用于在内燃发动机或这种发动机的排气后处理系统中的传感器的氧泵电池的改进的控制方法和设备

摘要

描述了一种用于控制在内燃发动机或这种发动机的排气后处理系统中的传感器的氧泵电池的方法，其包括在从发动机操作数据计算的排气成分的特性的基础上向泵电池中的电流的反馈控制添加估计预期氧泵电流的另一前馈控制路径的步骤。

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于在内燃发动机或这种发动机的排气后处理系统 中的传感器的氧泵电池的改进的控制方法和设备。

现有技术的描述

必须遵守电流和将来的排放法规的内燃发动机利用后处理系统和/或 排气再循环（EGR）系统，以便将NOx排放减小到法律所强制的限制以下。 这两种类型的系统都依靠固态氧、NOx和λ（lambda）传感器。这些传感 器包含电化学泵，其中氧离子穿过固态电解质电池被抽吸。

如图1中所示，λ传感器包含具有空气的参考空腔1和具有排气的测 量空腔2。排气穿过扩散势垒3进入测量空腔。使用固态电解质的泵电池 4存出于空腔2和排气侧之间。通过泵电池4，氧气从电池被电化学地抽 出，或者抽吸到用于汽油系统的电池中。

电位λ传感器电池5存出在于参考空腔1和测量空腔2之间。等价于 氧离子流的泵电池4的泵电流被控制，使得从电位λ传感器电池5获得的、 在参考空腔和测量空腔之间的电化学电势6被保持在恒定水平。通常，这 个水平对应于测量空腔中接近于零的氧气浓度。泵电池的泵电流与排气中 的氧气浓度强烈地相关。因此，氧气浓度可从泵电流中获得。

如图2中所示，氧传感器的结构类似于图1的λ传感器的结构。氧传 感器不保持在测量空腔（2）和参考空腔（1）之间的恒定的电化学电势6， 而相反，电化学电势6使用在泵电池4中的恒定的泵电流在两个界限分明 的水平之间斜升和斜降。氧气浓度可然后从两个电势水平之间的升降时间 中获得。

如图3中所示，NOx传感器显示了具有空气的参考空腔1，以及具有 相关的电化学泵的至少两个连续的测量空腔。排气穿过扩散势垒9进入第 一测量空腔8。第一测量空腔的第一泵电池10展示对氧气的选择性，使得 NOx不被影响。使用此泵，氧气几乎全部从第一空腔8中的气体中去除。 包含小量氧气和NOx的剩余气体穿过第二扩散势垒12进入第二测量空腔 11。第二泵电池13被设计成使得泵电流与来自该气体和离解的NOx的氧 离子流相关。因此，第二电池13的泵电流与NOx浓度强烈地关联，并因 而可用于其测定。

以上所述的所有传感原理依赖于稳定的泵电流反馈控制回路。在发动 机的瞬时操作期间，氧气含量可能非常强烈且迅速地变化，这导致控制回 路中的严重的干扰及随其的不稳定的传感器信号。通常，在瞬时操作期间， 传感器信号不是可靠的，尤其是在柴油机环境下，其中氧气浓度的预期变 化非常明显。在通常以恒定的空气/燃料比操作的汽油和天然气发动机中， 这样的变化仅仅在燃料切断阶段期间发生。

因此在已知传感器中，在瞬时阶段期间减小的可靠性使得非线性过滤 技术是必要的，然而这可能明显地减慢并且也干扰传感器的响应，并因而 干扰发动机中的反馈控制回路的带宽。

发明概述

因此，本发明的主要目的是提供一种用于在内燃发动机或这种发动机 的排气后处理系统中的传感器的氧泵电池的改进的控制方法和设备。

本发明的基本构想是使用发动机的过程数据通过前馈路径改进固态 电解质传感器设备中的氧泵电流的控制器。

优选地，将使用空气/燃料比、氧气浓度、NOx浓度或者从发动机操作 数据计算的排气的其他特征来估计预期氧泵电流。

优选地，将使用特征化排气状态的物理量例如温度、压力、湿度、发 动机速度、燃料量、压力脉动来预料并补偿预期氧泵电流的可能扰动和偏 差。

这些以及另外的目的通过如所附权利要求中所述的用于在内燃发动 机或这种发动机的排气后处理系统中的传感器的氧泵电池的改进的控制 方法和设备来实现，其中所附权利要求形成本描述的整体部分。

附图简述

本发明从仅作为示例性而非限制性的例子给出的、参考附图被阅读的 以下详细描述中变得完全清楚，在附图中：

图1显示已知类型的λ传感器的示意图；

图2显示已知类型的氧传感器的示意图；

图3显示已知类型的NOx传感器的示意图；

图4显示根据本发明的包括额外的前馈路径的泵电流控制器的示意 图；

图5显示电位λ传感器的输出电压与λ值的关系曲线的可能趋势；

图6显示根据本发明的额外的前馈路径的更详细的示意图。

附图中相同的参考数字和字母表示相同或在功能上等效的部件。

优选实施方式详述

根据本发明，发动机操作数据被使用，以便提高氧泵控制器的性能。 这允许传感器响应的明显加速，其又增加在瞬时阶段期间的传感器精度， 并从而允许控制回路带宽的扩展。

对于一般发动机管理和后处理系统来说，近似的氧气部分压力和/或空 气/燃料比（λ）是关键的量。因此，此信息在发动机控制单元中总是有用 的。因为这些量可从喷射的燃料和汽缸中的氧气的流量直接计算，它在影 响安装在发动机汽缸出口下游的传感器之前总是可用的。因此，该信息可 用于借助于前馈控制器来预先调节氧泵电流。

使用这样的装置，反馈控制器仅需要使局部的扰动呈平稳状态。这又 允许简单过滤算法的使用和随其的控制回路带宽的明显扩展。

参照图4，已知的泵电流控制器包括通过加法器42确定电压41，该 电压41由电位电池（图1、2、3中的5）的输出电压和从电压设定点起的 基准电压43之间的差给出。后者以本质上已知的方式确定。例如，在lambda （λ）和NOx传感器中，此电压通常在450mV左右，其相应于化学计量， 即，过剩的氧气和过剩的还原剂（CO、H2、HC等）都不存在的情形。

参照图5，显示了lambda（λ）（空气/燃料比）与电位λ传感器中的输 出电压的关系曲线的一般趋势：在中心点我们有（450mV），λ＝1（化学计 量，其中仅N2、H2O、CO2等存在）；对于λ<1（过量的H2、CO、HC等）， 输出电压增加；对于λ>1（过量的O2、NOx等），输出电压降低。

电压41被带到泵电流控制器44的输入，成为泵电池（图1、2中的4 和图3中的13）中的电流。泵电流控制器44的构成是已知的。在已知的 控制器中，电流控制器44的输出是提供给泵电池的唯一贡献。也如以上 所述的，在泵电池（图1、2、3中的4、13）的输出处的电流在已知类型 的测量块45中被测量，该测量块45在泵电池上施加的电压的输出处给出。

根据本发明，来自交通工具的电子控制单元的估计参数λ46被带到泵 电流估计器47的输入，除了泵电流控制器44的输出以外，泵电流估计器 47的输出也用作前馈控制，有助于期望电流和因此泵电池中的电压的确 定。

参照图6，参数λ46在块61中以已知的方式例如从进入汽缸的新鲜空 气质量的输入测量值、注射的燃料质量和汽缸出口处的再循环排气的质量 来估计。

泵电流估计器47包括块62，其基于输入数据，即空气/燃料比的估计 参数λ46以及还有气体质量流的其他输入测量值例如氧气和NOx浓度、 管道容积、气压、气体温度、湿度、发动机速度、燃料量、压力脉动来估 计从汽缸到传感器的输送时间延迟。可例如从汽缸出口和传感器位置之间 的容积中的气体质量并从气体质量流通过使前面的量除以后面的量来获 得时间延迟。使用公知的气体方程，所存储的气体质量又可从压力、温度 和管道容积来计算。

除了在泵电流估计器47中以外，还存在λ参数和所测量的气体中的氧 气浓度之间（块63）以及氧气浓度和泵电流之间（块64）的关系的可用 表格。这些关系被预加载并依赖于特定的系统设置，即都在发动机和所使 用的传感器上。这些表格的例子可在第7版的博世（Bosch）汽车手册（ISBN 978-0-470-51936-3）中找到。

考虑估计的输送时间延迟，两条曲线在输出48处给出在块63和64 中的相关参数的预期值，并最后给出该时刻的泵电流，在该时刻预期稳定 地保持电位电池5（图4）的电压水平是必要的。

泵电流估计器对于以上所述的三种类型的传感器是相同的。不同之处 可能是传感器所强加的条件，即扩散势垒的阻力。进入空腔的氧气量需要 被抽走。因此，穿过势垒的稳定状态的氧分子流等于氧离子流。

根据本发明，改进的控制方法包括使用发动机的过程数据通过前馈路 径来改进固态电解质传感器设备中的氧泵电流的控制器。

优选地，将使用空气/燃料比、氧气浓度、NOx浓度，或者从发动机操 作数据计算的排气的其他特征来估计预期氧泵电流。

优选地，将使用特征化排气状态的物理量例如温度、压力、湿度、发 动机速度、燃料量、压力脉动来预料并补偿预期氧泵电流的可能扰动和偏 差。

本发明的方法可通过包括程序编码装置的计算机的程序有利地实现， 当此程序在计算机上运行时，程序编码装置用于实现该方法的一个或多个 步骤。因此，要理解，保护范围扩展到计算机的这样的程序，且除了其中 有所记录的信息的计算机可读装置以外，所述计算机可读装置还包括程序 编码装置，当此程序在计算机上运行时，程序编码装置用于实现该方法的 一个或多个步骤。

借助于本发明，实现了很多优势：

-增加了固体电解质传感器例如氧、λ或NOx传感器中的泵电流控制 器的带宽；

-氧、λ或NOx传感器的更快响应；

-氧、λ或NOx传感器的提高的精度，尤其是在瞬时操作和燃料切断 期间；

排气条件（λ、NOx浓度）的改进的控制；

后处理系统（例如SCR）和EGR的改进的控制，以及因而改进的排 放控制。

在考虑了公开本发明优选实施方式的说明书和附图以后，对于本领域 技术人员来说，本发明的很多变化、修改、改变和其他使用及应用将变得 明显。不偏离本发明的精神和范围的所有这样的变化、修改、改变和其他 使用及应用被认为由本发明涵盖。

另外的实现细节将不被描述，因为本领域技术人员能够从以上描述的 教导中开始实现本发明。