專利名稱：操作傳感器元件的方法和傳感器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操作用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的傳感器元件的方法，以及涉及一種用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的傳感器元件，該傳感器元件可以被使用在這種方法中。本發(fā)明的主題也為一種計(jì)算機(jī)程序和一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述計(jì)算機(jī)程序和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品適于執(zhí)行該方法。
背景技術(shù)：
這樣的傳感器也被稱作λ探針并且例如由圖書出版物“Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”(第25版，第133頁及以下各頁等等)得知。此外， 由DE 100 43 089 C2已公知了用于確定在混合氣體中(尤其是在內(nèi)燃機(jī)的廢氣中)的氣體成分和/或氣體組成部分的濃度的傳感器，所述傳感器具有通過參考?xì)怏w通道可加載有參考?xì)怏w(尤其是空氣或者含氧的氣體)的參考電極。通常平面地構(gòu)造的用于λ探針的傳感器元件具有布置有參考電極的參考?xì)怏w通道。這些傳感器例如被用作分離液面?zhèn)鞲衅?Sprimgsonden)。表述“分離液面?zhèn)鞲衅鳌庇蛇@樣的λ傳感器的特性曲線導(dǎo)出，該特性曲線在空氣系數(shù)λ =1的情況下實(shí)施從在大約900mV 的范圍中的第一電壓值“跳躍”到在數(shù)mV的范圍中的第二電壓值。該跳躍被檢測(cè)并且被分析用于確定在λ=1時(shí)的正確的空氣燃料混合，其中存在最優(yōu)的化學(xué)計(jì)量上的燃燒。此外，這些傳感器也在所謂的被泵浦的參考(Referenz )的情況下或通過加載有泵浦電壓的參考來工作，其中通過外施的(aufg印raegt)陽極電流從廢氣出來與氧氣一起流過參考電極。在操作這樣的λ探針時(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)如下問題在參考電極上或在相鄰的參考?xì)怏w容積中出現(xiàn)為未燃燒的碳?xì)浠衔?，所述未燃燒的碳?xì)浠衔锢缭从谔结樀氖芪廴镜暮?/或過熱的部件或者不緊密的包裝。通過未燃燒的碳?xì)浠衔锵妮斔徒o參考電極的氧氣中的不可忽略的部分，使得在參考電極上的氧濃度降低并且由此干擾了探針功能。該現(xiàn)象作為CSD (“特征下移(Characteristic-Shift-Down)”)特性而公知。在這一點(diǎn)，進(jìn)一步是干擾性的是，未燃燒的碳?xì)浠衔飪?yōu)選地在熱的催化活性面上、即尤其是在探針的熱區(qū)域(“熱點(diǎn)(Hot-Spot)區(qū)域”)中的參考電極上被氧化。此外，未燃燒的碳?xì)浠衔镌趨⒖細(xì)怏w通道中盡管大多比氧氣更緩慢地?cái)U(kuò)散，然而單個(gè)碳?xì)浠衔锓肿油ǔ１葐蝹€(gè)氧分子移位(umsetzen)更多，使得有效氧氣消耗率由于滲入的未燃燒的碳?xì)浠衔锒笥谘鯕獾臐B入。由此，在參考電極上發(fā)生未燃燒的碳?xì)浠衔锏南鄬?duì)富積或發(fā)生氧氣相對(duì)缺乏。最后， 由于所闡述的機(jī)制，在參考?xì)怏w通道中的CSD特性的危險(xiǎn)明顯大于在探針殼體中的與參考?xì)怏w通道連接的內(nèi)部容積中的CSD特性的危險(xiǎn)。現(xiàn)在通過如下方式可以抵制CSD特性電子流通過傳感器元件來施加，該電子流由此驅(qū)動(dòng)氧氣流。氧氣流從參考電極出發(fā)并且通過參考通道引導(dǎo)到傳感器元件的外部區(qū)域中。在此，產(chǎn)生足夠的氧分壓，以便氧化或者運(yùn)走富氣成分(Fettgaskomponent)，使得CSD特性被主動(dòng)地消除。此外，這樣的λ探針的內(nèi)阻與溫度有關(guān)。只要這樣的探針以泵浦電流來工作，泵浦電流就導(dǎo)致內(nèi)阻上的電壓降并且由此導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的偏移。在恒定的供電電壓和恒定的內(nèi)阻的情況下(恒定的內(nèi)阻由恒定的溫度引起)，電壓降也是恒定的并且這樣可以事先在控制設(shè)備中予以考慮。然而，在傳感器未被加熱時(shí)，內(nèi)阻與廢氣溫度有關(guān)。由此，可發(fā)生在內(nèi)阻上的與溫度有關(guān)的電壓降，該電壓降對(duì)應(yīng)于信號(hào)扭曲(Signalverzug)。該信號(hào)扭曲與泵浦電流成比例。由現(xiàn)有技術(shù)公知的λ傳感器通常在沒有泵浦電流的情況下工作。這一方面由于相對(duì)內(nèi)阻的比例而導(dǎo)致與溫度有關(guān)的信號(hào)扭曲的消失。另一方面，以這種方式不可實(shí)現(xiàn)用于通過沖洗參考通道來消除CSD特性的泵浦作用。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在，本發(fā)明所基于的任務(wù)是介紹一種用于操作未被加熱的傳感器元件、尤其是 λ探針的方法和這樣的λ探針，其中消除了 CSD特性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
該任務(wù)通過具有獨(dú)立權(quán)利要求1和5的特征的用于操作用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的傳感器元件的方法和這樣的傳感器元件來解決。本發(fā)明的基本思想是通過如下方式使在λ探針未被加熱的情況下的CSD特性(即在這些探針中的信號(hào)扭曲)最小化調(diào)節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的內(nèi)阻比 (Innenwiderstandsverhaeltnisse)適配。這通過如下方式來實(shí)現(xiàn)確定內(nèi)阻，將該內(nèi)阻與可預(yù)先給定的閾值進(jìn)行比較，并且當(dāng)內(nèi)阻低于閾值時(shí)，接通泵浦電壓。以這種方式可能的是，λ探針不僅在空氣參考的情況下而且在被泵浦的參考的情況下來工作。在高電阻且低溫度的范圍中，探針通常在空氣參考的情況下來工作。而當(dāng)內(nèi)阻隨著溫度升高而降低時(shí)，接通泵浦電壓。通過在從屬權(quán)利要求中舉出的措施實(shí)現(xiàn)了在獨(dú)立權(quán)利要求1和5中所說明的方法和傳感器元件的有利的擴(kuò)展方案和改善方案。這樣，可以直接測(cè)量傳感器元件的內(nèi)阻。在本方法的另一改進(jìn)方案中，通過傳感器元件的溫度借助內(nèi)燃機(jī)的工作參數(shù)通過計(jì)算算出的方式確定內(nèi)阻或者得知特性曲線族。在此，例如根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的工作點(diǎn)也確定廢氣溫度和/或廢氣量比和/或廢氣質(zhì)量流量，并且由這些參數(shù)推斷出傳感器元件的溫度以及因此推斷出傳感器元件的內(nèi)阻。作為電阻值的閾值例如可以選擇在500Ω到3500Ω之間、尤其是1. 5kΩ的電阻值。根據(jù)本發(fā)明的用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的具有被印刷的電解質(zhì)層的傳感器元件、尤其是λ探針的特點(diǎn)在于被印刷的電解質(zhì)層由鈧穩(wěn)定氧化鋯構(gòu)成。 一方面，被印刷的電解質(zhì)可以相對(duì)于借助生膜(Gruenfolie)制造的電解質(zhì)顯著更薄地被制造，由此極大地減小了內(nèi)阻。此外，也通過使用鈧穩(wěn)定氧化鋯而不是釔穩(wěn)定氧化鋯，主要在低溫范圍中在相同的層厚度的情況下實(shí)現(xiàn)更低的內(nèi)阻值。這種傳感器元件可以特別優(yōu)選地被用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。
為了建立改善的離子電導(dǎo)率，在此可以使用具有釔穩(wěn)定氧化鋯的局部區(qū)域。此外，為了降低直流內(nèi)阻而設(shè)置的是，使電極面最大化并且將參考電極靠近表面來定位，以便使被布置在其間的電解質(zhì)盡可能良好地耦合到熱廢氣。傳感器元件有利地通過分壓器被操作，該分壓器具有可改變的分壓器電阻。由此可以以技術(shù)上可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的方式接通泵浦電壓，并且由此該傳感器元件在被泵浦的參考的情況下工作。此外，這樣的λ探針可以以非常低的泵浦電流來工作，所述非常低的泵浦電流導(dǎo)致盡可能小的電壓扭曲并且仍然保證了 CSD強(qiáng)度和分路強(qiáng)度(Nebenschlussfestigkeit)。 泵浦電流在此有利地在0 μ A到10 μ A之間的范圍中，優(yōu)選地在2 μ A到5 μ A之間的范圍中。


本發(fā)明的實(shí)施例在附圖中示出并且在以下的描述中予以詳細(xì)闡述。圖1示意性地以截面示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件； 圖2示出了用于操作傳感器元件的電路裝置。
具體實(shí)施例方式在圖1中示意性地示出了傳感器元件，該傳感器元件通過由鈧穩(wěn)定氧化鋯構(gòu)成的電解質(zhì)100形成，該電解質(zhì)100可以例如借助絲網(wǎng)印刷被施加在支承體105上。電解質(zhì)具有大約500 μ m的厚度。用于在外電極110之下的區(qū)域101中制造電解質(zhì)的印刷方法被采用，以便實(shí)現(xiàn)鈧穩(wěn)定氧化鋯的小的層厚度，并且由此由離子嵌入反應(yīng)(Einbaureaktion)引起地使內(nèi)阻最小化。λ探針具有遭受(未示出的)廢氣的參考電極110，該參考電極110與控制設(shè)備SG 通過在圖1中僅示意性地示出的電線路111相連，并且λ探針具有被布置在參考?xì)怏w容積 130中的參考電極120，該參考電極120同樣通過線路140與控制設(shè)備SG相連。為了降低直流內(nèi)阻，遭受廢氣的電極110的電解質(zhì)面被選擇得盡可能大，在理想情況下在考慮結(jié)構(gòu)情況下被最大地選擇。參考電極120被定位盡可能靠近該探針的遭受廢氣的外表面，以便使被布置在其間的電解質(zhì)盡可能良好地耦合到熱廢氣。該探針可以以泵浦電流來工作，該泵浦電流被選擇得盡可能小，以便造成小的電壓扭曲并且仍然保證CSD能力和分路能力。泵浦電流在0 μ A到10 μ A之間的范圍中，尤其是并且優(yōu)選地在2 μ A至Ij 5 μ A之間的范圍中。泵浦氣體的排出口 132被小得確定尺寸，以便盡可能抑制富氣朝著參考電極120 的推進(jìn)。然而，該排出口 132必須被大得選擇，使得保證與環(huán)境的壓力平衡。在這種情況下， 必須避免具有高流動(dòng)阻力的多孔層。可優(yōu)選具有相對(duì)應(yīng)小的橫截面的敞開的通道。參考通道可以通過具有厚度為20 μ m到30 μ m并且通道寬度在0. 5mm到Imm之間的犧牲層的簡(jiǎn)單的印刷層來實(shí)現(xiàn)(未示出)。純粹在原理上也可能的是，利用并未完全緊密印刷的電極引線作為參考通道(未示出)。此外，可以設(shè)置的是，利用在參考通道的輸入?yún)^(qū)域中的多孔印刷層 133遏制富氣成分進(jìn)一步滲透到參考?xì)怏w通道130中并且同時(shí)調(diào)整流動(dòng)阻力和因此調(diào)整參考區(qū)域中的壓力形成。在下文中，結(jié)合圖2描述了用于操作這樣的用于補(bǔ)償信號(hào)扭曲的λ傳感器的方法，該信號(hào)扭曲由CSD特性得到。
在圖2中示意性地示出了由電阻R1和&構(gòu)成的分壓器，該分壓器通過串聯(lián)電阻Rv 在探針上產(chǎn)生探針電壓Uso為此，電壓U0通過分壓分器被劃分，其中分壓器電壓Ut通過串聯(lián)電阻Rv作為探針電壓Us附在探針上，該探針在圖2中示意性地通過內(nèi)阻&和能斯脫電壓Un形式的電壓源示出。以下所描述的用于操作圖1中所示的傳感器元件、即λ探針的方法也可稱作“混合模型”(探針在空氣參考的情況下或在被泵浦的參考的情況下工作，與溫度引起的探針的內(nèi)阻有關(guān))。在高內(nèi)阻和低溫度的范圍中，探針通常在空氣參考的情況下來工作。如果電阻低于可預(yù)先給定的閾值(該閾值如上面所提及的那樣在1或者1. 5kΩ處)，即如果溫度升高足夠遠(yuǎn)，則泵浦電壓被接通。內(nèi)阻在此可以直接被測(cè)量或者通過電阻模型被確定，其中這里作為輸入量可以考慮內(nèi)燃機(jī)的廢氣溫度、廢氣質(zhì)量流量和其他工作量。這些量例如可以借助其他傳感器或者基于寄存在控制設(shè)備SG中的關(guān)于轉(zhuǎn)速和負(fù)載的特性曲線族的認(rèn)知來進(jìn)行。泵浦電壓的接通通過分壓器例如通過開關(guān)S的打開并且由此關(guān)斷為IkQ的電阻R/來實(shí)現(xiàn)，該電阻R/與電阻&并聯(lián)。與由能斯脫電壓引起的電壓偏差(Spannungshub )相比，通過該措施，由于在溫度提高時(shí)存在的小的內(nèi)阻僅僅出現(xiàn)探針電壓的小的并且尚可容忍的扭曲。用于操作該傳感器元件的方法尤其是鑒于富氣成分從密封包裝蒸發(fā)(所謂的“熱CSD”) 而是有利的。在下文中描述了圖2中所示的電路的確定尺寸例子。針對(duì)大小在IOmV的探針電壓和5 μ A的泵浦電流的可容忍的扭曲，內(nèi)阻在接入的泵浦電流的情況下還允許改變R = U/ Ι=^Ω。本身公知的λ探針在850°〇時(shí)具有1 1=1故0的內(nèi)阻。在冷卻到500°C時(shí)，內(nèi)阻升高了業(yè)Ω，并且在探針材料轉(zhuǎn)入非導(dǎo)電狀態(tài)之前，該內(nèi)阻在350°C時(shí)進(jìn)一步升高直到大約 70k Ω。前面描述的混合模型在此可以在無需從500°C的傳感器元件溫度起通過接通泵浦電壓來補(bǔ)償調(diào)節(jié)點(diǎn)的情況下而被采用。如果在傳感器元件上通過其他措施進(jìn)一步減小傳感器元件的內(nèi)阻，則實(shí)現(xiàn)在很大程度上無扭曲的泵浦的溫度范圍相對(duì)應(yīng)地?cái)U(kuò)寬。分壓器的電阻對(duì)于小于500°C的溫度以比1:10、即例如Ii1=IOkQ和Ii2=IkQ來選擇。在500°C之上的溫度的情況下，針對(duì)&接通例如2. 1ΑΩ的電阻，使得在為5V的供電電壓Utl的情況下得到為1. 78V的分壓器電壓UT。電阻可以任意地被減小，只要保持該比并且電流源不過載。然而，串聯(lián)電阻Rv由于分路強(qiáng)度而沒有被提高。通過在對(duì)應(yīng)于電阻閾值的溫度以上接通泵浦電流，可以減少已存在的CSD并且防止進(jìn)一步形成。前面所描述的方法例如可以被實(shí)施為內(nèi)燃機(jī)的控制設(shè)備中的計(jì)算機(jī)程序并且在那里運(yùn)行。程序代碼可以被存儲(chǔ)在控制設(shè)備SG可讀取的機(jī)器可讀的載體上。
權(quán)利要求
1.一種用于操作用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的λ探針的方法，其特征在于如下步驟-確定內(nèi)阻；-將內(nèi)阻與可預(yù)先給定的電阻閾值進(jìn)行比較；-在低于電阻閾值時(shí)接通泵浦電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測(cè)量?jī)?nèi)阻或者借助模型確定內(nèi)阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，作為電阻的閾值設(shè)置在500Ω到 3500 Ω之間、尤其是UkQ的電阻值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，通過關(guān)斷調(diào)整泵浦電壓的分壓器的電阻α2ρ)進(jìn)行泵浦電壓的接通。
5.一種用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的傳感器元件、尤其是λ探針，其具有至少一個(gè)被印刷的電解質(zhì)層(100，101)，其特征在于，被印刷的電解質(zhì)層(101)由鈧穩(wěn)定氧化鋯構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器元件，其特征在于，為了使傳感器元件的直流內(nèi)阻最小化，在電解質(zhì)(101)上構(gòu)造電極面(110，120)，使得所述電極面(110，120)具有最大可能的表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的傳感器元件，其特征在于，參考電極(120)被定位靠近傳感器元件的遭受廢氣的外表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7之一所述的傳感器元件，其特征在于，該傳感器元件能夠通過具有可改變的分壓器電阻(Rl、&、R/)的分壓器被操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8之一所述的傳感器元件，其特征在于，該傳感器元件被加載有泵浦電流，該泵浦電流在0 μ A至IJ 10 μ A之間，優(yōu)選地在2 μ A至IJ 5 μ A之間。
10.一種計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行在內(nèi)燃機(jī)的計(jì)算設(shè)備、尤其是控制設(shè)備上時(shí)，所述計(jì)算機(jī)程序?qū)嵤└鶕?jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法的所有步驟。
11.一種具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，所述程序代碼被存儲(chǔ)在機(jī)器可讀的載體上， 用于當(dāng)程序被實(shí)施在車輛的計(jì)算機(jī)或者控制設(shè)備上時(shí)執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的方法。
全文摘要
一種用于操作用于確定內(nèi)燃機(jī)的廢氣中的氣體成分的濃度的λ探針的方法的特征在于如下步驟確定內(nèi)阻；將內(nèi)阻與可預(yù)先給定的電阻閾值進(jìn)行比較；在低于電阻閾值時(shí)接通泵浦電壓。
文檔編號(hào)F02D41/14GK102362176SQ201080013359
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2010年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者施奈德 J., 迪爾 L., 克魯澤 P. 申請(qǐng)人:羅伯特·博世有限公司