專(zhuān)利名稱(chēng)：用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的改進(jìn)的控制 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的改進(jìn)的控制方法和設(shè)備。現(xiàn)有技術(shù)的描述必須遵守電流和將來(lái)的排放法規(guī)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)利用后處理系統(tǒng)和/或排氣再循環(huán)(EGR)系統(tǒng)，以便將NOx排放減小到法律所強(qiáng)制的限制以下。這兩種類(lèi)型的系統(tǒng)都依靠固態(tài)氧、NOx和\ (lambda)傳感器。這些傳感器包含電化學(xué)泵，其中氧離子穿過(guò)固態(tài)電解質(zhì)電池被抽吸。如圖I中所示，\傳感器包含具有空氣的參考空腔I和具有排氣的測(cè)量空腔2。排氣穿過(guò)擴(kuò)散勢(shì)壘3進(jìn)入測(cè)量空腔。使用固態(tài)電解質(zhì)的泵電池4存出于空腔2和排氣側(cè)之間。通過(guò)泵電池4，氧氣從電池被電化學(xué)地抽出，或者抽吸到用于汽油系統(tǒng)的電池中。電位入傳感器電池5存出在于參考空腔I和測(cè)量空腔2之間。等價(jià)于氧離子流的泵電池4的泵電流被控制，使得從電位\傳感器電池5獲得的、在參考空腔和測(cè)量空腔之間的電化學(xué)電勢(shì)6被保持在恒定水平。通常，這個(gè)水平對(duì)應(yīng)于測(cè)量空腔中接近于零的氧氣濃度。泵電池的泵電流與排氣中的氧氣濃度強(qiáng)烈地相關(guān)。因此，氧氣濃度可從泵電流中獲得。如圖2中所示，氧傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于圖I的 ' 傳感器的結(jié)構(gòu)。氧傳感器不保持在測(cè)量空腔(2)和參考空腔(I)之間的恒定的電化學(xué)電勢(shì)6，而相反，電化學(xué)電勢(shì)6使用在泵電池4中的恒定的泵電流在兩個(gè)界限分明的水平之間斜升和斜降。氧氣濃度可然后從兩個(gè)電勢(shì)水平之間的升降時(shí)間中獲得。如圖3中所示，NOx傳感器顯示了具有空氣的參考空腔1，以及具有相關(guān)的電化學(xué)泵的至少兩個(gè)連續(xù)的測(cè)量空腔。排氣穿過(guò)擴(kuò)散勢(shì)壘9進(jìn)入第一測(cè)量空腔8。第一測(cè)量空腔的第一泵電池10展示對(duì)氧氣的選擇性，使得NOx不被影響。使用此泵，氧氣幾乎全部從第一空腔8中的氣體中去除。包含小量氧氣和NOx的剩余氣體穿過(guò)第二擴(kuò)散勢(shì)壘12進(jìn)入第ニ測(cè)量空腔11。第二泵電池13被設(shè)計(jì)成使得泵電流與來(lái)自該氣體和離解的NOx的氧離子流相關(guān)。因此，第二電池13的泵電流與NOx濃度強(qiáng)烈地關(guān)聯(lián)，并因而可用于其測(cè)定。以上所述的所有傳感原理依賴(lài)于穩(wěn)定的泵電流反饋控制回路。在發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)操作期間，氧氣含量可能非常強(qiáng)烈且迅速地變化，這導(dǎo)致控制回路中的嚴(yán)重的干擾及隨其的不穩(wěn)定的傳感器信號(hào)。通常，在瞬時(shí)操作期間，傳感器信號(hào)不是可靠的，尤其是在柴油機(jī)環(huán)境下，其中氧氣濃度的預(yù)期變化非常明顯。在通常以恒定的空氣/燃料比操作的汽油和天 然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，這樣的變化僅僅在燃料切斷階段期間發(fā)生。因此在已知傳感器中，在瞬時(shí)階段期間減小的可靠性使得非線性過(guò)濾技術(shù)是必要的，然而這可能明顯地減慢并且也干擾傳感器的響應(yīng)，并因而干擾發(fā)動(dòng)機(jī)中的反饋控制回路的帶寬。發(fā)明概述
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的改進(jìn)的控制方法和設(shè)備。本發(fā)明的基本構(gòu)想是使用發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)前饋路徑改進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)傳感器設(shè)備中的氧泵電流的控制器。優(yōu)選地，將使用空氣/燃料比、氧氣濃度、NOx濃度或者從發(fā)動(dòng)機(jī)操作數(shù)據(jù)計(jì)算的排氣的其他特征來(lái)估計(jì)預(yù)期氧泵電流。優(yōu)選地，將使用特征化排氣狀態(tài)的物理量例如溫度、壓力、濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、燃料量、壓カ脈動(dòng)來(lái)預(yù)料并補(bǔ)償預(yù)期氧泵電流的可能擾動(dòng)和偏差。這些以及另外的目的通過(guò)如所附權(quán)利要求中所述的用于在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的改進(jìn)的控制方法和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中所附權(quán)利要求形成本描述的整體部分。附圖簡(jiǎn)述 本發(fā)明從僅作為示例性而非限制性的例子給出的、參考附圖被閱讀的以下詳細(xì)描述中變得完全清楚，在附圖中圖I顯示已知類(lèi)型的入傳感器的示意圖；圖2顯示已知類(lèi)型的氧傳感器的示意圖；圖3顯示已知類(lèi)型的NOx傳感器的示意圖；圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的包括額外的前饋路徑的泵電流控制器的示意圖；圖5顯示電位\傳感器的輸出電壓與\值的關(guān)系曲線的可能趨勢(shì)；圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的額外的前饋路徑的更詳細(xì)的示意圖。附圖中相同的參考數(shù)字和字母表示相同或在功能上等效的部件。優(yōu)選實(shí)施方式詳述根據(jù)本發(fā)明，發(fā)動(dòng)機(jī)操作數(shù)據(jù)被使用，以便提高氧泵控制器的性能。這允許傳感器響應(yīng)的明顯加速，其又増加在瞬時(shí)階段期間的傳感器精度，并從而允許控制回路帶寬的擴(kuò)展。對(duì)于一般發(fā)動(dòng)機(jī)管理和后處理系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，近似的氧氣部分壓カ和/或空氣/燃料比(入)是關(guān)鍵的量。因此，此信息在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中總是有用的。因?yàn)檫@些量可從噴射的燃料和汽缸中的氧氣的流量直接計(jì)算，它在影響安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸出口下游的傳感器之前總是可用的。因此，該信息可用于借助于前饋控制器來(lái)預(yù)先調(diào)節(jié)氧泵電流。使用這樣的裝置，反饋控制器僅需要使局部的擾動(dòng)呈平穩(wěn)狀態(tài)。這又允許簡(jiǎn)單過(guò)濾算法的使用和隨其的控制回路帶寬的明顯擴(kuò)展。參照?qǐng)D4，已知的泵電流控制器包括通過(guò)加法器42確定電壓41，該電壓41由電位電池(

圖1、2、3中的5)的輸出電壓和從電壓設(shè)定點(diǎn)起的基準(zhǔn)電壓43之間的差給出。后者以本質(zhì)上已知的方式確定。例如,在lambda (入)和NOx傳感器中，此電壓通常在450mV左右，其相應(yīng)于化學(xué)計(jì)量，即，過(guò)剩的氧氣和過(guò)剩的還原劑(C0、H2、HC等)都不存在的情形。參照?qǐng)D5,顯不了 lambda (A)(空氣/燃料比)與電位X傳感器中的輸出電壓的關(guān)系曲線的一般趨勢(shì)在中心點(diǎn)我們有(450mV)，入=I (化學(xué)計(jì)量，其中僅N2、H20、C02等存在);對(duì)于入〈I (過(guò)量的H2、C0、HC等)，輸出電壓增加；對(duì)于入>1 (過(guò)量的02、N0x等)，輸出電壓降低。
電壓41被帶到泵電流控制器44的輸入，成為泵電池(圖I、2中的4和圖3中的13)中的電流。泵電流控制器44的構(gòu)成是已知的。在已知的控制器中，電流控制器44的輸出是提供給泵電池的唯一貢獻(xiàn)。也如以上所述的，在泵電池(圖1、2、3中的4、13)的輸出處的電流在已知類(lèi)型的測(cè)量塊45中被測(cè)量，該測(cè)量塊45在泵電池上施加的電壓的輸出處給出。根據(jù)本發(fā)明，來(lái)自交通工具的電子控制単元的估計(jì)參數(shù)\ 46被帶到泵電流估計(jì)器47的輸入，除了泵電流控制器44的輸出以外，泵電流估計(jì)器47的輸出也用作前饋控制，有助于期望電流和因此泵電池中的電壓的確定。參照?qǐng)D6，參數(shù)入46在塊61中以已知的方式例如從進(jìn)入汽缸的新鮮空氣質(zhì)量的輸入測(cè)量值、注射的燃料質(zhì)量和汽缸出口處的再循環(huán)排氣的質(zhì)量來(lái)估計(jì)。泵電流估計(jì)器47包括塊62，其基于輸入數(shù)據(jù)，即空氣/燃料比的估計(jì)參數(shù)入46以及還有氣體質(zhì)量流的其他輸入測(cè)量值例如氧氣和NOx濃度、管道容積、氣壓、氣體溫度、濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、燃料量、壓カ脈動(dòng)來(lái)估計(jì)從汽缸到傳感器的輸送時(shí)間延遲?？衫鐝钠壮隹诤蛡鞲衅魑恢弥g的容積中的氣體質(zhì)量并從氣體質(zhì)量流通過(guò)使前面的量除以后面的量來(lái)獲得時(shí)間延遲。使用公知的氣體方程，所存儲(chǔ)的氣體質(zhì)量又可從壓力、溫度和管道容積來(lái)計(jì)算。除了在泵電流估計(jì)器47中以外，還存在\參數(shù)和所測(cè)量的氣體中的氧氣濃度之間(塊63)以及氧氣濃度和泵電流之間(塊64)的關(guān)系的可用表格。這些關(guān)系被預(yù)加載并依賴(lài)于特定的系統(tǒng)設(shè)置，即都在發(fā)動(dòng)機(jī)和所使用的傳感器上。這些表格的例子可在第7版的博世(Bosch)汽車(chē)手冊(cè)(ISBN978-0-470-51936-3)中找到。考慮估計(jì)的輸送時(shí)間延遲，兩條曲線在輸出48處給出在塊63和64中的相關(guān)參數(shù)的預(yù)期值，并最后給出該時(shí)刻的泵電流，在該時(shí)刻預(yù)期穩(wěn)定地保持電位電池5 (圖4)的電壓水平是必要的。泵電流估計(jì)器對(duì)于以上所述的三種類(lèi)型的傳感器是相同的。不同之處可能是傳感器所強(qiáng)加的條件，即擴(kuò)散勢(shì)壘的阻力。進(jìn)入空腔的氧氣量需要被抽走。因此，穿過(guò)勢(shì)壘的穩(wěn)定狀態(tài)的氧分子流等于氧離子流。根據(jù)本發(fā)明，改進(jìn)的控制方法包括使用發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)前饋路徑來(lái)改進(jìn)固態(tài)電解質(zhì)傳感器設(shè)備中的氧泵電流的控制器。優(yōu)選地，將使用空氣/燃料比、氧氣濃度、NOx濃度，或者從發(fā)動(dòng)機(jī)操作數(shù)據(jù)計(jì)算的排氣的其他特征來(lái)估計(jì)預(yù)期氧泵電流。優(yōu)選地，將使用特征化排氣狀態(tài)的物理量例如溫度、壓力、濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、燃料量、壓カ脈動(dòng)來(lái)預(yù)料并補(bǔ)償預(yù)期氧泵電流的可能擾動(dòng)和偏差。本發(fā)明的方法可通過(guò)包括程序編碼裝置的計(jì)算機(jī)的程序有利地實(shí)現(xiàn)，當(dāng)此程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行吋，程序編碼裝置用于實(shí)現(xiàn)該方法的ー個(gè)或多個(gè)步驟。因此，要理解，保護(hù)范圍擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)的這樣的程序，且除了其中有所記錄的信息的計(jì)算機(jī)可讀裝置以外，所述計(jì)算機(jī)可讀裝置還包括程序編碼裝置，當(dāng)此程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，程序編碼裝置用于實(shí)現(xiàn)該方法的ー個(gè)或多個(gè)步驟。借助于本發(fā)明，實(shí)現(xiàn)了很多優(yōu)勢(shì)-增加了固體電解質(zhì)傳感器例如氧、\或NOx傳感器中的泵電流控制器的帶寬；
-氧、X或NOx傳感器的更快響應(yīng)；
-氧、入或NOx傳感器的提高的精度，尤其是在瞬時(shí)操作和燃料切斷期間；排氣條件(入、NOx濃度)的改進(jìn)的控制；后處理系統(tǒng)(例如SCR)和EGR的改進(jìn)的控制，以及因而改進(jìn)的排放控制。在考慮了公開(kāi)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的說(shuō)明書(shū)和附圖以后，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的很多變化、修改、改變和其他使用及應(yīng)用將變得明顯。不偏離本發(fā)明的精神和范圍的所有這樣的變化、修改、改變和其他使用及應(yīng)用被認(rèn)為由本發(fā)明涵蓋。另外的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)將不被描述，因?yàn)楸绢I(lǐng)域技術(shù)人員能夠從以上描 述的教導(dǎo)中開(kāi)始實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于控制在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的方法，包括在根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)操作數(shù)據(jù)計(jì)算的排氣的特性的基礎(chǔ)上向所述泵電池中的電流的反饋控制添加估計(jì)預(yù)期氧泵電流的另一前饋控制路徑的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述前饋控制路徑包括 -在所述排氣的所述特性的基礎(chǔ)上估計(jì)從汽缸到所述傳感器的氣體流的輸送時(shí)間延遲； -使用所述輸送時(shí)間延遲來(lái)識(shí)別在表格中的所述預(yù)期氧泵電流，所述表格給出空氣/燃料比(入)參數(shù)和氧氣濃度之間的關(guān)系以及所述氧氣濃度和所述預(yù)期氧泵電流之間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中所述排氣的所述特性包括空氣/燃料比(入)的計(jì)算值和排氣質(zhì)量流的可用值，包括氧氣和NOx份額、管道容積、氣壓、氣體溫度、濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、燃料量、壓カ脈動(dòng)中的ー個(gè)或多個(gè)。
4.一種用于控制在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的系統(tǒng)，包括 -所述泵電池中的電流的反饋控制電路(44 )， -在根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)操作數(shù)據(jù)計(jì)算的排氣的特性的基礎(chǔ)上的預(yù)期氧泵電流的前饋控制估計(jì)電路(47)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述前饋控制評(píng)估電路(47)包括 -用于在所述排氣的所述特性的基礎(chǔ)上估計(jì)從汽缸到所述傳感器的氣體流的輸送時(shí)間延遲的電路(62)； 確定所述預(yù)期氧泵電流的電路(63、64)，所述電路(63、64)在所述輸送時(shí)間延遲的基礎(chǔ)上識(shí)別在表格中的所述預(yù)期氧泵電流，所述表格給出空氣/燃料比(入)參數(shù)和氧氣濃度之間的關(guān)系以及所述氧氣濃度和所述預(yù)期氧泵電流之間的關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，其中所述排氣的所述特性包括空氣/燃料比(入)的計(jì)算值和排氣質(zhì)量流的可用值，包括氧氣和NOx份額、管道容積、氣壓、氣體溫度、濕度、發(fā)動(dòng)機(jī)速度、燃料量、壓カ脈動(dòng)中的ー個(gè)或多個(gè)。
7.一種計(jì)算機(jī)程序，包括計(jì)算機(jī)程序編碼裝置，所述計(jì)算機(jī)程序編碼裝置適合于當(dāng)所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行權(quán)利要求I至3的所有步驟。
8.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，具有記錄在其上的程序，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括程序編碼裝置，所述計(jì)算機(jī)程序編碼裝置適合于當(dāng)所述程序在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)執(zhí)行權(quán)利要求I至3的所有步驟。
全文摘要
描述了一種用于控制在內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)或這種發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣后處理系統(tǒng)中的傳感器的氧泵電池的方法，其包括在從發(fā)動(dòng)機(jī)操作數(shù)據(jù)計(jì)算的排氣成分的特性的基礎(chǔ)上向泵電池中的電流的反饋控制添加估計(jì)預(yù)期氧泵電流的另一前饋控制路徑的步驟。
文檔編號(hào)G01N27/406GK102667462SQ201080058575
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者西奧菲爾·奧肯薩勒 申請(qǐng)人:依維柯發(fā)動(dòng)機(jī)研究公司