ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТОВ В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SENSOR FOR DETERMINATION OF CONCENTRATION OF GASEOUS COMPONENTS IN EXHAUST GASES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Настоящее изобретение относится к датчику для определения концентрации газообразных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания.
Такие датчики, также называемые кислородными датчиками (датчиками концентрации кислорода) или лямбда-зондами, известны, например, из книги ″Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch″ (Карманный автомобильный справочник фирмы ″Бош″), 25-е издание, стр. 133 и далее. Кроме того, из публикации DE 10043089 С2 известен датчик для определения газообразных компонентов и/или концентрации газообразных компонентов в газовых смесях, в частности в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, имеющий электрод сравнения (эталонный электрод), к которому по каналу эталонного газа поступает эталонный газ, в частности воздух или иной кислородсодержащий газ.
Чувствительные элементы для кислородных датчиков, которые обычно выполняются планарными (по планарной технологии), имеют канал эталонного газа, в котором расположен электрод сравнения. Эти датчики применяются, например, в качестве переключательных датчиков, выдающих скачок напряжения. Выражение ″переключательный датчик″ происходит от формы характеристики подобных кислородных датчиков, которая при коэффициенте избытка воздуха λ=1 совершает ″скачок″ с первого значения напряжения, находящегося примерно в районе 900 мВ, на второе значение напряжения, составляющее порядка нескольких милливольт. Этот скачок регистрируется и оценивается для определения правильного состава топливовоздушной смеси при λ=1, при котором происходит оптимальное стехиометрическое горение топлива.
Кроме того, такие датчики работают с так называемым элементом накачки или элементом, на который подается напряжение накачки, когда посредством приложения анодного тока к электроду сравнения подается кислород из отработавших газов.
При эксплуатации подобных кислородных датчиков возникает та проблема, что у электрода сравнения или в соседнем с ним объеме эталонного газа оказываются несгоревшие углеводороды, возникающие, например, вследствие загрязнения и/или перегрева элементов конструкции или неплотности уплотнения датчика. На превращение этих несгоревших углеводородов расходуется немалая часть кислорода, подаваемого к электроду сравнения, в результате чего концентрация кислорода у электрода сравнения снижается, что нарушает работу датчика. Это явление известно как смещение характеристики вниз или ″сползание″ характеристики (CSD - сокр. от англ. ″Characteristic Shift Down″). В этой связи помехи создает также то, что несгоревшие углеводороды окисляются, предпочтительно у горячих каталитически активных поверхностей, т.е., в частности, у электрода сравнения в горячей части датчика (в области ″горячей точки″). Кроме того, хотя несгоревшие углеводороды и диффундируют в канал эталонного газа в основном медленнее, чем кислород, одна молекула углеводорода, как правило, взаимодействует более чем с одной молекулой кислорода, в результате чего эффективная скорость потребления кислорода несгоревшими углеводородами, проникающими путем диффузии, больше скорости диффузии для чистого кислорода. Это приводит к относительному избытку несгоревших углеводородов у электрода сравнения и, соответственно, к относительному недостатку кислорода. Наконец, ввиду описанного механизма опасность смещения характеристики вниз явно более высока в канале эталонного газа, чем во внутреннем пространстве в корпусе датчика, сообщающемся с каналом эталонного газа.
Смещению характеристики вниз можно противодействовать, подавая на датчик электрическое напряжение с электронным током, вызывающим ток ионов кислорода. Этот ток ионов кислорода переходит у электрода сравнения в поток кислорода и идет через канал эталонного газа во внешнюю часть датчика. Создаваемое при этом парциальное давление кислорода является достаточным для окисления или выноса углеводородных компонентов отработавших газов, благодаря чему активно устраняется смещение характеристики вниз.
Кроме того, внутреннее сопротивление кислородных датчиков подобного типа зависит от температуры. Если такие датчики работают с током накачки, то последний вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении, а значит и смещение измерительного сигнала. При постоянном напряжении питания и постоянном внутреннем сопротивлении (обусловленном постоянством температуры) падение напряжения также является постоянным и может быть заранее учтено в блоке управления. Однако у неподогреваемых датчиков внутреннее сопротивление зависит от температуры отработавших газов. Из-за этого на внутреннем сопротивлении может иметь место падение напряжения, зависящее от температуры и соответствующее определенному сдвигу сигнала. Этот сдвиг пропорционален току накачки.
Известные из уровня техники неподогреваемые кислородные датчики обычно работают без тока накачки. С одной стороны, это приводит, ввиду пропорциональности сдвига сигнала току накачки, к исчезновению зависящего от температуры сдвига сигнала. С другой стороны, при этом невозможно достичь эффекта накачки с целью устранения смещения характеристики вниз путем ″продувки″ канала эталонного газа.
В основу настоящего изобретения положена задача разработки датчика для определения концентрации газообразных компонентов, в частности кислорода, в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, в котором было бы устранено явление смещения характеристики вниз и была бы улучшена связь расположенного между электродами электролита с горячими отработавшими газами.
Предлагаемый в изобретении датчик для определения концентрации газообразных компонентов в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания имеет по меньшей мере один слой электролита, причем под расположенным со стороны отработавших газов электродом расположен слой электролита толщиной от 10 до 50 мкм, состоящий из:
а) оксида циркония, стабилизированного скандием, и/или
б) смеси оксида циркония, стабилизированного скандием, и оксида циркония, стабилизированного иттрием, и/или
в) оксида циркония, стабилизированного смесью скандия и иттрия,
и для минимизации внутреннего сопротивления датчика постоянному току слои электродов выполнены на электролите таким образом, что они имеют геометрически максимально возможную площадь поверхности.
При этом обеспечивается достижение, прежде всего в области низких температур, меньших значений внутреннего сопротивления, поскольку уменьшается доля сопротивления, обусловленная реакцией ионного внедрения. Для улучшения ионной проводимости могут использоваться локальные участки со стабилизированным иттрием оксидом циркония. Это касается, в частности, слоев, которыми один электрод или же оба электрода соединены с электролитом. Кроме того, для уменьшения внутреннего сопротивления постоянному току предусмотрены максимизация площади поверхности электродов и расположение электрода сравнения вблизи внешней поверхности датчика, что обеспечивает как можно лучшую связь расположенного между электродами электролита с горячими отработавшими газами.
В соответствии с изобретением смещение характеристики вниз у неподогреваемых кислородных датчиков, т.е. сдвиг их сигнала, минимизируют, сначала определяя внутреннее сопротивление датчика, и при повышении температуры, а соответственно и при уменьшении внутреннего сопротивления, подстраивая напряжение питания датчика таким образом, чтобы точка регулирования датчика не изменялась, т.е. находилась в том месте, а значение тока накачки при этом не снижалось ниже задаваемого минимального значения.
Преимущество этого мероприятия заключается в увеличении накачки при высоких температурах, при которых также могут сильнее просачиваться из уплотнения отработавшие газы с несгоревшими углеводородами.
Приведенные в зависимых пунктах формулы мероприятия характеризуют частные и предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Кроме того, подобный кислородный датчик эксплуатируется с очень небольшим током накачки, который приводит к минимально возможному смещению напряжения и, тем не менее, обеспечивает стойкость к смещению характеристики вниз и к утечке тока. При этом токи накачки находятся в области между 0 и 10 мкА, предпочтительно между 2 и 5 мкА.
На единственном чертеже в качестве примера схематично изображен предлагаемый в изобретении датчик, подробно рассматриваемый ниже.
На чертеже схематично изображен датчик (чувствительный элемент), образованный электролитом 100, который может быть нанесен на подложку 105, например, методом трафаретной печати. Толщина электролита составляет примерно 500 мкм. Предусматриваемая изобретением техника печати для формирования электролита в области 101 под внешним электродом 110 применяется для достижения малой толщины слоя стабилизированного скандием оксида циркония, составляющей примерно от 10 до 50 мкм, а значит и для минимизации внутреннего сопротивления, обусловленного реакцией ионного внедрения.
Кислородный датчик имеет внешний электрод 110, контактирующий с отработавшими газами (на чертеже не показанными) и соединенный с блоком управления SG электрическим проводником 111, показанным на чертеже лишь схематично, и электрод сравнения 120, расположенный в объеме 130 эталонного газа (канале эталонного газа) и также связанный с блоком управления SG электрическим проводником 140. Для уменьшения внутреннего сопротивления постоянному току площадь поверхности электродов, в частности контактирующего с отработавшими газами электрода 110, выбрана по возможности большой, в идеальном случае она выбирается максимальной, с учетом конструктивных особенностей и обусловленных ими распределений температуры. Электрод сравнения 120, площадь поверхности которого согласована с электродом 110, контактирующим с отработавшими газами, располагается как можно ближе к внешней поверхности датчика для обеспечения как можно лучшей связи расположенного между ними электролита с горячими отработавшими газами. Датчик может работать с током накачки, значение которого выбирается как можно более низким, чтобы обеспечить малый сдвиг сигнала напряжения и вместе с тем стойкость к смещению характеристики вниз и к утечке тока. Значения тока накачки находятся в диапазоне от 0 до 10 мкА, в частном и предпочтительном варианте они составляют от 2 до 5 мкА.
В принципе, возможен также вариант с подключением тока накачки только при более высокой температуре, например >500°C, причем ток накачки служит для обеспечения нейтрализации отработавших газов с несгоревшими углеводородами, просачивающимися из уплотнения. Выпускное отверстие 132 для подкачиваемого газа имеет малый размер, чтобы максимально препятствовать проникновению отработавших газов с несгоревшими углеводородами к электроду сравнения 120. Вместе с тем, размер этого отверстия должен быть таким, чтобы обеспечивать уравнивание давления с давлением окружающей среды. При этом следует избегать использования пористых слоев с высоким сопротивлением потоку. Предпочтительным является открытый канал с соответственно малым поперечным сечением. Канал эталонного газа (не показан) может быть реализован простым печатным слоем с жертвенным (удаляемым) слоем толщиной от 20 до 30 мкм и шириной канала от 0,5 до 1 мм. В принципе, в качестве канала эталонного газа можно также использовать не очень плотно запечатанную линию питания электрода (не показана). Кроме того, во входной области канала эталонного газа можно предусмотреть пористый печатный слой 133, препятствующий дальнейшему проникновению в канал 130 эталонного газа углеводородных компонентов отработавших газов и одновременно задающий сопротивление потоку, а значит и степень повышения давления в области эталонного газа.
Ниже описывается способ эксплуатации подобного кислородного датчика, обеспечивающий компенсацию сдвига сигнала, обусловленного током накачки для подавления смещения характеристики вниз. Компенсация сдвига сигнала предполагает знание внутреннего сопротивления датчика, которое определяют вначале. Внутреннее сопротивление можно определять, например, путем измерений или вычислений или, например, посредством многопараметровой характеристики, в зависимости от рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания, таких как массовый расход отработавших газов, количественное соотношение компонентов отработавших газов, температура отработавших газов и т.п. Затем напряжение питания датчика корректируют в соответствии со снижением внутреннего сопротивления при повышении температуры, подстраивая напряжение питания при повышении температуры таким образом, чтобы точка регулирования всегда находилась в том же месте, т.е. не изменялась, а значение тока накачки не снижалось ниже минимального значения. При этом достигается увеличение накачки при высоких температурах, при которых также могут сильнее просачиваться из уплотнения отработавшие газы с несгоревшими углеводородами.
Путем изменения точки регулирования, происходящего внутри регулирующего программного обеспечения в блоке управления SG, можно компенсировать сдвиги сигнала, обусловленные смещением характеристики вниз.
Рассмотренный выше способ может быть реализован, например, в виде компьютерной программы в блоке управления двигателем внутреннего сгорания и может выполняться в этом блоке управления. Программный код может быть записан на машиночитаемом носителе информации, который может считываться блоком управления SG.