩散运输。在测量空腔12中，固体电解质11的壁的一部分用第一内部的泵电极22占据（belegt），第一内部的泵电极经由第二馈电线46向外导引。固体电解质11还具有参考气体通道15，该参考气体通道用多孔的、透气的介质填满且它的壁局部用第二泵电极21占据。第二泵电极21经由第一馈电线45向外导引。参考气体通道15也被称为排出空气通道（ALK），第二泵电极21也被称为排出空气电极（ALE）。内部的泵电极22和第二泵电极21在所示的实施例中被布置在实施为层结构的基体的内部。内部的泵电极22、第二泵电极21和固体电解质11的、处于内部的泵电极22与第二泵电极21之间的部分共同形成泵单元20。

此外，废气传感器在所示的实施例中包括带有绝缘材料17的加热元件16，其包围加热元件16且在运行温度下阻止了和废气传感器中的其它部件的电的接触。加热元件16经由第一加热接线43和第二加热接线44被供以运行电压。运行电压被一配设的控制机构或传感器电子器件以下述方式来调节：使得产生泵单元20的预定的内电阻。在该控制机构或传感器电子器件中，也预定或确定在内部的泵电极22和第二泵电极21上的电压，且预定或确定在第一和第二馈电线45、46中的电流。作为实现的例子，被用废气18加载的内部的泵电极22被连接在控制机构的虚拟的接地线（Masse）上。这根虚拟的接地线使第一内部的泵电极22位于相对电的接地线恒定不变的电极电位上。而第二泵电极17或排出空气电极则位于可变的电位上。经由泵电压源借助电流测量设备，例如借助测量电阻确定通过泵单元20的泵电流I_P。在常见的电路中这一点以下述方式完成：通过在运算放大器的未逆转的输入端上的馈入来调节泵电压源的泵电压U_P,以便在测量空气时设定900 mV的较高的泵电压，而在油气中则设定200 mV的较小的泵电压U_P。在内部的泵电极22和第二泵电极21之间产生取决于废气的成分的能斯托电压U_N。

如在图1中所示出的双单元式宽带-λ-传感器中那样，也在此处示出的单个单元式废气传感器中，在贫油的废气18中，氧气从废气18经由扩散通道14和扩散屏障13扩散进入到测量空腔12中。氧气通过相应地在内部的泵电极22和第二泵电极21之间施加的电压以及由此得出的正的泵电流由测量空腔12被泵入到参考通道15中。

按照本发明，为了诊断废气传感器的富油测量能力，在还是贫油的废气18中暂时施加一在内部的泵电极22和第二泵电极21之间的泵电压U_P，其得出一负的泵电流。由此将氧气从参考气体通道15泵入到测量空腔12中。在这个诊断阶段期间，废气传感器的输出信号不适用于确定λ值。

为了诊断而如已经针对图1所说明的那样，对所测得的泵电流加以评估。若没有出现负的泵电流，那么存在缺陷。在此可以在单个单元式废气传感器中使用和在图1所说明的双单元的宽带-λ-传感器中相同的评估方法。

所述诊断即使在具有脉冲化的泵电流的电化学单元的数字的、不连续的运行中也是可行的。

Claims (9)

1.用于监视在贫油运行的内燃机的废气通道中的废气传感器的油气测量能力的方法，其中，在所述废气传感器中废气（18）经由扩散屏障（13）从废气通道扩散进入到该废气传感器的测量空腔（12）中，以及其中，氧气对应于流动的泵电流经由带有内部的泵电极（22）和第二泵电极（21）的泵单元（20）通过在所述电极（21、22）之间施加泵电压被泵入所述测量空腔（12）中或从所述测量空腔（12）泵出，其特征在于，在所述内燃机的贫油运行期间在诊断阶段中反转所述泵单元（20）的泵方向，以及将氧气泵入到所述测量空腔（12）中，以及由泵电流和/或泵电压推断出所述废气传感器的油气测量能力。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，当能够出现相对贫油运行反转的泵电流方向时，推断出废气传感器完好无损或所配设的传感器电子器件完好无损。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，泵电压或泵电流或在反转的泵电流方向下泵电压的时间走向或泵电流的时间走向或用于评估所述废气传感器的油气测量能力的所述废气（18）的成分分别被单独地观察或以特性参数的组合被考虑。

4.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，借助调节器来调整一种预定的经反转的泵电流，并且为了评估所述废气传感器的油气测量能力而对为此所需的泵电压加以评估。

5.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，紧接着所述诊断阶段在接下来的测量运行中重新地反转所述泵单元（20）的泵方向，并且将氧气从所述测量空腔（12）泵出且由产生的最大的泵电流推断出在所述测量空腔（12）中的氧气积聚和/或推断出所述泵单元（20）的有效功率和/或推断出针对所述贫油运行的所述废气传感器的能提供使用的功能储备。

6.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在诊断阶段之后在常规的测量运行中进行对在预定的等待时间之后对所述废气传感器的输出信号的评估。

7.用于监视在贫油运行的内燃机的废气通道中的废气传感器的油气测量能力的设备，其中，废气传感器的测量空腔（12）经由扩散屏障（13）与废气通道连接，其中，带有内部的泵电极（22）和第二泵电极（21）的泵单元（20）被设置用于将氧气泵入到所述测量空腔（12）内或从所述测量空腔（12）泵出，其中，为了将氧气从所述测量空腔（12）泵出，在所述电极（21、22）之间设置正的泵电流，以及为了将氧气泵入在所述电极（21、22）之间设置负的泵电流，以及其中，为所述废气传感器配设一控制单元，其特征在于，在所述控制单元中设置用于在所述内燃机的贫油运行期间以及在所述废气传感器的诊断阶段期间反转所述泵单元（20）的泵方向的开关电路或程序流程，以及所述控制单元包含用于在所述诊断阶段期间在出现负的电流值时诊断正确的油气测量能力的开关电路或程序流程。

8.按权利要求7所述的设备，其特征在于，所述废气传感器被构造为宽带-λ-传感器或氮氧化物传感器。

9.按权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述废气传感器被设计为具有集成的氧气存储器的单个单元式极限电流传感器。