专利名称：用于运行传感器的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于运行传感器尤其是用于运行由陶瓷材料制成的传感器的方法。
背景技术：
以多样化的方式使用用于确定物理特征的传感器或者说探测器。例如可以在内燃 机的排气管路中设置温度、碳烟以及气体传感器，所述传感器结合催化器以及调节装置实 现了废气的有效净化。
尤其借助于所谓的氧传感器调节废气中具有λ = 1的化学计算的空气燃料比。在 此，λ =1表示14. 7kg的空气与Ikg的燃料的质量比。需要这种质量比用于使燃料完全 燃烧。在此，λ是输入的空气量与理论上的空气需求的商。
通常用作氧传感器的传感器以具有固体电解质的电离的氧气浓度电池的原理为 基础。该固体电解质具有两个被陶瓷分开的界面。陶瓷在所谓的激活温度时传导氧离子。 由于在界面之间陶瓷的两侧上不同的氧份额，产生了所谓的能斯特电压。该电压是陶瓷两 侧氧分压的比例的尺度。根据内燃机的废气中剩余氧含量与输入内燃机的混合物的空气燃 料比的关系，可以通过测量废气中的氧份额推断出输入内燃机的空气燃料比。这种下面同 义词也称为探针的传感器的也称为名义温度的工作温度典型地位于650°C和850°C之间。 为了独立于环境条件实现该名义温度，电加热所述传感器。为了实现尽可能早地响应传感 器并且由此尽可能早地存在可分析的测量信号，需要快速加热传感器，尤其在内燃机的热 机运行阶段中就已经加热了传感器。
在该热机运行阶段中，在燃烧时会产生水蒸气，该水蒸气会冷凝在排气管路的冷 的表面上。如果现在在热的传感器表面上出现水滴，那么局部的温度差会导致高的热应力， 该热应力直至导致探针的损坏。该现象称为所谓的“热冲击”。
为了排除这种热冲击，探针通常在预计到较低废气温度以及由此预计到排气管路 中有水的阶段中以低于激活温度的温度进行工作。这称为所谓的“保护加热”。该措施的缺 点是，在该阶段中探针没有准备就绪。只有在达到内燃机的废气中不再有水这种状态时，才 将探针加热到其名义温度，这种状态通常并且在下面称为“露点尽头”。
从DE 10 2006 012 476 Al中获知一种方法，在该方法中，在加热可能沉积的冷凝 水之后将传感器或者探针加热到比名义温度高的所谓的抗冲击温度。这种方法利用了所谓 的莱顿弗罗斯特效应(Leidenfrosteffekt)在抗冲击温度时，传感器元件的表面如此之 热，从而在水滴和传感器表面之间自发地形成了蒸汽膜。由此防止水滴接触传感器元件的 表面，并且确保仅仅传递非常小的热流，更确切地说如此之小，使得传感器不会损坏。该方 法有利的是，即使在冷的发动机中也很早地将传感器运行准备就绪。然而这种方法的前提 条件是，一方面探针的加热功率足够高，从而可靠地达到抗冲击温度，并且此外探针能够在 抗冲击温度时进行工作，而不会由此损坏探针。另一方面也必须确保，通常包围这种探针的 保护管同样是很热的，从而承担莱顿弗罗斯特效应。如果不满足这些前提条件，那么水滴的蒸发会导致水蒸气将废气排挤到保护管中，这会导致探针的测量信号不能反映废气成分。
发明内容
现在，本发明的任务是说明一种用于运行传感器的方法，该方法实现了直接在起 动内燃机之后获得可分析的探针信号，并且尤其实现了即使在排气管路中存在水时在达到 露点尽头之前也获得可分析的探针信号，而不必将探针加热到抗冲击温度。
该任务通过一种用于运行传感器尤其是用于运行由陶瓷材料制成的传感器的方 法解决，在所述方法中在达到露点尽头之前将传感器加热到大于激活温度并且小于热冲击 温度的目标温度。本发明的基本构思是，在目标温度时运行传感器，其中一方面能够检测废 气成分，另一方面可靠地排除了热冲击。由此，能够以非常有利的方式直接在起动内燃机之 后没有损坏传感器的危险地将探针信号用于调节以及诊断目的。
与已知的方法相反，在此没有将探针在激活温度以下运行，在激活温度以下没有 可分析的探针信号，并且该探针也不必加热到抗冲击温度以上。
通过在从属权利要求中提到的措施实现了在独立权利要求中说明的方法的有利 的拓展方案和改进方案。
如此，例如在达到露点尽头之前将目标温度保持恒定。然而本发明不局限于此。纯 粹在原理上也可以改变目标温度，前提是该目标温度在大于激活温度并且小于热冲击温度 的范围内运动。
优选在达到露点尽头之后使传感器在相应于名义温度的温度运行。
按本发明的方法的重要的前提条件是精确地检测传感器的温度。优选通过直接的 温度测量或者间接的温度测量、尤其通过测量传感器线路的内阻或者电流(下面简称为传 感器的加热器电流)来确定传感器的温度。由两个测量参数传感器的内阻和/或传感器 的加热器电流，能够精确地确定传感器的温度以及尤其传感器的传感器元件或者探针元件 的温度。
根据按本发明的方法的有利的设计方案提出，通过检测传感器的温度并且/或者 通过检测传感器信号的特殊反应来确定激活温度，该传感器信号可以推断出达到激活温 度。作为传感器信号的特殊的反应，例如考虑探针电压与“平衡位置”的偏差或者类似情况。
在此一旦汽车中存在车载电压，就能够直接在电方面能够使用传感器时，也就是 例如在起动汽车内燃机时触发监控传感器温度，或者通过起动信号开始触发该监控。例如 能够从传感器信号的特殊的行为中导出起动信号。例如能够通过测量探针内阻来检测达到 两点氧传感器的激活温度，只有在探针电压离开平衡位置时才触发测量。由此，将由于在冷 探针中测量内阻引起的极化而导致的探针电压信号的失真最小化。
按本发明的方法的重要的特征涉及传感器以及传感器元件的加热。这能够通过一 个或者多个下面的措施来进行
-控制时间的加热工作，尤其通过恒定的加热功率或者根据时间的加热功率分布 来实现
-根据可预先给出的工作条件来实现预控制的加热工作
-调节温度的加热工作。
特别有利地提出，在求得传感器温度时可以考虑影响温度调节的参数、尤其部件公差或老化效应。这能够特别有利地借助于计算机程序来进行，该计算机程序在其于计算 机上运行、尤其在内燃机的控制设备上运行时实施前面所述的方法的所有步骤。
在为了实施所述方法不需要额外的硬件，而是例如用已经存在的机构检测温度并 且加热传感器元件之后，也可以将所述方法加装在存在的汽车上。为此有利地提出，将程序 代码保存在计算机程序产品上，例如CD-ROM、DVD、外部的闪存或者类似物上或者保存在其 它外部的存储介质上。以这种方式能够将代表所述方法的程序在存在的汽车中输入到控制 设备软件中，并且由此在一定程度上加装这种方法。


本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。
其中
图1示意性地示出了气体传感器(探针)的构造连同用于运行该气体传感器(探 针)的线路；
图2是按由现有技术公开的用于运行传感器的方法的关于时间的探针温度；
图3是按由现有技术公开的另一用于运行传感器的方法的关于时间的探针温度； 以及
图4示意性地示出了关于时间的探针温度用于解释按本发明的用于运行传感器 的方法。
具体实施方式
下面根据构造成宽带氧传感器的传感器对本发明进行解释。在这里应该强调，本 发明不限制于此，而是也可以应用到其它探针类型、探测器或者类似装置中，尤其也用在也 称为突变探针(Sprimgsonden)的两点探针中以及其它使用陶瓷材料的传感器中。
在具有陶瓷或者类似陶瓷的材料的传感器中，存在开头所述类型的热冲击的危 险，因为在陶瓷或者类似陶瓷的材料中结构会轻易地通过引入的机械应力而损坏。如此，例 如材料的纵向膨胀在温度不同时由于局部的温度变化而导致很大的机械应力，该机械应力 会直至引起材料的断裂或者裂纹形成。
图1示例性地示出了用于确定气体混合物中气体成分的浓度的传感器或者说气 体传感器100连同配属的用于触发的装置170。该气体传感器100在该例子中设计成宽带氧 传感器。该宽带氧传感器主要在下面的区域内包括加热装置160、在中间的区域内包括能斯 特电池140并且在上面的区域内包括泵电池120。该泵电池120在中央的区域内具有开口 105，废气10通过该开口到达泵电池120的测量空间130中。在测量空间130的外面的端部 上布置了电极135、145，其中上面的电极135配属于泵电池并且形成了内泵电极(IPE) 135， 并且其中下面的电极145配属于能斯特电池140并且形成了能斯特电极(NE) 145。泵电池 120的面对废气的一侧具有保护层110，在该保护层的内部布置了外泵电极(APE) 125。固体 电解质在测量空间130的外泵电极125与内泵电极135之间延伸，通过该固体电解质可以 在电极125、135上存在泵电压时将氧气输送进测量空间130中或者从测量空间130中输送 出来。
在泵电池120上连接着其它固体，该固体形成了具有参考气体室150的能斯特电池140。在参考气体室150中面对泵电池120布置了参考电极(RE) 155。在泵电池120的 测量空间130中在参考电极155和能斯特电极145之间出现的电压相应于能斯特电压。在 陶瓷的进一步延伸中，在下面的区域内布置了加热装置160。
在能斯特电池140的参考气体室150中提前准备了氧气参考气体。通过流过泵电 极125和135的泵电流I_pump在测量空间中调节氧气浓度，该氧气浓度相应于测量空间 130中λ = 1的浓度。由触发装置或者说控制设备170来控制电流并且分析能斯特电压。 在此，运算放大器174测量参考电极155上存在的能斯特电压并且将该电压与参考电压U_ ref进行比较，参考电压典型地大约为450mV。在存在偏差时，运算放大器174通过电阻172 以及泵电极125、135给泵电池120加载泵电流I_pump。在控制设备170的内部，在通向加 热装置160的电引线中布置了温度设定机构180，该温度设定机构以适合于运行氧传感器 的方式设定加热装置160上存在的电压并且由此也间接地设定传感器100的温度。在此， 以下面描述的方式来加热传感器100。
在图2和图3中示出了由现有技术公开的加热策略。图4示出了按本发明的加热 策略。
在图2到4中分别示意性地示出了关于时间t的探针温度Ts。nde。在此，连续的Tl 表示激活温度，T3表示热冲击温度，T4表示名义温度并且T5表示抗冲击温度。用T2表示 目标温度，该目标温度与按本发明的方法相联系地解释为加热策略，如在图4中示意性地 示出。
如图2中所示，根据由现有技术公开的加热策略，首先在达到露点尽头TPE之前， 也就是在废气中出现能够在排气管路的冷的表面上冷凝的水蒸气时，将探针100加热到比 探针的激活温度Tl低的温度。这在图2中根据线条210示意性地示出。在该区域中不能 断言废气成分，因为没有达到激活温度Tl，最低需要该激活温度用于使固体电解质传导氧 离子并且该激活温度大约为350°C。只有在达到露点尽头TPE时，也就是说在确保废气中不 出现会凝聚在排气管路的冷的表面上的水蒸气时，才将探针加热到名义温度T4，该名义温 度通常在650°C和850°C之间，这里通过线条220说明。这种方法的缺点是，在达到露点尽 头TPE之前不能测量废气成分。
为了缩短该时间段，设置了另一种由DE 10 2006 012 476A1公开的方法，该方法 在下面结合图3进行解释，将探针100加热到激活温度Tl以下的温度Ts。nde只用了比达到 露点尽头TPE之前的时间显著更短的时间tA。然后将探针100加热到抗冲击温度T5。探 针100保持在该温度，直到达到露点尽头TPE，这通过线条320进行说明。在达到露点尽头 TPE之后，将传感器100调节到名义温度T4，在图3中通过线条330示出。在加热传感器元 件中的可能沉积的冷凝水之后使用的方法利用了所谓的莱顿弗罗斯特效应在抗冲击温度 T5时所述传感器元件的表面是如此之热，从而在水滴和传感器表面之间自发地形成了蒸汽 膜。由此，水滴不接触表面并且仅仅传递如此小的热流，使得探针100不会损坏。该方法的 优点是，即使在冷的内燃机中也可以将探针100很早地运行准备就绪。然而实施这种方法 的前提条件是，一方面探针100的加热功率足够高，从而可靠地达到抗冲击温度T5，并且探 针100在抗冲击温度T5时能够不受损地进行工作。另一方面，能够包围传感器100并且通 常包围传感器100的已知的保护管同样必须是很热的，从而承担莱顿弗罗斯特效应。否则 的话，水滴的蒸发会导致水蒸气将废气排挤到保护管中并且由此不能确定废气成分。
现在结合图4描述按本发明的方法，该方法消除了上面所述的缺点，并且实际上 实现了直接在起动内燃机之后运行探针100，更确切地说以这样的方式，即实际上能够直接 在起动内燃机之后检测废气成分，而不必将探针100加热到抗冲击温度T5，并且不必为了 实施测量而在达到露点尽头TPE之前等待较长的时间。
如图4中所示，为此将探针100加热到下面称为目标温度的温度T2，该温度大于激 活温度Tl，但是小于热冲击温度T3。如在图4中根据线条410示意性地示出，在达到露点 尽头TPE之前，所述温度优选保持恒定。如果达到露点尽头TPE，那么将探针100加热到名 义温度T4，在图4中通过线条420说明。该方法的较大的优点是，实际上从一开始就能够检 测废气成分，因为探针100加热到一方面大于激活温度Tl的温度。同时防止通过冷凝水损 坏探针100，因为目标温度T2另一方面也小于热冲击温度T3。此外不需要施加例如在根据 现有技术公开的并且根据图3解释的方法加热到抗冲击温度T5时较大的加热功率。
为了调节目标温度T2可以用不同的方法。一方面能够控制时间地进行加热工作， 例如使用恒定的加热功率或者取决于时间的加热功率分布，此外能够根据工作条件设置预 控制的加热工作。能够进行调节温度的加热工作。此外也可以实现这三个变型方案的组合。
根据当前的探针温度Ts。-控制或者调节加热。为此需要检测该温度Ts。nde。探针 或者传感器温度Ts。nde的检测能够通过直接的温度测量或者通过间接的温度测量来实现，例 如在氧传感器的情况下通过测量探针内阻或者加热器电流来实现。如果不是控制时间地进 行加热，那么有利的是，监控激活温度Tl的达到。为此，例如适用以下方法步骤
a)通过直接的温度测量来识别；
b)通过间接的温度测量来识别，例如在氧传感器的情况下通过测量探针内阻或者 加热器电流；
c)通过传感器信号的特殊的反应来识别，例如探针电压与“平衡位置”的偏差。
优选直接在电方面能够使用相应的测量信号时并且由此实际上直接在起动内燃 机之后触发对当前探针温度的监控或者达到激活温度Tl。
作为替代方案，也可以通过传感器信号的特殊的行为才触发监控。当过早的监控 对探针信号产生不利影响时，尤其可以是这种情况。例如两点氧传感器的激活温度Ts。nde的 达到能够通过测量探针内阻检测到，该测量只有在探针电压离开平衡位置时才触发。由此， 将由于在冷探针中测量内阻引起的极化而导致的探针电压信号的失真最小化。
可选地，能够通过用参考值来调整所述参数来考虑影响目标温度T2调整的部件 公差或者影响目标温度T2调节的参数。如此，例如能够在间接地通过传感器100的内阻测 量温度时考虑氧传感器的内阻的老化。优选在稳定阶段、例如在空转时进行调整。对于此 的例子是
a)在内燃机的热机运行阶段中求得并且间接地考虑匹配值；
b)考虑提早求得并且保存的匹配值。
尤其也可以考虑在达到名义温度T4之后在较早的行驶周期中求得的匹配值。此 外，可以使用所述两个方法特征a)和b)的组合。
前面所述的方法例如能够作为计算机程序在计算设备上实现、尤其在内燃机的控 制设备170上实现并且在那里运行。程序代码能够保存在机器可读的载体上，控制设备170 能够读该载体。以这种方式能够在所述方法不需要额外的硬件、例如额外的探针、传感器以7及类似装置时毫无问题地“加装”该方法。
权利要求
1.用于运行传感器(100)、尤其是用于运行由陶瓷材料制成的传感器(100)、特别是用 于运行用于确定汽车内燃机废气中的废气成分的传感器的方法，其特征在于，在达到露点 尽头(TPE)之前将所述传感器(100)加热到大于激活温度(Tl)并且小于热冲击温度(T3) 的目标温度(T2)。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在达到所述露点尽头(TPE)之前将所述目标 温度0 保持恒定。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在达到所述露点尽头之后使所述传感器 (100)在相应于名义温度(T4)的温度运行。
4.按权利要求1到3中任一项所述的方法，其特征在于，通过直接的温度测量或者通过 间接的温度测量、尤其通过测量所述传感器(100)的内阻和/或所述传感器(100)的加热 器电流来确定并且尤其监控所述传感器(100)的温度(Ts。nJ。
5.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过检测所述传感器(100)的 温度(Ts。nJ并且/或者通过检测传感器信号的特殊反应来确定达到所述激活温度(Tl)，该 传感器信号能够推断出到达所述激活温度(Tl)。
6.按权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在电方面能够使用传感器(100)时或者 通过起动信号开始触发对所述传感器温度(Tsmde)的监控。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述传感器(100)的内阻给出所述起动 信号。
8.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器(100)加热到的温 度(Tsonde)通过下面措施中的一个或者组合来实现-控制时间的加热工作，尤其通过恒定的加热功率或者根据时间的加热功率分布来实现-根据可预先给出的工作条件进行预控制的加热工作-调节温度的加热工作。
9.按上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在求得所述传感器(100)的温 度(Tsonde)时考虑影响所述温度(Tsonde)的调节的参数，尤其是部件公差或老化效应。
10.计算机程序，该计算机程序在其于计算设备上运行、尤其在内燃机的控制设备 (170)上运行时实施按权利要求1到9中任一项所述的方法的所有步骤。
11.具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码保存在机器可读的载体上，用于在程 序于计算机或者汽车的控制设备(170)上运行时实施按权利要求1到9中任一项所述的方 法。
全文摘要
本发明涉及一种用于运行传感器(100)的方法，尤其是用于运行由陶瓷材料制成的传感器的方法，其特征在于，在达到露点尽头之前将所述传感器(100)加热到大于激活温度(T1)并且小于热冲击温度(T3)的目标温度(T2)。
文档编号G01N27/411GK102033093SQ20101050211
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月6日
发明者A·科林, M·法伊, R·哈曼, S·博费尔特 申请人:罗伯特.博世有限公司