用于分析气体的方法、控制器和设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于分析在一用于拉姆达探头（102）的可加热元件（106）上的气体（108）的方法（200），其中，所述方法（200）具有一读入的步骤（202）和一确定的步骤（204）。在所述读入的步骤（202）中，读入一提供到所述可加热元件（106）上的用于维持所述可加热元件（106）的一预先确定的温度的热功率的值。在所述确定的步骤（204）中，在使用所述热功率的值的前提下确定在所述可加热元件(106)上的所述气体（108)的气体组成。
【专利说明】用于分析气体的方法、控制器和设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于分析气体的方法，一种相应的控制器和一种用于分析气体、 例如车辆的内燃机的排气的设备。
【背景技术】
[0002] 为了能够适配在一用于燃烧过程的燃料量和一可供使用的氧气量之间的比例，需 要一关于在所述燃烧过程的排气中的氧气浓度的说明。
[0003] DE 199 41 051 A1描述了一种用于确定气体混合物中的氧气浓度的传感器元件 以及一种用于制造其的方法。
【发明内容】
[0004] 在该背景下，利用本发明介绍了根据独立权利要求所述的一种用于分析在一用于 拉姆达探头的可加热元件上的气体的方法，一种相应的控制器以及一种用于分期气体的设 备。有利的设计方案从各从属权利要求和下面的描述中给出。
[0005] 在稳定的周围条件下，气体组成的变化引起了在一被加热的物体和所述气体之间 的热传递。在所述物体的已知温度的情况下针对所述气体的已知组成的热传递可以经验地 作为参考值进行测量。当在每个时间单元内一实际地由所述气体接收的热量和所述物体的 温度已知时，可以推断出实际的组成。
[0006] 介绍一种用于分体在一用于拉姆达探头的可加热元件上的气体的方法，其中，该 方法具有下列步骤： 读入一提供到所述可加热元件上的用于维持所述可加热元件的一预先确定的温度的 热功率的值；并且 在使用所述热功率的值的前提下，确定在所述可加热元件上的所述气体的气体组成。
[0007] -可加热元件可以构造用于将电能转化成热能。所述可加热元件可以具有一电导 体，其具有一电阻。所述可加热元件可以具有一用于放热的已知的面积。热功率可以理解 为一种功率，其被传导到所述可加热元件上，用以加热所述可加热元件或者维持所述可加 热元件的温度。所述热功率可以以电能的形式来提供。提供到所述可加热元件上的热功率 可以由所述可加热元件放出到所述气体上。所述热功率可以与一由所述气体在所述可加热 元件上接收的热功率成正比。一预先给定的温度可以是一通过实验所获知的温度。所述气 体的物理参量可以给定或者是已知的。例如替选于或附加于所述气体的温度，所述气体的 流动速度可以是已知的。例如可以给定一通过一节气门的稳定的流动速度，其中，所述气体 可以通过所述节气门传导。
[0008] 在所述读入的步骤中，可以读入一布置在一燃烧排气中的可加热元件的热功率的 值。这样，所述方法可以例如用于分析一机动车的排气流。替选地或附加地，可以在所述确 定的步骤中，确定所述气体的燃烧空气比作为所述气体组成。一燃烧排气可以是一内燃机 的排气。一燃烧空气比可以代表一为了所述燃烧所需的氧气的过剩或不足的特征。当所述 燃烧空气比被平衡时，所有的反应对都可以完全地被转化成反应产物。
[0009] 所述热功率的值可以在使用一在所述可加热元件上下降的电压和一通过所述可 加热元件的电流来获知。这能够实现所述热功率的值的特别简单的确定。
[0010] 所述方法可以具有一提供用于所述可加热元件的热功率的步骤，其中，提供所述 热功率，直到所述可加热元件的电阻的值位于一围绕一配属于预先确定的温度的额定电阻 的公差范围内。在此，可以是所述可加热元件的额定电阻。当所述电阻位于围绕所述额定 电阻的公差范围内时，可以进行所述读入的步骤。所述热功率可以是可变的。所述热功率 可以利用所述额定电阻被调节成指令参量。所述电阻可以被称为调节参量。所述电阻可以 与所述可加热元件的温度成正比。经由所述电阻可以间接地调节所述温度。
[0011] 在所述读入的步骤中还可以读入一在所述可加热元件上的气体的温度的值。所述 气体组成还可以在使用所述温度的值以及在所述温度和所述热功率之间的关联的前提下 来确定。所述温度可以例如通过一温度传感器来测量。当所述元件未被加热时，所述温度 可以在使用一与温度相关的所述可加热元件的电阻的前提下来检测。然后可以交替地进行 所述加热和所述测量。所述关联可以保存在一特征场中。所述关联可以显示在一公式中。 所述关联可以在参考测量中就已经获知。
[0012] 在所述读入的步骤中还可以读入一在所述可加热元件上的气体的流动速度的值。 所述气体组成还可以在使用所述流动速度的值以及在所述流动速度和所述热功率之间的 关联的前提下来确定。所述流动速度可以经由一传感器来检测。所述关联可以保存在一特 征场中。所述关联可以显示在一公式中。所述关联可以在参考测量中就已经获知。
[0013] 所述流动速度可以在使用通过一已知的流动横截面的所述气体的质量流的前提 下来获知。所述流动速度可以经由流动机械的关联与所述质量流成正比。所述流动速度可 以经由一传感器来检测。
[0014] 介绍一种用于分体在一用于拉姆达探头的可加热元件上的气体的控制器，其中， 该控制器具有下列特征： 一用于读入一提供到所述可加热元件上的用于维持所述可加热元件的一预先确定的 温度的热功率的值的装置；以及 一用于在使用所述热功率的值的前提下确定在所述可加热元件上的所述气体的气体 组成的装置。
[0015] 控制器可以理解为一种电的仪器，其处理传感器信号并且与此相关地发出控制信 号和/或数据信号。所述控制器可以具有一接口，其可以硬件地或软件地构造。在硬件地 构造的情况下，所述接口可以例如是所谓的系统ASIC的部分，其包含所述控制器的不同的 功能。但也可行的是，所述接口具有自身的、集成的电路或者至少部分地由独立的构件构 成。在软件地构造的情况下，所述接口可以是软件模块，其例如在一微控制器上存在于其它 的软件模块旁。
[0016] 此外，介绍一种用于分析气体的设备，其中，该设备具有下列特征： 一具有一用于布置到一排气流中的可加热元件的拉姆达探头；以及 一按照这里介绍的方式的控制器。
[0017] 有利的还有，具有程序代码的计算机程序产品，所述程序代码可以存储在机器可 读的载体如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且当所述程序产品在一计算机 或一设备上实施时，用于实施按照前述的实施方式的方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 下面参照附图举例详细阐释本发明。其中： 图1示出了根据本发明的一个实施例的用于分析气体的设备的方框图；以及 图2示出了根据本发明的一个实施例的用于分析气体的方法的流程图。
[0019] 在下面的本发明的优选实施例的描述中，针对在不同的附图中展示的并且相似作 用的元件采用相同的或者相似的附图标记，其中，舍弃了所述元件的重复描述。
【具体实施方式】
[0020] 图1示出了根据本发明的一个实施例的用于分析气体的设备100的方框图。该设 备100具有一拉姆达探头102和一控制器104。所述拉姆达探头104具有一用于布置在一 排气流108中的可加热元件106。该可加热元件106具有一由电导体制成的蜿蜒部110,其 例如具有一欧姆电阻。所述电导体的电阻也可以替选地与欧姆定律不同。但在电阻和温度 之间的关联可以与温度成线性关系，但不是必须的。所述蜿蜒部110构造用于，当一电流通 过所述蜿蜒部流动时，平面式地加热所述可加热元件106。该可加热元件106如此布置，使 得所述排气流108可以在其上方流动，用以接收所述可加热元件106的热，即冷却该可加热 元件106。
[0021] 所述控制器104具有一用于读入的装置112和一用于确定的装置114。所述用于 读入的装置112构造用于，读入一提供到所述可加热元件106上的用于维持所述可加热元 件的一预先确定的温度的热功率的值。为此，所述用于读入的装置112与所述可加热元件 106的一电联接导线116连接。在该联接导线116上，所述用于读入的装置112可以检测一 在所述可加热元件106上下降的电压以及一通过所述可加热元件106流动的电流并且由此 获知所述热功率的值。所述检测可以无接触地进行。所述用于确定的装置114构造用于， 在使用所述热功率的值的前提下确定一在所述可加热元件106上的所述气体108的气体组 成。所述控制器104也可以集成到所述拉姆达探头102中。例如作为集成电路104,其在使 用半导体技术的制造工艺的前提下在所述拉姆达探头102的芯片上已制成。
[0022] 根据一种实施例，将一拉姆达探头102用于测量在一燃烧排气108中的剩余氧气 含量或不足量。在此，在一以宽带探头（Breitbandsonde)为形式的拉姆达探头102中，使 利用一在一电化学的泵单元中的电流用于评价气体信号。在一以跳转探头（Sprungsonde ) 102为形式的拉姆达探头102中评价一电池电压。电流或电压分别表示出所述燃烧排气108 的λ值的特征。在宽带探头102的情况下，可测量一较大的拉姆达范围，典型地在λ=〇.8 和λ =1. 7之间或甚至更大。在跳转探头102的情况下，能够以较高的准确度测量在围绕 λ =1的范围中的测量范围，在与拉姆达=1明显偏差的情况下，仅评价所述排气108是稀薄 的（λ>1)还是浓厚的（λ〈1)。
[0023] 通过这里介绍的方式，可以将来自一以探头加热器106为形式的可加热元件106 的信息用于评价在一燃烧排气108中的拉姆达。除了到此为止的探头信号之外，可以使用 来自所述加热器106的信息，用以测量λ。尤其是在跳转探头102的情况下，可以由此拓宽 所述测量范围。
[0024] 在所述探头102的情况下实现了所述传感器元件的温度，方式为，如此调节所述 加热器106,使得在所述拉姆达探头102的电解质上设定并且保持一有目的性的电阻。
[0025] 所需的热功率(或者说电流和电压，从这些参量中的两个中分别得出第三个参量） 直接取决于待测量的气体108的热接收。所述热接收又取决于所述气体组成。所述气体组 成，即由co 2、n2、水、co、h2、氧气。。。组成的百分比组成代表了各应用的特征。但在每个λ 值的情况下，所述气体108的组成是不同的，且因此所述热传导也是不同的。因此在给定的 应用的情况下所述热功率是针对λ的一个尺度。
[0026] 对于所述热功率的其它的影响参量可以是排气质量流和排气温度。这些信息可以 通过其它的传感器或来自车辆的其它信息来提供。从一针对所述应用所测量的特征场中又 可以获知λ。所述特征场可以利用λ和所述热功率来代表所述排气质量流和/或所述排 气温度的特征。
[0027] 在此情况下，所述拉姆达探头102的构造保持不同。但在所述评价电路104中，针 对所述加热器系统106可以测量所述功率，例如通过测量电流和电压。
[0028] 这些信息也可以在所述评价电子装置的运行软件的程序代码中使用。
[0029] 这里介绍的方式可以用作用于表示在燃烧排气中的剩余氧气含量的特征的气体 传感器102,尤其是具有作为跳转拉姆达探头102的功能。在宽带探头102的情况下，可 以例如在所述电化学的泵单元的测量范围之外的特别小的λ值的情况下拓宽所述测量范 围。这里介绍的方法不仅可以基于厚层技术的目前这一代的传感器102中，也可以例如在 基于薄层离子导体的将来几代中使用。
[0030] 图2示出了根据本发明的一个实施例的用于分析气体的方法200的流程图。该方 法200可以在一用于一如在图1中所示的拉姆达探头的可加热元件上使用。该方法200可 以在一如在图1中所示的控制器中上实施。所述方法200具有一用于读入的步骤202和一 用于确定的步骤204。在所述读入的步骤202中，读入一提供到所述可加热元件上的用于维 持所述可加热元件的一预先确定的温度的热功率的值。在所述确定的步骤204中，在应用 所述热功率的值的前提下确定在所述可加热元件上的所述气体的气体组成。
[0031] 所描述的并且在附图中所示的实施例仅是示例性地选择的。不同的实施例可以完 全地或者关于单个的特征相互组合。一个实施例也可以通过其他实施例的特征来补充。此 夕卜，可以重复根据本发明的方法步骤以及以不同于在所描述的顺序进行实施。
[0032] 如果一实施例包含在第一特征和第二特征之间的"和/或"关联，则应该理解为， 所述实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，并且根据另一种实施 方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。
【权利要求】
1. 用于分析在一用于拉姆达探头（102)的可加热兀件（106)上的气体（108)的方法 (200)，其中，所述方法（200)具有下列步骤： 读入（202)-提供到所述可加热元件（106)上的用于维持所述可加热元件（106)的一 预先确定的温度的热功率的值；并且 在使用所述热功率的值的前提下，确定（204)在所述可加热元件（106)上的所述气体 (108)的气体组成。
2. 按照权利要求1所述的方法（200)，其中，在所述读入的步骤（202)中，读入一布置 在一燃烧排气（108)中的可加热元件（106)的热功率的值，和/或在所述确定的步骤（204) 中确定所述气体（108)的燃烧空气比。
3. 按照前述权利要求中任一项所述的方法（200)，其中，在所述读入的步骤（202)中， 在使用一在所述可加热元件（106)上下降的电压和一通过所述可加热元件（106)的电流来 获知所述热功率的值。
4. 按照前述权利要求中任一项所述的方法（200)，其中，具有一提供用于所述可加热 元件（106)的热功率的步骤，直到所述可加热元件（106)的电阻的值位于一围绕一配属于 预先确定的温度的额定电阻的值的公差范围中，其中，当所述电阻的值位于围绕所述额定 电阻的值的公差范围内时，进行所述读入的步骤（202)。
5. 按照前述权利要求中任一项所述的方法（200)，其中，在所述读入的步骤（202)中还 读入一在所述可加热元件（106)上的所述气体（108)的温度的值，其中，在所述确定的步骤 (204)中，还在使用所述温度的值以及在所述温度和所述热功率之间的关联的前提下确定 所述气体组成。
6. 按照前述权利要求中任一项所述的方法（200)，其中，在所述读入的步骤（202)中还 读入一在所述可加热元件（106)上的所述气体（108)的流动速度，其中，在所述确定的步骤 (204)中，还在使用所述流动速度的值以及在所述流动速度和所述热功率之间的关联的前 提下确定所述气体组成。
7. 按照权利要求6所述的方法（200)，其中，在所述读入的步骤（202)中在使用通过一 已知的流动横截面的所述气体（108)的质量流的前提下获知所述流动速度。
8. 用于分析在一用于拉姆达探头（102)的可加热元件（106)上的气体（108)的控制器 (104)，其中，所述控制器（104)具有下列特征 ： 一用于读入一提供到所述可加热元件（106)上的用于维持所述可加热元件（106)的一 预先确定的温度的热功率的值的装置（112);以及 一用于在使用所述热功率的值的前提下确定在所述可加热元件（106)上的所述气体 (108)的气体组成的装置（114)。
9. 用于分析气体（108)的设备（100)，其中，该设备（100)具有下列特征： 一具有一用于布置在一排气流（108)中的可加热兀件（106)的拉姆达探头（102);以及 一按照权利要求8所述的控制器（104)。
【文档编号】F23N5/00GK104062341SQ201410099611
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】D.孔茨, K.萨纳, P.诺尔特 申请人:罗伯特·博世有限公司