СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
METHOD AND DEVICE FOR CALIBRATION OF EXHAUST GAS SENSOR

Изобретение относится к способу калибровки датчика отработавших газов согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для калибровки датчика отработавших газов согласно пункту 8 формулы изобретения.
x
x
x
Для регулирования работы двигателей внутреннего сгорания используются датчики отработавших газов, подающие измеряемые сигналы в устройство управления двигателем и/или в систему нейтрализации отработавших газов. При этом в качестве датчиков отработавших газов преимущественно используются лямбда-зонды и датчики NО. Для проведения эффективной каталитической реакции, например, с целенаправленной добавкой мочевины, необходимо произвести с помощью датчиков NО определение выбросов NO в потоке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. В патенте DE 10100420 А1 описан способ управления системой нейтрализации отработавших газов, в которой в зависимости от состояния двигателя внутреннего сгорания и/или системы нейтрализации отработавших газов в поток отработавших газов подводится заданное количество восстановителя.
Для измерения содержания кислорода в потоке отработавших газов двигателя внутреннего сгорания применяются лямбда-зонды, используемые в системе выпуска отработавших газов в качестве датчиков отработавших газов до и/или после катализатора.
Используемые датчики отработавших газов подвержены процессу старения, приводящему к тому, что измерительная характеристика на протяжении длительного периода эксплуатации датчика отработавших газов изменяется в зависимости от продолжительности эксплуатации. Для проведения калибровки лямбда-зонда в двигателях транспортных средств, в принципе, известна калибровка лямбда-зондов в режиме принудительного холостого хода, при котором отработавший газ отсутствует, а в лямбда-зонд подается впускаемый окружающий воздух. При условии, что окружающий воздух содержит 20,942% кислорода, измеренное значение, выдаваемое лямбда-зондом, может быть соответствующим образом скорректировано, если лямбда-зонд вследствие длительного периода его эксплуатации выдает измеренное значение, отличающееся от фактического значения. Такая подгонка измеренных значений может происходить, например, путем подачи измеренных значений, выдаваемых лямбда-зондом, с поправочным коэффициентом.
Из патента DE 102008046121 A1 известен способ калибровки датчика отработавших газов, установленного в газоотводном трубопроводе двигателя внутреннего сгорания и выступающего в газоотводный канал сбоку. Для калибровки датчика отработавших газов на его измерительную головку подается продувочный воздух, протекающий мимо нее. Кроме того, для целенаправленной подачи продувочного воздуха на измерительную головку упоминается возможность подведения к измерительной головке экранирующего устройства. В нормальном режиме работы экранирующее устройство извлекается из газоотводного трубопровода.
В основу изобретения положена задача создания способа калибровки датчика отработавших газов, с помощью которого возможно максимально быстрое и точное проведение калибровки.
Решение этой задачи достигается с помощью признаков, указанных в пункте 1 формулы изобретения. Особенно предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления способа согласно изобретению раскрываются в зависимых от него пунктах формулы изобретения.
Согласно отличительным признакам пункта 1 формулы изобретения предусмотрено, чтобы в начале калибровочной фазы отработавший газ, находящийся в измерительном пространстве, в котором располагается датчик отработавших газов, вытеснялся путем заполнения измерительного пространства калибровочным газом и чтобы по окончании калибровочной фазы отработавший газ диффундировал и/или вводился в измерительное пространство. Путем целенаправленного впуска калибровочного газа с соответствующим давлением отработавший газ, находящийся в измерительном пространстве, может быть быстро вытеснен из него. Затем во время калибровочной фазы предпочтительно вводить в измерительное пространство хотя бы незначительное количество калибровочного газа с тем, чтобы исключить возможность проникновения отработавшего газа в измерительное пространство. По окончании калибровочной фазы отработавший газ снова впускается в измерительное пространство, вследствие чего находящийся в нем калибровочный газ из измерительного пространства улетучивается и очень быстро может снова возобновиться нормальный режим измерения. В качестве калибровочного газа, в принципе, может использоваться любой газ, подходящий для этого. Особенно предпочтительным является вариант осуществления, в котором в сочетании с двигателями внутреннего сгорания с наддувом в качестве калибровочного газа используется сжатый приточный воздух по меньшей мере одного компрессора.
Во время калибровочной фазы может быть также достаточным, чтобы измерительное пространство экранировалось, или соответственно отделялось, от потока отработавших газов не полностью, как это имеет место, например, в случае использования клапанов, когда за счет постоянной подачи калибровочного газа в измерительное пространство исключают возможность проникновения отработавшего газа в измерительное пространство. Неполное экранирование потока отработавших газов может иметь место, например, вследствие того, что измерительное пространство экранировано от потока отработавших газов посредством газопроницаемой мембраны или что количество калибровочного газа, подаваемое в измерительное пространство, и/или давление, преобладающее в измерительном пространстве, настолько велики, что исключается возможность проникновения отработавшего газа в измерительное пространство.
Особенно предпочтительным является вариант осуществления, в котором по окончании калибровочной фазы для быстрой продувки измерительного пространства в него впускается и/или нагнетается отработавший газ. Для этого отработавший газ по окончании калибровочной фазы может впускаться в измерительное пространство посредством впускного устройства. В порядке альтернативы или дополнения к этому может быть предусмотрено, чтобы измерительное пространство по окончании калибровочной фазы гидравлически соединялось с частью системы выпуска отработавших газов, в которой действует более высокое давление, чем в измерительном пространстве, так чтобы отработавший газ нагнетался в измерительное пространство.
Другой задачей, лежащей в основе изобретения, является создание устройства для калибровки датчика отработавших газов, с помощью которого возможно надежное и максимально быстрое осуществление калибровки.
Решение этой задачи, относящейся к устройству, достигается с помощью признаков, приведенных в пункте 8 формулы изобретения. Особенно предпочтительные усовершенствованные варианты осуществления устройства согласно изобретению содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно признакам пункта 8 формулы изобретения датчик отработавших газов расположен в измерительном пространстве, экранированном от потока отработавших газов, находящихся в газоотводном канале, посредством по меньшей мере периодически газопроницаемого экранирующего устройства. По газопроводу, подсоединенному к измерительному пространству, в него может вводиться калибровочный газ. Благодаря установке датчика отработавших газов в измерительном пространстве, которое может находиться в газоотводном канале или непосредственно примыкать к газоотводному каналу, в измерительном пространстве может осуществляться целенаправленный газообмен, например, для очень быстрого входа в калибровочную фазу. По газопроводу для быстрого вытеснения отработавшего газа, ранее находившегося в измерительном пространстве, в измерительное пространство под соответствующим давлением может подаваться калибровочный газ. Для впуска калибровочного газа в измерительное пространство необходимо, чтобы экранирующее устройство по меньшей мере периодически было газопроницаемым.
В качестве периодически газопроницаемого экранирующего устройства могут быть использованы два концентрично входящих друг в друга перфорированных цилиндра, из которых для изменения экранирующего действия по меньшей мере один выполнен с возможностью поворота вокруг своей продольной оси. Благодаря вращению цилиндров вокруг своей продольной оси их перфорационные отверстия могут устанавливаться в соосное или несоосное положение. В соосном положении боковые стенки цилиндров являются проницаемыми для потока отработавших газов, так что он может протекать через измерительное пространство. Если же цилиндры, наоборот, повернуты таким образом, что перфорационные отверстия не являются соосными, то в результате, по меньшей мере, происходит в значительной степени плотное экранирование потока отработавших газов. В этом случае для проведения калибровки датчика отработавших газов измерительное пространство может быть заполнено калибровочным газом.
Перфорационные отверстия в стенках цилиндров могут быть выполнены в качестве отверстий, смещенных соответственно на 180°. В результате получают измерительное пространство, образованное концентрично установленными цилиндрами, которое имеет относительно простую и надежно функционирующую конструкцию.
Измерительное пространство может быть расположено также непосредственно примыкая к газоотводному каналу двигателя внутреннего сгорания, причем газ через газопроницаемую мембрану, образующую экранирующее устройство, может впускаться в измерительное пространство и выпускаться из него. По газопроводу, подсоединенному к измерительному пространству, калибровочный газ может вводиться в измерительное пространство, причем отработавший газ, находящийся в измерительном пространстве, вытесняется через газопроницаемую мембрану в газоотводный канал. В этом случае во время калибровочной фазы для исключения возможности проникновения отработавшего газа в измерительное пространство через газопроницаемую мембрану в измерительное пространство может постоянно подаваться некоторое количество калибровочного газа. По окончании калибровочной фазы подача калибровочного газа прекращается, так что через газопроницаемую мембрану в измерительное пространство снова может проникать отработавший газ.
Для осуществления ускоренного проникновения отработавшего газа в измерительное пространство по впускному трубопроводу, подсоединенному к измерительному пространству, через газопроницаемую мембрану может производиться также впуск отработавшего газа из газоотводного канала. При этом процесс впуска может осуществляться посредством управляемого впускного устройства, которое может состоять, например, из и без того имеющегося в распоряжении впускного трубопровода системы впуска двигателя и из управляемого клапана во впускном трубопроводе, ведущем в измерительное пространство. В порядке альтернативы или дополнения к этому может быть предусмотрено, чтобы измерительное пространство гидравлически было соединено с частью системы выпуска, в которой действует более высокое давление, чем в измерительном пространстве, так чтобы отработавший газ нагнетался в измерительное пространство. Здесь отработавший газ, предпочтительно, ответвляется выше по течению от турбины, работающей на отработавших газах, турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, и/или выше по течению от дроссельного устройства, и/или выше по течению от глушителя.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примерах выполнения, изображенных на чертежах, на которых показано:
Фиг.1 - схематически двигатель внутреннего сгорания с системой нейтрализации отработавших газов, к газоотводному каналу которой подсоединен датчик отработавших газов,
Фиг.2 - установка датчика отработавших газов в измерительном пространстве, подсоединенном к газоотводному каналу,
Фиг.3 - измерительное пространство с датчиком отработавших газов, образованное в газоотводном канале,
Фиг.4 - сечение по линии АА в области измерительного пространства на фиг.3, образованного двумя цилиндрами, входящим друг в друга,
Фиг.5 - сечение по линии АА, как на фиг.4, но с внутренним цилиндром, повернутым на 90°, и
Фиг.6 - альтернативный вариант выполнения согласно фиг.1, посредством которого отработавший газ по окончании калибровочной фазы может нагнетаться в измерительное пространство.
На фиг.1 изображен двигатель 1 внутреннего сгорания с турбонагнетателем 2, работающим на отработавших газах, к которому подсоединен газоотводный канал 4, ведущий к катализатору 3. Вниз по течению от катализатора 4 находится газоотводный канал 5, примыкающий к измерительному пространству 6 с датчиком 7 отработавших газов.
Измерительное пространство 6, как показано на фиг.2, гидравлически соединено с газоотводным каналом 5 через газопроницаемую мембрану 8 (фиг.2). Для впуска калибровочного газа в измерительное пространство 6 к нему подсоединен газопровод 9, по которому, например, воздух в качестве калибровочного газа может подводиться через управляемый клапан 11 в направлении стрелки 10. Воздух на стороне выхода компрессора 12, относящегося к турбонагнетателю 2, разветвляется и при открытом клапане поступает в измерительное пространство 6. Компрессор 12 служит здесь в качестве генератора давления и является частью турбонагнетателя 2, работающего на отработавших газах, который приводится в действие отработавшим газом двигателя 1 внутреннего сгорания через турбину 13 турбонагнетателя 2.
x
3
Калибровочный газ, подаваемый от компрессора в измерительное пространство 6, например воздух, может быть применен при использовании лямбда-датчика для его калибровки, в то время как в случае применения других датчиков, как, например, датчиков NO, NH или датчиков сажи, он может быть использован для определения нулевой точки.
x
x
x
В примере выполнения на фиг.1 через второй управляемый клапан 14 по газопроводу 9 в измерительное пространство 6 может подводиться другой калибровочный газ заданного состава. В этом случае клапан 11 закрыт. Калибровочный газ имеет, например, заданную концентрацию NO, благодаря чему может быть определен, например, поправочный коэффициент для датчика отработавших газов, выполненного в виде датчика NO, если измеренное значение, полученное датчиком отработавших газов, отличается от фактического значения поданной концентрации NO.
На фиг.2 область, где измерительное пространство 6 граничит с газоотводным каналом 5, показана в увеличенном виде. Внутрь измерительного пространства 6 вдается датчик 7 отработавших газов, электрически соединенный с детально не показанной измерительной системой. Кроме того, к измерительному пространству 6 подсоединены газопровод 9, изображенный на фиг.1, и другой впускной трубопровод 15. Измерительное пространство 6 частично экранировано мембраной 8, образующей экранирующее устройство, от потока отработавших газов, протекающих по газоотводному каналу 5 в направлении стрелки 16.
Если в измерительное пространство 6 воздух или иной калибровочный газ подается по газопроводу 9 в направлении стрелки 17, причем впускной трубопровод 15 заперт закрытым клапаном 18, то следствием этого является то, что имеющийся отработавший газ через мембрану 8 вытесняется из измерительного пространства 6 в газоотводный канал 5. В этом случае в измерительном пространстве 6 находится только воздух, или калибровочный газ, так что может быть произведено калибровочное измерение.
Для завершения калибровочной фазы в изображенном примере выполнения на фиг.2 по впускному трубопроводу 15 при открытом клапане 18 отработавший газ впускается в измерительное пространство 6 через мембрану 8. При этом газопровод 9 заперт. Посредством впуска отработавшего газа в измерительное пространство 6 добиваются того, чтобы датчик 7 быстро полностью заполнялся отработавшим газом и чтобы датчик отработавших газов снова мог использоваться для измерения отработавших газов в нормальном режиме измерения.
Вариант выполнения согласно фиг.6 демонстрирует альтернативную относительно варианта выполнения с фиг.1, или при известных условиях дополнительную, возможность заполнения измерительного пространства отработавшим газом, при которой отработавший газ по окончании калибровочной фазы нагнетается в измерительное пространство. При этом предпочтительно отбирать отработавший газ в том месте, в котором преобладает высокое противодавление отработавших газов, так чтобы отработавший газ нагнетался в измерительное пространство за счет перепада давлений. Таким образом, в двигателях внутреннего сгорания 1 с наддувом отработавшими газами обеспечивается возможность отбора отработавшего газа выше по течению от турбины, работающей на отработавших газах, поскольку в данном случае имеет место явно большее давление, чем ниже по течению от турбины 13, работающей на отработавших газах. Отбор управляется, или регулируется, предпочтительно, посредством управляемого клапана 14′. Однако, в принципе, возможен и допустим также отбор выше по течению от мест дросселирования или встроенных элементов, таких как глушителей, катализаторов или дроссельных заслонок.
Продолжительность и частота калибровочных фаз могут регулироваться, или изменяться, в зависимости от режима работы двигателя внутреннего сгорания.
На фиг.3 изображено предпочтительное выполнение измерительного пространства 19, расположенного в газоотводном канале 5 и образованного двумя концентрично входящими друг в друга перфорированными цилиндрами 20, 21. Датчик 7 отработавших газов вдается внутрь измерительного пространства 19. Газопровод 9, по которому в измерительное пространство 19 могут подаваться воздух, или продувочный газ, или калибровочный газ, подсоединен к измерительному пространству 19. Газопровод 9 запирается посредством управляемого клапана 11.
x
Наружный цилиндр 20 и внутренний цилиндр 21 имеют в изображенном примере выполнения отверстия 22, 23 (фиг.4), расположенные, соответственно, со смещением на 180°. На фиг.3 эти отверстия 22, 23, как на виде в разрезе на фиг.3, расположены не соосно, так что измерительное пространство 19 для потока отработавших газов заперто. Однако внутренний цилиндр 21 согласно изображенной двойной стрелке может поворачиваться на 90 градусов в положение, показанное на фиг.5. В этом положении отверстия 22, 23 являются соосными, так что часть потока отработавших газов может устремляться в измерительное пространство 19 и через него. В положении на фиг.5 измерительное пространство 19 открыто для потока отработавших газов, так что датчик 7 отработавших газов может производить измерение отработавшего газа в отношении составляющей кислорода или концентрации NO. Если же, наоборот, внутренний цилиндр 21 находится в положении, как оно изображено на фиг.4, система находится в калибровочной фазе, в которой калибровочный газ по газопроводу 9 может впускаться в измерительное пространство 19.
К измерительному пространству 19 может быть подсоединен не показанный на данной фигуре дополнительный впускной трубопровод для беспрепятственного впуска газа по газопроводу 9 при закрытом измерительном пространстве 19. Однако цилиндры 20, 21 для ускоренного впуска газа могут иметь также газопроницаемые области.