專利名稱：提高氣體傳感器精度的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)氣體傳感器及操作電化學(xué)氣體傳感器的方法。
背景技術(shù)：
氣體濃度傳感器可用于監(jiān)視各種環(huán)境中的組分濃度。例如，NO,傳感器可用于檢 測(cè)汽車或卡車尾管排氣中的氮氧化物排放物(統(tǒng)稱為"N0X")的濃度。NO,傳感器通 常通過(guò)電化學(xué)離解NO,并測(cè)量氧離子通過(guò)固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電所產(chǎn)生的電流這樣的方式搡 作。
隨著排放標(biāo)準(zhǔn)變得更加嚴(yán)格，為了提供用于控制涉及排放控制的過(guò)程和參數(shù)的精 確反饋，傳感器精度變得越來(lái)越重要。然而，隨著傳感器老化，會(huì)在傳感器結(jié)構(gòu)中產(chǎn) 生造成傳感器阻抗改變的缺陷。這些缺陷會(huì)使傳感器的精度隨著時(shí)間推移而下降。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人在此認(rèn)識(shí)到，當(dāng)以在測(cè)量電極對(duì)上施加電壓脈沖并在電壓脈沖期間在通過(guò) 測(cè)量電極對(duì)的電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前檢測(cè)該電流的方式操作時(shí)，老化的電化學(xué)氣體 傳感器，如NO,傳感器可以提供更加精確的輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓脈沖具有小 于約0. 1亳秒至IO秒的寬度。在另一個(gè)實(shí)施例中，在電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前檢測(cè) 該電流包括在施加電壓脈沖之后約0至5秒之間檢測(cè)該電流。在又一個(gè)實(shí)施例中，電 壓脈沖具有約0. 1至1.2伏特之間的幅度。
這樣的傳感器操作方法允許所獲得的測(cè)量值受傳感器老化引起的阻抗影響較少。 這樣的方法還可以允許在一定時(shí)間間隔中做出多次測(cè)量從而有助于確認(rèn)測(cè)量值。另 外，這樣的方法可以提供較大的信號(hào)及較好的信噪比以得到增加的敏感性，從而有脅 于較低信號(hào)的測(cè)量。


圖l是內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的示例實(shí)施例的示意表示。 圖2是NO,傳感器的第一示例實(shí)施例的示意表示。 圖3是NO,傳感器的第二示例實(shí)施例的示意表示。
圖4是示出示例N0x傳感器中02和不同濃度的NO,的抽運(yùn)電流和抽運(yùn)電壓之間的 示例關(guān)系的圖表。
圖5是示出作為測(cè)量時(shí)間和抽運(yùn)電極電壓的函數(shù)的示例N0x傳感器輸出的圖表。
圖6是示出作為NO濃度和測(cè)量時(shí)間的函數(shù)的示例NO,傳感器輸出的圖表。 圖7是示出確定氣體傳感器輸出的方法的實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供可以減少由如傳感器老化和制造偏差這樣的因素造成的測(cè)量誤差的 操作氣體傳感器的方法的各種實(shí)施例。NOx傳感器通常以穩(wěn)態(tài)模式操作，其中傳感器 基于從離解的NOx分子中電化學(xué)抽運(yùn)(electrochemical pumping)氧氣而產(chǎn)生的離子 電流提供連續(xù)的輸出。然而，該電流會(huì)由于如傳感器老化這樣的因素隨著時(shí)間推移改 變和/或在相同設(shè)計(jì)的不同傳感器之間改變。例如，不希望受理論的東縛，在NO,傳感 器老化時(shí)，檢測(cè)器電解質(zhì)和/或電解質(zhì)-電極界面的阻抗會(huì)由于電解質(zhì)中和/或界面處 的結(jié)構(gòu)改變產(chǎn)生的極化效應(yīng)而隨著時(shí)間推移改變。
通過(guò)基于在傳感器測(cè)量電極上施加電壓之后但在檢測(cè)到的電流衰減至穩(wěn)態(tài)值之 前檢測(cè)到的電流以確定組分濃度，本文中公開(kāi)的實(shí)施例有助于克服穩(wěn)態(tài)傳感器操作碰 到的此類問(wèn)題。不希望受理論的東縛，NO,傳感器的穩(wěn)態(tài)測(cè)量電流取決于由傳感器內(nèi) 的極化效應(yīng)產(chǎn)生的阻抗，而瞬時(shí)電流受這樣的效應(yīng)影響較少。本文中公開(kāi)的方法可以 用在任何適合的傳感器和/或應(yīng)用中，包括但不限于監(jiān)視汽車排氣中的組分，如N0x。 這些方法將在下文中更詳細(xì)地說(shuō)明。
圖1示出包括多個(gè)燃燒室(其中之一在30處示出)并由電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制器12控 制的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)10的示例實(shí)施例。發(fā)動(dòng)機(jī)10的燃燒室30包括燃燒室壁32，活塞36 位于其中并連接到曲軸40。燃燒室30如圖所示經(jīng)由相應(yīng)的進(jìn)氣門52和排氣門54與 進(jìn)氣歧管44和排氣歧管48連通。燃料噴射器65如圖所示直接連接到燃燒室30,以 與從控制器12接收的信號(hào)的脈沖寬度(FPW)成比例地將液體燃料直接供給到其中。 然而，在某些實(shí)施例中，燃料噴射器可以位于進(jìn)氣歧管44中，從而提供進(jìn)氣道噴射。
可以用由控制器12控制的節(jié)氣門125調(diào)節(jié)通過(guò)進(jìn)氣歧管44的空氣進(jìn)氣流量?？?以響應(yīng)于來(lái)自控制器12的點(diǎn)火信號(hào)經(jīng)由火花塞92向燃燒室30提供點(diǎn)火火花。或者， 對(duì)壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)可以省去火花塞92。此外，控制器12可以在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間激活 燃料噴射器65,以便在由點(diǎn)火系統(tǒng)88向火花塞92供給點(diǎn)火電力時(shí)形成期望的空燃 混合氣?？刂破?2控制燃料噴射器65供給的燃料量，以選擇燃燒室30中的空燃混 合氣的空燃比基本上處于(或接近)化學(xué)計(jì)量、比化學(xué)計(jì)量濃的值，或比化學(xué)計(jì)量稀 的值。
進(jìn)氣門52可以由控制器12通過(guò)電動(dòng)氣門執(zhí)行器(EVA) 51控制。類似地，排氣 門54可以由控制器12通過(guò)EVA53控制。在某些工況期間，控制器U可以改變向執(zhí) 行器51和53提供的信號(hào)，以控制相應(yīng)的進(jìn)氣門和排氣門的開(kāi)啟和關(guān)閉。進(jìn)氣門52 和排氣門54的位置分別可以由氣門位置傳感器55和57確定。在可選實(shí)施例中，進(jìn) 氣門和排氣門中的一個(gè)或多個(gè)可以由一個(gè)或多個(gè)凸輪驅(qū)動(dòng)，并可以使用凸輪廓線變換
(CPS)、可變凸輪正時(shí)(VCT)、可變氣門正時(shí)(VVT)和/或可變氣門升程(VVL) 系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)改變氣門操作。例如，氣缸30可以替換地包括通過(guò)電動(dòng)氣門 驅(qū)動(dòng)控制的進(jìn)氣門及通過(guò)包括CPS和/或VCT的凸輪驅(qū)動(dòng)控制的排氣門。
控制器12如圖l所示為常規(guī)微計(jì)算機(jī)，其中包括微處理器單元(CPU) 102、輸 入/輸出端口 (I/O) 104、存儲(chǔ)有可執(zhí)行程序和校準(zhǔn)值的電子存儲(chǔ)媒體，及常規(guī)數(shù)據(jù) 總線，電子存儲(chǔ)媒體在該具體示例中如圖所示為只讀存儲(chǔ)器芯片(ROM) 106、隨機(jī)存 取存儲(chǔ)器(RAM) 108、?；畲鎯?chǔ)器(KAM) 110。
控制器12如圖所示接收來(lái)自連接到發(fā)動(dòng)機(jī)10的傳感器的各種信號(hào)，包括來(lái)自 質(zhì)量空氣流量傳感器117的吸入質(zhì)量空氣流量(MAF)的測(cè)量值；來(lái)自踏板位置傳感 器119的加速器踏板位置；來(lái)自連接到冷卻套管114的溫度傳感器112的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻 劑溫度(ECT);來(lái)自連接到曲軸40的霍爾效應(yīng)傳感器118的指示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM) 的齒面點(diǎn)火傳感器信號(hào)(PIP);及來(lái)自傳感器122的絕對(duì)歧管壓力信號(hào)(MAP)。發(fā) 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)RPM由控制器12以常規(guī)方式通過(guò)信號(hào)PIP生成，而歧管壓力信號(hào)MAP 提供對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的指示。
排氣再循環(huán)(EGR)管130如圖所示與排氣歧管48和進(jìn)氣歧管44連通。向進(jìn)氣 歧管供給的EGR的量可以由與控制器12通信的EGR閥134調(diào)節(jié)。此外，控制器12可 以接收來(lái)自EGR傳感器132的信號(hào)，EGR傳感器132可以配置為測(cè)量EGR管內(nèi)的排氣 的溫度或壓力。
排氣氧傳感器76如圖所示連接到排氣后處理系統(tǒng)70上游的排氣歧管48。排氣 氧傳感器76可以配置為向控制器12提供指示排氣空燃比是比化學(xué)計(jì)量稀還是比化學(xué) 計(jì)量濃的信號(hào)。排氣后處理系統(tǒng)70可以包括催化轉(zhuǎn)化器、稀NO,捕集器，和/或任何 其他適合的處理裝置。排氣后處理傳感器77可以配置為向控制器12提供指示排氣后 處理系統(tǒng)70的工況的信號(hào)，其中可以包括溫度、壓力等的測(cè)量值。
NO,傳感器98如圖所示連接到排氣后處理系統(tǒng)70下游的排氣歧管48。N0,傳感器 98如下文詳述可以配置為響應(yīng)于檢測(cè)到的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的N(K濃度，向控制器12輸 出信號(hào)。N(X傳感器98還可以配置為接收來(lái)自控制器12的信號(hào)，如用于控制傳感器 溫度、向傳感器中的電極施加的電壓等的控制信號(hào)。在可選實(shí)施例中，傳感器98可 以配置為測(cè)量NOx之外的其他組分的濃度，這樣的組分包括但不限于02、 CO、 H20、 S0X 及其他含氧氣體。
NO,傳感器98可用于后處理系統(tǒng)和/或車載診斷系統(tǒng)(OBD)兩者的控制，以確保 汽車不超出NO,排放標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)專利5,288375號(hào)中公開(kāi)了 NO,傳感器的一種示例。存 在NOx傳感器的多種變體。圖2示出配置為測(cè)量排氣流中的NOx氣體濃度的NO,傳感器 的示例實(shí)施例的示意圖。本文中使用的術(shù)語(yǔ)NOx指氮和氧的任何組合，包括但不限于 NO和N02。傳感器200包括由一種或多種陶瓷材料制成并以堆疊配置排列的多個(gè)層。 這些陶瓷材料層如圖所示為層201、 202、 203、 204、 205和206。層201 - 206可以
由任何適合的材料制成，包括但不限于氧離子導(dǎo)體，如基于氧化鋯的材料。此外，在 某些實(shí)施例中，加熱器232可以位于各層之間(或與各層熱連通)以增加各層的離子 導(dǎo)電性。雖然所示的NO,傳感器由六個(gè)陶瓷層組成，但應(yīng)理解，N0x傳感器可以包括任 何其他適合數(shù)量的陶瓷層。
層202包括產(chǎn)生第一擴(kuò)散路徑210的一種或多種材料。第一擴(kuò)散路徑210配置為 通過(guò)擴(kuò)散將排氣引入第一內(nèi)腔212。第一對(duì)抽運(yùn)電極214和216與內(nèi)腔212連通，并 配置為通過(guò)層201將選擇的排氣組分從內(nèi)腔212中電化學(xué)抽運(yùn)出傳感器200?？偟膩?lái) 說(shuō)，從內(nèi)腔212中抽運(yùn)出傳感器200的組分可以是干擾期望分析物的測(cè)量的組分。在 N(K傳感器中，分子氧可能會(huì)干擾測(cè)量電極處的NO,測(cè)量，因?yàn)榭梢栽诒萅Ox低的電勢(shì) 下離解和抽運(yùn)氧氣。因此，在氧氣和NO,兩者都出現(xiàn)在配置i測(cè)量NO,濃度的電極處 時(shí)，所產(chǎn)生的輸出信號(hào)會(huì)包括來(lái)自仰,和02兩者的離解產(chǎn)生的離子電流的貢獻(xiàn)。從傳 感器200內(nèi)的分析排氣樣本中去除氧氣可以允許NO,濃度的測(cè)量基本上不受氧氣的干 擾。
第一擴(kuò)散路徑210可以配置為允許排氣中的一種或多種組分，包括但不限于氧氣 和NO,氣體，以比干擾組分低的速率擴(kuò)散到內(nèi)腔212中，而干擾組分可以由第一對(duì)抽 運(yùn)電極214和216電化學(xué)抽運(yùn)出內(nèi)腔212。抽運(yùn)電極214和216在本文中稱為第一抽 運(yùn)電極配置。以此方式，可以從第一內(nèi)腔212中去除氧氣，以減少氧氣造成的干擾效 應(yīng)。
將氧氣電化學(xué)抽運(yùn)出第一內(nèi)腔212的過(guò)程包括在第一對(duì)抽運(yùn)電極214、 216上施 加足以離解分子氧但不足以離解NO,的電勢(shì)VIP。。選擇具有適當(dāng)?shù)偷难鯏U(kuò)散速率的材 料用于第一擴(kuò)散路徑210,從而使第一對(duì)抽運(yùn)電極214、 216之間的離子電流IpO由 氣體擴(kuò)散到內(nèi)腔中的速率限制，該速率與排氣中的氧氣濃度成正比，而不是由第一對(duì) 抽運(yùn)電極214、 216的抽運(yùn)速率限制。這可以允許基本上將所有氧氣抽運(yùn)出第一內(nèi)腔 212,而將NOx氣體留在第一內(nèi)腔212中。
傳感器200還包括通過(guò)第二擴(kuò)散路徑218與第一內(nèi)腔分離的第二內(nèi)腔220。第二 擴(kuò)散路徑218配置為允許排氣從第一內(nèi)腔212擴(kuò)散到第二內(nèi)腔220中。第二抽運(yùn)電極 222可選地可與第二內(nèi)腔220連通。將第二抽運(yùn)電極222以及電極216設(shè)置在適當(dāng)?shù)?電勢(shì)V^以從第二內(nèi)腔220中去除額外的殘留氧氣。第二抽運(yùn)電極222和電極216在 本文中稱為第二抽運(yùn)電極配置?；蛘撸诙檫\(yùn)電極222可以配置為在第二內(nèi)腔220 中保持基本上恒定的氧氣濃度。在某些實(shí)施例中，V0可以近似等于V1，而在其他實(shí) 施例中VO和VI可以不同。雖然所示實(shí)施例使用電極216從第一內(nèi)腔212和第二內(nèi)腔 220中抽運(yùn)氧氣，但應(yīng)理解，可以結(jié)合電極222使用獨(dú)立的電極(未示出)以形成從 第二內(nèi)腔220中抽運(yùn)氧氣的可選抽運(yùn)電極配置。
傳感器200還包括測(cè)量電極226及參比電極228。測(cè)量電極226和參比電極228 在本文中稱為測(cè)量電極配置。參比電極228至少部分位于參比空氣導(dǎo)管230內(nèi)或暴露 在該導(dǎo)管中。相對(duì)于參比電極，可以將測(cè)量電極226設(shè)置在足夠的電勢(shì)下，以將NO, 抽運(yùn)出第二內(nèi)腔220。傳感器輸出可以基于流過(guò)測(cè)量電極226和抽運(yùn)電極228的抽運(yùn) 電流，該電流與第二內(nèi)腔220中的N0,濃度成比例。
圖3示出上文中參考圖2所述的N0,傳感器200的可選實(shí)施例。圖3的傳感器300 如圖所示具有類似于圖2的組件，然而只使用一對(duì)抽運(yùn)電極314、 316來(lái)去除干擾組 分(即，不包括抽運(yùn)電極222 )。因?yàn)榕c傳感器200中的兩對(duì)抽運(yùn)電極相比，傳感器 300如圖所示僅具有一對(duì)抽運(yùn)電極，所以到達(dá)測(cè)量電極326、 328的氧氣濃度不同于 到達(dá)傳感器200中的測(cè)量電極226、 228的氧氣濃度。此外，在某些實(shí)施例中，N0X 傳感器可以只包括一個(gè)擴(kuò)散路徑和一個(gè)內(nèi)腔，從而將抽運(yùn)電極和測(cè)量電極放置在同一 內(nèi)腔中。
應(yīng)理解，上文中參考圖2和圖3所述的傳感器的示例實(shí)施例并不具有限制性意義， 且可以使用具有任何其他配置和/或材料的任何其他適合的傳感器。此外，本文中公 開(kāi)的方法也可以應(yīng)用于與用于檢測(cè)N0,的傳感器不同的傳感器，包括但不限于C0、C02、 SOx和&0傳感器。
圖4示出表示示例NO,傳感器中02和不同濃度的NO,的抽運(yùn)電流和抽運(yùn)電壓之間 的關(guān)系的圖表。02和NO,中的每個(gè)的電化學(xué)離解如圖所示均開(kāi)始于抽運(yùn)電流快速增加。 從該圖可以看出，與NO,相比，02在較低的抽運(yùn)電勢(shì)下離解。因此，02抽運(yùn)電勢(shì)V0和 VI的范圍可以是從02抽運(yùn)電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)處的電壓至足以使N0,離解的電壓。類似地， 電極226和228上適合的NOx抽運(yùn)電勢(shì)可以包括足以抽運(yùn)NO,但不足以抽運(yùn)具有較高 離解電勢(shì)的其他可能的干擾組分，如水的電壓。
需要具有良好的敏感性和精度的傳感器用來(lái)檢測(cè)低濃度N0X,以便符合排放標(biāo)準(zhǔn) 并最優(yōu)化排放控制。然而，如上所述，如傳感器與傳感器之間的差別和傳感器老化這 樣的因素在某些傳感器中會(huì)造成不精確的NO,測(cè)量。特別是，這些因素會(huì)導(dǎo)致傳感器 內(nèi)的情況發(fā)展，該情況發(fā)展使在電解質(zhì)內(nèi)及電極-電解質(zhì)界面處產(chǎn)生極化改變。這樣 的極化改變隨著時(shí)間推移會(huì)造成傳感器的電化學(xué)特性改變。例如，對(duì)給定的氣體成分， 老化的傳感器的NO,抽運(yùn)電流會(huì)隨著時(shí)間推移顯示出衰減。NO,濃度輸出信號(hào)會(huì)受到這 樣的改變影響，以至于老化的傳感器的精度低于較新的傳感器。另外，在非常低的 NO,濃度下，測(cè)量到的電流較小。在這些情況下，較低的信噪比會(huì)造成較低的精度。 圖5-圖6的示例圖表示出這樣的NOx抽運(yùn)電流衰減及其對(duì)NO,濃度輸出信號(hào)產(chǎn)生的影響。
首先參考圖5,圖表500示出NO,抽運(yùn)電流衰減作為測(cè)量時(shí)間的函數(shù)而改變的示 例。圖5還示出增加的VO對(duì)第二內(nèi)腔中的氧氣濃度的影響。圖表500中示出的數(shù)據(jù) 是通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)條件得到的(相對(duì)于圖2中示出的NOx傳感器)VI (第二氧氣抽 運(yùn)電極)設(shè)置為385 mV，而VO (第一氧氣抽運(yùn)電極)在變化。對(duì)每個(gè)VO, V2 ( N0X 測(cè)量電極)施加4Q0 mV的脈沖，并測(cè)量所得到的Ip2 (NO,抽運(yùn)電流)。測(cè)試氣體混
合物為1%的02、 4°/ 的C02、 100 ppm的NO,而平衡氣體為N2。在施加400 mV的電壓 脈沖之后的Tl-2. 2秒，T2=3. 4秒及T3-300秒(對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)值)處做出測(cè)量。
從圖表500示出的結(jié)果可以看出，對(duì)每個(gè)測(cè)量到的VO,測(cè)量到的NOx抽運(yùn)電流在 初始施加抽運(yùn)電壓之后隨著時(shí)間推移下降。此外，氧氣抽運(yùn)電極在較高的VO處比較 低的VO處可以去除較多氧氣，從而使信號(hào)幅度隨著增加的VO下降，并因此有較少的 殘留氧氣到達(dá)測(cè)量電極。為了具體說(shuō)明抽運(yùn)電流衰減，總體上在510處示出在單個(gè) VO值處進(jìn)行的三次示例NO,抽運(yùn)電流測(cè)量。在數(shù)據(jù)集510中，數(shù)據(jù)點(diǎn)512表示2. 2秒 處的NO,抽運(yùn)電流，數(shù)據(jù)點(diǎn)514表示3.4秒處的NO,抽運(yùn)電流，而數(shù)據(jù)點(diǎn)516表示300 秒之后穩(wěn)態(tài)下的NOx抽運(yùn)電流。從這些數(shù)據(jù)可以看出，從約O. 45 mA到約O. 15 mA的 NO,抽運(yùn)電流顯著下降發(fā)生在初始施加抽運(yùn)電壓與達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出水平之間。
該衰減進(jìn)一步在圖6中示出，該圖示出各種NO濃度下作為時(shí)間的函數(shù)的NO'抽運(yùn) 電流衰減。圖表600中示出的數(shù)據(jù)是通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)條件獲得的(相對(duì)于圖2中示出 的NO,傳感器)VI (第二氧氣抽運(yùn)電極)設(shè)置為385 mV,而IP1設(shè)置為7微安。氣 體混合物成分除了不同量的NO外，還包括1°/ 的02、 4%的C02和平衡氣體N2。在Tl-3 秒，T2-5秒及對(duì)應(yīng)于穩(wěn)態(tài)的T3-300秒處做出測(cè)量。
從圖6中示出的結(jié)果可以看出，對(duì)每個(gè)測(cè)量到的NO濃度、測(cè)量得到的NO,抽運(yùn)電 流在初始施加抽運(yùn)電壓之后隨著時(shí)間推移下降。數(shù)據(jù)集610示出單種氣體混合物成分 下進(jìn)行的三次示例NOx抽運(yùn)電流測(cè)量。在該數(shù)據(jù)集中，數(shù)據(jù)點(diǎn)612表示3秒處的NOx 抽運(yùn)電流，數(shù)據(jù)點(diǎn)614表示5秒處的NO,抽運(yùn)電流，而數(shù)據(jù)點(diǎn)616表示穩(wěn)態(tài)下的NO, 抽運(yùn)電流。從這些數(shù)據(jù)可以看出，從約0.2 mA到約O. 1 mA的NO,抽運(yùn)電流顯著下降 發(fā)生在初始施加抽運(yùn)電壓與達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出水平之間。
不希望受理論的束縛，圖5和圖6所示的衰減會(huì)受到與電解質(zhì)中及電極-電解質(zhì) 界面處的極化效應(yīng)相關(guān)的阻抗影響，該效應(yīng)在施加測(cè)量電極電壓脈沖V2時(shí)初始較低， 而作為時(shí)間的函數(shù)增加。具有老化的電解質(zhì)和電極的老化的傳感器會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的 極化，從而具有較大的阻抗。這些涉及老化的效應(yīng)會(huì)減小測(cè)量到的電流，從而產(chǎn)生相 對(duì)較低的N0x濃度值輸出。瞬態(tài)信號(hào)受老化效應(yīng)的影響相對(duì)較少。因此，作為所示衰 減的結(jié)果，與使用即時(shí)電流響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量相比，延長(zhǎng)電流的檢測(cè)或使用電流的穩(wěn)態(tài)測(cè) 量會(huì)造成測(cè)量值IP2較低且較不精確。此外，即時(shí)電流響應(yīng)可以包括來(lái)自傳感器中的 極化效應(yīng)的較少貢獻(xiàn)。另外，在不同時(shí)間執(zhí)行的測(cè)量可以提供可用在自檢驗(yàn)中或用于 確定測(cè)量到的數(shù)據(jù)的平均值以確定NO,濃度的N0,濃度水平信息。
為了減少涉及老化的阻抗對(duì)傳感器性能的影響，可以在向NO,測(cè)量電極施加電壓 脈沖之后即時(shí)或短時(shí)間后測(cè)量N(X抽運(yùn)電流IP2,而不是在穩(wěn)態(tài)處測(cè)量。圖7總體上 在700處示出一種通過(guò)NO,傳感器測(cè)量NO,的濃度的方法的示例實(shí)施例的流程圖。雖 然在NO,傳感器的上下文中描述，但應(yīng)理解，方法700可用于任何其他適合類型的氣 體傳感器。應(yīng)理解，可以按任何適合的方式控制方法700,包括但不限于通過(guò)存儲(chǔ)在
控制器12上并由控制器12執(zhí)行的可執(zhí)行指令控制。
方法700包括在步驟710從傳感器中去除會(huì)干擾分析物的測(cè)量的任何組分，在步 驟720在測(cè)量電極配置中施加電壓以離解N0X,然后在步驟730,在通過(guò)測(cè)量電極的 電流衰減至穩(wěn)態(tài)值之前，基于通過(guò)測(cè)量電極配置的電流檢測(cè)輸出信號(hào)。
首先參考步驟710,其中傳感器是NO,傳感器，由抽運(yùn)電極去除的干擾組分可以 是02。將氧氣電化學(xué)抽運(yùn)出第一內(nèi)腔212的過(guò)程可以包括在第一對(duì)抽運(yùn)電極214、 216 上施加足以離解分子氧但不足以離解NO,的電勢(shì)VO。
在某些實(shí)施例中，NOx傳感器可以包括一個(gè)以上用于去除干擾組分的抽運(yùn)電極。 在這些實(shí)施例中，附加的抽運(yùn)電極可以類似地設(shè)置在適當(dāng)?shù)碾妱?shì)VI,以去除任何未 由第一對(duì)抽運(yùn)電極去除的殘留氧氣，但不離解和抽運(yùn)任何NO,氣體。在某些實(shí)施例中， 每對(duì)抽運(yùn)電極的電勢(shì)可以處于相同或類似的水平。在其他實(shí)施例中，隨著來(lái)自分析樣 本的氧氣耗盡，電勢(shì)可以在傳感器的不同部分中在幅度上增加。因此，對(duì)位于第一抽 運(yùn)電極配置和測(cè)量電極配置之間的附加抽運(yùn)電極配置施加的電勢(shì)可以在幅度上相應(yīng) 地增加。因此，可以在基本上沒(méi)有會(huì)干擾NOx濃度的精確測(cè)量的氧氣的情況下將分析 樣本引入測(cè)量電極配置。
接下來(lái)參考步驟720,可以向測(cè)量電極施加任何適合的脈沖以離解分析物。在N0X 傳感器的上下文中，電極226和228上適合的NO,抽運(yùn)電勢(shì)可以包括足以抽運(yùn)NOx而 不離解并抽運(yùn)出現(xiàn)在分析樣本中的可能的干擾組分的電壓。這樣的電勢(shì)可以包括其中 NO,開(kāi)始離解的約O. 7 V的電勢(shì)，及可以離解和電化學(xué)抽運(yùn)如水這樣的可能的干擾組 分的電勢(shì)之間的電勢(shì)，其中水在約1.2 V時(shí)開(kāi)始離解。
向測(cè)量電極施加的脈沖還可以具有任何適合的寬度、頻率及廓線。例如，該脈沖 可以具有等于或大于通過(guò)測(cè)量電極進(jìn)行的電流測(cè)量的持續(xù)時(shí)間的寬度。使用持續(xù)時(shí)間 較短的脈沖可以得到更加頻繁的測(cè)量。然而，在除去測(cè)量電極上的電勢(shì)時(shí)，依賴于時(shí) 間的阻抗效應(yīng)恢復(fù)至其初始值需要一定量的時(shí)間。因此，可以基于經(jīng)確定足以允許精 確的NOx濃度測(cè)量的測(cè)量時(shí)間和頻率來(lái)選擇脈沖寬度和頻率。在又一個(gè)實(shí)施例中，可
以為了進(jìn)行一次測(cè)量施加多個(gè)脈沖，而不是單個(gè)脈沖。
接下來(lái)參考步驟730,可以按任何適合的方式檢測(cè)和處理輸出信號(hào)。例如，在某 些實(shí)施例中，輸出可以對(duì)應(yīng)于單次電流測(cè)量。在這些實(shí)施例中，單次電流測(cè)量可以具 有任何適合的持續(xù)時(shí)間并在任何適合的時(shí)間間隔上進(jìn)行。如上所述，延遲電流的檢測(cè) 或使用電流的穩(wěn)態(tài)測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較低的測(cè)量到的電流的值。因此，該單次電流測(cè)量可以 在向測(cè)量電極施加脈沖之后即時(shí)或短時(shí)間后進(jìn)行，而不是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行。
在某些工況下，各種電子干擾，如電壓尖峰會(huì)影響NO,測(cè)量。因此，在可選實(shí)施 例中，輸出信號(hào)可以基于多次電流測(cè)量的統(tǒng)計(jì)值，這可以包括平均值、中位數(shù)，或用 統(tǒng)計(jì)方法確定的其他值。
類似地，每次電流測(cè)量的持續(xù)時(shí)間可以具有任何適合的值。在一個(gè)實(shí)施例中，可
以在施加脈沖之后預(yù)定的持續(xù)時(shí)間、預(yù)定數(shù)量的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)等中測(cè)量N0,抽運(yùn)電流。 適合的持續(xù)時(shí)間的示例包括但不限于，少于或近似0. 1亳秒-IO秒的持續(xù)時(shí)間?；?者，電流測(cè)量的持續(xù)時(shí)間可以定義為施加信號(hào)的開(kāi)始與測(cè)量到的電流衰減至預(yù)定百分 比或低于初始測(cè)量到的電流的值的時(shí)間點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。因?yàn)閬?lái)自極化效應(yīng)的阻抗 貢獻(xiàn)會(huì)隨著時(shí)間增加，可以在足夠短的持續(xù)時(shí)間中測(cè)量電流，從而這樣的阻抗貢獻(xiàn)基 本上并不對(duì)測(cè)量到的電流產(chǎn)生貢獻(xiàn)。應(yīng)理解，上文中給出的值只是示意性的，且可以 使用任何其他適合的衰減時(shí)間或測(cè)量來(lái)確定電流測(cè)量的持續(xù)時(shí)間。
應(yīng)理解，所述的處理順序并非實(shí)現(xiàn)本文所述的示例實(shí)施例的特征和優(yōu)點(diǎn)所必須， 而是為了便于演示和說(shuō)明而提供。取決于所使用的具體策略，可以重復(fù)執(zhí)行所示步驟 和功能中的一個(gè)或多個(gè)。此外，所述步驟可以在圖形上表示編程到例如發(fā)動(dòng)機(jī)控制系 統(tǒng)中用于傳感器的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)媒體中的代碼。
此外，應(yīng)理解，本文中公開(kāi)的氣體傳感器和操作氣體傳感器的方法的各種實(shí)施例 本質(zhì)上是示例性的，且這些具體實(shí)施例不應(yīng)被視為具有限制性意義，因?yàn)榇罅康淖凅w 是可能的。本發(fā)明的主題包括在本文中公開(kāi)的各種傳感器、操作傳感器的方法，及其 他特征、功能，和/或?qū)傩缘乃行路f和非顯而易見(jiàn)的組合及子組合。本發(fā)明的權(quán)利 要求特別指出視為新穎和非顯而易見(jiàn)的特定組合及子組合。這些權(quán)利要求可能引用
"一個(gè)"元素或"第一"元素或其等價(jià)。這樣的權(quán)利要求應(yīng)被理解為包括對(duì)一個(gè)或一 個(gè)以上這樣的元素的結(jié)合，而不是要求或排除兩個(gè)或兩個(gè)以上這樣的元素。本文中公 開(kāi)的特征、功能、元素和/或?qū)傩缘钠渌M合及子組合可以通過(guò)本發(fā)明權(quán)利要求的修 改或通過(guò)在本申請(qǐng)或相關(guān)申請(qǐng)中提供新的權(quán)利要求來(lái)請(qǐng)求保護(hù)。這樣的權(quán)利要求，無(wú) 論是在范圍上比原始權(quán)利要求更寬、更窄、等價(jià)或不同，都應(yīng)被視為包括在本發(fā)明的 主題之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.在包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車中，一種操作電化學(xué)氣體傳感器的方法，其特征在于，包括在測(cè)量電極對(duì)上施加電壓脈沖；及在所述電壓脈沖期間在通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前檢測(cè)所述電流。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述電壓脈沖具有小于約0. 1亳粆至io秒的寬度。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在所述電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前檢 測(cè)所述電流包括在施加所述電壓脈沖之后約0至5秒之間檢測(cè)所述電流。
4. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括向抽運(yùn)電極對(duì)施加連續(xù)的電 壓以至少部分地從所述傳感器中去除干擾組分。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述傳感器是NO,傳感器。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括響應(yīng)于檢測(cè)通過(guò)所述測(cè)量電 極對(duì)的所述電流，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工況。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述電壓脈沖具有約0. 1至1.2伏 特之間的幅度。
8. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括在再次檢測(cè)通過(guò)所述測(cè)量電 極對(duì)的所述電流之前，在所述測(cè)量電極對(duì)上施加另一個(gè)電壓脈沖。
9. 在包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車中， 一種操作電化學(xué)氣體傳感器的方法，其特征在 于，包括在第一電極對(duì)上施加連續(xù)的電壓，所述連續(xù)的電壓足以從所述傳感器中電化學(xué)抽 運(yùn)千擾組分，但不足以從所述傳感器中抽運(yùn)分析物； 在測(cè)量電極對(duì)上施加電壓脈沖；及測(cè)量在至少一個(gè)電壓脈沖期間通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的電流。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述電壓脈沖具有小于約0. 1亳秒至io秒的寬度。
11. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，測(cè)量通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的所述電 流包括在所述電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前測(cè)量所述電流。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，在施加所述電壓脈沖之后約0至 5秒之間測(cè)量所述電流。
13. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述傳感器是N0,傳感器。
14. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括響應(yīng)于檢測(cè)通過(guò)所述測(cè)量電 極對(duì)的所述電流，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工況。
15. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述電壓脈沖具有約0. 1至1.2伏 特之間的幅度。
16. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括在再次檢測(cè)通過(guò)所述測(cè)量電 極對(duì)的所述電流之前，在所述測(cè)量電極對(duì)上施加另一個(gè)電壓脈沖。
17. —種裝置，其特征在于，包括 內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)；排放系統(tǒng)；位置適合于檢測(cè)所述排放系統(tǒng)中的氣體組分濃度的電化學(xué)氣體傳感器；及配置為控制所述電化學(xué)氣體傳感器的搡作的控制器，所述控制器包括存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并可由所述控制器執(zhí)行的指令，所述指令用于在第一電極對(duì)上施加連續(xù)的電壓，所述連續(xù)的電壓足以從所述傳感器中電化學(xué)抽 運(yùn)干擾組分，但不足以從所述傳感器中抽運(yùn)分析物；在測(cè)量電極對(duì)上施加電壓脈沖；及測(cè)量在至少一個(gè)電壓脈沖期間通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的電流。
18. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述電壓脈沖具有小于約0. 1亳秒至io秒的寬度。
19. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述控制器配置為測(cè)量通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的所述電流，所述測(cè)量包括在所述電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前測(cè)量所述電 流。
20. 如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于，在施加所述電壓脈沖之后約0至 5秒之間測(cè)量所述電流。
21. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述傳感器是N0x傳感器。
22. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述控制器還包括可由所述控制 器執(zhí)行的指令，所述指令用于響應(yīng)于檢測(cè)通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的電流，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)工 況。
23. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述電壓脈沖具有約0. 1至1.2 伏特之間的幅度。
24. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，所述控制器還包括可由所述控制 器執(zhí)行的指令，所述指令用于在再次測(cè)量通過(guò)所述測(cè)量電極對(duì)的所述電流之前，在所 述測(cè)量電極對(duì)上施加另一個(gè)電壓脈沖。
全文摘要
公開(kāi)一種操作電化學(xué)氣體傳感器的方法，該方法包括在測(cè)量電極對(duì)上施加電壓脈沖，并在電壓脈沖期間通過(guò)測(cè)量電極對(duì)的電流衰減至穩(wěn)態(tài)水平之前檢測(cè)該電流。
文檔編號(hào)G01N27/407GK101187647SQ20071019452
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月20日
發(fā)明者毅 丁, 戴維·庫(kù)賓斯基, 理查德·索爾蒂斯 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司