专利名称：用于传感器的温度保持系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度保持系统，更具体地，涉及一种用于传感器的温度保持系统。
背景技术：
包括柴油发动机、汽油发动机、天然气发动机的发动机和本领域已知的其他发动 机通常产生含有各种污染物的排放物。这些污染物可包括例如颗粒物质、诸如NO和N02的 氮氧化物(N0X)以及含硫化物。特别是由于对环境关注的不断增加，废气排放物标准变得 更加严格。发动机排放的颗粒物质和气体污染物的量根据发动机的种类、尺寸和/或等级 进行规定。为了满足这些排放物标准，发动机制造商们已经在多种不同的发动机技术(例 如燃料喷射器、发动机管理和空气引进等技术)中进行了改进。另外，发动机制造商们已经 开发了在发动机废气离开发动机后对其进行处理的装置。废气处理装置的性能以及发动机的性能可通过确定被释放到大气之前的发动机 废气中的排放物的量来评估。可采用各种感测装置来确定这些排放物水平。感测装置通常 具有一最佳温度，在该最佳温度，感测装置能够最精确地进行操作。然而，该最佳温度可能 与离开发动机的废气的温度不同。Hada等人的美国专利No. 6341599 ( ‘599专利)描述了试图将废气传感器保持在 其最佳温度的一种这样的系统。‘599专利公开了一种具有主废气通道的发动机系统。传感 器位于主废气通道中以感测废气中的氧气及一氧化碳的浓度。另外，在传感器中设置加热 元件来将传感器保持在最佳温度。该最佳温度是传感器能够提供氧气和一氧化碳水平的最 精确读数的温度。尽管‘599专利中描述的传感器可以试图将传感器保持在其最佳温度，但此设计 容易不准确。特别地，‘599专利的传感器将传感器加热到希望温度，但没有对与传感器接 触的废气的温度进行处理。与传感器接触的废气的温度会通过增加或减小传感器的温度抵 消加热元件的效果，由此影响传感器的精度。另外，‘599专利中描述的设备会不利地影响发动机和废气处理装置的操作。具体 来说，加热元件和传感器装置都位于废气流中。这种结构可能阻碍废气的流动并增加作用 在发动机上的背压，由此不利地影响发动机的性能。此外，因为加热元件位于主废气通道 内，所以可能影响进入废气处理装置的废气的温度，这可能造成废气处理装置不能最佳地 操作。本发明的系统旨在克服上述的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种感测系统。该感测系统包括能够使流体从主通道转 向的旁路。另外，感测系统包括位于旁路内并能够感测流体内所含成分浓度的流体传感器。 感测系统还包括能够向流体传感器传递热能的第一加热器。此外，该感测系统包括能够感 测指示流体传感器温度的参数的第一温度传感器。感测系统进一步包括能够响应于感测到的指示流体传感器温度的参数调节第一加热器。根据本发明的另一方面，提供一种用于感测流体内所含成分浓度的方法。该方法 包括使流体从主流体流转向并且感测指示流体感测装置温度的第一参数。该方法还包括感 测指示被转向流体温度的第二参数。另外，该方法包括响应于感测到的第一参数调节流体 感测装置的温度，使得流体感测装置的温度与希望温度基本相同。此外，该方法包括响应于 感测到的第二参数调节被转向流体的温度，使得被转向流体的温度与希望温度基本相同。 该方法进一步包括在流体感测装置和被转向流体的温度与希望温度基本相同时感测指示 被转向流体内所含成分浓度的第三参数。
图1是一种示例性公开的功率源和相关联的废气系统的示意图；图2是用于图1的废气系统的感测系统的示意图；和图3是一种用于保持废气和图2的感测系统的废气传感器的温度的示例性方法的 流程图。
具体实施例方式图1示出了一种示例性的功率源10，其包括具有相互配合以产生机械或电功率输 出的多个子系统的内燃机。为了公开的目的，功率源10被描绘和描述为四冲程柴油发动 机。然而，本领域技术人员将会认识到，功率源10可以是任何其他类型的内燃机，例如柴油 发动机或气体燃料发动机。包括在功率源10内的一个子系统可以是废气系统12。包括在 功率源10内的其他子系统可以是例如燃料系统、空气引进系统、润滑系统、冷却系统或者 任何其它合适的系统(未示出)。废气系统12可去除或减少由功率源10产生的废气中的污染物的量并将经处理的 废气释放到大气中。废气系统12可包括废气通道14，其可与功率源10的废气歧管16流 体连通。废气系统12还可包括传感器系统20和流体连接到废气通道14的废气处理装置 18。废气处理装置18例如可以是催化装置、颗粒捕集装置、扩散装置或者能够从流经废气 通道14的废气去除污染物的任何装置。尽管废气系统12被示出为仅包括一个废气处理装 置18，但可以想到，如果希望，废气处理系统12可以包括多个废气处理装置18。还可以想 到传感器系统20可以位于废气处理装置18的上游或下游。可以进一步想到废气处理系统 可包括多个传感器系统20。图2示出了一种示例性传感器系统20，其可以将流经废气通道14的废气的一部分 转向并感测废气中成分的浓度。这些成分可包括例如颗粒物质、N0X、含硫化物或者可在废 气中找到的任何其他种类的排放物。传感器系统20可包括旁路22、阀24、用于将热能传递 至流经旁路22的废气的废气加热元件26、用于感测废气中成分浓度的废气传感器28、用于 将热能传递至废气传感器28的传感器加热元件30、以及用于调节阀24、废气加热元件26 和传感器加热元件30的控制器32。旁路22可将来自废气通道14的一部分废气传送通过传感器系统20。另外，旁路 22可包括废气可进入传感器系统20的入口端口 34和废气可离开传感器系统20的出口端 口 36。另外，旁路22可由可阻止和/或减少热能向旁路22内外传输的隔热材料制成或者衬有这种隔热材料。这种隔热材料例如可包括热阻陶瓷、泡沫体或者能够使旁路22隔热的 任何其它材料。阀24可在入口端口 34的下游和废气加热元件26的上游定位在旁路22内，并且 可调节经过传感器系统20的废气的流量。另外，阀24可以是任何种类的阀，例如蝶阀、隔 膜阀、闸阀、球阀、球心阀或者本领域已知的任何其它阀。此外，阀24可经通信线38与控制 器32通信，并且可以被螺线管致动、液压致动、气体致动或者以任何其他方式致动，以选择 性地限制经过旁路通道22的废气的流量。可以想到，如果希望可以省略阀24。废气加热元件26可将流经旁路22的废气加热到希望温度，该希望温度可以与废 气传感器28最精确地操作所在的温度基本相同。废气加热元件26可以以废气可以与废气 加热元件26直接接触并流经废气加热元件26的方式在阀24下游且在废气传感器28上游 连接到旁路22的内表面。由于废气加热元件26直接暴露于废气，因此废气加热元件26可 能由于废气中所含的一些成分的腐蚀性而容易腐蚀。为了防止这种腐蚀，设想将废气加热 元件26涂覆具有高传热性能的防腐蚀材料。另外，废气加热元件26可包括在接收电流时 可产生热量的线圈绕组(未示出)。这种电流可自控制器32或任何其他合适的源供应至废 气加热元件26，使得废气加热元件26的温度提高。此外，废气加热元件26可经通信线40 与控制器32通信。在一种替代实施方式中，废气加热元件26可基本环绕旁路22并可将热能经旁路 22的壁传递至废气。在这种实施方式中，可以通过省去旁路22与废气加热元件26接触处 的隔热材料来允许热能经过旁路22的壁传递。温度传感器42可在废气加热元件26的下游位于旁路22内。温度传感器42的精 确位置可以选择成使得温度传感器42可感测指示流经或邻近废气传感器28的废气的温度 的参数。另外，温度传感器42可以例如是热电偶、热敏电阻或能够将指示废气温度的信号 发送给控制器32的任何其他种类的温度感测装置。此外，温度传感器32可经通信线44与 控制器32通信。废气传感器28可感测指示废气内所含成分的量的参数。该成分例如可包括颗粒 物质、N0X、含硫化物或者废气内含有的任何其他排放物。另外，废气传感器28可在出口端 口 36上游安装在旁路22上。废气传感器28的至少一部分可延伸穿过旁路22的壁进入废 气流中。为了承受旁路22中的高温，废气传感器28例如可由陶瓷类的金属氧化物或者任 何其它合适的材料构建。废气传感器28可针对废气中所含的成分对废气进行取样并将感 测的值转换成指示其中的成分水平的信号。这种信号可沿着通信线46传输至控制器32。传感器加热元件30可连接到废气传感器28并可将废气传感器28加热至希望温 度，该希望温度可与废气传感器28最精确地操作时所处的温度基本相同。传感器加热元件 30可包括能够在接收电流时产生热量的线圈绕组(未示出)。电流可自控制器32或任何 其它合适的源供应至传感器加热元件30，使得传感器加热元件30的温度提高。另外，传感 器加热元件30可以经通信线48与控制器32通信。温度传感器50可连接到废气传感器28。温度传感器50可感测指示废气传感器 28温度的参数并且可以是任何的温度感测装置，例如热电偶、热敏电阻或者能够将指示传 感器50温度的信号发送至控制器32的任何其他的温度感测装置。另外，温度传感器50可 经通信线52与控制器32通信。
控制器32可响应于从温度传感器42和50接收的温度信号调节阀24、废气加热元 件26和传感器加热元件30。阀24、废气加热元件26和传感器加热元件30的调节可将废 气传感器28保持在与希望温度基本相同的温度。该希望温度可以是废气传感器28最精确 地操作时所处的温度。在接收到温度信号时，控制器32可将废气和废气传感器28的当前 温度与存储在控制器32中或可由控制器32访问的算法、等式、表格或曲线进行比较，以确 定将废气传感器28和废气的温度保持在希望温度的行动步骤。该行动步骤可以包括例如 将阀24设定到特定位置，增加或减小废气加热元件26的热量输出，以及增加或减小传感器 加热元件30的热量输出。控制器32可采用任何形式，例如基于计算机的系统、基于微处理器的系统、微控 制器或者任何其它合适的控制类线路或系统。另外，控制器32可包括用于运行被设计用来 调节阀24、废气加热元件26和传感器加热元件30的应用软件的各种部件。例如，控制器 32可包括中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、输入/输出(I/O)元件等。图3示出了传感器系统20的操作，将在下一部分中予以讨论。特别地，图3示出 了一种用于将废气传感器28保持在希望温度的示例性方法。工业实用性本发明的传感器系统可精确地检测废气中所含的成分的量。特别地，本发明的传 感器系统可将传感器和流经传感器的废气保持在与希望温度基本相同的温度。该希望温度 可以是传感器最精确地操作时所处的温度。现在解释传感器系统20的操作。图3示出了描述一种用于将废气传感器28保持在希望温度的示例性方法的流程 图。该方法可在温度传感器42和50可感测指示废气传感器28和流经废气传感器28的废 气的温度的参数时开始(步骤200)。在分别经通信线44和52从温度传感器42和50接收 温度信号时，控制器32可确定废气传感器28和流经废气传感器28的废气的温度是否与希 望温度基本相同(步骤202)。该希望温度可以是废气传感器28最精确地检测废气中的成 分的量时所处的温度。例如，如果废气传感器28被构造成感测废气中N0X的量，则在废气 传感器28的温度接近800摄氏度时其可以最精确地检测N0X的量。如果控制器32确定废气传感器28和流经废气传感器28的废气的温度与希望温 度基本相同(步骤202 是)，则废气传感器28可感测指示废气中所含的成分的量的参数 (步骤204)。在感测到这种参数时，废气传感器28可向需要该数据的任何装置传输信号。 另外，步骤200可重复(即，温度传感器42和50可感测指示废气传感器28和流经废气传 感器28的废气的温度的参数)。如果控制器32确定废气传感器28或流经废气传感器28的废气的温度并不与希 望温度基本相同(步骤202 否)，则控制器32可确定流经废气传感器28的废气的温度是 否低于希望温度(步骤206)。如果控制器32确定废气的温度低于希望温度(步骤206 是)，则控制器32可引用控制器32中存储或其可访问的各种算法、等式、表格或者曲线来 确定并执行行动步骤，以提高废气的温度(步骤208)。例如，控制器32可增加废气加热元 件26产生的热量，致动阀24来减小经过旁路22的废气流量，或者其任意组合。在确定并 执行行动步骤后，可重复步骤200 (即，温度传感器42和50可感测指示废气传感器28和流 经废气传感器28的废气的温度的参数)。如果控制器确定废气的温度不低于希望温度(步骤206 否)，则控制器32可确定流经废气传感器28的废气的温度是否高于希望温度(步骤210)。如果控制器32确定废气的温度高于希望温度(步骤210 是)，则控制器32可引用控制器32中存储或其可访问的 各种算法、等式、表格或者曲线来确定并执行行动步骤，以降低废气的温度(步骤212)。例 如，控制器32可减小废气加热元件26产生的热量，致动阀24来增加经过旁路22的废气流 量，或者其任意组合。在确定并执行行动步骤后，可重复步骤200(即，温度传感器42和50 可感测指示废气传感器28和流经废气传感器28的废气的温度的参数)。如果控制器确定废气的温度并不高于希望温度(步骤210 否)，则控制器32可确 定废气传感器28的温度是否低于希望温度(步骤214)。如果控制器32确定废气传感器 28的温度低于希望温度(步骤214 是)，则控制器32可引用控制器32中存储或其可访问 的各种算法、等式、表格或者曲线来确定并执行行动步骤，以提高废气传感器28的温度(步 骤216)。例如，控制器32可增加传感器加热元件30产生的热量，致动阀24以减小经过旁 路22的废气流量，或者其任意组合。在确定并执行行动步骤后，可重复步骤200 (即，温度 传感器42和50可感测指示废气传感器28和流经废气传感器28的废气的温度的参数)。如果控制器确定废气传感器28的温度高于希望温度(步骤214 否)，则控制器32 可引用控制器32中存储或其可访问的各种算法、等式、表格或者曲线来确定并执行行动步 骤，以降低废气传感器28的温度(步骤218)。例如，控制器32可减小传感器加热元件30 产生的热量，致动阀24以增加经过旁路22的废气流量，或者其任意组合。在确定并执行行 动步骤后，可重复步骤200 (即，温度传感器42和50可感测指示废气传感器28和流经废气 传感器28的废气的温度的参数)。本发明的传感器系统可提高传感器执行的排放物水平读数的精度。特别地，当废 气流经废气传感器时，将废气的温度保持在希望温度可防止废气不利地影响传感器的温 度。因此，传感器可更有可能保持在其希望温度，从而提高传感器系统的精度。另外，从废气的少量取样中感测废气中不希望的排放物的量可减少传感器系统对 发动机和/或废气处理系统操作的任何不利影响。特别地，由于加热元件和传感器装置都 位于主废气流外，它们对主流中的废气流的影响可以最小化。这可减少在废气流中产生的 背压的量，由此提高发动机性能。另外，仅加热流经废气处理装置的废气的一部分可最小地 影响流经废气处理装置的废气流的总体温度。这可使感测系统可能对任何废气处理装置的 性能的任何不利影响最小化。本领域技术人员可以认识到，可以对公开的系统进行各种修改和变型，而不脱离 本发明的精神。通过考虑这里公开的说明书可以清楚其他实施方式。说明书和例子仅应当 被认为是示例性的，本发明的真正范围由权利要求及其等同范围指明。
权利要求
一种感测系统(20)，包括旁路(22)，其能够使流体从主通道(14)转向；流体传感器(28)，其位于所述旁路内并能够感测所述流体内所含成分的浓度；第一加热器(26)，其能够向所述流体传感器传递热能；第一温度传感器(42)，其能够感测指示所述流体传感器的温度的参数；和控制器(32)，其能够响应于感测到的指示所述流体传感器的温度的参数调节所述第一加热器。
2.根据权利要求1所述的感测系统，还包括能够向流经所述旁路的流体传递热能的第 二加热元件(30)。
3.根据权利要求2所述的感测系统，还包括第二温度传感器(50)，其能够感测指示流 经所述旁路的流体的温度的参数。
4.根据权利要求3所述的感测系统，其中，所述控制器能够响应于感测到的指示流经 所述旁路的流体的温度的参数调节所述第二加热元件。
5.根据权利要求4所述的感测系统，其中，所述控制器能够调节所述第一加热器和第 二加热元件，使得所述流体传感器的温度和流经所述旁路的所述流体的温度与所述流体传 感器最精确地感测所述流体中的成分浓度时所处的温度基本相同。
6.根据权利要求5所述的感测系统，还包括位于所述旁路内并能够调节所述流体经过 所述旁路的流速的阀(24)。
7.根据权利要求6所述的感测系统，其中，所述控制器能够响应于感测到的指示所述 流体传感器的温度的参数调节所述阀。
8.一种用于感测流体内所含成分浓度的方法，包括 使流体从主流体流转向；感测指示流体感测装置(28)的温度的第一参数； 感测指示所述被转向流体的温度的第二参数；响应于感测到的所述第一参数调节所述流体感测装置的温度，使得所述流体感测装置 的温度与希望温度基本相同；响应于感测到的所述第二参数调节所述被转向流体的温度，使得所述被转向流体的温 度与所述希望温度基本相同；和在所述流体感测装置和所述被转向流体的温度与所述希望温度基本相同时感测指示 所述被转向流体内所含成分浓度的第三参数。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括响应于感测到的所述第一参数和感测到的所述 第二参数调节所述被转向流体的流速，使得所述流体感测装置和所述被转向流体的温度与 所述希望温度基本相同。
10.一种废气系统(12)，包括 废气通道(14)；与所述废气通道流体连接的至少一个废气处理装置(18)；和 如权利要求1-7中任一项所述的感测系统。
全文摘要
本发明提供一种感测系统(20)，其具有能够使流体从主通道(14)转向的旁路(22)。另外，该感测系统具有位于旁路内并能够感测流体内所含成分浓度的流体传感器(28)。该感测系统还包括能够向流体传感器传递热能的第一加热器(26)。此外，该感测系统具有能够感测指示流体传感器温度的参数的第一温度传感器(42)。该感测系统进一步具有能够响应于感测到的指示流体传感器温度的参数调节第一加热器的控制器(32)。
文档编号G01N33/00GK101878421SQ200880118157
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月25日 优先权日2007年11月30日
发明者D·D·巴尔德温, W·C·伯利 申请人:卡特彼勒公司