专利名称：改善起动性能的宽域兰姆达探头的制作方法
技术领域：
本发明整体涉及一种废气后处理领域，尤其是内燃机驱动的汽车废气后处理，具体说涉及一种宽域兰姆达(Lambda，空燃比)探头的工作方法和控制装置。
兰姆达控制连同催化器一起使用是目前最有效的汽油机废气净化方法。只有在与目前可用的点火喷油系统共同作用时才能达到很低的废气值。特别有效的是采用一种三元或选择催化器。这种催化器形式具有这样的性能当发动机在LAMBDA＝1的化学计量空燃比上下约1％的范围内工作时，能够分解98％以上的碳氢化合物、一氧化碳和氧化氮。这里LAMBDA表示实际的空气燃料混合气与LAMBDA＝1的值的偏差程度，该值相当于理论上完全燃烧所必需的质量比即14.7千克空气比1千克汽油，就是说，LAMBDA是输入的空气量与理论的空气需要量的比例。
在兰姆达控制中，测量当前的废气，根据测量结果借助例如喷油系统立即修正输入的燃料量。作为探测头采用一个兰姆达探头，该兰姆达探头正好在LAMBDA＝1时具有一个电压跃变，因而发出一个信号，该信号表示混合气比LAMBDA＝1更浓还是更稀。兰姆达探头的工作方法基于具有一种固态电解质的电镀富氧电池原理。
作为两点探头的兰姆达探头以一种本身公知的方式按能斯特原理基于一个能斯特电池工作。固态电解质包括两个由陶瓷隔开的界面。所使用的陶瓷材料在大约350℃时能够传导氧离子，因此在界面之间的陶瓷两侧上氧分量不同时产生所谓的能斯特电压。这种电压是陶瓷两侧的氧分量之差的量度。因为内燃机的废气中残余的氧含量很大程度上取决于输入发动机的混合气的空燃比，所以废气中的氧分量就可以用于表示实际的空燃比的测量。
由兰姆达探头根据废气中氧分量产生的探头电压在浓混合气(LAMBDA＜1)时可达800-1000mV，在稀混合气(LAMBDA＞1)时有大约100mV。从浓到稀的过渡范围在450-500mV。在空气与燃料的比例为化学计量比(LAMBDA＝1)时，探头电压为450mV。上述值适于陶瓷体的工作温度为约600℃时，因此陶瓷体在兰姆达探头工作时会相应地变热。
在前述兰姆达探头中的所谓的阶梯电压特性可允许只在LAMBDA＝1附近很窄的范围内控制。因此这种探头又称为LAMBDA＝1跃变探头。所谓的宽域兰姆达探头(
图1)，其中除了能斯特电池还集成了一个第二电化学电池即所谓的泵电池(Pumpzelle)，使LAMBDA的测量范围显著扩展到0.7到4。如下面附图部分的描述，施加在泵电池上的电压可以控制，从而在一个空腔中或者测量间隙中实现恒定的LAMBDA＝1。此时，感应的抽运电流与氧浓度成比例，或者在值小于零时与流入燃料浓度相当的O2需求量成比例，因此是废气中LAMBDA值的量度。
在上述LAMBDA＝1跃变探头中还已知，在发动机起动阶段，只要探头还比较冷并且还没有对应于氧含量的能斯特电压作为探头输出信号，探头电压就通过一个电压分配器进行一种预控制保持在450mV。因为在较冷的状态下探头仍具有很高的内阻。
相反，已知的宽域兰姆达探头以一个分析电路工作，该分析电路将能斯特电压与一个内部产生的450mV电压进行比较。一旦存在偏差，这个偏差将在电路中被放大并作为抽运电流馈入到泵电池中。由此将氧气泵入或泵出空腔并使能斯特电压稳定在450mV。这种探头的缺点是在发动机或者探头起动时能斯特电压从0V缓慢地升高到450mV，即使废气较长时间位于LAMBDA＝1以上。由于这种偏差，放大器在泵电池上施加全正的泵电压。只有当探头足够受热，才会使用很大的抽运电流，该抽运电流排空空腔，而不管起动时已经存在合适的气体浓度LAMBDA＝1。因此输出信号显示了一种向稀的方向过调，这明显干扰了控制。接着氧气必须再次回填，显示出向浓的方向的较小的过调。
因此，本发明的任务是提出一种开头所述的方法和控制装置，这种方法和装置在发动机起动阶段或者宽域兰姆达探头冷状态下避免了上述对兰姆达控制的干扰。
这一任务是通过独立权利要求的特征来解决的。优选的设计方案是从属权利要求的主题。
本发明的特别之处在于，借助一种预控制将能斯特电压保持在基准电压的标称值，例如450mV，并一直保持到能斯特电压是宽域探头的泵电池空腔种的氧浓度的量度。预控制优选通过一个欧姆电阻实现。这里，在控制装置中的一个基准电极通过电阻连接到由一个分析电路产生的基准电压上，通过电路中的一个比较器将能斯特电压与该基准电压比较。该电阻的设计使得只要能斯特电压在LAMBDA＝1时仍没有达到基准电压的标称值，能斯特电压就保持接近该标称值。这里使用一个1-100千欧的电阻，最好是10欧。
因此，本发明使宽域兰姆达探头的工作能够相对现有技术改善起动性能。一方面所有归因于错误的能斯特信号的提前抽运电流都将避免。由于在这种传感器中设置的分析电路的较强放大，实际的浓度偏差很快就被调整。此外，避免了复杂的探头输出信号选择或者切断抽运电压。
与LAMBDA＝1跃变探头中设置的预控制相反，由于所谓的较强放大产生的探头极端反应及高抽吸电压有效地避免了。另外减少了被抽吸的基准值作为“浓的”预控制的影响。
结合同样泵出的基准值，通过选择一个略高于450mV的电压，使预控制功能与泵出的基准值可以合并到一个功能单元中。因为对于能斯特电池的内阻测量只有交变电压部分能被分析，所以在这种情况下也没有控制干扰。
下面参照附图和实施例进一步描述本发明。图示为图1按照本发明的宽域兰姆达探头的一个实施例示意图；图2在一个宽域兰姆达探头中抽运电流I_Pump作为LAMBDA功能的典型曲线；图3a-c现有技术中能斯特电压U_Nernst(a)、泵电压U_Pump(b)和抽吸电流I_Pump(c)的典型曲线；图4a-c按照本发明的在LAMBDA＝1时预控制时与图3a-c类似的电压和电流曲线；图5用于实现本发明的预控制的典型组合电路。
在图1所示的宽域兰姆达探头10中，废气12通过泵电池16的一个很小的孔14到达能斯特电池20的真正测量腔18中，被称为用作扩散阻挡的所谓“扩散间隙”。在能斯特电池20上连有一个基准气体腔19，在该基准其它腔中有氧基准气体。在测量腔18中总是控制到一个化学计量的空燃比。布置在一个控制装置21或类似物中的分析控制电路22控制一个施加在泵电池16上的泵电压U_Pump，从而使测量腔18中的气体成分恒定地保持在LAMBDA＝1。在稀薄的废气12中，泵电池16将氧从测量腔18向外泵吸。相反，在浓废气12中，从周围废气12向测量腔18泵吸氧，由此抽运电流I_Pump方向反过来。此时，抽运电流与氧浓度或氧需求量成比例。因此，抽运电流I_Pump是废气中LAMBDA的量度。集成的一个加热器24负责产生至少600℃的工作温度，这一温度在一次冷起动之后当然要在一定的预热时间之后才能达到。
抽运电流的调节通过分析控制电路22进行，该电路将能斯特电压U_Nernst与一个内部产生的450mV基准电压U_Ref相比较。一旦有偏差Delta(U_Nernst，U_Ref)，该偏差在电路22被放大并作为抽运电流I_Pump馈入泵电池16中。由此将氧泵入或泵出测量空腔18，能斯特电压U_Nernst稳定在450mV。必要的抽运电流I_Pump或者通过一个电阻(R1)26降压的输出电压U_Sonde作为探头10的输出信号被分析。
在分析电路22中，一个基准电极28或作为比较器接通的运算放大器(OP)30的负极与OP 30的正极之间连接一个10千欧姆的电阻(R2)32。由此保证只要能斯特电压在LAMBDA＝1时仍未达到450mV就使能斯特电压U_Nernst在450mV附近。
应注意，为了使一个宽域探头10以抽运的基准值工作，基准电极通过一个例如100千欧姆的固定电阻施加+5V，从而通过能斯特电池20持续地向基准气体腔19输氧。
输出信号I_Pump传输给另一个没有示出的电子控制装置，该电子控制装置本身为一个混合气制造器例如一个喷射设备或一个电控汽化器通过一个控制信号发出混合气必须加浓或者变稀的信号。如果混合气太稀，就供给更多的燃料；如果混合气太浓，输入给发动机的燃料量减少。
抽运电流I_Pump作为LAMBDA功能的典型定性曲线在图2中示出。在稀薄废气中，一个正的抽运电流调节，以在测量腔或者扩散间隙中保持一个化学计量的成分。相反，在浓的废气中，存在一个负的抽运电流。因为这里与能斯特电池的阶梯电压特性不再有关，所以可以持续测出LAMBDA在0.7到无穷范围内。测出LAMBDA等于无穷例如对于推力补偿(Schubabgleich)是必要的。
图3a-c示出了一个现有技术中已知的宽域探头中常常出现的能斯特电压U_Nernst电压变化曲线(a)，在发动机或者探头起动后不久LAMBDA＝1时没有预控制，就是说，在探头还比较冷时，还示出了抽运电压U_Pump的曲线(b)和抽运电流I_Pump的曲线(c)。
图3a中示出了在三个不同的定性LAMBDA值时产生的U_Nernst的电压变化曲线，其中实线表示用抽运的基准在LAMBDA＝1时产生的能斯特电压，其中信号以一个正的蓄电池电压开始。相应的来自U_Batt的信号用206表示。在其他的(单点划线和双点划线表示的)测量曲线中，能斯特电压开始也是从0V开始。另外，在时间断开的测量曲线中，为了比较将没有经过控制的能斯特电压变化曲线用点线200，202表示。从图3a还可以看出，在探头起动时能斯特电压从0V开始缓慢地升高到450mV，即使废气在较长的时间内具有LAMBDA＝1，通过这一偏差，差值放大器将全正的抽运电压U_Pump加到泵电池上。一旦探头的泵电池足够受热，由于U_Pump也采用一个较大的抽运电流I_Pump，该抽运电流将空腔中的氧排空。这一过程不管是否在开始就已经是合适的气体浓度LAMBDA＝1都出现。
图3a中另外用虚线示出的U_Nernst曲线204另外会由按照本发明的低欧姆耦联的抽运基准产生，例如施加650mV的大小为10千欧姆的电阻。
从图3c可以看出，从I_Pump求出的输出信号U_Sonde显示出一个向“稀薄”方向的过调208，它干扰控制。接着必须再次填充氧，这里示出了一个通常较小的向“浓”方向的过调210。
在以抽运基准工作的情况下，只要能斯特电池中的内阻仍很大，能斯特电压U_Nernst就在+5V。但是一旦内阻下降，由于冷探头还较低的能斯特电压U_Nernst就升高，输出信号U_Sonde低于450mV。这里，输出信号U_Sonde也显示了向“稀薄”方向的过调212。只有当抽运基准的基准抽运电流I_Pump_Ref很大时，探头才显示向“浓”方向过调。
此外，在紧凑结构中(见德国专利申请DE 199 41 051)，起动区分为稀薄废气的起动和浓废气的起动。在紧凑结构中的起动，泵电池特别早地被加热。由此过调被放大，因为控制偏差更早地转化为一个抽运电流。在特别稀的废气起动时，过调对应于要求的抽运电流，因此作为误差并不起决定作用。当然，这里也有过多的氧被从空腔抽出。在浓的废气起动时，在迅速加热的泵电池中没有预控制，还会产生稀薄过调。只有在浓的预控制时或者在被抽运的工况时会产生输出信号U_Sonde向浓方向过调。
泵电池以全部抽运电压U_Pump工作特别是在空腔中缺氧时会使作为探头的陶瓷体设置的氧化锆受载。这里在极端情况下，如果抽运电压不受限，会导致变黑。尤其是在浓废气时连续起动，由于电极的极化会导致抽运电压需求增高。
借助一个控制程序在前15秒内中断抽运电压U_Pump直到能斯特电池工况预备好在技术上是复杂的，其实施很大程度上依赖于应用情况。
图4a-c示出了在按照本发明在LAMBDA＝1时预控制的情况下在图1所示电路的不同测量点产生的能斯特电压U_Nernst的电压变化曲线(图4a)、抽运电压变化曲线(图4b)和抽运电流变化曲线(图4c)。这些图中分别比较了在发动机浓起动工况和稀薄起动工况时产生的上述参数的测量曲线。
借助预控制，按照本发明，能斯特电压保持在基准电压的标称值附近，直到能斯特电压是泵电池的空腔中的氧浓度的实际量度。判断能斯特电压是泵电池的空腔中的氧浓度的实际量度的标准是，产生的电压等于根据能斯特方程计算出的电压。这一点例如通过降低能斯特电压源的内阻到低于一个预定的值例如300欧姆以下来检测。
能斯特电压越接近基准电压的标称值，能斯特电压的偏差就越小，因为只有调节离子流，会导致能斯特方程中所述的平衡。通过预控制产生的能斯特电压与基准电压的标称值的偏差越小，抽运电压以及从抽运电压得出的输出信号与其对应于废气成分的最终值的偏差就越小。通过抽运电流控制器的放大因子产生最后所述偏差的极限值。
所述恒定保持能斯特电压特别是借助干预抽运电流控制环路的输入参数来完成。这种做法相对现有技术的优点是其可应用于宽域兰姆达探头，其中减小了所谓的泵电极的极化以及这种极化在发动机起动阶段催化器无论是稀薄起动还是浓起动过程中的影响。这里，在宽域探头中会出现特别大的偏差(图3c)。但这正好在本发明的工作方式中得以避免(图4c)。
在图4a中所示的电压变化曲线中，通过所谓的欧姆电阻产生探头预控制在450mV。这里，基准电极在控制装置中(图1)通过一个1至100千欧姆的电阻接到由分析电路例如一个分析IC产生的基准电压450mV上，与该基准电压通过电路的一个比较器作比较。电阻的设计使只要能斯特电压U_Nernst在LAMBDA＝1时还未达到450mV就保持能斯特电压在450mV附近。优选的是，使用一个10千欧姆的电阻。由于比较器，能斯特电压不会精确达到450mV。当LAMBDA不等于1时，相对于现有技术只有很微小的能斯特电压过调或不足调节。在LAMBDA＝1时甚至完全克服了过调或不足调节。
前述电路的另一种替换方案可以在所谓的“抽运基准”中选择一个大小为100千欧姆的电阻抵抗+2.5V的电压，以便馈入20微安的抽运电流。另外一种选择方案是可以在抽运基准中设置低欧姆的耦合，使抽运基准的电阻连到一个只有略微高一点的电压源例如650mV，其中在10千欧姆预控制/抽运电阻时产生一个20微安的抽运电流(见图4a中的虚线)。与电压源的耦合越低欧姆，在发动机预热过程中产生的偏差越小，就是说，与本发明预控制中的上述原理相应。
所述电压U的高度另外取决于下式U＝R_Ankopplung×20微安+U_Nernst。这里电压U相对于控制电路的实际接地等于2.5V。此外，原则上，所有适当的组合电路都可以使用于此。这种电路的一个实施例是图5。图5所示的电阻副100，102在数学上可以转换为一定的电阻和一定的电压。
除了图4a，图4b还示出了抽运电压的相应电压变化曲线。抽运基准以公知方式保持不变。因为在最高约10秒的时间间隔内没有泵负载，因此也没有上述电极极化。
图4c示出了与图4a相应的抽运电流。抽运电流是控制的真正输出信号，不仅在浓工况而且在稀薄工况按照本发明都没有过调。在大约15秒时开始的两个平缓变化曲线是探头预热起动时分别产生的测量信号。
权利要求
1.宽域兰姆达探头的工作方法，其中废气中的氧分量借助一个能斯特电压与一个具有标称值的基准电压相比较求得，当存在偏差时向一个泵电池的一个空腔中馈入抽运电流，其中控制施加在泵电池上的一个电压，使得在空腔中LAMBDA＝1，其中抽运电流是废气中LAMBDA值的量度，其特征在于，能斯特电压借助预控制保持接近基准电压的标称值，直到能斯特电压是泵电池的空腔中的氧浓度的实际量度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预控制通过一个欧姆电阻进行，其中一个基准电极通过电阻接到由一个分析电路产生的基准电压上。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，欧姆电阻为1至100千欧姆，最好是10千欧姆。
4.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，预控制借助一个抽运基准进行，其中选择一个100千欧姆的电阻抵抗+5V，以馈入20微安的抽运电流。
5.按照前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，预控制与一个抽运基准结合，其中用于抽运基准的电阻连到一个只略微高一点的电压源最好是650mV用于20微安抽运电流和10千欧姆预控制/抽运电阻。
6.宽域兰姆达探头的工作的控制装置，其中废气中的氧分量借助一个能斯特电压与一个具有标称值的基准电压相比较求得，当存在偏差时向一个泵电池的一个空腔中馈入抽运电流，其中控制施加在泵电池上的一个电压，使得在空腔中LAMBDA＝1，其中抽运电流是废气中LAMBDA值的量度，其特征在于，在基准电极接头与比较器的一个基准电压之间布置有一个欧姆电阻，只要能斯特电压在LAMBDA＝1时还没有达到标称值，该欧姆电阻就使能斯特电压保持接近基准电压的标称值。
7.按照权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述欧姆电阻的值在1至100千欧姆范围内，优选为10千欧姆。
全文摘要
宽域兰姆达探头的工作方法和控制装置，其中废气中的氧分量借助一个能斯特电压与一个具有标称值的基准电压相比较求得，当存在偏差时向一个泵电池的一个空腔中馈入抽运电流，其中控制施加在泵电池上的一个电压，使得在空腔中LAMBDA＝1，其中抽运电流是废气中LAMBDA值的量度。为了避免发动机起动阶段或探头冷阶段出现的控制干扰，能斯特电压借助预控制保持接近基准电压，直到能斯特电压是泵电池的空腔中的氧浓度的实际量度。
文档编号F02D41/14GK1561435SQ02819055
公开日2005年1月5日 申请日期2002年8月13日 优先权日2001年9月26日
发明者W·施特拉斯纳, L·迪尔, A·安多菲尔 申请人:罗伯特-博希股份公司