运行用于机动车的以确定废气成分的传感器的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种运行用于机动车的以确定废气成分的传感器的方法和装置，传感器(7)在内燃机(1)的排气系统中设置用于检测包含在废气流中的排放物、尤其氮氧化物、氨、氧气和/或碳烟，其中，废气流在测量阶段期间作用于传感器(7)。在测量阶段之间至少很大程度上使传感器(7)保持免于废气流，其中，测量阶段的持续时间和/或频率可根据内燃机(1)和/或废气调节系统的运行参数调节。在测量阶段之后直接以处于压力下的冲洗气体来加载围绕传感器(7)的测量室(6)，由此将存在于测量室中的废气从测量室挤压到废气流中。
【专利说明】运行用于机动车的以确定废气成分的传感器的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于运行尤其用于机动车的用于确定废气成分的传感器、尤其NOx传感器的方法以及根据权利要求11的前序部分的用于运行这样的传感器的装置。
【背景技术】
[0002]除了固体颗粒之外氮氧化物属于限制的废气成分，其在燃烧过程期间产生并且其允许的排放总是进一步被降低。为了在机动车中运行的内燃机中使这些废气成分最小化，现在使用不同的方法。借助于催化系统可实现氮氧化物的减少，其中，在富含氧气的废气中附加地使用还原剂。该方法以综合概念SCR方法已知，其中，SCR代表“选择性催化还原”。这样的方法的详尽的描绘可由文件DE 34 28 232 Al得悉。
[0003]在实际应用中使用成固体或溶液形式的氨或释放氨的化合物(如尿素或甲酸铵)作为还原剂。
[0004]为了能够执行有效的催化还原、例如利用针对性地添加尿素，需要借助于NOx传感器进行NOx排放的确定。在文件DE 101 00 420 Al中说明一种用于控制废气后处理系统的方法，在其中根据内燃机和/或废气后处理系统的状态来供给可预设的还原剂量。
[0005]所使用的NOx传感器相对于碱性金属和碱土金属非常敏感，其被它们不可逆地损坏。碱性金属和碱土金属经由燃料和发电机油到达废气中并且从那里与布置在排气系统中的NOx传感器相接触。尤其在应用重油(如其应用在大型船用发动机中那样)的情况下，大量金属到达排气系统中，其导致安装在那里的NOx传感器的损坏。
[0006]由文件US 2005/0262833 Al已知一种用于运行NOx传感器的方法，在其中NOx传感器仅暂时暴露于在排气道的旁通管路中的废气流。在测量间歇中建立与环境空气的连接。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于说明一种尽可能有效的用于运行在内燃机、尤其机动车的内燃机的排气系统中的用于确定废气成分、尤其用于确定传感器的方法，利用其可延长传感器的使用寿命。
[0008]利用在权利要求1中所说明的特征来获得该目的的解决方案。根据本发明的方法的特别有利的改进方案在从属权利要求中公开。
[0009]根据权利要求1设置成，在测量阶段之后直接以处于压力下的冲洗气体(Spuelgas)来加载围绕传感器、尤其NOx传感器的测量室，由此将存在于测量室中的废气从测量室挤压到废气流中。废气流仅在预设的测量阶段期间作用于传感器、例如NOx传感器，其中，在测量阶段之间使传感器免于废气。测量阶段的持续时间和/或频率在此优选地可根据内燃机的运行参数调节。对于在较长时间段上以恒定负荷和转速运行的内燃机，在较大的时间间隔中的测量阶段足以使得对于在测量阶段之间相对大的时间段传感器不暴露于废气负载，由此实现其使用寿命的显著提升。而如果内燃机处于可变的运行状态中、即在非稳态的运行中，可设置有短暂地相继出现的测量阶段。但是原则上也存在将所设置的测量阶段延长成使得关键的运行状态连续地被传感器监控的可能性。由此可将用于运行传感器的方法与相应的要求匹配成使得即使在内燃机的不同的运行状态中也可靠地且全面地检测对于废气后处理必需的测量数据。
[0010]在此特别有利的是，在测量阶段之间、尤其以短的测量间歇(在其中它不暴露于废气流)利用冲洗气体、优选地利用空气使传感器免于围绕它的废气。由此保证，在测量间歇中尽可能没有有害的废气成分作用于传感器并且实现长时间特性的改善。
[0011]在根据本发明的方法中也可设置成，在标定阶段中将标定气体输入到围绕传感器的测量室中。该标定可以以较长的时间间隔来进行，以便例如能够通过传感器的标定来平衡测量特性的取决于运行持续时间的改变。
[0012]供给冲洗气体至传感器可借助于鼓风机或压缩机实现。如果使用空气作为冲洗气体，可从压缩机(尤其如果其为了内燃机的增压反正存在)的空气流取出该空气。
[0013]测量阶段的持续时间和/或频率也可根据内燃机的排气系统实现，其中，优选地整个系统的状态被用于控制测量阶段的持续时间和/或频率。通过考虑整个系统的不同参数，可实现测量阶段的持续时间和/或频率的非常精确的确定，以便一方面获得有说服力的且尽可能精确的测量结果而另一方面但是不必设置长的且经常出现的测量阶段。由此可以以最佳的方式对于传感器实现高的测量精度和长的使用寿命。
[0014]在监控整个系统以确定测量阶段的持续时间和频率时相应可考虑内燃机的当前的或者还相区别的参数，如喷射压力、喷射开始、增压压力、增压空气温度、点火的气缸的数量、涡轮增压器转速、未处理排放物、喷射的数量，和/或排气系统的参数，如废气温度、催化器温度、所使用的燃料、所供给的还原剂量。
[0015]为了在测量阶段中尽可能快速地以废气加载传感器，在测量阶段期间在传感器的方向上抽吸废气可以是适宜的。这可经由在内燃机的新鲜空气抽吸侧与测量室之间的流动技术上的连接被设置在新鲜空气过滤器下游且在可能存在的压缩机上游。由于在该部位处在运行期间存在负压，废气被抽吸到测量室中并且接下来到新鲜空气管道中。为了在此避免由于硫化合物、如硫酸或含硫的酸而导致在发动机处的腐蚀，硫捕集器(Schwefelfalle)可集成到在内燃机的新鲜空气抽吸侧与测量室之间的流动技术上的连接中，以便从废气中过滤出氧化硫。
[0016]根据一特别优选的实施形式提出，借助于喷射泵(常常也称为喷射器或喷射式泵)或文丘里喷嘴来实现将废气抽吸到测量室中并且使用压缩空气或者在增压的内燃机中压缩的增压空气作为驱动介质。通过使测量室在流动技术上与空气喷射泵或文丘里喷嘴的抽吸侧相连接，借助于驱动介质(来自任何其它合适的压力介质源的增压空气或压缩空气)可将废气抽吸到测量室中。
[0017]本发明另外的目的在于提供一种用于运行在排气系统中的传感器、尤其NOx传感器的装置，利用其能够实现保护传感器的运行方式。
[0018]利用权利要求11的特征来获得该另外的目的的解决方案。根据本发明的装置的特别有利的改进方案在回引于此的从属权利要求中公开。
[0019]根据权利要求11，传感器布置在测量室中，测量室相对于内燃机的排气道具有屏蔽装置，其中，借助于输送装置、优选地借助于泵、压缩机或其它压力产生器，冲洗气体经由气体通道可引入测量室中。屏蔽装置就此而言用于，在测量间歇中引入测量室中的冲洗气体将存在于测量室中的气体从测量室中挤出，使得传感器在测量间歇中免于来自废气成分的有害影响。由此对于传感器产生总体上非常柔和的运行，其因此具有比如果传感器持久地暴露于有害废气成分明显更长的使用寿命。
[0020]透气的膜片可用作屏蔽装置，其表示在测量室与邻接于此的排气道之间的透气的屏蔽。透气的膜片因此在将测量室与排气道连接的开口上延伸。如果现在将冲洗气体引入测量室中，则冲洗气体将位于测量室中的废气挤压通过透气的膜片，由此传感器位于测量间歇中。如果现在结束将冲洗气体引入测量室中，废气又可挤入测量室中，从而可执行测量。
[0021]测量室但是也可构造为可完全与废气流分离的测量室，其仅在测量阶段期间被打开以引入废气。这样的测量室可由两个同心布置的、穿孔的柱体来形成，其通过相互旋转对于废气流可透过或不可透过。借助于两个同心柱体构造测量室得到对于可隔绝废气流的测量室非常简单的且运行可靠的结构。
[0022]抽吸装置可联接到测量室处，其在测量阶段期间将废气抽吸到测量室中。优选地经由在发动机的新鲜空气抽吸侧与测量室之间的流动技术上的连接实现抽吸。
[0023]为了没有废气中的硫化合物经由发动机的新鲜空气抽吸侧被从测量室抽吸至发动机，在发动机的新鲜空气抽吸侧与测量室之间可布置有滤筒(Filterkartusche)。这样的滤筒也可被称为硫捕集器，其包含适合于结合废气中的氧化硫的化合物，如Ca (OH) 2、活性炭或CaO。
[0024]测量室(传感器位于其中)可以以非常有利的方式还经由气体通道以具有限定的浓度的标定气体来加载。由此可以以优选地较大的时间间隔来标定传感器，以便实现由于长时间影响所谓的传感器漂移(Sensordrift)的平衡。可与排气道隔绝的测量室在此同样具有该优点，即仅需要少量标定气体以便以标定气体填充相应小尺寸的测量室。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]接下来根据在附图中所示的实施例来详细阐述本发明。其中:
图1显示带有废气后处理系统(传感器联接到其处)的内燃机的示意性的图示，
图2a显示传感器布置在连接到排气道处的测量室中，
图2b显示根据备选的设计方案传感器布置在连接到排气道处的测量室中，
图3显示在排气道中形成的带有传感器的测量室，
图4显示沿着在图3的测量室(其由两个布置到彼此中的柱体形成)的区域中的剖线AA的剖视图，以及
图5显示沿着如在图4中的剖线AA的剖视图，然而带有旋转了 90度的内柱体。【具体实施方式】
[0026]在图1中示例性地显示带有废气涡轮增压器2的内燃机1，通向SCR催化器3的排气道4联接到废气涡轮增压器2处。在SCR催化器3下游存在排气道5，带有NOx传感器7的测量室6邻接到其处。例如可将以固体或溶液形式的释放氨的化合物、如尿素或甲酸铵作为还原剂输送到SCR催化器3上游。
[0027]测量室6如在图2a中详细所示在流动技术上与排气道5经由透气的膜片8相连接。为了能够将冲洗气体、空气或者标定气体引入测量室6中，到测量室6处联接有气体管路9，经由其例如可将空气根据箭头方向10经由可控制的阀11作为冲洗气体输入。使空气在属于涡轮增压器2的压缩机12的出口侧分岔且在阀11打开时到达测量室6中。压缩机12这里用作压力产生器并且是废气涡轮增压器2的部分，其由内燃机I的废气经由涡轮增压器2的涡轮13来驱动。
[0028]在图1的实施例中可经由可控制的第二阀14将标定气体经由气体管路9输入测量室6中。在该情况中阀11关闭。标定气体具有预设的NOx浓度，由此例如当由NOx传感器所检测的测量值与输入的NOx浓度的实际值偏离时可来确定对NOx传感器的修正系数。
[0029]在图2a中放大地示出测量室6邻接到排气道5处的区域。与未详细示出的测量系统电气连接的NOx传感器7伸入测量室6中。此外，在图1中示出的气体管路9和另外的抽吸管路15联接在测量室处。测量室6通过形成屏蔽装置的透气膜片8与在箭头方向16上流过排气道5的废气流暂时隔绝。
[0030]如果经由气体管路9将空气或其它冲洗气体根据箭头方向17输入测量室6中，其中，抽吸管路15被关闭的阀18闭锁，这导致，存在的废气从测量室6中通过膜片8被挤压到排气道5中。在测量室6中那么仅还存在空气或冲洗气体，使得NOx传感器7免于有害的废气影响。该状态在测量间歇中被维持直到跟着有用于测量NOx浓度的测量阶段。为了引入测量阶段在根据图2a所示的实施例中经由抽吸管路15在阀18打开时通过膜片8将废气抽吸到测量室6中。气体管路9在测量阶段期间闭锁。通过将废气抽吸到测量室6中实现，快速完全地以废气来加载废气传感器7。现在在所设置的测量阶段的持续时间上实现NOx浓度的测量。
[0031]测量阶段的持续时间和频率可根据内燃机和/或废气后处理系统的运行状态来调节或改变。
[0032]一旦执行NOx测量，就结束测量阶段。在此首先将阀18关闭且然后经由气体管路9将空气或者其它冲洗气体输入测量室6中。
[0033]图2b显示备选于图2a的设计方案，在其中借助于喷射泵24(备选地也可设置有基于同一作用原理的文丘里喷嘴组件)实现将废气抽吸到测量室6中且使用压缩空气或者如这里示例性所示在增压的内燃机中压缩的增压空气10作为驱动介质。压缩空气或者压缩的增压空气10以尽可能高的速度从驱动喷嘴25离开，由此根据伯努利定律产生动态的压降，其引起将废气(相应箭头27)抽吸到喷射泵24中，由此还将废气吸入测量室6中。具体地，在喷射泵24的混合腔26中由压缩空气或增压空气10形成的驱动射束(Treibstrahl)打到废气上，由此加速和带走废气。因为废气在混合腔26中被加速，产生抽吸作用，其经由这里构造为抽吸接管的抽吸管路15继续输送另外的废气。必要时对于进一步的压力上升后置有扩散器29。离开喷射泵24的混合流30然后例如又可被输送给排气系统或者另外使用。
[0034]图3显示测量室19的优选的实施方案，其布置在排气道5中并且由两个同心地布置到彼此中的穿孔的柱体20、21来形成。NOx传感器7伸到测量室19中。气体管路9联接到测量室19处，经由其可将空气或冲洗气体或标定气体导引到测量室19中。气体管路9借助于可控制的阀11可闭锁。
[0035]外柱体20和内柱体21在所示出的实施例中分别具有偏移180度布置的孔22、23(图4)。在图3中这些孔22、23如在图4的剖视图中那样不齐平地布置，使得测量室19对于废气流闭锁。内柱体21然而根据示出的双箭头可旋转90度到在图5中示出的位置中。在该位置中孔22、23齐平，使得废气流的一部分可流入且通过测量室19。在根据图5的位置中测量室19对于废气流敞开，使得NOx传感器7可进行NOx浓度的测量。而如果内柱体21位于如其在图4中所示的位置中，该系统处于测量间歇中，在其中冲洗气体经由气体管路9可被引入测量室19中。
[0036]这里未示出的另外的抽吸管路可联接到测量室19处，以便在测量室19关闭时能够经由气体管路9无阻碍地引入气体。柱体20、21但是也可具有透气的区域，以便能够以冲洗气体加速执行冲洗过程。
[0037]前述的根据本发明的实施形式仅示例性地根据NOx传感器来详细说明。但是本发明不限于此并且不仅可被用于提高NOx传感器的使用寿命、而且可被用于提高其它的用于确定废气成分的传感器的使用寿命。对此其中还有NH3传感器、Lambda传感器和碳烟传感器，仅列举一些不例。
【权利要求】
1.一种用于运行传感器(7)的方法，所述传感器(7)在内燃机(I)的排气系统中设置用于检测包含在废气流中的排放物、尤其氮氧化物和/或氨和/或氧气和/或碳烟，其中，所述废气流在测量阶段期间作用于所述传感器(7)并且在所述测量阶段之间至少很大程度上使所述传感器(7)保持免于所述废气流，其特征在于，在测量阶段之后直接以冲洗气体、优选地以处于压力下的冲洗气体来加载围绕所述传感器(7)的测量室(6)，由此将存在于所述测量室中的废气从所述测量室中挤压到所述废气流中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用空气作为冲洗气体。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，在标定阶段中以标定气体来加载所述传感器(7)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助于鼓风机或借助于压缩机将所述冲洗气体输入所述测量室(6)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述内燃机的废气涡轮增压器(2)的压缩机(12)的压力侧处取出所述冲洗空气。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量阶段的持续时间和/或频率根据所述内燃机(I)和/或废气后处理系统的当前的或区别的运行参数来确定，尤其根据喷射压力和/或喷射开始和/或增压压力和/或增压空气温度和/或点火的发动机气缸的数量和/或涡轮增压器转速和/或相应所观察的废气成分的未处理排放和/或喷射的数量和/或废气温度和/或催化器温度和/或所使用的燃料和/或所供给的还原剂量来确定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述测量阶段中将废气抽吸到所述测量室(6)中。
8.根据权利要求 7所述的方法，其特征在于，在所述发动机的新鲜空气抽吸侧上应用负压的情况下实现将废气抽吸到所述测量室中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，经过所述测量室(6)抽吸至所述发动机的新鲜空气抽吸侧的所述废气被引导经过硫捕集器，尤其被引导经过具有适合于结合废气中的氧化硫的化合物、优选地Ca(0H)2、活性炭或CaO的硫捕集器，借助于其使所述废气流至少部分地免除硫化合物。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，借助于喷射泵(24)或文丘里喷嘴实现将废气抽吸到测量室(6)中并且使用压缩空气或者在增压的内燃机中压缩的增压空气(10)作为驱动介质。
11.一种尤其用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的带有传感器(7)的装置，所述传感器(7)在内燃机(I)的废气调节系统中设置用于检测包含在废气流中的排放物，其特征在于，所述传感器(7)布置在借助于至少暂时透气的屏蔽装置与废气流隔绝的测量室(6)中，并且经由气体通道(9)借助于输送装置和/或压力发生器(12)能够将冲洗气体引入所述测量室出)中。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在测量室(6)与排气道(5)之间布置有透气的膜片(8)作为屏蔽装置。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，为了所述传感器的屏蔽，同心地布置的柱体(20，21)形成所述测量室 19)，所述柱体(20，21)在其柱体壁中具有孔(22，23)或其它穿孔作为能够可变地关闭的通过口。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，抽吸管路(15)联接到所述测量室(6)处，经由其所述废气能够抽吸到所述测量室(6)中。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述抽吸管路(15)经由可控制的阀(18)可与所述内燃机(I)的新鲜空气抽吸侧连接，尤其借助于喷射泵(24)或文丘里喷嘴实现将废气抽吸到所述测量室(6)中并且使用压缩空气或者在增压的内燃机中压缩的增压空气(10)作为驱动介质，并且/或者经由所述抽吸管路(15)所抽吸的废气通过用作硫捕集器的过滤装置流动至所述内燃机(I)的新鲜空气抽吸侧。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其特征在于，经由气体管路(9)能够将标定气体引入所述测量室出；19)中。
17.一种车辆、尤其商用车，其带有用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的根据权利要求11至16中任一项所述的装置。
【文档编号】F01N3/10GK103808782SQ201310549969
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2012年11月9日
【发明者】A.德林 申请人:曼卡车和巴士股份公司