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专利名称：废气传感器装置、发动机控制装置以及发动机控制方法
技术领域：
本发明涉及一种废气传感器装置、一种发动机控制装置以及一种发动机控制方法。
背景技术：
虽然可以在任意的废气传感器装置上使用，但是在汽车应用方面对本发明以及基 于本发明的问题进行解释。由于不断更加严格的废气立法，用于有害气体的极限值必须进一步降低。在此主 要问题是，在发动机的冷启动阶段中产生了大部分未处理排放物(HC、CO、NOx...),也就是 只要发动机还是比较冷的时候。为了遵守所要求的低极限值，急迫地需要废气传感器尤其 氧传感器的及早的使用准备就绪。相反，在发动机冷启动阶段中引起传感器的水冲击(氧 传感器的热冲击)的较高危险。也就是在最后的运行周期之后，水积聚在排气管路中，水在 重新启动时由于冷的排气管路没有作为水蒸气、而是作为小水滴凝聚在传感器上。因为完 全准备就绪的氧传感器具有680°C以上的工作温度，所以热冲击现象(热机械载荷以及应 力)出现在陶瓷的传感器元件中。作为对策，氧传感器在发动机启动时没有加热或者只是 缓慢地加热(例如用30秒以上的加热时间)或者说以固定斜率分步加热。然而，这种延 迟的加热策略至少应用如此长的时间，直到在氧传感器的安装位置上达到露点结束。在此， 露点结束是开始不再存在冷凝水的时间点或者说开始克服包含在废气中的水冷凝的时间 点。如果在氧传感器的安装位置上达到露点结束，那么氧传感器尽可能快地加热到工作温 度(大约680°C )，因为此时只存在水冲击(热冲击)的降低了的危险。在达到废气中的露点结束以及氧传感器的680°C以上的工作温度之前，发动机处 于不受控制的状态，在该状态中产生大部分未处理排放物。在此，在传感器机构中氧传感 器的所需要的高的使用温度是基础。只有在680°C以上的温度时才会在以钇稳定的二氧化 锆(电解质)中出现足够高的氧离子传导能力，该氧离子传导能力提供了传感器信号(电 流)。目前，没有公开与成本相关的传感器理念或者说测量策略，通过所述传感器理念 或者说测量策略可获得在冷启动阶段中关于包含在废气中的氧浓度的信息。基于半导体的对气体敏感的场效应晶体管(ChemFET)越来越多地用在气体传感 机构中。具有较宽的能带间隙的半导体材料、例如碳化硅(SiC)以及氮化镓(GaN)尤其适 合于用在废气中。在此，用被探测的气体进行的加载通常会导致从源极到漏极流过晶体管 的电流(通道电流)的改变。在US 5，698，771中公开了这样的基于碳化硅的作为碳氢气 体检测装置的ChemFET。

发明内容
在权利要求1中定义的按本发明的废气传感器装置、按权利要求7所述的发动 机控制装置以及按权利要求11所述的发动机控制方法具有这样的优点，即可以在露点结束之前在比氧传感器中低得多的温度下检测氧气，优选在100°C以上已经进行检测，因为 ChemFET测量原理基于所涉及的气体种类在对气体敏感的电极上的吸附，并且由此能够在 较低的温度下实现调节以用于将有害物质排放降低到最低限度。ChemFET尤其能够在自100°C开始的传感器温度下以足够的尺度探测氧气。在此， 废气温度可以等于或者低于废气传感器温度。由此，直接在发动机启动之后在ChemFET废 气传感器的冷的状态中在几秒内(典型地在毫秒范围内，在所有情况下少于五秒)运行准 备就绪。在传感器温度较低时排除了热冲击。由此能够非常早地将氧气信号用于发动机调 节。这确保了发动机的更好的燃烧并且降低了有害物质排放。由此，也可以引起废气后处 理系统例如柴油氧化催化器、颗粒滤清器、DeNOx系统、NSC催化器或者SCR催化器的成本优 化的设计。这在较小的结构尺寸中、催化活性的组分的更少的使用中以及DeNOx系统中起 作用，所述催化活性的组分例如是用于氧化氮、NOx等的低温存储材料。因为ChemFET能够在较小的结构尺寸中以及高度并行的半导体过程中成本较低 地进行制造，所以优选在一个传感器基体上使用多个对气体敏感的场效应晶体管。例如不 仅可以考虑以多个结构相同的对氧气敏感的ChemFET的形式的冗余的形式用于提高故障 安全性，也可以考虑对气体敏感的具有不同的敏感性的场效应晶体管的组合用于检测废气 中不同的气体(N0x、HC、NH3、02...)，例如用于控制横向敏感性，也就是说ChemFET对多种不 同的测试气体的响应。在从属权利要求中提到的特征涉及本发明的主题的有利的改进方案以及改善方案。


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是根据本发明的第一实施方式的废气传感器装置的示意图；图2是根据本发明的第二实施方式的废气传感器装置的示意图；图3a、3b是根据本发明的第三或者说第四实施方式的发动机控制装置的示意图；图4是用于说明根据本发明的第五实施方式的发动机控制方法的流程图；以及图5是ChemFET传感器信号与废气中的氧含量的关系或者说与在冷启动之后经过 的时间的关系的图表。
具体实施例方式在附图中，相同的附图标记表示相同的或者说功能相同的元件。图1示出了根据 本发明的第一实施方式的废气传感器装置的示意图。在图1中，附图标记1表示ChemFET传感器，该ChemFET传感器具有连接在基体2 上的源极S和漏极D。吸附气体的层3在源极S和漏极D之间安置在基体2上，该基体优选 是碳化硅层，该碳化硅层也可以额外地用催化材料在其表面0上进行涂层，在该表面上吸 附了有待检测的气体种类。为了加热到典型的至少100°C的工作温度，将加热装置THE、例 如电阻加热装置集成到ChemFET传感器1中。此外集成了温度检测装置TSS、例如蜿蜒式电 阻(WiderstandsmSander )或者温度测量段 (Temperaturmessstrecke)。在检测时有针对性地将变化的电势施加到栅极G上，如在US5，698，671中详细描述的那样。所述层3的表面0可以要么构造成对氧气敏感的，要么构造成对氧气有选择性 的。对氧气敏感的电极形式的特征在于，其由钼金、包含钼金的混合金属或者说合金或者 每种其它对氧气敏感的对废气耐用的材料制成。根据该实施方式，废气中的氧含量应该在 0-21%之间测量。在此，氧电极可以具有(纳米)多孔的结构，然而也可以具有封闭的电极 结构。在氧浓度较低(O-IOOppm)时，实现了具有获得的精度在士20ppm之间的范围内 的、尤其在士 IOppm之间的范围内的足够高的敏感性。在100和IOOOppm之间的氧浓度以 士 IOOppm的精度、尤其以在士 50ppm之间的精度进行测量。在1000和IOOOOppm之间的氧浓 度以士 IOOOppm的精度、尤其以在士 IOOppm之间的精度进行测量。在10000和2IOOOOppm 之间的氧浓度以士50000ppm的精度、尤其以在士 IOOOppm之间的精度进行测量。所述ChemFET传感器1虽然能够在任意低的温度下、必要时在环境温度下运行。但 是可靠的传感器信号要等到大约100°c开始，因为只有在那时才从无水的传感器电极导电 膜出发，也就是说不再有液态的水存在于表面0上。然后该ChemFET传感器1能够在600°C 以下的任意的温度范围内测量氧含量。这在该实施方式中十分有意义，因为随着发动机的 运行时间的增加，废气得到了加热并且环境温度也上升了。因为氧传感器信号取决于温度， 所以将信号在整个温度范围内与特征曲线进行比较。ChemFET传感器信号的高度与氧浓度 成比例并且对于每个温度来说作为特征曲线储存在发动机控制设备中。该ChemFET传感器 1适宜地如此长时间地运行，直到形成氧传感器的完全的运行准备就绪状态，也就是至少在 冷启动之后的第一个三十秒期间，或者说直到在氧传感器的安装位置上超过露点。图2示出了根据本发明的第二实施方式的废气传感器装置的示意图。在图2中示出的ChemFET废气传感器装置1’具有多个位于共同的基体5上的 ChemFET传感器la、IbUcUd,这些ChemFET传感器承担不同的传感器功能。比如，ChemFET 传感器Ia对氧气敏感，ChemFET传感器Ib对NOx敏感，ChemFET传感器Ic对CO敏感，并且 ChemFET传感器Id对HC敏感。不同的ChemFET传感器Ia-Id有针对性地用多路转接器50 进行运行，该多路转接器将输出信号OUT提供给发动机控制设备。这降低了用于运行这种 ChemFET阵列1’所需要的线缆的数量。所述传感器la_ld的一般的构造相应于按图1的传 感器1的构造。图3a、3b示出了根据本发明的第三或者第四实施方式的发动机控制装置的示意 图。在图3a、3b示出的实施方式中，附图标记200表示具有排气管路201的内燃机。该 排气管路201具有柴油氧化催化器20、柴油颗粒滤清器22以及DeNOx催化器24。附图标 记15表示通常的氧传感器，并且附图标记IOa或者IOb表示ChemFET传感器装置，如在图1 和2中所描述的。所述ChemFET传感器装置IOa或者IOb以及氧传感器15与发动机控制 设备ST连接。所述传感器10a、10b的一般的构造相应于按图1的传感器1的构造。此外， 用于检测废气温度T的温度传感器11与发动机控制设备ST连接。在此，作为温度传感器 11也可以使用在排气管路系统中相对于氧传感器的安装位置安装得最近的温度传感器。在按图3a的实施方式中所述ChemFET传感器装置IOa布置在柴油颗粒滤清器22 和DeNOx催化器24之间，而根据图3b的实施方式ChemFET传感器装置IOb布置在DeNOx催
6化器24后面。在按图3a的实施方式中，用于调节DeNOx催化器24的ChemFET-NOx-传感器带有 额外的氧电极。在按图3b的实施方式中，基于ChemFET的OBD-NOx-传感器带有额外的氧 电极。按图3b的传感器IOb位于DeNOx催化器24后面并且用于监控DeNOx催化器的功能。 在排气管路201的端部上的布置是有利的，因为ChemFET传感器的温度载荷在那里比在排 气管路中的其它安装位置低。图4示出了用于说明根据本发明的第五实施方式的发动机控制方法的流程图。在按本发明的发动机控制方法的在图4中示出的实施方式中，在步骤Sl中通过冷 启动开始程序流程。在步骤Sla中，ChemFET传感器直接在冷启动之后用最大可能的加热 斜率加热到最小工作温度TM，例如> 10(TC。加热装置THE (例如电阻加热装置)用于加 热到最小工作温度TM。为了进行温度监控，温度检测装置TSS集成在ChemFET传感器上，该 温度检测装置测量ChemFET传感器温度Ts。执行所述步骤直到ChemFET传感器温度Ts等于或者大于最小工作温度TM。如果 是这种情况，那么在步骤S2中所述ChemFET传感器测量废气中的氧含量并且对此调节发动 机控制。同时在步骤S2a中检测，废气温度T是否处于温度阈值Tl之下，该温度阈值表示 氧传感器的安装位置的露点结束(例如100°C)。如果是这种情况，那么在步骤S2中基于 通过ChemFET传感器IOa或者IOb检测的废气中的氧含量来执行发动机调节。随后通过步 骤S2a以及步骤S2的循环来运行程序，直到步骤S2a产生这样的结果，即排气管路中的温 度T大于或者等于100°C的温度Tl，也就是氧传感器15的安装位置上的露点结束。如果事 实就是这样，那么程序分支到步骤S2b，并且氧传感器的温度IY以最大的加热斜率加热到其 工作温度T2，例如680°C。如果不是这种情况，那么在步骤S2中基于通过ChemFET传感器 IOa或者IOb检测的废气中的氧含量来执行发动机调节。随后通过步骤S2a、步骤S2b以及 步骤S2的循环来运行程序，直到步骤S2b产生这样的结果，即排气管路中的氧传感器温度 IY大于或者等于氧传感器15的680°C的工作温度T2。如果事实就是这样，那么程序分支到 步骤S3，根据该步骤所述发动机控制设备ST基于由氧传感器15检测的废气中的氧浓度来 进行发动机调节。图5示出了任意单位的ChemFET传感器信号与氧含量或者说同样任意单位的在冷 启动之后经过的时间的关系的示意图。图5尤其示出了 0-18%的氧含量的示例性的测量值 与时间的关系。在横坐标上，根据从0到18%的浓度描绘了对氧气敏感的ChemFET废气传 感器IOa或者IOb的传感器信号。虽然上面根据优选的实施例对本发明进行描述，但是本发明不限制于此，而是能 够以各种各样的方式进行改动。虽然在上面描述的实施方式中谈及汽车领域中的应用，但是本发明不限制于此， 而是能够用于任意的内燃机。也可以提出其它发动机参数用于在氧传感器之间切换发动机 控制。此外，加热装置或者说温度检测装置不必是集成的而是可以通过单独的组件来形成。
权利要求
用于检测内燃机排气管路中至少一种废气组分的浓度的废气传感器装置(1；1’；10a；10b)，该废气传感器装置具有至少一个对气体敏感的场效应晶体管(1)用于检测废气的氧含量。
2.按权利要求1所述的废气传感器装置(1；r;10a;10b)，其中，额外地设置了氧传感 器(15)用于检测废气的氧含量。
3.按权利要求1或2所述的废气传感器装置(1;r;10a;10b)，其中，在载体(5)上设 置了多个对气体敏感的场效应晶体管(la、lb、lc、ld)。
4.按权利要求3所述的废气传感器装置(1；r;10a;10b)，其中，所有所述多个对气体 敏感的场效应晶体管(la、lb、lc、Id)用于检测废气的氧含量。
5.按权利要求3所述的废气传感器装置(1；r;10a;10b)，其中，所述多个对气体敏感 的扬效应晶体管(la、lb、lc、ld)中的至少一个用于检测与氧含量不同的废气组分的浓度。
6.按上述权利要求中任一项所述的废气传感器装置(1;1’；10a;10b)，该废气传感器 装置具有集成的温度检测装置(TSS)和/或集成的加热装置(THE)。
7.发动机控制装置，具有用于检测废气的氧含量的第一废气传感器装置(15)以及第二废气传感器装置(1 ；1'； IOa ;10b)，其中所述第二废气传感器装置(1 ；1’ ； 10a； IOb)具有至少一个对气体敏感的场 效应晶体管(1 ；la)用于检测废气的氧含量；以及控制装置(ST)，设计该控制装置，使得其在第一发动机参数范围内基于由第一废气传 感器装置(15)检测的废气氧含量来执行发动机控制，并且在第二发动机参数范围内基于 由第二废气传感器装置(1 ；1' ； 10a； IOb)检测的废气氧含量来执行发动机控制。
8.按权利要求7所述的发动机控制装置，其中，所述第一废气传感器装置(15)是氧传 感器。
9.按权利要求8所述的发动机控制装置，其中，所述第一和第二发动机参数范围是第 一和第二废气温度范围。
10.按权利要求9所述的发动机控制装置，其中，所述第一废气温度范围是处于氧传感 器的安装位置的露点(T1)以上的范围，并且其中所述第二废气温度范围是处于氧传感器的 安装位置的露点(T1)以下的范围。
11.发动机控制方法，具有以下步骤检测内燃机的发动机参数(T)；求得所检测的发动机参数(T)是否位于预先给定的第一或者第二发动机参数范围中 (Sla ；Slb)；并且如果发动机参数(T)处于第一发动机参数范围内，基于由第一废气传感器装置(15)检 测的废气氧含量执行发动机控制(S2 ；S3)；并且如果发动机参数(T)处于第二发动机参数范围内，基于由第二废气传感器装置(1 ；1’ ； IOa5IOb)检测的废气氧含量执行发动机控制(S2 ；S3)，其中第二废气传感器装置(1 ；1’ ； IOa5IOb)具有至少一个对气体敏感的场效应晶体管(1)用于检测废气氧含量。
12.按权利要求11所述的发动机控制方法，其中，所述第一废气传感器装置(15)是氧 传感器。
13.按权利要求12所述的发动机控制方法，其中，所述第一和第二发动机参数范围是第一和第二废气温度范围。
14.按权利要求13所述的发动机控制方法，其中，所述第一废气温度范围是处于氧传 感器的安装位置的露点(T1)以上的范围，并且其中所述第二废气温度范围是处于氧传感器 的安装位置的露点(T1)以下的范围。
全文摘要
本发明涉及废气传感器装置、发动机控制装置以及发动机控制方法。本发明提供了一种用于检测内燃机排气管路中至少一种废气组分的浓度的废气传感器装置，该废气传感器装置具有至少一个ChemFET(1)用于检测废气的氧含量。此外，本发明还提供了一种相应的发动机控制装置以及一种发动机控制方法。
文档编号G01M15/10GK101943676SQ20101022110
公开日2011年1月12日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月1日
发明者A·马丁 申请人:罗伯特.博世有限公司