专利名称：确定气流中氧浓度O₂的方法
技术领域：
本公开涉及确定内燃发动机气流中氧浓度O2的方法，所述内燃发动机装配有发动机控制器和氧传感器。
背景技术：
内燃发动机通常装配有至少一个氧传感器，其可设置在进气系统的进口侧和/或在排气排放系统的出口侧。氧浓度O2的知识在内燃发动机控制中用于不同目的。设置在内燃发动机进气系统中的传感器可例如用于控制排气再循环系统，即调节再循环率。排气再循环(EGR)即从内燃发动机的出口侧再循环燃烧气体至内燃发动机的进口侧，其特别用于降低氮氧化物的排放。随着再循环率的增加，氮氧化物排放可被显著降低。这里，排气再循环率X·被确定为
xEGE — 1t1Egr/ (mEGR+m 新鲜空气
)，其中mEeK表示再循环
排气的量，而表示供应的新鲜空气。为了获得氮氧化物排放的显著降低，需要较高的排气再循环率X·，其可高达到70%。为了使得充气空气接触传感器，其中充气空气除了新鲜空气，还可含再循环排气，传感器可设置在EGR进入进气管路的再循环管路开口的下游。传感器检测充气流中的氧浓度O2，下面的等式需要考虑该浓度，用于确定由燃烧产生的进气百分比的比例Fan，和/或确定再循环率X·。因此，使用该传感器可调节EGR的再循环率X·，即，可致动关闭元件，其优选设置在再循环管路中且用作EGR阀门以便调节再循环率。在某些假设下，可以该方式实现EGR的闭环控制，例如，如果仅提供单个排气再循环管路。而且，利用传感器检测的氧浓度O2或比例Fan可以用来确定排气中氮氧化物浓度CNOx,即，未处理的氮氧化物NOx排放。这里，可以免除昂贵的NOx传感器，其设置在排气排放系统中，以便确定排气中氮氧化物浓度CN&,㈣和/或用于调节EGR阀门，即调节再循环的排气量。在内燃发动机由排气涡轮增压器增压且装配低压EGR结构(其中再循环管路从涡轮机下游的排气管路分支并进入压缩机上游的进气管路)的情形中，氧传感器优选设置在压缩机的下游和可提供的充气冷却器的上游。
一方面，由低压EGR再循环的后处理排气确保传感器不被排气中包含的烟尘微粒和/或排气中包含的油污染。另一方面，在被压缩机压缩后，进气处于提升的温度。后一事实有助于通常装配有电加热机构饿传感器达到并保持其运行温度。
然而，为降低污染物排放，除了热排气再循环，其他措施也是必要的。因此，内燃发动机通常装配有多个排气后处理 系统。对于未燃烧碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的氧化，氧化催化转换器被提供在排气系统中。如果氮氧化物(NOx)被额外减少，在奥托发动机的情形中，这可通过利用三元催化转换器实现，但为此目的要求窄限内的化学计量运行(λ I)。为了降低氮氧化物，要么使用选择性催化剂转换器，其中以针对性方式将还原剂引入排气以便选择性还原氮氧化物，要么使用氮氧化物存储催化转换器，其中氮氧化物首先被吸收，即被收集和存储在催化剂转换器中，然后在缺少氧的再生阶段被还原。根据前面的系统，为了最小化烟尘微粒的排放，使用所谓的再生微粒过滤器，其从排气中过滤烟尘微粒并将其存储，所述烟尘微粒在过滤器再生过程中被间歇地烧掉。为了监视上述排气后处理系统和/或检查其功能容量，设置在内燃发动机排气排放系统出口侧的氧传感器可被使用并且可以是有利的，因为后处理系统中发生的反应改变了排气中，即本情形中相关的气流中的氧浓度O2。为了改进内燃发动机排放行为并基本改进内燃发动机的运行，可提供高质量控制和/或调节，即尽可能精确地控制和/或调节排气排放系统提供的排气后处理系统和影响充气成分的排气再循环系统。高质量控制和/或调节假定传感器输出的信号尽可能准确，具体地，氧传感器检测的氧浓度和/或提供给发动机控制器的氧浓度进一步被使用会具有最低可能误差。然而，常规氧传感器被校准从而输出氧浓度，假定传感器内氧的压力单一恒定。传感器内氧气压力频繁波动将导致测量的氧浓度有误差。

发明内容
本发明人认识到上述方法的问题并提供至少部分解决这些问题的方法。在一个实施例中，在装配有发动机控制器和氧传感器的内燃发动机的气流中确定氧浓度的方法包括在传感器陶瓷测量单元内通过电流确定气流的氧浓度，该电流可通过测量检测并在应用和保持恒定电压时流过，还包括基于测量单元内压力校正氧浓度。以此方式，根据本公开的方法考虑气流中压力Psms改变和因此传感器测量单元中压力Psms改变并对传感器提供的氧浓度o2,sms有影响。这允许显著改进内燃发动机的控制和/或调节。单独或结合附图，本说明上面的优点和其他优点、和特征将从下面具体实施例中明显看出。应该理解，上面的发明内容被提供以简化形式选择概念，这些概念在具体实施例中被进一步说明。这不是为了指明所要求主题的关键或基本特征，其范围是通过权利要求唯一限定的。而且，所要求的主题不限于解决上述或本公开任何部分中指出的任何缺点的实施方式。


图Ia示意示出氧传感器的构造。图Ib在绘图中示出传感器电流Isms和氧浓度02,sms之间函数关系。
图2示意示出具有传感器的内燃发动机的实施例。图3是根据本发明实施例运行具有LP-EGR和HP-EGR系统的增压内燃发动机的示例方法的流程图。图4以流程图的形式示出确定氧浓度O2的方法的变型。
具体实施例方式氧传感器利用包括隔开的自由端的测量单元。在测量单元的自由端之间施加并维持恒电压Usens,其中氧分子产生并在自由端之间流动的电流Isms通过测量被检测(参看图Ia)。确定氧浓度O2的传感器的基本测量原理是基于这样的事实，即气流中氧浓度O2与通过测量检测的电流Is■成比例。从前面系统中已知的氧传感器具有陶瓷构造的测量单元，其中在测量单元附近流 动的气流经扩散通道进入。氧气泵设置在测量单元中，其可通过电子泵电流Isms调节。通过调节泵电流Isms维持泵端子间恒定的电压uSens。如果电压Usens保持恒定，则在经扩散通道的氧气供给和经氧气泵的氧气排放之间已经建立平衡，其中氧浓度可基于为此目的要求的泵电流Isms确定，该电流是通过测量被检测(参看图Ia)。确定氧浓度O2的传感器的根本测量原理是基于这样的事实，即气流中氧浓度O2与通过测量检测的电流Isms近似成比例。从图Ib可看出，氧浓度02,sms和通过测量检测的电流Isms之间存在函数关系。采用下面的关系O2jsens = f (Isens)图Ib示出函数关系，其中传感器电流Is■被绘制在横坐标上，单位为[mA]，氧浓度O2, sens被绘制纵坐标上，单位为[Vol % ]。因为，首先传感器电流Isms的大小是从单位时间氧气分子的数目测量的，其用作电荷载流子，且其次按照图lb，绘制氧浓度，单位为[Vol %]，所以如果在测量单元处气流密度，即压力Psens改变，图Ib中示出的线性函数的梯度f (Isms)也改变。前面系统已知的方法没有考虑压力对传感器输出的氧气02,sens浓度的影响。实际上，单个特定压力Po的函数关系02,sens = f (Isens)被确定并存储在发动机控制器中以便进一步使用。如果在测量单元中，基于函数关系f (Isms)，实际存在/流行(prevail)压力psms高于压力P。，即Psens > P。，则传感器输出过高氧浓度02,sens，单位为[Vol % ]。相比来讲，如果Psms < Po，则传感器输出过低氧浓度O2,■，即，在气流中实际出现低于氧浓度02,tat的氧浓度。不正确地确定的氧浓度O2对内燃发动机的控制和/或调节质量具有不利影响，即，对排气后处理系统的控制和/或调节和排气再循环，以及因此的排放行为的质量具有不利影响。具体地，在增压内燃发动机的情形中，其中压力条件可剧烈改变，不考虑压力对传感器提供的氧浓度O2的影响的事实会产生消极影响。第一子目标是利用确定内燃发动机气流中氧浓度O2的方法实现的，内燃发动机装配有发动机控制器和氧传感器，其中气流氧浓度O2, sens利用电流Isms在传感器测量单元中被确定，该测量单元具有陶瓷构造，该电流Isms可通过测量能被检测，且当在施加并维持恒定电压Usms时流过，且该方法特征在于在测量单元的压力Psms也被考虑用于确定氧浓度O2。
这里，考虑气流中存在的压力可以以显著不同的方式实现。例如，多个不同压力pSms,i，不同函数02,sms = fi(Isens)可存储在发动机控制器中并被使用。然后，为了确定氧浓度O2，在第一方法步骤中，气流中压力被确定。这可通过数学方法或类似地通过传感器测量实现。然后，由测量检测的传感器电流Isms以及在测量单元的压力Ps■均用作发动机控制器的输入信号，其中首先对应于当前存在压力Psms的函数A(Isms)被确定，且随后，氧浓度O2,■是用所述函数和当前电流1-3读出的。一个函数或多个函数A(Isms)可在发动机控制器中存储为表格或查询表。下面的例子是有利的，其中压力pSms是通过传感器测量被检测。很多内燃发动机已经装配有至少一个压力传感器。增压内燃发动机通常具有检测充气压力的压力传感器，即利用压缩机进行的单级或双级压缩下游的充气-空气流的压力。因为在增压内燃发动机中，由于随着充气压力的较高的温度水平，氧传感器优选也设置在压缩机的下游，所以充气压力传感器将同时输出氧传感器测量单元中存在的压力Ps咖，以便在根据本公开的方法的情形中用于确定压力，可使用现有传感器，且无需提供额外传感器。此外，压力传感器不仅用在内燃发动机的进气系统中，而且用在排气排放系统中。作为微粒过滤器再生开始的标准，常常考虑过滤器上游中存在的排气反压，即，过滤器上游气流中压力，其随过滤器中微粒质量增加而升高。所述排气反压在过滤器上游提供的氧传感器中也流行，以便排气反压描述，即表示传感器测量单元中存在的压力PSms。然而，下面的例子也是有利的，其中压力ps■是通过模型被数学确定的。也可使用多个数学模型。作为起点，环境压力至少近似已知且存在在进气系统的进口和排气排放系统的出口，实际上，内燃发动机管路系统的任何所需点的压力可通过模拟被计算，即估计。数学确定也与通过测量的压力检测结合，即，采用压力传感器检测的压力作为起始点。例如，在增压内燃发动机的情形中，如果通过传感器测量检测的充气压力存在，则采用所述压力作为起始点，可能的是通过模拟计算推导压缩机上游压力，该压力然后构成设置在压缩机上游的氧传感器的测量单元处的压力PSms。下面的示例是有利的，其中确定氧浓度O2中还考虑传感器灵敏度的变化。氧传感器灵敏度波动，具体地首先由于生产相关的公差导致的不同传感器间的波动，即，传感器在离开工厂时就已经具有不同的灵敏度，其次即便在单个传感器中，由于运行和/或传感器运行过程中所受的外部影响。在此背景下，传感器被排气成分污染和传感器由于热负载导致的热老化也起主导作用。在氧浓度O2确定中，还可考虑原始灵敏度和/或传感器运行过程中出现的灵敏度变化中的差别，即补偿。这方面，下面的例子是有利的，其中校正的氧浓度O2,■是用下面的等式确定的O2, cor = f (Isens) *f (Psens) *Cadap其中Cadap是变化系数，其是无量纲系数，借助该系数可补偿传感器灵敏度的变化。函数f (Psms)用于补偿压力变化，即考虑气流中变化压力PSms。注意，在此，一般表达“氧浓度02”是总称术语，该总称术语包括不同的具体氧浓度，特别是传感器输出的氧浓度o2,Sens和校正的氧浓度O2,
结合讨论的实施例，下面的方法变型是有利的，其中校正的氧浓度O2, cor是用如下等式确定
权利要求
1.一种确定内燃发动机气流中氧浓度O2的方法，所述内燃发动机装配有发动机控制器和氧传感器，所述方法包括 通过测量检测的并在施加和维持恒定电压Usens时流过的电流Isms确定所述传感器陶瓷测量单元中气流的氧浓度02,s6ns;以及 基于所述测量单元的压力Psms校正所述氧浓度。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述压力Psms是通过压力传感器测量被检测。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述压力Psms是通过模型被数学确定。
4.根据权利要求I所述的方法，其中校正所述氧浓度还包括基于所述氧传感器的灵敏度变化校正所述氧浓度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中校正氧浓度还包括基于无量纲系数，Cadap，校正所述氧浓度，借助所述无量纲系数可补偿所述氧传感器的灵敏度变化。
6.根据权利要求5所述的方法，其中校正所述氧浓度还包括基于可预定参考压力Ptl,和压力系数Kp校正所述氧浓度，其中所述氧浓度被提供为所述氧传感器输出信号O2,s■，借助所述压力系数Kp可补偿压力pSms与参考压力P。的偏差。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述系数Cadap和Kp是在所述发动机控制器校准过程中被确定的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述校准是在内燃发动机运行状态中进行的，其中气流中校正的氧浓度O2,■是已知的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述校准是在气流中校正的氧浓度O2,cor对应于环境空气中氧浓度02,atni时执行的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述校准是在内燃发动机过载模式中执行的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述校准在内燃发动机开始过载模式后执行n个工作循环。
12.根据权利要求11所述的方法，其中为了执行校准，系数Cadap和Kp的值范围是预定的。
13.—种用于内燃发动机的氧传感器系统,其包括 氧传感器，其包括 陶瓷测量单元，其中电流Isms是在恒定电压Usens通过测量被检测的，从而确定所述内燃发动机气流中的氧浓度O2 ;以及 在所述陶瓷测量单元上提供的测量压力Psms的元件；以及 发动机控制器，其包括基于压力测量校正所述确定的氧浓度的指令。
14.根据权利要求13所述的氧传感器系统，其中在所述氧传感器的陶瓷测量单元处提供了测量温度Tsms的元件。
15.根据权利要求13所述的氧传感器系统，其中所述氧传感器被提供在所述内燃发动机的进气系统中，该内燃发动机进气系统中装配有排气涡轮增压器的压缩机和设置在所述压缩机下游的充气冷却器，其中所述氧传感器设置在所述压缩机和所述充气冷却器之间。
16.一种运行包括LP-EGR和HP-EGR系统的增压内燃发动机的方法，其包括 至少以测量的进气空气压力校正测量的充气氧浓度；以及 如果LP-EGR系统启动，则基于所述校正的测量的进气空气氧浓度调节LP-EGR阀。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括 如果所述HP-EGR系统启动，则基于估计的HP-EGR流量调节HP-EGR阀；以及如果仅LP-EGR系统启动，则基于测量的进气空气压力调节燃料喷射量，从而维持所需的燃烧空气-燃料比。
18.根据权利要求16所述的方法，其中校正所述测量的进气空气氧浓度还包括基于压力系数和改变系数校正所述测量的进气空气氧浓度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中基于所述压力系数和改变系数校正所述测量的进气空气氧浓度还包括在选择条件过程中设定所述压力系数和改变系数，该条件包括已知的进气空气氧浓度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述选择条件包括减速燃料切断。
全文摘要
本发明提供使用氧传感器确定氧浓度的实施例。在一个示例中，确定内燃发动机气流中氧浓度O2的方法包括通过电流ISens确定传感器陶瓷测量单元中气流的氧浓度O2，sens，该内燃发动机装配有发动机控制器和氧传感器，电流ISens是通过测量检测的并在施加和保持恒定电压USens时流过，并基于测量单元的压力pSens校正氧浓度。以此方式，测量的氧浓度可基于在传感器的空气压力被校正。
文档编号G01N27/417GK102621212SQ20121002021
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月29日 优先权日2011年1月25日
发明者A·库斯克, C·W·维吉尔德, D·罗杰 申请人:福特环球技术公司