DE102011089359A1

DE102011089359A1 - Verfahren zum Betreiben eines Gassensors

Info

Publication number: DE102011089359A1
Application number: DE201110089359
Authority: DE
Inventors: Thomas Zein; Cyril Verdier; Benjamin Sillmann; Richard Holberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27

Abstract

Verfahren zum Betrieben eines Sensors (1) zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors (1) auf eine Betriebstemperatur (TB) und den anschließende Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart (BA1) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors (1) ein Interimsbetrieb (IB) des Sensors (1) vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart (BA2) erfolgt und der Sensor (1) mit einer verminderten Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, das ein Aufheizen des Sensors auf eine Betriebstemperatur vorsieht.
Aus der DE 100 31 474 A1 ist bereits ein derartiges Verfahren bekannt und sieht vor, dass bei einer Breitband-Lambdasonde eine Beheizung zu einem definierten Zeitpunkt gestartet wird und Ausgangssignale des Sensors sobald verfügbar ausgewertet werden.
Bei der Verwendung solcher herkömmlicher Betriebsstrategien tritt folgendes Problem auf: Nach dem Start einer Brennkraftmaschine ist einerseits eine möglichst rasche Betriebsbereitschaft der der Brennkraftmaschine zugeordneten Abgassensoren erwünscht, um schädliche Emissionen der Brennkraftmaschine wie Stickoxide, Russ, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe möglichst früh reduziert werden kann. Hierfür ist es im Allgemeinen erforderlich, die Sensoren möglichst früh nach dem Start der Brennkraftmaschine zu beheizen und die Heizleistung möglichst hoch zu wählen, damit die Sensoren möglichst bald ihre Betriebstemperatur von beispielsweise 780°C erreichen.
Im Abgastrakt von Brennkraftmaschinen befindet sich nach längerem Stillstand jedoch häufig kondensiertes Wasser, beispielsweise in Form von Tropfen oder Schwallwasser, und es besteht die Gefahr, dass in dieser Phase zu früh zu stark aufgeheizte Sensoren mit dem Wasser in Kontakt kommen, sich schlagartig lokal abkühlen und durch den somit resultierenden thermischen Schock beschädigt werden könnten. Um eine Beschädigung der Sensoren durch thermischen Schock möglichst auszuschließen und um eine hohe Betriebssicherheit zu erreichen, ist daher eine möglichst späte und langsame Beheizung der Sensoren wünschenswert.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Zielkonflikt zwischen früher Messbereitschaft des Sensors und hoher Betriebssicherheit des Sensors zu überwinden und ein Verfahren anzugeben, mit dem ein Sensor rasch in einen betriebsbereiten Zustand versetzt werden kann, gleichzeitig aber eine potenzielle Beschädigung des Sensors durch flüssiges Wasser sicher vermieden werden kann.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1.
Erfindungsgemäß handelt es sich um ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis einer Gaskomponente, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickoxid, Ammoniak oder Kohlenwasserstoffen. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Sensor handeln, der auf einem elektrochemischen Prinzip beruht, insbesondere um einen keramischen Sensor, aber auch andere Sensortypen sind grundsätzlich von der Erfindung betroffen. Insbesondere kann es sich erfindungsgemäß um ein Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde handeln.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren das Aufheizen des Sensors auf eine Betriebstemperatur. Der Begriff des Aufheizens auf eine Betriebstemperatur ist dabei grundsätzlich in einem weiten Sinne zu verstehen, dahingehend, dass ausgehend von einer Temperatur des Sensors, die unterhalb der Betriebstemperatur liegt, dem Sensor von außen Energie, beispielsweise in Form von Wärme oder Strahlung oder in elektrischer Form, zugeführt wird, sodass der Sensor schließlich die Betriebstemperatur aufweist, sich insbesondere auf diese erwärmt. Wenngleich das Aufheizen auf eine Betriebstemperatur insbesondere bedeuten kann, dass die Temperatur des Sensor während des Aufheizens im mathematischen Sinn monoton oder streng monoton zunimmt, so sind doch grundsätzlich auch andere Aufheizvorgänge mit anderen Temperaturverläufen, z.B. mit zeitlich lokalen Temperaturmaxima und/oder Phasen konstanter Temperatur von der Erfindung umfasst. Das Aufheizen des Sensors auf die Betriebstemperatur ist insbesondere der Übergang des Sensors von einer Temperatur des Sensors, die unterhalb der Betriebstemperatur liegt, auf die Betriebstemperatur.
Unter der Temperatur des Sensors ist im Fall von räumlichen Inhomogenitäten der Temperatur im Sensor vorliegend insbesondere die Temperatur der Teile des Sensors zu verstehen, die an der Entstehung des Sensorsignals in einem engen Sinn beteiligt sind, beispielsweise die Temperatur der elektrochemischen Zelle/Zellen bei einem elektrochemischen Sensor.
Wenngleich der Startpunkt des Aufheizens insbesondere die Umgebungstemperatur des Sensors sein kann, ist dies nicht zwingend notwendig, denkbar ist auch, dass die Temperatur des Sensors sich zu Beginn des Aufheizens von der seiner Umgebung unterscheidet, beispielsweise darunter oder darüber liegt.
Wenngleich die Art und Weise, in der dem Sensor zum Aufheizen Energie zugeführt wird, nicht grundsätzlich eingeschränkt ist, kann der Sensor insbesondere eine Heizvorrichtung umfassen, die von außen elektrisch kontaktierbar ist, sodass der Sensor durch seine Heizvorrichtung beheizbar ist. Auch die Beheizung des Sensors durch entsprechende nicht vom Sensor umfasste Heizvorrichtungen, die mit dem Sensor in thermischem Kontakt stehen, ist natürlich möglich.
Die Betriebstemperatur des Sensors hängt von dessen Bauart ab und ist durch die Erfindung nicht grundsätzlich festgelegt. Für auf Zirkonoxid als Ionenleiter basierende elektrochemische Sensoren, insbesondere für solche Sauerstoff-, Stickoxid-, Ammoniak- oder Kohlenwasserstoffsensoren, liegt die Betriebstemperatur zum Beispiel im Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 740°C bis 850°C. Für andere Sensortypen zum Beispiel Chem-FET-Sensoren kommen auch andere Temperaturbereiche für die Betriebstemperatur in Frage.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensor nach Erreichen der Betriebstemperatur in einer ersten Betriebsart betrieben wird und so ein Nachweis der Gaskomponente erfolgt. Wenngleich es möglich ist, dass die erste Betriebsart bei Erreichen der Betriebstemperatur aktiviert wird, ist auch eine später oder frühere, beispielsweise geringfügig frühere oder geringfügig spätere Aktivierung der ersten Betriebsart grundsätzlich möglich.
Vorteilhafterweise kann die erste Betriebsart, beispielsweise mittels Steuerung oder Regelung, vorsehen, dass die Temperatur des Sensors im Bereich der Betriebstemperatur verbleibt. Hierzu sind ggf. geeignete Mittel zur Erfassung der Sensortemperatur vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bereits während des Aufheizens des Sensors, also zu einem Zeitpunkt, zu dem die Betriebstemperatur des Sensors noch nicht erreicht ist, ein Interimsbetrieb des Sensors erfolgt, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart erfolgt, die von der ersten Betriebsart verschieden ist. Während dem Interimsbetrieb wird der Sensor mit einer verminderten Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt.
Unter einer Aufheizrate ist dabei die Geschwindigkeit der Änderung der Temperatur T des Sensors zu verstehen, dT/dt, die beispielsweise im Fall konstanter Temperatur den Wert Null annimmt. Unter Heizleistung ist die dem Sensor pro Zeit von außen zugeführte und für die Temperatur des Sensors relevante Energiemenge zu verstehen, beispielsweise die elektrische Anschlussleistung eines elektrischen Heizers.
Erfindungsgemäß ist die Aufheizrate und/oder Heizleistung der Beheizung des Sensors während des Interimsbetriebs vermindert. Die Aufheizrate und/oder Heizleistung der Beheizung des Sensors ist also während des Interimsbetriebs insbesondere geringer als vor dem Interimsbetrieb. Die Aufheizrate und/oder Heizleistung der Beheizung des Sensors ist während des Interimsbetriebs insbesondere geringer als nach dem Interimsbetrieb.
Die Größen Aufheizrate und Heizleistung unterliegen einer zumindest teilweise auch sehr raschen Zeitabhängigkeit. Im Sinne der Erfindung sind nun für die Frage, ob eine Aufheizrate oder eine Heizleistung vermindert bzw. erhöht ist oder nicht, jedoch nicht beliebig kurzfristige Schwankungen dieser Größen heranzuziehen, sondern lediglich Schwankungen, die sich nach einer gewissen Mittelungszeit, wie sie beispielsweise eine reale Messung dieser Größen üblicherweise implizieren würde, und/oder Mittelungszeit über eine inverse Regelbandbreite und/oder über eine Signalzykluszeit im Fall einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung und/oder eine sonstige derartige für die individuelle Sensoreinrichtung bzw. für die individuelle Ausführung des Verfahrens relevante Systemzeit heranzuziehen. Beispielsweise kann von einer Mittelungszeit von 10ms oder einer Mittelungszeit von 50ms ausgegangen werden oder von einer Mittelungszeit, die zwischen diesen Werten liegt.
Die Temperatur des Sensors, bei der der Interimsbetrieb erfolgt, hängt von der Bauart des Sensors ab. Für auf Zirkonoxid als Ionenleiter basierende elektrochemische Sensoren, insbesondere für solche Sauerstoff-, Stickoxid-, Ammoniak- oder Kohlenwasserstoffsensoren, liegt diese Temperatur insbesondere im Temperaturbereich von 200°C bis 600°C, bevorzugt ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C und insbesondere 200K bis 600K, bevorzugt 300K bis 400K, unterhalb der Betriebstemperatur des Sensors. Für andere Sensortypen zum Beispiel Chem-FET-Sensoren kommen auch andere Temperaturbereiche und Temperaturdifferenzen in Frage.
Es ist zwar einerseits möglich, dass die Temperatur des Sensors während des Interimsbetriebs ansteigt oder in gewissen Grenzen schwankt, zum Beispiel langsam ansteigt, andererseits ist es in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors während des Interimsbetriebs auf eine konstante oder zumindest annährend konstante Temperatur gesteuert und/oder geregelt wird. Unter einer zumindest annährend konstanten Temperatur kann vorliegend beispielsweise eine Temperatur verstanden werden, die weniger als 20K, bevorzugt weniger als 10K, schwankt und/oder deren Änderungsrate weniger als 20K/s, bevorzugt weniger als 10K/s, beträgt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Sensor zwar früh und rasch aufzuheizen, jedoch nicht bis zur Betriebstemperatur früh und rasch aufzuheizen, sondern lediglich bis zu einer unterhalb der Betriebstemperatur liegenden Temperatur, bei der die Gefahr des Auftretens von Thermoschock durch auf den Sensor auftreffendes Wasser geringer ist und bei der der Nachweis der Gaskomponente durch den Sensor in einer zweiten Betriebsart durchführbar ist. Insbesondere handelt es sich um eine Temperatur, die soweit unterhalb der Betriebstemperatur des Sensors liegt, dass der Nachweis der Gaskomponente durch den Sensor in der ersten Betriebsart nicht durchführbar ist. Die zweite Betriebsart kann dabei gleichsam als ein vorläufiger Ersatz für die erste Betriebsart angesehen werden, der solange benutzt wird, wie die für die zweite Betriebsart erforderliche hohe Temperatur ein übermäßiges Risiko eines Thermoschocks in sich birgt.
Der Erfindung liegt ferner die Idee zugrunde, im Anschluss an das beschriebene frühe und rasche Erreichen dieser Temperatur, in der der Nachweis der Gaskomponente durch den Sensor in einer zweiten Betriebsart durchführbar ist, in einen Interimsbetrieb überzugehen, in dem ein weiteres Aufheizen solange mit verminderter Rate erfolgt oder in dem die Heizleistung solange vermindert ist oder in dem die Temperatur des Sensors solange zumindest weitgehend konstant bleibt, bis ein weiteres Aufheizen des Sensors bis zur Betriebstemperatur ohne Gefahr möglich ist. Die Dauer dieses Interimsbetriebs ist neben der Bauart des Sensors insbesondere auch von den Randbedingungen des Einsatzes des Sensors abhängig. Insbesondere erfolgt der Interimsbetrieb des Sensors ununterbrochen 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden.
Der Erfindung liegt überdies insbesondere auch die Idee zugrunde, dieses weitere Aufheizen mit einer Aufheizrate oder einer Heizleistung vorzunehmen, die höher ist als die Aufheizrate oder die Heizleistung während des Interimsbetriebs. Auf diese Weise wird rasch die Betriebstemperatur des Sensors und dessen volle Funktionalität erreicht und der Betrieb des Sensors kann in der ersten Betriebsart fortgesetzt werden.
Insgesamt stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit die Möglichkeit zu Verfügung, bereits nach sehr kurzer Zeit den Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart vorzunehmen und zusätzlich nach kürzest möglicher Zeit die volle Funktionalität des Sensors in einer ersten Betriebsart zu nutzen, während die Gefahr der Beschädigung des Sensors durch zu frühes und zu starkes Aufheizen des Sensors weitgehend vermieden werden kann.
Aufgrund der relativ konstanten Temperatur des Sensors während des Interimsbetriebs hat das Verfahren überdies den Vorteil, dass der Nachweis der Gaskomponente in der zweiten Betriebsart mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit erfolgen kann und nicht dadurch mit einer Ungenauigkeit behaftet ist, dass die Sensortemperatur in dieser Phase großen Temperaturänderungen unterworfen ist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine erste elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Spannung sowohl anlegbar als auch abgreifbar ist, die also insbesondere eine elektrochemische Zelle aufweist, die mit einer entsprechenden Beschaltung der Sensoreinrichtung wahlweise als Pumpzelle und als Nernstzelle betrieben werden kann. In diesem ersten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere der Elektroden über einen Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt ist.
In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird die erste Betriebsart realisiert durch die Messung eines Grenzstroms der ersten elektrochemischen Zelle, während die zweite Betriebsart realisiert wird durch die Messung einer sich an der ersten elektrochemischen Zelle ausbildenden Potentialdifferenz, insbesondere Nernstspannung.
Es wird auch unabhängig von einem speziellen Aufheizverhalten und/oder einem speziellen Heizleistungsverlauf ein Verfahren zum Betrieben eines Sensors zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, vorgeschlagen, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors auf eine Betriebstemperatur und den anschließenden Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart, die eine Grenzstrommessung umfasst, vorsieht, wobei zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors ein Interimsbetrieb des Sensors vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart, die die Messung einer Nernstspannung umfasst, erfolgt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Grenzstrommessung der ersten Betriebsart und die Nernstspannungsmessung der zweiten Betriebsart mit der jeweils entsprechend beschalteten aber ansonsten derselben ersten elektrochemischen Zelle erfolgt. Insbesondere ist das Verfahren mit einem einzelligen Sensor und einer entsprechenden Sensoreinrichtung ausführbar, die ebenfalls vorliegend vorgeschlagen werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine erste elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundenen Elektroden, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, also eine elektrochemische Pumpzelle. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sensor ferner eine zweite elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Spannung abgreifbar ist, also eine elektrochemische Nernstzelle.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Nernstzelle einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere der Elektroden der Nernstzelle über einen Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und in einem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet ist.
In diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Pumpzelle ebenfalls über den Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und ebenfalls in dem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet. Die andere der Elektroden der Pumpzelle ist der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt, beispielsweise unmittelbar oder ebenfalls über einen, vorzugsweise geringen, Diffusionswiderstand.
In dieser zweiten Ausführungsbeispiel wird die erste Betriebsart realisiert durch das Einregeln einer konstanten Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Hohlraum, wobei diese Konzentration mittels der Nernstzelle detektiert und mittels der Pumpzelle manipuliert wird, wobei der Nachweis der Gaskomponente von der Größe des Stroms durch die Pumpzelle abgeleitet wird, während die zweite Betriebsart realisiert wird durch die Messung einer sich an der ersten elektrochemischen Zelle ausbildenden Potentialdifferenz, insbesondere Nernstspannung.
In einem dritten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine erste elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundenen Elektroden, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, also eine elektrochemische Pumpzelle. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel weist der Sensor ferner eine zweite elektrochemische Zelle auf, also insbesondere eine Anordnung mit zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Spannung abgreifbar ist, also eine elektrochemische Nernstzelle. Ferner weist der Sensor eine dritte elektrochemische Zelle auf, zwischen denen eine Spannung abgreifbar ist, also eine weitere elektrochemische Nernstzelle.
In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Nernstzelle einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere der Elektroden der Nernstzelle über einen Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und in einem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet ist.
In diesem dritten Ausführungsbeispiel ist die eine der Elektroden der Pumpzelle ebenfalls über den Diffusionswiderstand der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt und ebenfalls in dem Hohlraum im Inneren des Sensors angeordnet. Die andere der Elektroden der Pumpzelle ist der der nachzuweisenden Gaskomponente ausgesetzt, beispielsweise unmittelbar oder ebenfalls über einen, vorzugsweise geringen, Diffusionswiderstand.
Die dritte elektrochemische Zelle, die weitere Nernstzelle ist in diesem Beispiel gebildet aus der einen Elektrode der Nernstzelle und der anderen Elektrode der Pumpzelle, die der der nachzuweisenden Gaskomponente, beispielsweise unmittelbar oder über einen, vorzugsweise geringen, Diffusionswiderstand, ausgesetzt ist.
In diesem dritten Ausführungsbeispiel wird die erste Betriebsart realisiert durch das Einregeln einer konstanten Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Hohlraum, wobei diese Konzentration mittels der Nernstzelle detektiert und mittels der Pumpzelle manipuliert wird, wobei der Nachweis der Gaskomponente von der Größe des Stroms durch die Pumpzelle abgeleitet wird, während die zweite Betriebsart realisiert wird durch die Messung einer sich an der dritten elektrochemischen Zelle, der weiteren Nernstzelle ausbildenden Potentialdifferenz, insbesondere Nernstspannung.
Es wird vorliegend überdies ein Verfahren zum Erfassen einer an einer als Nernstzelle betriebenen elektrochemischen Zelle anliegenden Spannung vorgeschlagen, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektroden der Nernstzelle hochohmig im Vergleich zum elektrischen Innenwiderstand der Nernstzelle, zum Beispiel über einen Vorwiderstand von 1kOhm bis 100kOhm oder von 10kOhm, mit einer Spannung beaufschlagt werden, die im Bereich zwischen 0V und der maximal erwartete Nernstspannung, zum Beispiel 900mV, liegt. Eine Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens wird ebenfalls überdies vorgeschlagen. Eine Variante dieses Verfahren zum Erfassen einer an einer als Nernstzelle betriebenen elektrochemischen Zelle anliegenden Spannung besteht darin, dass die Nernstzelle mit gepumpter Referenz betrieben wird, und der Pumpstrom für die Zwecke der Durchführung des Verfahrens, insbesondere unter Berücksichtigung einer Relaxationszeit, ausgeschaltet wird. Es ist ferner optional stets möglich, diesen Referenzpumpstrom, insbesondere durch Modulation, auch zur Messung des elektrischen Elektrolytwiderstands zu nutzen, um die Temperatur der Nernstzelle, bzw. eines die Nernstzelle umfassenden Sensors, zu messen. Vorteilhaft an dem überdies vorgeschlagene Verfahren ist, dass an der Nernstzelle eine Spannung abgreifbar ist, die bei ungenügend beheizter, zum Beispiel kalter, Nernstzelle der angelegten Spannung entspricht, in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt an beiden Elektroden der Nernstzelle ähnlich ist, einen Wert von 0V annimmt, und in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt an beiden Elektroden der Nernstzelle deutlich verschieden ist, einen hohen Wert von beispielsweise 900mV liefert. Es entsteht insbesondere der Vorteil, dass der Fall in dem der Sauerstoffgehalt an beiden Elektroden der Nernstzelle gleich ist, von dem Fall einer ungenügend beheizten, zum Beispiel kalten, Nernstzelle unterschieden werden kann.
Zeichnung
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
2 zeigt den Temperaturverlauf in den verschiedenen Phasen der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt ein mögliches Detail einer Beschaltung des Sensors.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 110 umfasst einen Sensor 1 zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum 2, insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine. Der Sensor 1 umfasst eine erste elektrochemische Zelle 3 mit einer ersten Elektrode 136 und mit einer zweiten Elektrode 118. Die zweite Elektrode 118 ist in einem Hohlraum 130 angeordnet und ist über mindestens eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 2 verbunden. Die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 sind über mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden.
Zwischen die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 ist eine Spannung Up anlegbar, sodass die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Pumpzelle 3 bilden. Der durch die Pumpzelle 3 fließende elektrische Strom Ip ist zeitaufgelöst erfassbar.
Zusätzlich ist eine sich zwischen der ersten Elektrode 136 und der zweiten Elektrode 118 ausbildende Nernstspannung U_N abgreifbar, sodass die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Nernstzelle bilden. Die sich an dieser Nernstzelle ausbildende Nernstspannung U_N ist zeitaufgelöst erfassbar.
Die erste Elektrode 136 ist in einem Referenzgasraum 126 angeordnet, das heißt in einem Gasraum, der von dem Messgasraum 2 gasdicht oder zumindest im Wesentlichen gasdicht getrennt ist. Weiterhin kann der Gassensor 1 ein Heizelement 128 umfassen.
Die Sensorvorrichtung 110 weist weiterhin ein Steuergerät 112 auf. Das Steuergerät 112 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Sensors durchzuführen. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 134 mit dem Gassensor 1 verbunden sein. Das Steuergerät 112 kann aber auch vollständig oder teilweise in dem Gassensor 1 integriert sein. Das Steuergerät 112 kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden, insbesondere die erste Elektrode 136 und/oder die zweite Elektrode 118 mit Strom und/oder Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln. Insbesondere kann als Beaufschlagungsvorrichtung eine Konstantstromquelle vorgesehen sein. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere elektrische Leitungen umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens zwei Heizzuleitungen 188, insbesondere zur Versorgung des Heizelements 128 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom, und/oder eine Referenzelektrodenzuleitung 140 und/oder eine Innenelektrodenzuleitung 142. Weiterhin kann das Steuergerät 112 gegebenenfalls mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung. Die Messvorrichtung ist dabei optional jeweils eingerichtet, eine Spannung oder einen Strom, zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 136, 118 anliegende Spannung zeitaufgelöst zu messen, oder zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 136, 118, fließenden Strom zeitaufgelöst zu messen.
1 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau einer auch als Pumpzelle bezeichneten einzelligen Breitband-Lambdasonde. Der Gassensor 1 kann insbesondere ein Gaszutrittsloch 129 umfassen. Beispielsweise kann ein Diffusionsweg des Gases, insbesondere der Gaskomponente des Gases, beispielsweise Sauerstoff, von dem Gaszutrittsloch 129 durch die Diffusionsbarriere 120, insbesondere durch die poröse Diffusionsbarriere 120, zu der zweiten Elektrode 118, insbesondere der Innenpumpelektrode, in den Hohlraum 130 führen. Der Festelektrolyt 124 kann, insbesondere ganz oder überwiegend, aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid bestehen, die Elektroden 136, 118 können, insbesondere ganz oder überwiegend, aus einem Cermet, beispielsweise aus einem Platin und teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid aufweisendem Cermet, bestehen.
Zum Aufheizen des Sensors 1 ist es in diesem Beispiel vorgesehen, dass die Beaufschlagungsvorrichtung das Heizelement 128 über Heizerzuleitungen 188 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom versorgt. Dies erfolgt in diesem Beispiel mittels pulsweitenmodulierten Signalen, die mit einer Frequenz von 100Hz übermittelt werden, das heißt die Signalzykluszeit beträgt 10ms. Es ist ferner vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors 1 zeitaufgelöst durch Messung der Impedanz der ersten elektrochemischen Zelle 3 erfasst wird, beispielsweise durch Beaufschlagung der ersten elektrochemischen Zelle 3 mit Probepulsen oder sonstigen Testsignalen. Insbesondere kann in dem Steuergerät 112 ein Regler implementiert sein, der die aktuelle Temperatur des Sensors 1 mit einem vorgegebenen Sollwert, beziehungsweise einem aktuellen Regelziel, vergleicht und auftretende Abweichungen durch entsprechende Beheizung des Sensors 1 kompensiert. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Regelbandbreite 20 Hz.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Aufheizen des Sensors 1 unmittelbar nach Inbetriebnahme der Sensorvorrichtung 110 erfolgt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass nach Inbetriebnahme des Sensors eine Weile abgewartet wird, bis mit dem Aufheizen des Sensors 1 begonnen wird.
2: In einer ersten Phase I des Aufheizens erfolgt beispielsweise ein Aufheizen des Sensors 1 mit einer Temperatur T_I als Regelziel. Die Temperatur T_I ist hierbei beispielsweise so gewählt, dass sie einerseits hoch genug ist, um zu gewährleisten, dass an der ersten elektrochemischen Zelle 3 eine Nernstspannung U_N gemäß der Differenz der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 auftritt. Anderseits ist die Temperatur T_I aber auch so niedrig gewählt, dass die Gefahr einer Beschädigung des Sensors 1 gering ist, selbst wenn der Sensor 1 von Wasser in flüssiger Form, das zu diesem Zeitpunkt noch im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorzufinden sein könnte, in einem gewissen Umfang getroffen werden sollte. Grundsätzlich kann es sich dabei um eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 600°C handeln. Der Temperaturbereich von 200°C bis 300°C ist hinsichtlich einer schnellen Erreichbarkeit und hohen Betriebssicherheit besonders günstig, während ein Bereich von 400°C bis 600°C hinsichtlich einer hohen Messfunktionalität, insbesondere einer hohen Dynamik, günstig ist. Als ein bevorzugter Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen kann ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C angesehen werden.
Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser Phase kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an dem Heizelement 128 eine Spannung von beispielsweise 12V anliegt wird, so dass entsprechend dem elektrischen Widerstand des Heizelements 128 eine Heizleistung resultiert. Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser ersten Phase I kann beispielsweise mit einer Aufheizrate erfolgen, die zwischen 100K/s und 400K/s liegt. Ausgehend von einem kalten Sensor 1 (0°C) ist somit die Temperatur T_I innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar.
In einer der ersten Phase I nachfolgenden zweiten Phase II erfolgt ein hier als Interimsbetrieb IB des Sensors 1 bezeichneter Betrieb des Sensors 1, bei dem der Nachweis der Gaskomponente durch Auswertung der an der ersten elektrochemischen Zelle 3 anliegenden Nernstspannung U_N erfolgt und bei dem der Sensor mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die geringer ist als in der ersten Phase.
Im vorliegenden Beispiel wird die Temperatur des Sensors 1 in dieser zweiten Phase II wie oben beschrieben und beispielsweise mit einer Bandbreite von 20 Hz auf den Wert T_I geregelt und ist damit, zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, weitgehend konstant. Auch die Heizleistung ist zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, im Vergleich zu Phase I vermindert, beispielsweise auf einen Wert von 10% bis 30% der Heizleistung in der ersten Phase I.
Alternativ wäre es auch möglich, in dieser zweiten Phase II statt einer konstanten Temperatur eine langsam ansteigende Temperatur als Regelziel vorzugeben, beispielsweise mit einer Aufheizrate, die zwischen 15K/s und 150K/s liegt und aus der eine langsam ansteigende und im Vergleich zu Phase 1 verminderte Heizleistung resultiert.
Es ist beispielsweise vorgesehen, dass der Interimsbetrieb IB 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden, ohne Unterbrechung erfolgt und/oder solange fortgesetzt wird, bis eine rasche weitere Aufheizung des Sensors 1 gefahrlos möglich ist, beispielsweise bis zu einem Zeitpunkt, zu dem sicher davon ausgegangen wird, dass ein Auftreffen von Wasser in flüssiger Form auf dem Sensor nicht mehr oder nur noch in tolerierbarem Maße zu erwarten ist.
Das Abgreifen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 kann einerseits rein passiv durch eine Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Nachteilig ist hieran jedoch, dass sich im Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, keine von Null verschiedene Nernstspannung U_N ausbildet und somit von der Spannung die zwischen den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1, nicht unterschieden werden kann.
Eine bevorzugte Alternative zum Messen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 ist in 3 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Die Elektroden 118, 136 der ersten elektrochemischen Zelle 3 werden hochohmig im Vergleich zum Innenwiderstand Rz der elektrochemische Zelle 3 bei der für den Interimsbetrieb IB erforderlichen Temperatur, beispielsweise mit einem Vorwiderstand Rv von 1kOhm bis 100 kOhm, insbesondere Rv=10 kOhm, und mit einer Spannung Uv beaufschlagt die im Bereich zwischen 0V und einer maximal erwarteten Nernstspannung (z.B. 900mV), liegt und beispielsweise 450 mV beträgt.
Im Ergebnis ist an der elektrochemische Zelle 3 eine Spannung abgreifbar, die bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1 der angelegten Spannung Uv entspricht, in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, einen Wert von 0V annimmt, und in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 wesentlich geringer als im Referenzraum 126 ist, einen hohen Wert von beispielsweise 900mV liefert. Es entsteht insbesondere der Vorteil, dass der Fall in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, von dem Fall eines ungenügend beheiztem, zum Beispiel kalten, Sensors 1 unterschieden werden kann.
Durch die beschriebene Alternative ist insbesondere die alternative Möglichkeit gegeben, das Erreichen der Temperatur T_I nicht mittels einer Temperaturmessung im engen Sinn bzw. einer Impedanzmessung zu detektieren, sondern durch Auswertung des Sensorsignals, in diesem Fall der abgegriffenen Nernstspannung.
In einer der zweiten Phase II nachfolgenden dritten Phase III erfolgt ein weiteres Aufheizen des Sensors 1 auf seine Betriebstemperatur T_B, bei der in diesem Beispiel eine hohe Leitfähigkeit der ersten elektrochemischen Zelle 3 für Sauerstoffionen gegeben ist, in diesem Beispiel 780°C. Auch andere Betriebstemperaturen T_B, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 740°C bis 850°C sind grundsätzlich möglich. In Phase III ist die Betriebstemperatur T_B ausgehend von der in der zweiten Phase erreichten Temperatur vorzugsweise innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar.
Es ist vorgesehen, dass in dieser dritten Phase III mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die im Vergleich zur zweiten Phase II erhöht ist, beispielsweise auf Werte der Aufheizrate und/oder der Heizleistung, die in den für die erste Phase I angegebenen Bereichen liegen. In vielen Fällen ist die Aufheizrate und die Heizleistung des Sensors 1 der dritten Phase III im Vergleich zur ersten Phase I, also bei höheren Temperaturen, aufgrund der höheren Wärmeverluste und eines eventuell erhöhten elektrischen Widerstand des Heizelements 128 vermindert.
In einer der dritten Phase III nachfolgenden vierten Phase IV erfolgt ein Betrieb des Sensors 1 als Breitband-Lambdasensor. Zu diesem Zweck wird beispielsweise an die erste elektrochemische Zelle 3 eine Spannung U_G angelegt, beispielsweise eine Spannung U_G, die in einem Bereich von 300mV bis 900mV liegt, die einen Fluss von Sauerstoffionen aus dem Hohlraum 130 in den Referenzraum 126 bewirkt und groß genug ist, sämtlichen durch die Diffusionsbarriere 120 in den Hohlraum 130 transportierten Sauerstoff stets vollständig elektrochemisch abzupumpen. Der resultierende Pumpstrom I_G wird als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum 2 verwendet.
Der Wechsel von der im Zusammenhang mit dem Interimsbetrieb IB in der zweiten Phase II diskutierten zweiten Betriebsart BA₂, die die Auswertung einer Nernstspannung U_N vorsieht, zu der im Zusammenhang mit der vierten Phase IV diskutierten ersten Betriebsart BA₁, die das Messen eines Grenzstroms I_G vorsieht, kann beispielsweise nach Erreichen der Betriebstemperatur T_B bei Übergang von der dritten Phase III zur vierten Phase IV erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, dass dieser Wechsel bereits vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, zum Beispiel bereits kurz vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, erfolgt.
Es ist vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors 1 während der vierten Phase IV zumindest weitgehend konstant ist, beispielsweise auf die Betriebstemperatur T_B geregelt ist.
Das erste Ausführbeispiel ist auch unabhängig von dem diskutierten speziellen Aufheizverhalten und/oder dem speziellen Heizleistungsverlauf ein Beispiel für ein Verfahren zum Betrieben eines Sensors 1 zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors 1 auf eine Betriebstemperatur T_B und den anschließenden Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart BA₁, die eine Grenzstrommessung umfasst, vorsieht, wobei zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors 1 ein Interimsbetrieb IB des Sensors 1 vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart BA₂, die die Messung einer Nernstspannung U_N umfasst, erfolgt, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Grenzstrommessung der ersten Betriebsart BA₁ und die Nernstspannungsmessung der zweiten Betriebsart BA₂ mit der jeweils entsprechend beschalteten aber ansonsten derselben ersten elektrochemischen Zelle 3 erfolgt. Insbesondere ist das Verfahren mit einem Sensor 1 ausführbar, in diesem Beispiel insbesondere mit einem Sensor 1 mit genau einer elektrochemischen Zelle und einer entsprechenden Sensoreinrichtung 110.
In 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 110 umfasst einen Sensor 1 zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum 2, insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine. Der Sensor 1 umfasst eine erste elektrochemische Zelle 3 mit einer ersten Elektrode 116 und mit einer zweiten Elektrode 118. Die zweite Elektrode 118 ist in mindestens einem Hohlraum 130 angeordnet und ist über mindestens eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 2 verbunden. Die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 sind über mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden. Zwischen die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 ist eine Spannung Up anlegbar, sodass die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Pumpzelle 3 bilden. Der durch die Pumpzelle 3 fließende elektrische Strom Ip ist zeitaufgelöst erfassbar.
Der Sensor 1 umfasst ferner eine zweite elektrochemische Zelle 4 mit einer ersten Elektrode 136 und einer zweiten Elektrode 138. Die zweite Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 ist in dem Hohlraum 130 angeordnet und mit der zweiten Elektrode 118 der ersten elektrochemischen Zelle 3 identisch. Auch zwei voneinander verschiedene Elektroden 118, 138, die beide in dem Hohlraum 130 angeordnet sind, wären alternativ möglich. Die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 sind über den mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden. Zwischen der ersten Elektrode 136 und der zweiten Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 ist eine Nernstspannung U_N abgreifbar, sodass die erste Elektrode 136 und die zweite Elektrode 118 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine Nernstzelle 4 bilden. Die an der Nernstzelle 4 anliegende Spannung U_N ist zeitaufgelöst erfassbar.
Die erste Elektrode 116 der ersten elektrochemischen Zelle 3 kann insbesondere als Außenpumpelektrode, insbesondere in einem zweizelligen Gassensor 1, ausgestaltet sein. Als Außenpumpelektrode kann die erste Elektrode 116 insbesondere in einem Messgasraum 2 angeordnet sein. Die erste Elektrode 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 kann insbesondere in einem Referenzgasraum 126 angeordnet sein, das heißt in einem Gasraum, der von dem Messgasraum 2 gasdicht oder zumindest im Wesentlichen gasdicht getrennt ist. Weiterhin kann der Gassensor 1 ein Heizelement 128 umfassen. Weiterhin kann der Gassensor 1 einen Abgleichwiderstand 180 umfassen. Der Abgleichwiderstand 180 kann beispielsweise mit einem Messwiderstand als Stromteiler zum Abgleich des Gassensors 1, insbesondere zur Kalibrierung, dienen.
Die Sensorvorrichtung 110 weist weiterhin ein Steuergerät 112 auf. Das Steuergerät 112 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 134 mit dem Gassensor 1 verbunden sein. Das Steuergerät 112 kann aber auch vollständig oder teilweise in dem Gassensor 1 integriert sein. Das Steuergerät 112 kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung. Das Steuergerät 112 kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden mit Strom und/oder Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln. Insbesondere kann als Beaufschlagungsvorrichtung eine Konstantstromquelle vorgesehen sein. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere elektrische Leitungen umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens zwei Heizerzuleitungen 188, insbesondere zur Versorgung des Heizelements 128 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom, und/oder eine Referenzelektrodenzuleitung 140 und/oder eine Innenelektrodenzuleitung 142 und/oder eine Außenpumpelektrodenzuleitung 144 umfassen. Weiterhin kann das Steuergerät 112 gegebenenfalls mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung. Die Messvorrichtung ist dabei optional jeweils eingerichtet, eine Spannung oder einen Strom, zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 116, 118 anliegende Spannung zeitaufgelöst zu messen, oder zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 116, 118, also durch die Pumpzelle 3, fließenden Strom zeitaufgelöst zu messen.
4 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau einer Breitband-Lambdasonde. Der Gassensor 1 kann insbesondere ein Gaszutrittsloch 129 umfassen. Beispielsweise kann ein Diffusionsweg des Gases, insbesondere der Gaskomponente des Gases, beispielsweise Sauerstoff, von dem Gaszutrittsloch 129 durch die Diffusionsbarriere 120, insbesondere durch die poröse Diffusionsbarriere 120, zu der zweiten Elektrode 118, insbesondere der Innenpumpelektrode, in den Hohlraum 130 führen, in dem die zweite Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle und/oder die zweite Elektrode der zweiten elektrochemischen Zelle angeordnet ist. Der Festelektrolyt 124 kann, insbesondere ganz oder überwiegend, aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkonoxid bestehen, die Elektroden 116, 118, 136, 138 können, insbesondere ganz oder überwiegend, aus einem Cermet, beispielsweise aus einem Platin und teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid aufweisenden Cermet, bestehen.
Zum Aufheizen des Sensors 1 ist es in diesem Beispiel vorgesehen, dass die Beaufschlagungsvorrichtung das Heizelement 128 über Heizerzuleitungen 188 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom versorgt. Dies erfolgt in diesem Beispiel mittels pulsweitenmodulierten Signalen, die mit einer Frequenz von 100Hz übermittelt werden, das heißt die Signalzykluszeit beträgt 10ms. Es ist ferner vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors 1 zeitaufgelöst durch Messung der Impedanz der ersten elektrochemischen Zelle 3 erfasst wird, beispielsweise durch Beaufschlagung der ersten elektrochemischen Zelle 3 mit Probepulsen oder sonstigen Testsignalen. Insbesondere kann in dem Steuergerät 112 ein Regler implementiert sein, der die aktuelle Temperatur des Sensors 1 mit einem vorgegebenen Sollwert, beziehungsweise einem aktuellen Regelziel, vergleicht und auftretende Abweichungen durch entsprechende Beheizung des Sensors 1 kompensiert. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Regelbandbreite 20 Hz.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist beispielsweise vorgesehen, dass ein Aufheizen des Sensors 1 unmittelbar nach Inbetriebnahme der Sensorvorrichtung 110 erfolgt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass nach Inbetriebnahme des Sensors eine Weile abgewartet wird, bis mit dem Aufheizen des Sensors 1 begonnen wird.
Zur Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels kann auf die 2 und 3 verwiesen werden: In einer ersten Phase I des Aufheizens erfolgt beispielsweise ein Aufheizen des Sensors 1 mit einer Temperatur T_I als Regelziel. Die Temperatur T_I ist hierbei beispielsweise so gewählt, dass sie einerseits hoch genug ist, um zu gewährleisten, dass an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 eine Nernstspannung U_N gemäß der Differenz der Sauerstoffkonzentration an den Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 und auftritt. Andererseits ist die Temperatur T_I aber auch so niedrig gewählt, dass die Gefahr einer Beschädigung des Sensors 1 gering ist, selbst wenn der Sensor 1 von Wasser in flüssiger Form, das zu diesem Zeitpunkt noch im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine vorzufinden sein könnte, in gewissem Umfang getroffen werden sollte. Grundsätzlich kann es sich dabei um eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 600°C handeln. Der Temperaturbereich von 200°C bis 300°C ist hinsichtlich einer schnellen Erreichbarkeit und hohen Betriebssicherheit besonders günstig, während ein Bereich von 400°C bis 600°C hinsichtlich einer hohen Messfunktionalität, insbesondere einer hohen Dynamik, günstig ist. Als ein bevorzugter Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Anforderungen kann ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C angesehen werden.
Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser Phase kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass an dem Heizelement 128 eine Spannung von beispielsweise 12V anliegt wird, so dass entsprechend dem elektrischen Widerstand des Heizelements 128 eine Heizleistung resultiert. Das Aufheizen des Sensors 1 in dieser Phase kann beispielsweise mit einer Aufheizrate erfolgen, die zwischen 100K/s und 400K/s liegt. Ausgehend von einem kalten Sensor 1 (0°C) ist somit die Temperatur T_I innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar.
In einer der ersten Phase I nachfolgenden zweiten Phase II erfolgt ein hier als Interimsbetrieb IB des Sensors 1 bezeichneter Betrieb des Sensors 1, bei dem der Nachweis der Gaskomponente durch Auswertung der an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 anliegenden Nernstspannung U_N erfolgt und bei dem der Sensor mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die geringer ist als in der ersten Phase.
Im vorliegenden Beispiel wird die Temperatur des Sensors 1 in dieser zweiten Phase II wie oben beschrieben und beispielsweise mit einer Bandbreite von 20 Hz auf den Wert T_I geregelt und ist damit zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, weitgehend konstant. Auch die Heizleistung ist zumindest gemittelt über die inverse Regelbandbreite und/oder zumindest gemittelt über die Signalzykluszeit der pulsweitenmodulierten Ansteuerung des Heizelements 128, im Vergleich zu Phase I vermindert, beispielsweise auf einen Wert von 10% bis 30% der Heizleistung in der ersten Phase I.
Alternativ wäre es auch möglich, in dieser zweiten Phase II statt einer konstanten Temperatur eine langsam ansteigende Temperatur als Regelziel vorzugeben, beispielsweise mit einer Aufheizrate, die zwischen 15K/s und 150K/s liegt und aus der eine langsam ansteigende und im Vergleich zu Phase 1 verminderte Heizleistung resultiert.
Es ist beispielsweise vorgesehen, dass der Interimsbetrieb IB 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden, ohne Unterbrechung erfolgt und/oder solange fortgesetzt wird, bis eine rasche weitere Aufheizung des Sensors 1 gefahrlos möglich ist, beispielsweise bis zu einem Zeitpunkt, zu dem sicher davon ausgegangen wird, dass ein Auftreffen von Wasser in flüssiger Form auf dem Sensor nicht mehr oder nur noch in tolerierbarem Maße zu erwarten ist.
Das Abgreifen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 kann einerseits rein passiv durch eine Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Nachteilig ist hieran jedoch, dass sich im Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, keine von Null verschiedene Nernstspannung U_N ausbildet und somit von der Spannung die zwischen den Elektroden 118, 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1, nicht unterschieden werden kann.
Eine bevorzugte Alternative zum Messen der Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 ist in 3 anhand eines Schaltbildes dargestellt. Die Elektroden 138, 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 werden hochohmig im Vergleich zum Innenwiderstand Rz der zweiten elektrochemischen Zelle 3, beispielsweise mit einem Vorwiderstand Rv von 1kOhm bis 100 kOhm, insbesondere Rv=10 kOhm, und mit einer Spannung Uv beaufschlagt die im Bereich zwischen 0V und einer maximal erwarteten Nernstspannung (z.B. 900mV), liegt und beispielsweise 450 mV beträgt.
Im Ergebnis ist an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 eine Spannung abgreifbar, die bei ungenügend beheiztem, zum Beispiel kaltem, Sensor 1 der angelegten Spannung Uv entspricht, in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, einen Wert von 0V annimmt, und in dem Fall, in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 wesentlich geringer als im Referenzraum 126 ist, einen hohen Wert von beispielsweise 900mV liefert. Es entsteht insbesondere der Vorteil, dass der Fall in dem der Sauerstoffgehalt im Messgasraum 2 bzw. im Hohlraum 130 ähnlich dem Sauerstoffgehalt im Referenzraum 126 ist, von dem Fall eines ungenügend beheiztem, zum Beispiel kalten, Sensors 1 unterschieden werden kann.
Durch die beschriebene Alternative ist insbesondere die alternative Möglichkeit gegeben, das Erreichen der Temperatur T_I nicht mittels einer Temperaturmessung im engen Sinn bzw. einer Impedanzmessung zu detektieren, sondern durch Auswertung des Sensorsignals, in diesem Fall der abgegriffenen Nernstspannung.
In einer der zweiten Phase II nachfolgenden dritten Phase III erfolgt ein weiteres Aufheizen des Sensors 1 auf seine Betriebstemperatur T_B, bei der in diesem Beispiel eine hohe Leitfähigkeit der ersten elektrochemischen Zelle 3 für Sauerstoffionen gegeben ist, in diesem Beispiel 780°C. Auch andere Betriebstemperaturen T_B, beispielsweise in einem Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 725°C bis 835°C sind grundsätzlich möglich. In Phase III ist die Betriebstemperatur T_B ausgehend von der in der zweiten Phase erreichten Temperatur vorzugsweise innerhalb einer Zeit von 0,5s bis 6s erreichbar.
Es ist vorgesehen, dass in dieser dritten Phase III mit einer Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird, die im Vergleich zur zweiten Phase II erhöht ist, beispielsweise auf Werte der Aufheizrate und/oder der Heizleistung, die in den für die erste Phase I angegebenen Bereichen liegen. In vielen Fällen ist die Aufheizrate und die Heizleistung des Sensors 1 der dritten Phase III im Vergleich zur ersten Phase I, also bei höheren Temperaturen aufgrund der höheren Wärmeverluste und eines eventuell erhöhten elektrischen Widerstand des Heizelements 128 vermindert.
In einer der dritten Phase III nachfolgenden vierten Phase IV erfolgt ein Betrieb des Sensors 1 als Breitband-Lambdasensor. Zu diesem Zweck wird beispielsweise die an der zweiten elektrochemischen Zelle 4 anliegende und abgegriffene Nernstspannung U_N auf einen vorgegebenen Wert, beispielsweise auf 450mV, geregelt. Dies geschieht insbesondere, indem dem Hohlraum 130 mittels Anlegen einer insbesondere zeitlich variablen Pumpspannung U_P an die erste elektrochemische Zelle 3 Sauerstoff entnommen bzw. zugeführt wird. Der resultierende Pumpstrom I_P wird als Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum 2 verwendet.
Der Wechsel von der im Zusammenhang mit dem Interimsbetrieb IB in der zweiten Phase II diskutierten zweiten Betriebsart BA₂, die die Auswertung einer Nernstspannung vorsieht, zu der im Zusammenhang mit der vierten Phase IV diskutierten ersten Betriebsart BA₁ kann beispielsweise nach Erreichen der Betriebstemperatur T_B bei Übergang von der dritten Phase III zur vierten Phase erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, dass dieser Wechsel bereits vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, zum Beispiel bereits kurz vor Erreichen der Betriebstemperatur T_B, erfolgt.
Es ist vorgesehen, dass die Temperatur des Sensors 1 während der vierten Phase IV zumindest weitgehend konstant ist, beispielsweise auf die Betriebstemperatur T_B geregelt ist.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 112 ist in 5 gezeigt und unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der Sensor eine dritte elektrochemische Zelle 5 aufweist, mit einer ersten Elektrode 156 und einer zweiten Elektrode 157, wobei diese dritte elektrochemische Zelle 5 als Nernstzelle beschaltet ist. In diesem Beispiel ist die ersten Elektrode 156 der dritten elektrochemischen Zelle 5 mit der ersten Elektrode 116 der ersten elektrochemischen Zelle 3 identisch, die ersten Elektrode 156 der dritten elektrochemischen Zelle 5 könnte jedoch auch als eine separate, auf der Außenseite des Sensors 1 angeordnete und dem Messgas ausgesetzte Elektrode ausgebildet sein. Ferner ist die zweite Elektrode 157 der dritten elektrochemischen Zelle 5 mit der ersten Elektrode 136 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 identisch, die zweite Elektrode 157 der dritten elektrochemischen Zelle 5 könnte jedoch auch als eine separate, in einem Referenzraum 126 des Sensors 1 angeordnete und einem Referenzgas ausgesetzte Elektrode ausgebildet sein.
Das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass in der zweiten Betriebsart BA₂, also während des Interimsbetriebs IB, nicht die Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 136, 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 abgegriffen wird, sondern in dieser Phase die Nernstspannung U_N zwischen den Elektroden 156, 157 der dritten elektrochemischen Zelle 5 abgegriffen wird. Die erste Elektrode 156 der dritten elektrochemischen Zelle 5 ist im Unterschied zur zweiten Elektrode 138 der zweiten elektrochemischen Zelle 4 dem Messgas unmittelbarer ausgesetzt. Das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hat folglich gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteil, dass das Sensorsignal während des Interimsbetriebs IB Schwankungen der Messgaszusammensetzung rascher folgen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10031474 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieben eines Sensors (1) zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors (1) auf eine Betriebstemperatur (T_B) und den anschließenden Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart (BA₁) vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors (1) ein Interimsbetrieb (IB) des Sensors (1) vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart (BA₂) erfolgt und der Sensor (1) mit einer verminderten Aufheizrate und/oder Heizleistung beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sensor (1) eine erste elektrochemische Zelle (3) umfasst, wobei die erste Betriebsart (BA₁) die Erfassung eines Grenzstroms (I_G) der ersten elektrochemischen Zelle (3) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Betriebsart (BA₂) die Erfassung einer an der ersten elektrochemischen Zelle (3) anliegenden Nernstspannung (U_N) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sensor (1) eine erste elektrochemische Zelle (3) umfasst, und eine zweite elektrochemische Zelle (4) umfasst, wobei die zweite Betriebsart (BA₂) die Erfassung einer an der zweiten elektrochemischen Zelle (4) anliegenden Nernstspannung (U_N) vorsieht und die erste Betriebsart (BA₁) darüber hinaus das Einregeln einer insbesondere konstanten Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in einem Hohlraum (130) im Inneren des Sensors (1), wobei diese Konzentration mittels der zweiten elektrochemischen Zelle (4) detektiert und mittels der ersten elektrochemischen Zelle (3) manipuliert wird, wobei der Nachweis der Gaskomponente von der Größe des Stroms durch die ersten elektrochemischen Zelle (3) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 1, wobei der Sensor (1) eine erste elektrochemische Zelle (3) umfasst, und eine zweite elektrochemische Zelle (4) umfasst und eine dritte elektrochemische Zelle (5) umfasst, wobei die zweite Betriebsart (BA₂) die Erfassung einer an der dritten elektrochemischen Zelle (5) anliegenden Nernstspannung (U_N) vorsieht und die erste Betriebsart (BA₁) die Erfassung einer an der zweiten elektrochemischen Zelle (4) anliegenden Nernstspannung (U_N) vorsieht und darüber hinaus das Einregeln einer insbesondere konstanten Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in einem Hohlraum (130) im Inneren des Sensors (1) vorsieht, wobei diese Konzentration mittels der zweiten elektrochemischen Zelle (4) detektiert und mittels der ersten elektrochemischen Zelle (3) manipuliert wird, wobei der Nachweis der Gaskomponente von der Größe des Stroms durch die ersten elektrochemischen Zelle (3) abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Betriebstemperatur (T_B) in einem Temperaturbereich befindet, in dem innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle (3) eine Leitfähigkeit für die Ionen der nachzuweisenden Gaskomponente vorliegt, insbesondere in einem Temperaturbereich von 650°C bis 900°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 740°C bis 850°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Interimsbetrieb des Sensors (1) bei einer Temperatur (T_I) des Sensors (1) erfolgt, die sich in einem Temperaturbereich befindet, in dem sich innerhalb der ersten elektrochemischen Zelle (3) eine Leitfähigkeit für die Ionen der nachzuweisenden Gaskomponente noch nicht ausgebildet hat, an der ersten bzw. zweiten bzw. dritten elektrochemischen Zelle (3, 4, 5) jedoch bereits eine aus der Verschiebung der Ionen der nachzuweisenden Gaskomponente resultierende Spannung, insbesondere Nernstspannung auftritt, insbesondere ein Temperaturbereich unterhalb der Betriebstemperatur (T_B), insbesondere ein Temperaturbereich von 200°C bis 600°C, bevorzugt ein Temperaturbereich von 300°C bis 400°C.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Erfassung der Temperatur des Sensors (1) durch Auswertung einer elektrischen Impedanz einer elektrochemischen Zelle (3, 4) oder durch Auswertung eines Sensorsignals, beispielsweise einer Nernstspannung, vorsieht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Regelung oder Steuerung der Temperatur des Sensors (1) auf die Betriebstemperatur (T_B) vorsieht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Interimsbetrieb (IB) die Regelung oder Steuerung der Temperatur des Sensors (1) auf einen zumindest weitgehend konstanten Wert vorsieht, der insbesondere 200K bis 600K, bevorzugt 300K bis 400K unterhalb der Betriebstemperatur (T_B) des Sensors liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizrate und/oder Heizleistung während des Interimsbetriebs (IB) geringer ist als unmittelbar vor und nach dem Interimsbetrieb (IB).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Interimsbetrieb (IB) 0,5 bis 10 Sekunden, bevorzugt 2 bis 5 Sekunden, ununterbrochen vorgesehen ist.
Steuergerät (112), dadurch gekennzeichnet, das es eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.
Sensoreinrichtung (110), umfassend ein Steuergerät nach Anspruch 13 und einen Sensor (1), insbesondere einen zugehörigen elektrochemischen Abgassensor.
Verfahren zum Betrieben eines Sensors (1) zum Nachweis einer Gaskomponente, insbesondere eines elektrochemischen Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Sauerstoffsensors, wobei das Verfahren das Aufheizen des Sensors 1 auf eine Betriebstemperatur (T_B) und den anschließenden Nachweis der Gaskomponente in einer ersten Betriebsart (BA₁), die eine Grenzstrommessung umfasst, vorsieht, wobei zumindest zeitweise während des Aufheizens des Sensors 1 ein Interimsbetrieb (IB) des Sensors 1 vorgesehen ist, während dem der Nachweis der Gaskomponente in einer zweiten Betriebsart (BA₂), die die Messung einer Nernstspannung U_N umfasst, erfolgt, dadurch gekennzeichnet ist, dass die Grenzstrommessung der ersten Betriebsart (BA₁) und die Nernstspannungsmessung der zweiten Betriebsart (BA₂) mit einer jeweils entsprechend beschalteten ersten elektrochemischen Zelle (3) erfolgt.
Steuergerät (112), dadurch gekennzeichnet, das es eingerichtet ist, das Verfahren nach Anspruche 15 auszuführen.
Sensoreinrichtung (110), umfassend ein Steuergerät (112) nach Anspruch 16 und einen Sensor (1), insbesondere einen elektrochemischen Abgassensor, der genau eine elektrochemischen Zelle (3) aufweist.