[发明专利]氧传感器元件变黑检测

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于检测氧传感器中的热老化(thermal aging)和/或变黑(blackening)的方法和系统。

背景技术

进气传感器和/或排气传感器可以被操作以提供各种进气成分和排气成分的指示。例如，通用排气氧传感器(UEGO)的输出可以被用于确定排气的空燃比(AFR)。同样地，氧传感器可以被设置在发动机进气道中来确定进气的湿度或被再循环到进气的排气的组分。进气含氧量和排气含氧量的指示可以被用于调节各种发动机运转参数，诸如燃料加注。作为一个示例，根据排气AFR可以反馈控制对汽缸加注燃料以获得目标燃烧AFR，该目标燃烧AFR使排气排放控制装置的运转效率最大化。因此，氧传感器的测量准确度可以受氧传感器中的元件劣化的严重影响，例如，受由传感器元件变黑或热老化的严重影响。氧传感器元件变黑是一种劣化形式，这种劣化形式可能由于使用高电压和/或可变电压而发生，并且还可由于低氧和水条件而发生。热老化是另一种劣化形式，这种劣化形式可由于传感器在一段时间周期连续运转而发生。

各种方法已经被使用来检测氧传感器劣化，尤其是涉及变黑和热老化的劣化。在由Verdier等人在US20120167656A1中示出的一个示例方法中，可以将电压加载到被连接到加压室(pump cell)(在使用双室传感器的情况下)传感器的电极的端子或者加载到被连接到排气传感器的组合的加压室和测量室(在使用单室传感器的情况下)的电极的端子上，并且随后监测流过所述室的加压电流(pumping current)。在不同的时间点，可以将同量级的电压加载到该端子上并且估算出加压电流的差值。如果该加压电流差值大于阈值，则可以推测出由于室电极的至少一个变黑导致了氧传感器劣化。

本文作者意识到上述方法可能存在的问题。作为一个示例，在两个不同的时间点加载电压之后，加压电流的变化可以由于热老化或元件变黑而发生。因此，在Verdier等人的方法中，不可能区分出传感器的热老化和传感器元件变黑。根据热老化和/或元件变黑的发生，需要针对使用该传感器进行的未来的氧估计采取不同的纠正措施。通过将不恰当的纠正措施应用到UEGO传感器，传感器劣化可以被加速并且使用传感器得到的氧估计的准确度可以降低，由此影响发动机性能。

发明内容

本文作者已经提出一种方法，通过这种方法可以至少部分解决上述问题。用于车辆发动机的一种示例方法，其包括在加载电压之后通过监测的氧传感器的加压室(pump cell)和能斯特室(Nemst cell)的每个的阻抗的变化来区分氧传感器的热老化和变黑。以此方式，氧传感器变黑能够被更容易地识别且被迅速地处理。

作为一个示例，氧传感器的加压室和能斯特室的每个的阻抗可以被监测并且用于检测和区分传感器热老化和传感器元件变黑。在随着时间多次使用之后，在氧传感器中可能发生热老化(也被称为去晶粒效应(de-graining effect))。由于存在于加压室的电极中的材料的变化(例如，氧化锆(ZrO2)变为锆(Zr))，可以发生变黑。在传感器的电极上可以观察到暗色的累积(例如，金属锆Zr的累积)，这可以被称为变黑。交流电(AC)电压可以伺机地(opportunistically)或周期性地加载到氧传感器的加压室和能斯特室中的每个并且通过测量各自加压电流以生成频率扫描可以估计这些室的对应的阻抗。经过一段时间加压室和能斯特室的每个的阻抗可能由于发热而降低。根据阻抗随着时间的变化可以检测热老化。然而，在一段时间之后和在多次使用之后，由热老化导致的阻抗变化(在加压室和能斯特室中都可观察到)可以稳定。对每个室进一步加载电压不可以显示出阻抗的任何进一步的降低。如果在加压室的电极中存在变黑，那么在热老化稳定之后，则进一步加载更高峰值电压的AC电压可以显示加压室阻抗的显著变化。从观察到的加压室阻抗相对于加压室阻抗的前次测量(诸如在上次扫描期间)的变化量可以估计变黑的程度。另外，当对能斯特室加载相同的AC电压时，阻抗没有任何进一步的变化，这进一步确认在加压室中观察到的电阻的变化是由于变黑造成的而不是由于任何进一步的热老化。在热老化的检测之后，在使用传感器进行氧估计期间使用的补偿因子可以被更新。相比之下，在检测传感器变黑时，在未来的氧估计期间，可以使用较低的目标电压(参考电压)和用于参考电压加载的保守变化率(ramp rate)。并且，诊断码(标记)可以被设定来通知使用者劣化。