專利名稱：確定氣流中氧濃度O₂的方法
技術(shù)領域：
本公開涉及確定內(nèi)燃發(fā)動機氣流中氧濃度O2的方法，所述內(nèi)燃發(fā)動機裝配有發(fā)動機控制器和氧傳感器。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動機通常裝配有至少一個氧傳感器，其可設置在進氣系統(tǒng)的進口側(cè)和/或在排氣排放系統(tǒng)的出口側(cè)。氧濃度O2的知識在內(nèi)燃發(fā)動機控制中用于不同目的。設置在內(nèi)燃發(fā)動機進氣系統(tǒng)中的傳感器可例如用于控制排氣再循環(huán)系統(tǒng)，即調(diào)節(jié)再循環(huán)率。排氣再循環(huán)(EGR)即從內(nèi)燃發(fā)動機的出口側(cè)再循環(huán)燃燒氣體至內(nèi)燃發(fā)動機的進口側(cè)，其特別用于降低氮氧化物的排放。隨著再循環(huán)率的增加，氮氧化物排放可被顯著降低。這里，排氣再循環(huán)率X·被確定為
xEGE — 1t1Egr/ (mEGR+m 新鮮空氣
)，其中mEeK表示再循環(huán)
排氣的量，而表示供應的新鮮空氣。為了獲得氮氧化物排放的顯著降低，需要較高的排氣再循環(huán)率X·，其可高達到70%。為了使得充氣空氣接觸傳感器，其中充氣空氣除了新鮮空氣，還可含再循環(huán)排氣，傳感器可設置在EGR進入進氣管路的再循環(huán)管路開口的下游。傳感器檢測充氣流中的氧濃度O2，下面的等式需要考慮該濃度，用于確定由燃燒產(chǎn)生的進氣百分比的比例Fan，和/或確定再循環(huán)率X·。因此，使用該傳感器可調(diào)節(jié)EGR的再循環(huán)率X·，即，可致動關閉元件，其優(yōu)選設置在再循環(huán)管路中且用作EGR閥門以便調(diào)節(jié)再循環(huán)率。在某些假設下，可以該方式實現(xiàn)EGR的閉環(huán)控制，例如，如果僅提供單個排氣再循環(huán)管路。而且，利用傳感器檢測的氧濃度O2或比例Fan可以用來確定排氣中氮氧化物濃度CNOx,即，未處理的氮氧化物NOx排放。這里，可以免除昂貴的NOx傳感器，其設置在排氣排放系統(tǒng)中，以便確定排氣中氮氧化物濃度CN&,㈣和/或用于調(diào)節(jié)EGR閥門，即調(diào)節(jié)再循環(huán)的排氣量。在內(nèi)燃發(fā)動機由排氣渦輪增壓器增壓且裝配低壓EGR結(jié)構(gòu)(其中再循環(huán)管路從渦輪機下游的排氣管路分支并進入壓縮機上游的進氣管路)的情形中，氧傳感器優(yōu)選設置在壓縮機的下游和可提供的充氣冷卻器的上游。
一方面，由低壓EGR再循環(huán)的后處理排氣確保傳感器不被排氣中包含的煙塵微粒和/或排氣中包含的油污染。另一方面，在被壓縮機壓縮后，進氣處于提升的溫度。后一事實有助于通常裝配有電加熱機構(gòu)餓傳感器達到并保持其運行溫度。
然而，為降低污染物排放，除了熱排氣再循環(huán)，其他措施也是必要的。因此，內(nèi)燃發(fā)動機通常裝配有多個排氣后處理 系統(tǒng)。對于未燃燒碳氫化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，氧化催化轉(zhuǎn)換器被提供在排氣系統(tǒng)中。如果氮氧化物(NOx)被額外減少，在奧托發(fā)動機的情形中，這可通過利用三元催化轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，但為此目的要求窄限內(nèi)的化學計量運行(λ I)。為了降低氮氧化物，要么使用選擇性催化劑轉(zhuǎn)換器，其中以針對性方式將還原劑引入排氣以便選擇性還原氮氧化物，要么使用氮氧化物存儲催化轉(zhuǎn)換器，其中氮氧化物首先被吸收，即被收集和存儲在催化劑轉(zhuǎn)換器中，然后在缺少氧的再生階段被還原。根據(jù)前面的系統(tǒng)，為了最小化煙塵微粒的排放，使用所謂的再生微粒過濾器，其從排氣中過濾煙塵微粒并將其存儲，所述煙塵微粒在過濾器再生過程中被間歇地燒掉。為了監(jiān)視上述排氣后處理系統(tǒng)和/或檢查其功能容量，設置在內(nèi)燃發(fā)動機排氣排放系統(tǒng)出口側(cè)的氧傳感器可被使用并且可以是有利的，因為后處理系統(tǒng)中發(fā)生的反應改變了排氣中，即本情形中相關的氣流中的氧濃度O2。為了改進內(nèi)燃發(fā)動機排放行為并基本改進內(nèi)燃發(fā)動機的運行，可提供高質(zhì)量控制和/或調(diào)節(jié)，即盡可能精確地控制和/或調(diào)節(jié)排氣排放系統(tǒng)提供的排氣后處理系統(tǒng)和影響充氣成分的排氣再循環(huán)系統(tǒng)。高質(zhì)量控制和/或調(diào)節(jié)假定傳感器輸出的信號盡可能準確，具體地，氧傳感器檢測的氧濃度和/或提供給發(fā)動機控制器的氧濃度進一步被使用會具有最低可能誤差。然而，常規(guī)氧傳感器被校準從而輸出氧濃度，假定傳感器內(nèi)氧的壓力單一恒定。傳感器內(nèi)氧氣壓力頻繁波動將導致測量的氧濃度有誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人認識到上述方法的問題并提供至少部分解決這些問題的方法。在一個實施例中，在裝配有發(fā)動機控制器和氧傳感器的內(nèi)燃發(fā)動機的氣流中確定氧濃度的方法包括在傳感器陶瓷測量單元內(nèi)通過電流確定氣流的氧濃度，該電流可通過測量檢測并在應用和保持恒定電壓時流過，還包括基于測量單元內(nèi)壓力校正氧濃度。以此方式，根據(jù)本公開的方法考慮氣流中壓力Psms改變和因此傳感器測量單元中壓力Psms改變并對傳感器提供的氧濃度o2,sms有影響。這允許顯著改進內(nèi)燃發(fā)動機的控制和/或調(diào)節(jié)。單獨或結(jié)合附圖，本說明上面的優(yōu)點和其他優(yōu)點、和特征將從下面具體實施例中明顯看出。應該理解，上面的發(fā)明內(nèi)容被提供以簡化形式選擇概念，這些概念在具體實施例中被進一步說明。這不是為了指明所要求主題的關鍵或基本特征，其范圍是通過權(quán)利要求唯一限定的。而且，所要求的主題不限于解決上述或本公開任何部分中指出的任何缺點的實施方式。


圖Ia示意示出氧傳感器的構(gòu)造。圖Ib在繪圖中示出傳感器電流Isms和氧濃度02,sms之間函數(shù)關系。
圖2示意示出具有傳感器的內(nèi)燃發(fā)動機的實施例。圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例運行具有LP-EGR和HP-EGR系統(tǒng)的增壓內(nèi)燃發(fā)動機的示例方法的流程圖。圖4以流程圖的形式示出確定氧濃度O2的方法的變型。
具體實施例方式氧傳感器利用包括隔開的自由端的測量單元。在測量單元的自由端之間施加并維持恒電壓Usens,其中氧分子產(chǎn)生并在自由端之間流動的電流Isms通過測量被檢測(參看圖Ia)。確定氧濃度O2的傳感器的基本測量原理是基于這樣的事實，即氣流中氧濃度O2與通過測量檢測的電流Is■成比例。從前面系統(tǒng)中已知的氧傳感器具有陶瓷構(gòu)造的測量單元，其中在測量單元附近流 動的氣流經(jīng)擴散通道進入。氧氣泵設置在測量單元中，其可通過電子泵電流Isms調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)泵電流Isms維持泵端子間恒定的電壓uSens。如果電壓Usens保持恒定，則在經(jīng)擴散通道的氧氣供給和經(jīng)氧氣泵的氧氣排放之間已經(jīng)建立平衡，其中氧濃度可基于為此目的要求的泵電流Isms確定，該電流是通過測量被檢測(參看圖Ia)。確定氧濃度O2的傳感器的根本測量原理是基于這樣的事實，即氣流中氧濃度O2與通過測量檢測的電流Isms近似成比例。從圖Ib可看出，氧濃度02,sms和通過測量檢測的電流Isms之間存在函數(shù)關系。采用下面的關系O2jsens = f (Isens)圖Ib示出函數(shù)關系，其中傳感器電流Is■被繪制在橫坐標上，單位為[mA]，氧濃度O2, sens被繪制縱坐標上，單位為[Vol % ]。因為，首先傳感器電流Isms的大小是從單位時間氧氣分子的數(shù)目測量的，其用作電荷載流子，且其次按照圖lb，繪制氧濃度，單位為[Vol %]，所以如果在測量單元處氣流密度，即壓力Psens改變，圖Ib中示出的線性函數(shù)的梯度f (Isms)也改變。前面系統(tǒng)已知的方法沒有考慮壓力對傳感器輸出的氧氣02,sens濃度的影響。實際上，單個特定壓力Po的函數(shù)關系02,sens = f (Isens)被確定并存儲在發(fā)動機控制器中以便進一步使用。如果在測量單元中，基于函數(shù)關系f (Isms)，實際存在/流行(prevail)壓力psms高于壓力P。，即Psens > P。，則傳感器輸出過高氧濃度02,sens，單位為[Vol % ]。相比來講，如果Psms < Po，則傳感器輸出過低氧濃度O2,■，即，在氣流中實際出現(xiàn)低于氧濃度02,tat的氧濃度。不正確地確定的氧濃度O2對內(nèi)燃發(fā)動機的控制和/或調(diào)節(jié)質(zhì)量具有不利影響，即，對排氣后處理系統(tǒng)的控制和/或調(diào)節(jié)和排氣再循環(huán)，以及因此的排放行為的質(zhì)量具有不利影響。具體地，在增壓內(nèi)燃發(fā)動機的情形中，其中壓力條件可劇烈改變，不考慮壓力對傳感器提供的氧濃度O2的影響的事實會產(chǎn)生消極影響。第一子目標是利用確定內(nèi)燃發(fā)動機氣流中氧濃度O2的方法實現(xiàn)的，內(nèi)燃發(fā)動機裝配有發(fā)動機控制器和氧傳感器，其中氣流氧濃度O2, sens利用電流Isms在傳感器測量單元中被確定，該測量單元具有陶瓷構(gòu)造，該電流Isms可通過測量能被檢測，且當在施加并維持恒定電壓Usms時流過，且該方法特征在于在測量單元的壓力Psms也被考慮用于確定氧濃度O2。
這里，考慮氣流中存在的壓力可以以顯著不同的方式實現(xiàn)。例如，多個不同壓力pSms,i，不同函數(shù)02,sms = fi(Isens)可存儲在發(fā)動機控制器中并被使用。然后，為了確定氧濃度O2，在第一方法步驟中，氣流中壓力被確定。這可通過數(shù)學方法或類似地通過傳感器測量實現(xiàn)。然后，由測量檢測的傳感器電流Isms以及在測量單元的壓力Ps■均用作發(fā)動機控制器的輸入信號，其中首先對應于當前存在壓力Psms的函數(shù)A(Isms)被確定，且隨后，氧濃度O2,■是用所述函數(shù)和當前電流1-3讀出的。一個函數(shù)或多個函數(shù)A(Isms)可在發(fā)動機控制器中存儲為表格或查詢表。下面的例子是有利的，其中壓力pSms是通過傳感器測量被檢測。很多內(nèi)燃發(fā)動機已經(jīng)裝配有至少一個壓力傳感器。增壓內(nèi)燃發(fā)動機通常具有檢測充氣壓力的壓力傳感器，即利用壓縮機進行的單級或雙級壓縮下游的充氣-空氣流的壓力。因為在增壓內(nèi)燃發(fā)動機中，由于隨著充氣壓力的較高的溫度水平，氧傳感器優(yōu)選也設置在壓縮機的下游，所以充氣壓力傳感器將同時輸出氧傳感器測量單元中存在的壓力Ps咖，以便在根據(jù)本公開的方法的情形中用于確定壓力，可使用現(xiàn)有傳感器，且無需提供額外傳感器。此外，壓力傳感器不僅用在內(nèi)燃發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中，而且用在排氣排放系統(tǒng)中。作為微粒過濾器再生開始的標準，常?？紤]過濾器上游中存在的排氣反壓，即，過濾器上游氣流中壓力，其隨過濾器中微粒質(zhì)量增加而升高。所述排氣反壓在過濾器上游提供的氧傳感器中也流行，以便排氣反壓描述，即表示傳感器測量單元中存在的壓力PSms。然而，下面的例子也是有利的，其中壓力ps■是通過模型被數(shù)學確定的。也可使用多個數(shù)學模型。作為起點，環(huán)境壓力至少近似已知且存在在進氣系統(tǒng)的進口和排氣排放系統(tǒng)的出口，實際上，內(nèi)燃發(fā)動機管路系統(tǒng)的任何所需點的壓力可通過模擬被計算，即估計。數(shù)學確定也與通過測量的壓力檢測結(jié)合，即，采用壓力傳感器檢測的壓力作為起始點。例如，在增壓內(nèi)燃發(fā)動機的情形中，如果通過傳感器測量檢測的充氣壓力存在，則采用所述壓力作為起始點，可能的是通過模擬計算推導壓縮機上游壓力，該壓力然后構(gòu)成設置在壓縮機上游的氧傳感器的測量單元處的壓力PSms。下面的示例是有利的，其中確定氧濃度O2中還考慮傳感器靈敏度的變化。氧傳感器靈敏度波動，具體地首先由于生產(chǎn)相關的公差導致的不同傳感器間的波動，即，傳感器在離開工廠時就已經(jīng)具有不同的靈敏度，其次即便在單個傳感器中，由于運行和/或傳感器運行過程中所受的外部影響。在此背景下，傳感器被排氣成分污染和傳感器由于熱負載導致的熱老化也起主導作用。在氧濃度O2確定中，還可考慮原始靈敏度和/或傳感器運行過程中出現(xiàn)的靈敏度變化中的差別，即補償。這方面，下面的例子是有利的，其中校正的氧濃度O2,■是用下面的等式確定的O2, cor = f (Isens) *f (Psens) *Cadap其中Cadap是變化系數(shù)，其是無量綱系數(shù)，借助該系數(shù)可補償傳感器靈敏度的變化。函數(shù)f (Psms)用于補償壓力變化，即考慮氣流中變化壓力PSms。注意，在此，一般表達“氧濃度02”是總稱術(shù)語，該總稱術(shù)語包括不同的具體氧濃度，特別是傳感器輸出的氧濃度o2,Sens和校正的氧濃度O2,
結(jié)合討論的實施例，下面的方法變型是有利的，其中校正的氧濃度O2, cor是用如下等式確定
權(quán)利要求
1.一種確定內(nèi)燃發(fā)動機氣流中氧濃度O2的方法，所述內(nèi)燃發(fā)動機裝配有發(fā)動機控制器和氧傳感器，所述方法包括 通過測量檢測的并在施加和維持恒定電壓Usens時流過的電流Isms確定所述傳感器陶瓷測量單元中氣流的氧濃度02,s6ns;以及 基于所述測量單元的壓力Psms校正所述氧濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述壓力Psms是通過壓力傳感器測量被檢測。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述壓力Psms是通過模型被數(shù)學確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中校正所述氧濃度還包括基于所述氧傳感器的靈敏度變化校正所述氧濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中校正氧濃度還包括基于無量綱系數(shù)，Cadap，校正所述氧濃度，借助所述無量綱系數(shù)可補償所述氧傳感器的靈敏度變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中校正所述氧濃度還包括基于可預定參考壓力Ptl,和壓力系數(shù)Kp校正所述氧濃度，其中所述氧濃度被提供為所述氧傳感器輸出信號O2,s■，借助所述壓力系數(shù)Kp可補償壓力pSms與參考壓力P。的偏差。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述系數(shù)Cadap和Kp是在所述發(fā)動機控制器校準過程中被確定的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述校準是在內(nèi)燃發(fā)動機運行狀態(tài)中進行的，其中氣流中校正的氧濃度O2,■是已知的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述校準是在氣流中校正的氧濃度O2,cor對應于環(huán)境空氣中氧濃度02,atni時執(zhí)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述校準是在內(nèi)燃發(fā)動機過載模式中執(zhí)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述校準在內(nèi)燃發(fā)動機開始過載模式后執(zhí)行n個工作循環(huán)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中為了執(zhí)行校準，系數(shù)Cadap和Kp的值范圍是預定的。
13.—種用于內(nèi)燃發(fā)動機的氧傳感器系統(tǒng),其包括 氧傳感器，其包括 陶瓷測量單元，其中電流Isms是在恒定電壓Usens通過測量被檢測的，從而確定所述內(nèi)燃發(fā)動機氣流中的氧濃度O2 ;以及 在所述陶瓷測量單元上提供的測量壓力Psms的元件；以及 發(fā)動機控制器，其包括基于壓力測量校正所述確定的氧濃度的指令。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的氧傳感器系統(tǒng)，其中在所述氧傳感器的陶瓷測量單元處提供了測量溫度Tsms的元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的氧傳感器系統(tǒng)，其中所述氧傳感器被提供在所述內(nèi)燃發(fā)動機的進氣系統(tǒng)中，該內(nèi)燃發(fā)動機進氣系統(tǒng)中裝配有排氣渦輪增壓器的壓縮機和設置在所述壓縮機下游的充氣冷卻器，其中所述氧傳感器設置在所述壓縮機和所述充氣冷卻器之間。
16.一種運行包括LP-EGR和HP-EGR系統(tǒng)的增壓內(nèi)燃發(fā)動機的方法，其包括 至少以測量的進氣空氣壓力校正測量的充氣氧濃度；以及 如果LP-EGR系統(tǒng)啟動，則基于所述校正的測量的進氣空氣氧濃度調(diào)節(jié)LP-EGR閥。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括 如果所述HP-EGR系統(tǒng)啟動，則基于估計的HP-EGR流量調(diào)節(jié)HP-EGR閥；以及如果僅LP-EGR系統(tǒng)啟動，則基于測量的進氣空氣壓力調(diào)節(jié)燃料噴射量，從而維持所需的燃燒空氣-燃料比。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中校正所述測量的進氣空氣氧濃度還包括基于壓力系數(shù)和改變系數(shù)校正所述測量的進氣空氣氧濃度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中基于所述壓力系數(shù)和改變系數(shù)校正所述測量的進氣空氣氧濃度還包括在選擇條件過程中設定所述壓力系數(shù)和改變系數(shù)，該條件包括已知的進氣空氣氧濃度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述選擇條件包括減速燃料切斷。
全文摘要
本發(fā)明提供使用氧傳感器確定氧濃度的實施例。在一個示例中，確定內(nèi)燃發(fā)動機氣流中氧濃度O2的方法包括通過電流ISens確定傳感器陶瓷測量單元中氣流的氧濃度O2，sens，該內(nèi)燃發(fā)動機裝配有發(fā)動機控制器和氧傳感器，電流ISens是通過測量檢測的并在施加和保持恒定電壓USens時流過，并基于測量單元的壓力pSens校正氧濃度。以此方式，測量的氧濃度可基于在傳感器的空氣壓力被校正。
文檔編號G01N27/417GK102621212SQ20121002021
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者A·庫斯克, C·W·維吉爾德, D·羅杰 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司