專利名稱：用于使可加熱的廢氣探頭快速達到運行準備就緒狀態的方法
技術領域：
本發明涉及一種用于使可加熱的廢氣探頭、尤其是陶瓷探頭快速達到運行準備就 緒狀態的方法。
背景技術：
以各種方式使用用于確定物理特性的傳感器或測量計。例如在內燃機的排氣管中 可以設有溫度、炭黑和氣體傳感器，它們與催化器和調節器相結合能夠有效地清潔廢氣。尤其借助于所謂的λ傳感器或λ探頭以λ = 1在廢氣中調節化學計算的空 氣-燃料比。在此通過空氣系數(Luftzahl)描述空氣與燃料的質量比。λ是實際輸入的 混合物的空氣系數與在化學計算的混合物中的空氣系數的商數。在汽油作為燃料時為了完 全燃燒燃料需要14. 7的空氣系數。作為λ傳感器通常使用的傳感器以具有固體電極的氧-濃度原電池原理為基礎。 陶瓷在所謂的激活溫度時變得通導氧離子。由于在陶瓷的兩側上的不同的氧含量產生所謂 的能斯脫電壓。這個電壓是對陶瓷兩個側面的氧分壓比例的對數值。由于在內燃機廢氣中 的剩余氧含量與輸送到內燃機的混合物的空氣/燃料比例的關系能夠通過測量廢氣中的 氧含量推斷輸送到內燃機的空氣/燃料比例。在氧探頭的電極上的氧分壓不同時，形成能斯脫電壓，它與分壓比例的對數成比 例。如果在電極上施加一個電壓，它大于或小于能斯脫電壓，由此添加氧離子流到一個或另 一個電極。因此位于電極里面的空腔可能充滿氧或者沒有氧。現在這樣構造所謂的寬帶λ探頭，這樣設置第一電極對，使一個電極處于廢氣里 面。另一電極設置在空腔(測量氣體空間)里面，它與廢氣通過擴散柵連接。第二電極對的 另一電極同樣設置在這個空腔里面。第二電極對的第二電極設置在連接到環境空氣的基準 氣體空間里面。在第二電極對上測量的電壓作為能斯脫電壓是測量空間中氧分壓的尺度。 一個比較電路比較能斯脫電壓與理論電壓并且這樣長時間地調節第一電極對之間的電壓， 直到能斯脫電壓由于氧從空腔排出或輸入對應于給定的理論電壓。在此泵浦電流(下面稱 為主泵浦電流ΙΑ，它作為調節參數對于這個調節是必需的)是廢氣中的氧濃差的尺度。基準氣體空間可以通過低的連續的基準泵浦電流供氧。由此產生對流，它阻止來 自例如發動機室的氣體和“電極毒氣”進入到基準氣體室里面，這些氣體可能改變能斯脫電 壓。如果基準泵浦電流保持微小，則能斯脫電壓基本不受其影響。對于感應功能所需的氧離子流的前提是一定的探頭陶瓷溫度。在這個溫度以下離 子流是不足夠的，由此感應信號是失真的。因此在獲得可評價的感應信號以前，需要將探頭 加熱到一定的溫度、所謂的理論溫度或標準溫度。陶瓷探頭的理論溫度一般位于650°C至 850°C的范圍。為了能夠與環境條件無關地達到這個標準溫度，電加熱探頭。為此例如設有 一個集成到傳感器里面的加熱器，例如由鉬制成。設置在氧離子導體上的兩個電極之間的內阻是探頭溫度的尺度并且可以用于調節加熱器。為了盡可能提前響應探頭并由此盡可能提前提供可使用的測量信號，需要快速 地加熱傳感器。快速的信號使用性對于遵守廢氣標準是必需的。已知，當例如已經提及的 內阻低于給定的額定值的時候，感應信號有效地釋放并因此顯示出，達到給定的溫度、尤其 是探頭的理論溫度。通常只有當內阻下降到給定的閾值以下，才接通主泵浦電流和基準泵 浦電流。內阻在探頭加熱期間超過多個數量級地變化，一般內阻在兆歐范圍中開始。其調 節額定值一般位于百歐范圍。為了可以準確地調節額定值，根據分辨率規定一個圍繞額定 值的窄范圍。由此開始加熱時不測量內阻。在加熱探頭的狀態在燃燒時可能產生水蒸汽，它在廢氣管的冷表面上冷凝。如果 現在水滴碰到熱的傳感器表面，局部的溫度差可能導致高的熱應力，它們可能導致探頭損 壞。這種現象稱為所謂的“熱沖擊”。為了排除這種熱沖擊，通常使探頭以低溫(所謂的“保護加熱”)在這些狀態中運 行，其中期待著低的廢氣溫度并因此期待水在廢氣管里面。這個措施的缺陷是，探頭在這些 狀態未準備好運行。只有當達到不再有水位于內燃機廢氣里面的狀態，探頭才被加熱到標 準溫度。公開文獻DE 10 2006 012 476 Al描述了一種用于使傳感器運行的方法，其中傳 感器首先被加熱到所謂的耐沖擊溫度，其中耐沖擊溫度高于理論溫度。這個方法利用所謂 的耐冷效應在耐沖擊溫度時傳感器元件的表面這樣熱，使得自然地在水滴與傳感器表面 之間構成蒸汽膜。由此防止水滴接觸傳感器元件的表面，它可能導致損傷陶瓷。接著使傳 感器在第二溫度時運行，以該溫度實現測量運行。這個第二溫度最好是傳感器的理論溫度。 盡管耐沖擊溫度已經允許傳感器運行。但是缺陷是，耐沖擊溫度使探頭處于明顯的熱機械 負荷下。探頭陶瓷、例如二氧化鋯的熱機械負荷隨著溫度的增加而提高。其機械拉應力強 度隨著溫度的增加而下降。因此加熱到耐沖擊溫度盡管可能避免熱沖擊，但是探頭陶瓷本 身明顯受到負荷，因此由于有限的熱機械穩定性可能導致探頭損壞。
發明內容
本發明的目的是，提供一種用于實現廢氣探頭的運行準備就緒狀態的方法，它一 方面允許非常快速的信號可用性或者說非常快速地釋放感應信號，另一方面保證探頭的良 好地運行同時避免損壞探頭。這個目的一種通過具有權利要求1特征的方法得以實現。按照本發明的方法用于使廢氣探頭、尤其是陶瓷探頭快速達到運行準備就緒狀 態，該探頭應在給定的運行溫度、尤其在給定的內阻額定值時運行。按照本發明所述探頭 通過以第一電Su1加載加熱直到基本達到最大許用熱機械負荷，之后它以小于第一電壓U1 的第二電壓U2加載。Wu1到隊的過渡可以作為躍變或者作為基本單調下降的電壓曲線執 行。接著以最好斜面形增加的電壓這樣長時間地加載探頭，直到探頭達到運行準備就緒狀 態。如果感應信號、尤其是主泵浦電流Ia不失真或可以分析，則達到探頭運行準備就緒狀 態或信號準備就緒。其在達到內阻額定值以前也可以已是這種情況。已知擴散柵的擴散常 數和與此相關的主泵浦電流的溫度關系并且可以通過溫度和因此內阻的指數函數描述。就 此而言“不失真”或者說“可以分析”也可指通過指數函數修正的主泵浦電流。
通過按照本發明觸發廢氣探頭的加熱能夠非常快速同時對于探頭良好地 (schonend)達到運行準備就緒狀態。由此達到非常快速地釋放廢氣探頭信號，從而在內燃 機投入運行后快速可靠地獲得廢氣值并且可以在減少廢氣中的有害物及最佳化燃燒方面 調節燃燒。在按照本發明的方法的優選擴展方案中對于給定的時間區間實現以第一電壓U1 加載。該時間區間最好這樣選擇，從而利用最大允許的熱機械負荷，用于達到盡可能快速地 加熱，而探頭陶瓷的熱機械載荷不太大。在此最大允許的熱機械負荷描述不導致探頭陶瓷 的損傷的熱機械負荷。最好試驗地和/或通過仿真確定在本發明意義上給定的且尤其最大 的用于以電壓U1加載的時間區間。在此給定的時間區間取決于相應的探頭陶瓷，因為不同 的陶瓷顯示出不同的熱機械承載性。在以第一電壓仏或以第一電壓水平加載期間探頭的溫度迅速提高。一旦在探頭 中達到最大允許的熱機械應力，即，只要在探頭陶瓷中通過高溫產生的應力還不會導致損 傷探頭體，就轉換到第二較低的電壓水平(U2)。從仏到隊的過渡以一級或多級或基本單調 減小地執行。在這個階段(U2)期間在探頭體中產生的熱機械應力降低。接著再提高電壓， 直到達到對于探頭運行所需的溫度、即尤其是理論溫度或者說與這個理論溫度對應的內阻 額定值。最好斜面形地在第二電壓水平U2后提高電壓。在另一實施例中也可以在這個階 段中連續地提高電壓。所述的電壓不僅可以是直流電壓而且可以是脈寬調制的加熱器的有效值。在達到運行準備就緒狀態以后最好轉換到調節運行，用于調節內阻的額定值。按照本發明方法的優選擴展方案，所述探頭已經在加熱期間以主泵浦電流Ia加 載。探頭的主泵浦電流Ia對于寬帶λ探頭是用于在廢氣中的氧濃度的真正尺度。通過以 主泵浦電流在加熱期間加載探頭在兩個方向上通過泵浦電極執行氧離子的輸送，之后泵浦 電流這樣加入(einsctwingt)，可以釋放傳感器信號。通過這種方式非常快速地達到信號可 用性，而不必期待達到給定的內阻額定值或者低于給定的內阻閾值。在按照本發明方法的另一優選擴展方案中已經在加熱期間接通基準泵浦電流，從 而結果是探頭非常快速地準備好運行并且可以非常快速地對于內燃機調節使用信號。提前 接通基準泵浦電流導致，泵浦電流在貧的且化學計算的廢氣中執行符號變化。這個符號變 化可以作為診斷方案使用。它顯示出，氧泵浦電池發揮功能。這種診斷方案在由現有技術 已知的方法中不存在，因為在這里泵浦電流基本只在化學計算的廢氣中運行，其中主泵浦 電流接近為零。在按照本發明方法的特別優選的擴展方案中根據探頭的主泵浦電流Ia和/或能 斯脫電壓Un和/或泵浦電壓Up的變化過程釋放探頭信號，最好與主泵浦電流Ia和/或能 斯脫電壓Un和/或泵浦電壓Up的時間變化過程中產生至少一個特征點時間相關。特征點 在此尤其涉及對于各變化過程的最小值和/或最大值和/或斜面陡度的給定額定值。最好 在達到這個特征點以后過去給定的時間區間At時，可以釋放探頭信號。主泵浦電流Ia、能 斯脫電壓Un、泵浦電壓Up分別在執行按照本發明的方法期間具有特征的變化過程，由此通 過與到達變化過程的最小值和/或最大值和/或斜面陡度的給定額定值在時間上的耦聯可 以識別運行準備就緒狀態并且可以釋放探頭信號。在此充分利用，泵浦電壓Up以可預見的 方式以與主泵浦電流Ia和/或能斯脫電壓Un和/或泵浦電壓Up的變化過程特征點之一的確定的時間區間加入并由此能夠實現無失真或可分析的探頭信號。有利地可以在以第一電壓仏加載探頭之前，可以預熱探頭。為此在以第一電壓U1 加載前以小于第二電壓隊的第三電壓U3加載探頭。預熱的優點是，由此可以進一步減小探 頭體的熱機械負荷，因為與理論溫度的差值更小。本發明還獲得一個計算機程序，它執行按照本發明的所有步驟，如果計算機程序 在計算機或控制器上運行的時候。最后本發明包括具有程序編碼的計算機程序產品，存儲 在可機器讀取的載體上，用于執行按照本發明所述的方法，如果該程序在計算機或控制器 上運行的時候。所述控制器例如可以是內燃機的控制器或者可以例如是探頭觸發器內部的 另一電子單元，它執行探頭加熱器的控制和調節。以計算機程序或計算機程序產品實現本 發明的優點是，按照本發明的程序也可以在已經存在的汽車中執行，無需其它的系統部件。
由下面結合附圖的實施例描述給出本發明的其它特征和優點。在此不同的特征可 以分別單獨或相互組合地實現。附圖中圖1示出在執行按照本發明的方法的優選擴展方案時所施加的電壓隨時間變化 的曲線圖，圖2示出在執行按照本發明的方法期間主泵浦電流以及能斯脫電壓和在內燃機 的兩個電極對上的泵浦電壓隨時間變化的曲線圖，圖3示出在執行按照本發明的方法期間主泵浦電流隨時間變化的局部。
具體實施例方式圖1借助于電壓UH, eff隨時間的變化示出按照本發明的方法，以該電壓加載探頭。 在可能在階段1中以低電壓U3、例如< 6伏預熱探頭以后在時刻t = 0開始真正加熱探頭。 以第一電壓水平仏在階段2加載探頭。在此探頭的溫度迅速地提高。以電壓仏這樣長時 間地加熱探頭，直到達到探頭的最大允許的熱機械應力。對于以第一電壓U1加載探頭的最 大時間tmax最好試驗地或通過仿真獲得。在此tmax描述了持續時間，在超過它時可能導致探 頭體的損傷。因此對于以電壓仏加載的持續時間、即tPlatoul選擇小Ttmax。接著在階段3 轉換到更低的電壓水平隊。階段3例如可以保持在1至5秒之間，最好1.5秒。通過減小 電壓降低加入的熱功率。在這個時間中降低探頭體中的熱機械應力。接著在階段4斜面形 地提高電壓，直到達到探頭準備運行。例如以0. 2V/s至lV/s、最好0. 3V/s實現斜面形提高 電壓。一旦達到或低于內阻的閾值(時刻5)，最好接近內阻的額定值地選擇閾值，則最好轉 換到探頭溫度的調節運行，在該調節運行時調節內阻的額定值。按照本發明的用于使廢氣探頭運行的方法允許非常快速地且良好地加熱廢氣探 頭并且可非常快速地提供探頭信號。為此在加熱器上事件控制和時間控制地加入第一電壓 水平(階段2、、第二電壓水平(階段幻和斜面電壓(階段4)。主泵浦電流Ia最好已經在 開始加熱時接通并且加入泵浦基準電流，由此可以非常快速地產生探頭信號。按照本發明的方法能夠在不同的氣體組分時并且在不同的氧濃度時用于釋放傳 感器信號。本方法能夠在盡可能提前的時刻釋放傳感器信號，無需例如期待作為探頭溫度 的尺度的內阻信號的測量性。
圖2示出按照本發明的方法的主泵浦電流Ia、探頭的第二電極對的能斯脫電壓Un 和探頭的第一電極對的泵浦電壓Up在探頭運行時在加濕的氮中(代表性地對于化學計算 的條件)的典型變化過程。在1至100 μΑ、例如20 μΑ的基準泵浦電流通過高歐姆電阻RKef 利用電壓源Upref在例如5V的電池電壓時加入。對于冷的探頭體，第二電極對的電極之間的內阻明顯高于Rltef并且幾乎整個電壓 Uftrf施加在第二電極對上。比較器試圖調節調節差并且減小第一電極對的泵浦電壓Up直到 其負的最小值。由此使氧泵浦到測量氣體室。在此主泵浦電流Ia是負的。因為總是繼續 加熱探頭體，因此第二電極對的內阻總是更低歐姆的，直到這個內阻明顯位于I^f以下并且 形成的能斯脫電壓Un占主導。這發出信號給比較器，太多的氧位于測量氣體室里面。因此 使泵浦電壓Up轉換到正向。同樣適用于主泵浦電流Ia的方向，它同樣轉換到正的范圍。在 短時間后達到能斯脫電壓Un的調節位置，由此使探頭元件處于靜態平衡并且給出信號使用 性。提前接通基準泵浦電流導致，泵浦電流在貧的和化學計算的廢氣中執行符號變 化。這可以作為診斷方案使用。符號變化顯示出，氧泵浦電池正常地發揮功能。下面的表格1總結在能斯脫電壓Un、泵浦電壓Up和主泵浦電流Ia的變化過程中達 到最小值和最大值以及側面陡度額定值的不同時刻。表格 權利要求
1.一種用于使可加熱的廢氣探頭、尤其是陶瓷探頭快速達到運行準備就緒狀態的方 法，該探頭能在給定的運行溫度、尤其在給定的內阻額定值時運行，其特征在于，所述探頭 基本直到達到最大允許熱機械負荷通過以第一電壓仏(幻加載而加熱，然后以小于第一電 壓U1 O)的第二電壓隊03)加載，并且接著以最好斜面形增加的電壓(4)加載，直到達到運 行準備就緒狀態。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，對于給定的時間區間實現以第一電SU1(2) 加載，其中該時間區間最好試驗地和/或通過仿真確定。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在達到運行準備就緒狀態以后調節到內 阻的額定值上。
4.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，借助于探頭內阻獲得探頭的溫度。
5.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述探頭已經在加熱期間以主 泵浦電流Ia加載。
6.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述探頭已經在加熱期間以基 準泵浦電流加載。
7.如權利要求5或6所述的方法，其特征在于，根據探頭的主泵浦電流Ia和/或能斯 脫電壓Un和/或泵浦電壓Up的變化過程釋放探頭信號，尤其在經過給定的時間區間后在達 到主泵浦電流Ia和/或能斯脫電壓Un和/或泵浦電壓Up的變化過程的特征點、尤其是最 小值和/或最大值和/或對于斜面陡度的給定的額定值以后。
8.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述探頭在以第一電壓仏(2)加 載前通過以第三電壓U3(I)加載而預熱，其中第三電壓U3(I)小于第二電壓隊(3)。
9.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，以一個級或多個級或基本單調 減小地執行從第一電壓仏(2)到第二電壓U2 (3)的過渡。
10.計算機程序，它執行如權利要求1至9中任一項所述方法的所有步驟，如果該程序 在計算機或控制器上運行。
11.具有程序編碼的計算機程序產品，它存儲在機器可讀取的載體上，用于執行如權利 要求1至9中任一項所述的方法，如果該程序在計算機或控制器上運行。
全文摘要
本發明涉及用于使可加熱的廢氣探頭快速達到運行準備就緒狀態的方法。一種用于使可加熱的廢氣探頭、尤其是陶瓷探頭快速達到運行準備就緒狀態的方法，該探頭在給定的運行溫度、尤其在給定的內阻額定值時運行，其特征在于，所述探頭直到基本達到最大許用熱機械負荷通過以第一電壓U1(2)加載加熱，然后以小于第一電壓U1(2)的第二電壓U2(3)加載，并且接著以最好斜面形增加的電壓(4)加載，直到達到探頭準備運行。
文檔編號G01N27/409GK102103117SQ20101060151
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月20日 優先權日2009年12月21日
發明者B·克拉默, C·韋迪耶, J·坎特斯, R·海因, S·羅德瓦爾德 申請人:羅伯特.博世有限公司