CN118234932A

CN118234932A - 运行用于内燃机的废气传感器的方法及废气传感器

Info

Publication number: CN118234932A
Application number: CN202280075802.1A
Authority: CN
Inventors: C·海德坎普; D·维兰德; J·本特纳
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2024-06-21
Also published as: DE102021212821A1; US12345215B2; EP4433697A1; US20250012227A1; WO2023083757A1

Abstract

本发明涉及一种用于运行具有主体(112)并且布置在内燃机的废气系统中的废气传感器(10)的方法，以及一种废气传感器(10)。该方法包括通过在测量电极(44)上施加测量电流(IP2)来从测量空腔(40)排出氧，使得在所述测量电极(44)和参考电极(52)之间形成的测量电压(V2)保持在预定的第一额定值，通过在泵电极(34)上施加泵电流(IP1)来从泵空腔(30)中排出氧，使得在所述泵电极(34)和所述参考电极(52)之间形成的电极电压(V1)保持在预定的第二额定值，至少部分地基于在所述测量电极(44)上施加的测量电流(IP2)确定氮氧化物值，根据所确定的氮氧化物值适配所述测量电压(V2)的第一额定值，和/或根据所确定的氮氧化物值适配所述电极电压(V1)的第二额定值。

Description

运行用于内燃机的废气传感器的方法及废气传感器

技术领域

本发明涉及用于运行用于内燃机的废气传感器(例如氮氧化物传感器)的方法和用于内燃机的废气传感器。

背景技术

诸如氮氧化物传感器、拉姆达传感器和氧传感器的废气传感器可以基于电流分析原理，即基于用于定量确定化学物质的电化学方法。特别地，以产生随时间恒定的电化学电势的方式在废气传感器的电极处调整电流。例如，氮氧化物传感器允许测量诸如汽油或柴油发动机的内燃机的废气中的氮氧化物浓度。由此例如可以通过发动机控制来实现氮氧化物催化剂的最佳调节和诊断。

这种废气传感器具有由固体电解质形成的主体，在该主体中设置有具有相关联电极的空腔。另外，在主体中布置有加热设备，所述加热设备被构造为将主体加热到预定的运行温度并维持在该运行温度，例如约850℃。此外，对于废气传感器、特别是氮氧化物传感器而言已知按照以下方式运行这些废气传感器，即用于控制或调节所谓的能斯特电压的预定额定值在废气传感器、特别是氮氧化物传感器的寿命期间是不可改变的，由此调整出氧和氮氧化物之间的最佳平衡。通过能斯特电压来确定废气传感器、特别是氮氧化物传感器的各个空腔中的氧浓度以及因此氧分子和氮氧化物分子的分解。

DE 102018203394 A1、CN 109375513 B、CN 110735699 B、DE 102018203313A1、DE102017209300A1和WO 2020/260330 A1公开了另外的废气传感器和用于运行废气传感器的方法。

发明内容

本发明所基于的任务是说明一种用于运行废气传感器的方法和一种废气传感器，借助于该方法可以在废气传感器的使用寿命期间至少部分地提高废气传感器的精度。

该任务通过根据独立权利要求1的方法和根据独立权利要求7的废气传感器来解决。从属权利要求中说明了有利的实施。

本发明基本上基于以下思想，即当废气传感器、特别是氮氧化物传感器运行时，根据废气中存在的氮氧化物含量动态地调整能斯特电压的电压额定值，而不是像迄今为止现有技术所公开的那样在工厂不变地预先给定能斯特电压的额定值并在废气传感器的使用寿命期间保持不变。例如，在低氮氧化物浓度下，例如在小于20ppm时，可以减小通过向测量电极施加测量电流而在测量电极和参考电极之间形成的测量电压的额定值，并且可以增大通过向泵电极施加泵电流而在泵电极和参考电极之间形成的电极电压的额定值。一方面，通过减小测量电压的额定值可以减少测量空腔内存在于废气中的水的离子分解，另一方面，通过增大电极电压的额定值可以减小相关联泵空腔内的氧偏移。

此外优选的是，在较大的氮氧化物浓度下，例如在1500ppm时，增大测量电压的额定值并减小电极电压的额定值。通过增大测量电压的额定值，可以稳定测量空腔内测量电极处的氮氧化物分解，并且通过减小电极电压的额定值，可以稳定相关联泵空腔内泵电极处的氮氧化物的不期望分解。因此可以减少废气传感器的干扰性特性(例如静压交叉灵敏度和其他交叉影响)，并且提高废气传感器的测量精度。

因此，根据本发明的第一方面，设置了一种用于运行废气传感器的方法，所述废气传感器具有主体并且布置在内燃机的废气系统中，所述废气传感器具有布置在主体中的泵空腔，在所述泵空腔中布置有泵电极；布置在主体中并与泵空腔连通的测量空腔，在所述测量空腔内布置有测量电极；以及布置在主体中并与环境空气连通的参考空腔，在所述参考空腔中布置有参考电极。根据本发明的方法包括通过在测量电极上施加测量电流来从测量空腔排出氧，使得在测量电极和参考电极之间形成的测量电压保持在预定的第一额定值，通过在泵电极上施加泵电流来从泵空腔中排出氧，使得在泵电极和参考电极之间形成的电极电压保持在预定的第二额定值，至少部分地基于在测量电极上施加的测量电流来确定氮氧化物值，根据所确定的氮氧化物值适配测量电压的第一额定值和/或根据所确定的氮氧化物值适配电极电压的第二额定值。

特别地，利用根据本发明的方法来运行废气传感器，例如氮氧化物传感器，使得根据所确定的氮氧化物值为随后的测量周期动态地适配和调整测量电压和/或电极电压。

在根据本发明的方法的优选设计中，适配第一额定值包括当氮氧化物值增大时增大测量电压的第一额定值以及当氮氧化物值减小时减小测量电压的第一额定值。

通过减小测量电压的额定值，可以减少测量空腔内存在于废气中的水的离子分解。此外，通过增大测量电压的额定值可以稳定测量空腔内测量电极处的氮氧化物分解。

在根据本发明的方法的另一有利设计中，适配第二额定值包括当氮氧化物值减小时增大电极电压的第二额定值以及当氮氧化物值减小时减小电极电压的第二额定值。

通过增大电极电压的额定值，可以减小相关联泵空腔内的氧偏移。此外，通过减小电极电压的额定值，可以减少相关联泵空腔内泵电极处的氮氧化物的不期望分解。

因此，通过适配测量电压和/或电极电压的额定值，可以减少废气传感器的干扰性特性，例如静压交叉灵敏度和其他交叉影响，并且可以提高废气传感器的测量精度。

优选地，第一额定值在约400mV与约500mV之间的范围内，特别是在约420mV与约450mV之间的范围内。

此外优选的是，第二额定值在约350mV和约450mV之间的范围内，特别是在约370mV和约400mV之间的范围内。

根据另一优选设计，根据本发明的方法还包括确定约0ppm的氮氧化物值，将测量电压的第一额定值调整为约420mV，和/或将电极电压的第二额定值调整为约390mV。

根据本发明方法的该优选设计，在存在基本上不含氮氧化物的废气的情况下，可以再次将测量电压的额定值和/或电极电压的额定值分别调整为约420mV和390mV的最初校准的初始值。

在根据本发明的方法的另一有利设计中，废气传感器还具有布置在主体中的另外的泵空腔，所述另外的泵空腔与废气和泵空腔连通并且在所述另外的泵空腔中布置有另外的泵电极。在这样的有利设计中，根据本发明的方法还包括通过在另外的泵电极上施加另外的泵电流从另外的泵空腔排出氧，使得在另外的泵电极和参考电极之间形成的另外的电极电压保持在预定的第三额定值，并且根据所确定的氮氧化物值适配另外的电极电压的第三额定值。

根据本发明的另一方面，设置了一种放置在内燃机的废气系统中的废气传感器。根据本发明的废气传感器具有主体；布置在主体中的泵空腔，在所述泵空腔中布置有泵电极；布置在主体中并与泵空腔连通的测量空腔，在所述测量空腔中布置有测量电极；布置在主体中并与环境空气连通的参考空腔，在所述参考空腔中布置有参考电极；以及与泵电极、测量电极和参考电极电连接的控制单元，所述控制单元被构造为根据本发明的方法运行废气传感器。

根据本发明的废气传感器优选地还具有布置在主体中的另外的泵空腔，所述另外的泵空腔与废气和泵空腔连通并且在所述另外的泵空腔中施加了另外的泵电极。

附图说明

通过实践本教导和查看附图，本发明的进一步特征和任务对于本领域技术人员来说将变得显而易见，在附图中：

图1示出了车辆内燃机的废气传感器的示意性剖视图，该废气传感器示例性地以氮氧化物传感器的形式示出；

图2示出了根据本发明的用于运行废气传感器的方法的示例性流程图。

具体实施方式

在本公开的范围中的是以电流分析方式运行的传感器，例如氮氧化物传感器、拉姆达传感器和氧传感器，其特征在于它们的测量原理基于电流分析法，即基于用于定量确定化学物质的电化学方法。特别地，以产生随时间恒定的电化学电势的方式在工作电极上调整电流。

此外，在本公开的范围内，术语“控制”包括控制技术术语“控制和“调节”。本领域技术人员将分别认识到应当何时应用调节技术的控制以及何时应用调节技术的调节。

图1示出了示例性氮氧化物传感器10，其示例性地代表废气传感器。因此，本发明还旨在应用于具有加热装置的车辆内燃机的所有传感器，例如拉姆达传感器和氧传感器。特别地，本发明可应用于具有陶瓷底座支撑件的废气传感器，该陶瓷底座支撑件具有附接到其上的至少一个电极对。

参照图1，示出了示例性氮氧化物传感器10的示意性剖视图，该氮氧化物传感器被构造为布置在内燃机(未示出)的废气道中并且定量地检测内燃机的废气中的氮氧化物含量或氧含量。

氮氧化物传感器10具有由固体电解质制成的主体12，该固体电解质优选由氧化锆和氧化钇所制成的混晶体和/或由氧化锆和氧化钙所制成的混晶体形成。附加的，可以使用氧化铪所制成的混晶体、钙钛矿基氧化物所制成的混晶体或三价金属氧化物如铝氧化物(Al₂O₃)所制成的混晶体。主体12形成废气传感器10的传感器元件。主体12因此也可以称为传感器元件。

在示例性示出的氮氧化物传感器10的主体12内设置第一泵空腔20、第二泵空腔30和测量空腔40。第一泵空腔20经由连通路径15与主体12的外部连通。特别地，废气可以通过连通路径15流动或进入第一泵空腔20。第二泵空腔30经由第一扩散路径25与第一泵空腔20连通。测量空腔40经由第二扩散路径35与第二泵空腔30连通。

第一扩散路径25和/或第二扩散路径35例如以非常薄的槽的形式设置，气体混合物能够以预定的速率通过该槽。替代地，第一扩散路径25和/或第二扩散路径35可以填充有或垫有多孔填料以形成扩散速率调整层。

第一扩散路径25和/或第二扩散路径35被构造为使得气体混合物只能部分地通过它们。通过了解第一扩散路径25和/或第二扩散路径35的横截面和/或通过了解相应的多孔填料，可以确定和设定通过第一扩散路径25和/或第二扩散路径35的扩散速率。

在示例性构造为氮氧化物传感器10的废气传感器的替代设计中，在主体12中仅设置一个具有泵电极24、34的泵空腔20、30以及具有测量电极44的测量空腔40。

在主体12中还形成参考空腔50，该参考空腔50直接与主体12的外部连通。参考电极52布置在参考空腔50内。特别地，参考空腔50与环境空气连通，即不与废气连通，并且被构造为形成布置在氮氧化物传感器10中的各个电极的氧参考。

在主体12的外侧布置有废气电极22(也称为“P+”电极)。特别地，在氮氧化物传感器10的测量运行期间，可以通过向废气电极22施加参考电流来电离位于废气中的氧，并通过主体12作为氧离子扩散到参考电极52，并在那里再次转换为氧分子以形成氧参考。

第一泵电极24(也称为“P-”电极)布置在第一泵空腔20内。特别地，在氮氧化物传感器10的测量运行期间，通过向第一泵电极24施加第一泵电流IP0，位于废气中的氧可以在第一泵空腔20内电离并作为氧离子迁移或穿过主体12。由于从第一泵空腔20排出的氧离子，在第一泵电极24和参考电极52之间间接形成第一电极电压或第一能斯特电压V0。更准确地说，第一电极电压或第一能斯特电压V0直接由仍然存在于第一泵空腔20中的剩余氧形成。

第二泵电极34(也称为“M1”电极)布置在第二泵空腔30内。这里，在氮氧化物传感器10的测量运行期间，通过向第二泵电极34施加第二泵电流IP1，位于气体混合物中的氧可以在第二泵空腔30内电离并且作为氧离子迁移或穿过主体12。由于从第二泵空腔30排出的氧离子，在第二泵电极34和参考电极52之间间接形成第二电极电压或第二能斯特电压V1。更准确地说，第二电极电压或第二能斯特电压V1直接由仍然存在于第二泵空腔30中的剩余氧形成。

测量电极44(也称为“M2”电极)布置在测量空腔40内并且被构造为在氮氧化物传感器10的测量运行期间当施加测量电流IP2时电离存在于测量空腔40内的氧和/或氮氧化物，使得氧离子可以迁移或穿过主体12。由于从测量空腔40排出或泵出的氧离子，在测量电极44和参考电极52之间形成第三电极电压或第三能斯特电压或测量电压V2，该电压应通过向测量电极44施加测量电流IP2而保持在恒定值。更准确地说，第三电极电压或第三能斯特电压或测量电压V2直接由仍然存在于测量空腔40中的剩余氧形成。所施加的测量电流IP2于是指示位于废气中的氮氧化物含量。

因此，图1所示的示例性代表基于电流分析测量原理的传感器的氮氧化物传感器10具有三个相关电极对，即由第一泵电极24和废气电极22组成的第一电极对、由第二泵电极34和废气电极22组成的第二电极对以及由测量电极44和废气电极22组成的第三电极对。

向第一泵电极24和第二泵电极34施加的泵电流IP0和IP1被调整为使得优选地仅位于气体混合物中的氧被电离，而不是气体混合物中的氮氧化物被电离。特别地，第一泵电极24被构造为在氮氧化物传感器10的正常运行期间从废气中泵出几乎所有的氧，或者允许预定的氧从第一泵空腔20逃逸到第二泵空腔30中。第二泵电极34被构造为电离并导出尚未从第一泵空腔20泵出的氧，使得存在于测量空腔40中的气体混合物中结合的氧离子仅与氮结合并且作为氮氧化物存在。测量电极44被构造为对氮氧化物进行电离，其中施加到测量电极44的测量电流IP2是废气中氮氧化物含量的度量。

在主体12内还布置有加热设备60，所述加热设备被构造为将主体12加热到预定的运行温度并保持在该运行温度，例如约850℃。

用于借助于所公开的氮氧化物传感器10确定内燃机废气中的氮氧化物含量的运行方式已经由现有技术公开，在这方面参考现有技术。现有技术公开的用于图1的氮氧化物传感器10的调节技术控制原理的特征特别是在于，通过施加和适配泵电流IPO、IP1和测量电流IP2将相应的电极电压或能斯特电压V0、V1、V2分别保持在预定的额定值，所述额定值在氮氧化物传感器10的寿命期间不可改变并且在工厂一次性预先确定。为此，氮氧化物传感器10具有控制单元(未示出)，该控制单元与电极22、24、34、44、52电连接并且被构造为用电流操控相应的电极，使得相应的电极电压或测量电压或能斯特电压V0、V1、V2保持在预定的额定值。

根据本发明规定，通过施加和调节泵电流IP0、IP1和测量电流IP2，根据先前确定的氮氧化物值来动态地适配相应的电极电压或测量电压或能斯特电压V0、V1、V2。也就是说，在废气传感器(特别是氮氧化物传感器10)的运行期间根据氮氧化物值动态地适配工厂预给定的电极电压或测量电压或能斯特电压V0、V1、V2的额定值。特别是根据本发明规定，根据所确定的氮氧化物值动态地适配测量电压V2的额定值和电极电压V1的额定值。

参照图2，示出了根据本发明的用于运行图1的氮氧化物传感器10的方法的示例性流程图。

图2的方法开始于步骤200，然后进行到步骤210，在步骤210中，首先如现有技术公开的，通过向泵电极34施加第二泵电流IP1，从存在于第二泵空腔30中的气体混合物中排出氧。为此，将施加到泵电极34的泵电流IP1控制为使得第二电极电压V1保持在预定的额定值。特别地，由此可以电离存在于气体混合物中的氧，使得在流过第二泵空腔30之后，存在于测量空腔40中的气体混合物基本上不含氧。

在随后的步骤220中，如同样从现有技术基本上公开的，将施加到测量电极44的测量电流IP2控制为使得测量电压V2保持在预定的额定值，由此气体混合物中的氮氧化物在测量空腔40内得到分解或电离。测量电流IP2于是可以表明废气中的氮氧化物含量。因此，步骤210和220说明氮氧化物传感器10的按标准运行，其中在开始时可以使用电极电压V1和测量电压V2的初始预先给定和预定的额定值。

然后在随后的步骤230中，可以从测量电压IP2中确定废气中存在的氮氧化物含量。

在随后的步骤240中，可以根据在步骤230中确定的氮氧化物值来适配测量电压V2的第一额定值。在随后的步骤250中，根据步骤230中确定的氮氧化物值来适配电极电压V1的额定值。

根据本发明在此规定，在诸如20ppm的低氮氧化物值时，减小测量电压V2的第一额定值并且增大电极电压V1的第二额定值。由此可以防止存在于测量空腔40内的水也在测量空腔40内分解。同时，可以通过增加电极电压Vl的额定值来减小氧偏移，其中氧偏移描述通过泵空腔20、30逃逸到测量空腔40中的氧。

然而，如果在步骤230中确定的氮氧化物值较大，例如1500ppm，则优选增大测量电压V2的第一额定值并减小电极电压V1的第二额定值。通过增大测量电压V2的第一额定值，可以稳定测量电极44处的氮氧化物分解。也就是说，Ip2/V2特性取决于浓度从特定的V2开始达到稳定状态或饱和。这种效应随着氮氧化物含量的升高而增强。同时，通过减小电极电压V1的第二额定值，可以减少泵电极34处泵空腔30中不期望的氮氧化物分解。由此，能够通过降低氮氧化物传感器10的静压交叉灵敏度和其他交叉影响来改善氮氧化物传感器10的精度。

此外还规定，在废气基本上不含氮氧化物的内燃机的运行时间期间，也就是说氮氧化物含量约为0ppm时，将测量电压V2的额定值和电极电压V1的额定值调整为其工厂设定的额定值。例如，这些额定值可以分别是420mV。于是，如果废气再次具有氮氧化物并且因此从0ppm增加到100ppm的示例值，则然后可以将测量电压V2调整为增大的值，例如425mV。因此，这里根据氮氧化物调节测量电压V2的额定值和电极电压V1的额定值。

Claims

1.一种用于运行具有主体(112)并且布置在内燃机的废气系统中的废气传感器(10)的方法，所述废气传感器具有布置在所述主体(12)中的泵空腔(30)，在所述泵空腔中布置有泵电极(34)；布置在所述主体(12)中并与所述泵空腔(30)连通的测量空腔(40)，在所述测量空腔内布置有测量电极(34)；以及布置在所述主体(12)中并与环境空气连通的参考空腔(50)，在所述参考空腔中布置有参考电极(52)，其中所述方法包括：

-通过在所述测量电极(44)上施加测量电流(IP2)来从所述测量空腔(40)排出氧，使得在所述测量电极(44)和所述参考电极(52)之间形成的测量电压(V2)保持在预定的第一额定值，

-通过在所述泵电极(34)上施加泵电流(IP1)来从所述泵空腔(30)中排出氧，使得在所述泵电极(34)和所述参考电极(52)之间形成的电极电压(V1)保持在预定的第二额定值，

-至少部分地基于在所述测量电极(44)上施加的测量电流(IP2)来确定氮氧化物值，

-根据所确定的氮氧化物值适配所述测量电压(V2)的第一额定值，和/或

-根据所确定的氮氧化物值适配所述电极电压(V1)的第二额定值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中适配所述第一额定值包括：

-当所述氮氧化物值增大时，增大所述测量电压(V2)的第一额定值，并且

-当所述氮氧化物值降低时，减小所述测量电压(V2)的第一额定值。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中适配所述第二额定值包括：

-当所述氮氧化物值降低时，增大所述电极电压(V1)的第二额定值，并且

-当所述氮氧化物值降低时，减小所述电极电压(V1)的第二额定值。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一额定值在约400mV和约500mV之间的范围内，特别是在约420mV和约450mV之间的范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二额定值在约350mV和约450mV之间的范围内，特别是在约370mV和约400mV之间的范围内。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

-确定约0ppm的氮氧化物值，

-将所述测量电压(V2)的第一额定值调整为约420mV，和/或

-将所述电极电压(V1)的第二额定值调整为约390mV。

7.一种布置在内燃机的废气系统中的废气传感器(10)，其中所述废气传感器(10)具有：

-主体(12)，

-布置在所述主体(12)中的泵空腔(30)，在所述泵空腔中布置有泵电极(34)，

-布置在所述主体(12)中并与所述泵空腔(30)连通的测量空腔(40)，在所述测量空腔内布置有测量电极(34)，

-布置在所述主体(12)中并与环境空气连通的参考空腔(50)，在所述参考空腔中布置有参考电极(52)，以及

-与所述泵电极(34)、所述测量电极(44)和所述参考电极(52)电连接的控制单元，所述控制单元被构造为根据前述权利要求中任一项所述的方法来运行所述废气传感器(10)。

8.根据权利要求7所述的废气传感器(10)，还包括：

-布置在所述主体(12)中的另外的泵空腔(20)，所述另外的泵空腔与废气和所述泵空腔(30)连通并且在所述另外的泵空腔中布置有另外的泵电极(24)。