DE10023062B4

DE10023062B4 - Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Steuerung eines Betriebs der Messeinrichtung

Info

Publication number: DE10023062B4
Application number: DE10023062.8A
Authority: DE
Inventors: Harald Loeck; Uwe Kammann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-05-11
Filing date: 2000-05-11
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: EP1285262A1; DE10023062A1; WO2001086277A1

Abstract

Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von den Gaskomponenten NOx, H2 und/oder HC im Abgas einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest (a) einer über einen ersten Diffusionskanal (14) mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer (12) und einer über einen zweiten Diffusionskanal (16) mit der ersten Kammer (12) verbundenen zweiten Kammer (18), (b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe (38, 40) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (42, 46) und einer über eine protonenleitende Schicht (24) mit der inneren Elektrode (42, 46) leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode (44, 48) besteht, (c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (26, 28) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (30, 36) und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht (22) mit der inneren Elektrode (30, 36) leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode (32, 34) besteht, wobei die zweite Elektrode (32, 34) einem in einer Referenzgaskammer (20) vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist, (d) einer Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen (26, 28) und die Wasserstoffpumpen (38, 40) vorgebbar ist, sowie (e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Messmodus einen Stromfluss der Wasserstoffpumpen (38, 40) und/oder der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebs der Messeinrichtung mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen.
Während eines Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in Brennkraftmaschinen entstehen in unterschiedlichen Anteilen Schadstoffkomponenten wie Kohlenmonoxid CO, unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Wasserstoff H₂ und Stickoxide NO_x. Es ist bekannt, im Abgasstrang der Brennkraftmaschinen sogenannte Abgasreinigungsanlagen zu installieren. Der Betrieb derartiger Abgasreinigungsanlagen wird im Allgemeinen unter dem Gesichtspunkt eines möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitig möglichst hoher Schadstoffkonvertierung geregelt oder gesteuert. Dazu muss in dem Abgasstrang eine ausreichend empfindliche Sensorik vorhanden sein. Eine solche Sensorik umfasst zumeist auch spezifische Messeinrichtungen, mit denen eine Konzentration einer Gaskomponente im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt werden kann. So sind Sensoren bekannt, mit denen eine Sauerstoff-, eine Wasserstoff-, eine Stickoxid- oder eine Kohlenmonoxidkonzentration bestimmt werden kann.
Aus der EP 731 351 A3 ist ein doppelkammeriger HC-Sensor bekannt, der es ermöglicht, eine Konzentrationsbestimmung von HC auch in Gegenwart von H₂ und CO durchzuführen. Dabei weist der Sensor eine erste Kammer auf, der eine Sauerstoffpumpe zugeordnet ist und die über einen ersten Diffusionskanal mit einem Motorabgas in Kontakt treten kann. Über einen sich der ersten Kammer anschließenden Diffusionskanal kann das Messgas anschließend in eine zweite Kammer eintreten. Auch hier ist eine Sauerstoffpumpe sowie eine zusätzliche Wasserstoffpumpe untergebracht. Die Pumpsysteme bestehen jeweils aus einem Elektrodenpaar, deren innere Elektroden den Kammern zugewandt sind und deren äußere Elektroden durch einen Festelektrolyten von dem Messgas getrennt sind. Im Falle der Sauerstoffpumpen ist der Festelektrolyt sauerstoffionenleitend und im Falle der Wasserstoffpumpe protonenleitend.
Während der Messung wird in der ersten Kammer dem Messgas der Sauerstoff entzogen. In der zweiten Messkammer wird Wasserstoff und ein Wasserstoffanteil an eventuell vorhandenem gasförmigen Wasser über die Wasserstoffpumpe aus dem Messgas entfernt. Durch die Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer wird Sauerstoff zur Oxidation von HC bereit gestellt und entsprechend dem für diesen Prozess detektierten Pumpstrom eine HC-Konzentration bestimmt. Nachteilig an der aufgezeigten Lösung ist die zumindest zu Beginn der Messung noch hohe Konzentration von Wasserstoff und von gasförmigem Wasser, was zu einer Störung der oxidativen Zersetzung von HC führt. Hieraus resultiert letztendlich eine ungenauere Konzentrationsbestimmung von HC. Weiterhin ist nachteilig an dem aufgezeigten Sensor, dass er lediglich zur Bestimmung der HC-Konzentration genutzt wird. Zur Optimierung der Betriebssteuerung der Abgasreinigungsanlage kann es jedoch vorteilhaft sein, auch die Konzentration von Wasserstoff und NO_x zu kennen. Dies ist zur Zeit nur möglich, wenn entsprechende zusätzliche Gassensoren vorhanden sind. Diese sind zum einen kostspielig und zum anderen benötigen sie einen erheblichen Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messeinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der verschiedene Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen in ihrer Konzentration mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Die Messung soll dabei mit nur einem einzigen Sensorelement, das im Abgasstrang angeordnet ist, erfolgen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas der Brennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie mit dem Verfahren zur Steuerung des Betriebs der Messeinrichtung nach den in dem Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst. Die Messeinrichtung besteht dabei aus zumindest

(a) einer über einen ersten Diffusionskanal mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer und einer über einen zweiten Diffusionskanal mit der ersten Kammer verbundenen zweiten Kammer,
(b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe im Bereich der beiden Kammern, die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode und einer über eine protonenleitende Schicht mit der inneren Elektrode leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode besteht,
(c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe im Bereich der beiden Kammern, die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht mit der inneren Elektrode leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode besteht, wobei die zweite Elektrode einem in einer Referenzkammer vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist,
(d) einer Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen und die Wasserstoffpumpen vorgebbar ist, sowie
(e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Messmodus einen Stromfluss der Wasserstoffpumpen und/oder der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt.

Damit ist es erstmalig möglich, verschiedene Gaskomponenten mit einer einzigen Messeinrichtung in ihrer Konzentration zu bestimmen.
Nach dem Verfahren wird ein Messmodus der beanspruchten Messeinrichtung in Abhängigkeit von der oder den zu bestimmenden Gaskomponenten vorgegeben, wobei über den Messmodus die durch die Steuereinheit vorzugebenden Spannungen und die in der Auswerteeinheit zu beachtenden Auswerteparameter festgelegt werden. Dabei ist es möglich, in einem ersten Messmodus eine Konzentration von NO_x und in einem zweiten Messmodus eine Konzentration von Wasserstoff und/oder HC zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die protonenleitende Schicht der Messeinrichtung ein Festelektrolyt, insbesondere auf Basis bariumhaltiger Perowskiten. Auch als sauerstoffionenleitende Schicht wird vorzugsweise ein Festelektrolyt eingesetzt. Die Diffusionskanäle der Messeinrichtung bestehen bevorzugt aus einer porösen Keramik, deren Porosität jeweils der gewünschten Applikation angepasst werden kann. Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die innere Elektrode der Sauerstoffpumpe der ersten Kammer aus einem Cermet, das aus Platin und Zirkoniumdioxid besteht, zu formen. Mit einer solchen Elektrode können besonders effektiv Reduktionsmittel wie Kohlenmonoxid, HC und Wasserstoff in magerer Atmosphäre oxidiert werden. Bevorzugt ist auch, dass im Bereich der zweiten Kammer eine zusätzliche Sauerstoffpumpe (Hilfspumpe) angeordnet wird, die überschüssigen Sauerstoff aus der zweiten Messkammer entfernt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im ersten Messmodus

– mittels der Sauerstoffpumpe ein konstantes, leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer aufrecht erhalten und die Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und HC weitestgehend an der inneren Elektrode aufoxidiert,
– mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff dem Messgas der ersten Kammer entzogen,
– der an der inneren Elektrode der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer durch Reduktion von NO_x entstehende Sauerstoff über die Sauerstoffpumpe dem Messgas entzogen und
– in der Auswerteeinheit anhand des Pumpstromes der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer die NO_x-Konzentration bestimmt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird während der Bestimmung der NO_x-Konzentration über die Hilfspumpe der zweiten Kammer der restliche Sauerstoff entfernt. Insgesamt kann auf die gezeigte Weise die NO_x-Konzentration mit sehr hoher Messgenauigkeit bestimmt werden.
Der zweite Messmodus wird zur Konzentrationsbestimmung von Wasserstoff bevorzugt derart ausgeführt, dass

– mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer aufrecht erhalten wird,
– mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer und der zweiten Kammer entzogen wird,
– mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer aufrecht erhalten wird, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und
– in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Wasserstoffpumpen der ersten und der zweiten Kammer sowie einem Korrekturfaktor für den Wasseranteil die Wasserstoff-Konzentration bestimmt wird.

Der Korrekturfaktor zur Kompensation des Wasseranteils liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 12 bis 16%, insbesondere bei 14%.
Wird der zweite Messmodus zur Konzentrationsmessung von HC benutzt, so wird bevorzugt

– mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer aufrecht erhalten,
– mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer und der zweiten Kammer entzogen,
– mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer aufrecht erhalten, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und
– in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer eine HC-Konzentration bestimmt.

Im zweiten Messmodus kann daher alternativ oder in Kombination die Konzentration von Wasserstoff oder HC bestimmt werden, während der erste Messmodus eine Bestimmung der NO_x-Konzentration mit hoher Genauigkeit erlaubt
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch ein Sensorelement als Teil einer Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten;
2 eine schematische Darstellung der Vorgehensweise im Bereich der
Kammer des Sensorelementes während einer Messung in einem ersten Messmodus und
3 eine schematische Darstellung der Vorgehensweise im Bereich der Kammer des Sensorelementes während einer Messung in einem zweiten Messmodus.
Die 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Sensorelement 10, wie es für die erfindungsgemäße Messeinrichtung Verwendung finden kann. Das Sensorelement 10 wird an geeigneter Position in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet und dient zur Bestimmung einer Konzentration von Stickoxiden NO_x, Wasserstoff und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen HC. Die Brennkraftmaschine kann ein Dieselmotor und eine Ottomotor, insbesondere ein direkt einspritzender Ottomotor, sein.
Über einen Diffusionskanal 14 kann das Abgas der Brennkraftmaschine in eine erste Kammer 12 eintreten und nachfolgend über einen sich anschließenden zweiten Diffusionskanal 16 in eine zweite Kammer 18 diffundieren. Unter den beiden Kammern 12, 18 erstreckt sich eine Referenzgaskammer 20, die üblicherweise mit einem Gas bekannter Sauerstoffkonzentration befüllt wird. Zwischen den Kammern 12, 18 und der Referenzgaskammer 20 erstreckt sich eine sauerstoffionenleitende Schicht 22, üblicherweise auf Basis eines Festelektrolyten geformt. Eine Oberseite der Messkammern 12, 18 wird durch eine protonenleitende Schicht 24 zumeist ebenfalls auf Basis eines Festelektrolyten gebildet.
Den Kammern 12, 18 ist jeweils eine Sauerstoffpumpe 26, 28 zugeordnet. Die Sauerstoffpumpe 26 umfasst eine innere Elektrode 30, die dem Messgas in der ersten Kammer 12 ausgesetzt ist, und eine äußere Elektrode 32, die dem Referenzgas ausgesetzt ist. Die innere Elektrode 30 ist zur Unterstützung einer noch näher erläuterten Oxidation von Reduktionsmitteln in leicht magerer Atmosphäre aus einem Platincermet geformt. Auch bei der Sauerstoffpumpe 28 sind die Elektroden 34, 36 in analoger Weise in der zweiten Kammer 18 beziehungsweise der Referenzgaskammer 20 angeordnet. Die innere Elektrode 36 ist ebenfalls auf Basis eines Edelmetallcermets realisierbar. Als Edelmetalle kommen dabei insbesondere Legierungen auf Platinbasis in Frage, da diese die noch näher erläuterte Zersetzung von Stickoxiden NO_x beziehungsweise die Oxidation von HC katalysieren. Zur Verbesserung einer Offset-Adaption kann es gegebenenfalls sinnvoll sein, golddotierte Elektroden einzusetzen, da deren katalytische Aktivität gemindert ist.
Weiterhin sind den Kammern 12, 18 jeweils eine Wasserstoffpumpe 38, 40 zugeordnet, die ihrerseits aus inneren Elektroden 42, 46 und äußeren Elektroden 44, 48 bestehen. Den inneren Elektroden 42, 46 wird zur Unterstützung einer Zersetzung von gegebenenfalls im Messgas befindlichen gasförmigen Wasser eine katalytisch aktive Komponente beigemengt.
Das Sensorelement 10 ist Teil einer hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht vollständig dargestellten Messeinrichtung. Die Messeinrichtung umfasst zusätzlich eine Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen 26, 28 und die Wasserstoffpumpen 38, 40 vorgegeben werden kann. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorhanden, mit der in Abhängigkeit von dem Messmodus ein Stromfluss an den Wasserstoffpumpen 38, 40 und/oder der Sauerstoffpumpe 28 der zweiten Messkammer erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt werden kann.
Ein erster Messmodus, bei dem die N_x-Konzentration durch die Messeinrichtung ermittelt wird, lässt sich in seinem Ablauf der 2 entnehmen. Schematisch sind hier die beiden Kammern 12, 18 und die in diesem Bereich stattfindenden Teilprozesse dargestellt. Nach oben gerichtete Pfeile zeigen einen Pumpvorgang in Richtung Abgas und nach unten gerichtete Pfeile einen Pumpvorgang gegen Luft an.
Zunächst diffundiert das Abgas durch den Diffusionskanal 14 in die erste Kammer 12. Der Pumpe 26 wird über die Steuereinheit eine Spannung vorgegeben, mit der ein konstantes, leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer 12 aufrecht erhalten werden kann. Dies führt dazu, dass an der inneren Elektrode 30 der Sauerstoffpumpe 26 die Reduktionsmittel CO und HC weitestgehend aufoxidiert werden können. Hierdurch wird ein störender Einfluss der Komponenten auf die Bestimmung von NO_x in der zweiten Kammer 18 vermieden. Weiterhin wird zur Vermeidung eines Wasserstoffquerempfindlichkeit – durch Aufoxidation von Wasserstoff zu Wasser – dem Messgas der ersten Kammer 12 über die Wasserstoffpumpe 38 der Wasserstoff entzogen.
Nachdem das Messgas aus der ersten Kammer 12 in die zweite Kammer 18 diffundiert ist, wird das NO_x an der inneren Elektrode 36 der Sauerstoffpumpe 28 reduziert und der entstehende Sauerstoff durch die Sauerstoffpumpe 28 dem Messgas entzogen. Gegebenenfalls kann durch eine hier nicht dargestellte, weitere Sauerstoffpumpe (Hilfspumpe) der Restsauerstoffanteil nach Diffusion des Messgases von der ersten Kammer 12 in die zweite Kammer 18 entfernt werden. Eine solche Vorgehensweise erhöht die Empfindlichkeit des Sensorelementes 10 für NO_x. Durch die Auswerteeinheit wird der Pumpstrom der Sauerstoffpumpe 28 erfasst und in Abhängigkeit von diesem die NO_x-Konzentration bestimmt. Die Wasserstoffpumpe 40 ist während der NO_x-Konzentrationsbestimmung – also im ersten Messmodus – deaktiviert.
Eine schematische Darstellung der Prozesse, die während eines zweiten Messmodus zur Bestimmung von Wasserstoff und/oder HC stattfinden, ist der 3 zu entnehmen. Über die Sauerstoffpumpe 26 wird während des zweiten Messmodus ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer 12 aufrecht erhalten. Im Allgemeinen wird also Sauerstoff und ein Sauerstoffanteil an gegebenenfalls vorhandenem gasförmigen Wasser aus der ersten Kammer 12 gepumpt. Unter derartigen Bedingungen wird eine Zersetzung von HC und Wasserstoff an der inneren Elektrode 30 der Sauerstoffpumpe 26 vermieden. Vorhandene Stickoxidanteile werden durch Reaktion mit Kohlenmonoxid dem Messgas entzogen. Weiterhin wird Wasserstoff und ein Wasserstoffanteil am Wasser durch Vorgabe einer geeigneten Spannung mittels der Wasserstoffpumpe 38 dem Messgas entzogen.
Nach Diffusion in die zweite Messkammer 18 wird nun über die Sauerstoffpumpe 28 Sauerstoff in die Kammer 18 hinein gepumpt und zwar in dem Umfang, in dem Sauerstoff zur Oxidation von HC verbraucht wird. Gleichzeitig wird über die Wasserstoffpumpe 40 noch ein Restwasserstoffanteil des Messgases abgepumpt.
Der Pumpstrom der Sauerstoffpumpe 28 ist ein Maß für die HC-Konzentration und dient daher zur Bestimmung derselben in der Auswerteeinheit. Die kumulierten Pumpströme der Wasserstoffpumpen 38, 40 müssen in der Auswerteeinheit noch zur Kompensation des Wasseranteils korrigiert werden. Wenn der Wasseranteil nicht direkt bestimmbar ist, kann auf einen festen Korrekturfaktor zurück gegriffen werden, der im Bereich von 12 bis 16%, insbesondere bei 14%, liegt.
Bezugszeichenliste

10: Sensorelement
12: Kammer, erste
14: Diffusionskanal, erster
16: Diffusionskanal, zweiter
18: Kammer, zweite
20: Referenzgaskammer
22: sauerstoffionenleitende Schicht
24: protonenleitende Schicht
26: Sauerstoffpumpe der ersten Kammer
28: Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer
30: innere Elektrode der ersten Kammer
32: äußere Elektrode der ersten Kammer
34: innere Elektrode der zweiten Kammer
36: äußere Elektrode der zweiten Kammer
38: Wasserstoffpumpe der ersten Kammer
40: Wasserstoffpumpe der zweiten Kammer
42: innere Elektrode der ersten Kammer
44: äußere Elektrode der ersten Kammer
46: innere Elektrode der zweiten Kammer
48: äußere Elektrode der zweiten Kammer

Claims

Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von den Gaskomponenten NO_x, H₂ und/oder HC im Abgas einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest (a) einer über einen ersten Diffusionskanal (14) mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer (12) und einer über einen zweiten Diffusionskanal (16) mit der ersten Kammer (12) verbundenen zweiten Kammer (18), (b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe (38, 40) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (42, 46) und einer über eine protonenleitende Schicht (24) mit der inneren Elektrode (42, 46) leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode (44, 48) besteht, (c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (26, 28) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (30, 36) und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht (22) mit der inneren Elektrode (30, 36) leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode (32, 34) besteht, wobei die zweite Elektrode (32, 34) einem in einer Referenzgaskammer (20) vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist, (d) einer Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen (26, 28) und die Wasserstoffpumpen (38, 40) vorgebbar ist, sowie (e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Messmodus einen Stromfluss der Wasserstoffpumpen (38, 40) und/oder der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die protonenleitende Schicht (24) ein Festelektrolyt ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der protonenleitende Festelektrolyt aus einem bariumhaltigen Perowskiten besteht.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffionenleitende Schicht (22) ein Festelektrolyt ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionskanäle (14, 16) aus einer porösen Keramik bestehen.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (30) der Sauerstoffpumpe (26) der ersten Kammer (12) aus einem Cermet besteht, das Platin und Zirkoniumdioxid beinhaltet.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Sauerstoffpumpe im Bereich der zweiten Kammer (18) untergebracht ist (Hilfspumpe).
Verfahren zur Steuerung eines Betriebs einer Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von den Gaskomponenten NO_x, H₂ und/oder HC in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Messeinrichtung aus zumindest (a) einer über einen ersten Diffusionskanal (14) mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer (12) und einer über einen zweiten Diffusionskanal (16) mit der ersten Kammer (12) verbundenen zweiten Kammer (18), (b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe (38, 40) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (42, 46) und einer über eine protonenleitende Schicht (24) mit der inneren Elektrode (42, 46) leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode (44, 48) besteht, (c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (26, 28) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (30, 36) und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht (22) mit der inneren Elektrode (30, 36) leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode (32, 34) besteht, wobei die zweite Elektrode (32, 34) einem in einer Referenzgaskammer (20) vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist, (d) einer Steuereinheit, mit der eine Spannung an die Sauerstoffpumpen (26, 28) und die Wasserstoffpumpen (38, 40) vorgebbar ist, sowie (e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von einem Stromfluss der Wasserstoffpumpen (38, 40) und/oder der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt, besteht und bei dem (f) ein Messmodus in Abhängigkeit von der oder den zu messenden Gaskomponenten bestimmt wird, wobei über den Messmodus die durch die Steuereinheit vorzugebenden Spannungen und die in der Auswerteeinheit zu beachtenden Auswerteparameter festgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Messmodus eine Konzentration von Stickoxiden NO_x und in einem zweiten Messmodus eine Konzentration von Wasserstoff und/oder unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen HC bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Messmodus – mittels der Sauerstoffpumpe (26) ein konstantes, leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer (12) aufrecht erhalten wird und die Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und HC weitestgehend an der inneren Elektrode (30) aufoxidiert werden, – mittels der Wasserstoffpumpe (38) Wasserstoff dem Messgas der ersten Kammer (12) entzogen wird, – der an der inneren Elektrode (36) der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) durch Reduktion von NO_x entstehende Sauerstoff über die Sauerstoffpumpe (28) dem Messgas entzogen wird und – in der Auswerteeinheit anhand des Pumpstroms der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) die NO_x-Konzentration bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine weitere Sauerstoffpumpe in der zweiten Kammer (18) (Hilfspumpe) der restliche Sauerstoff dem Messgas entzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Messmodus zur Konzentrationsmessung von Wasserstoff – mittels der Sauerstoffpumpe (26) ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer (12) aufrecht erhalten wird, – mittels der Wasserstoffpumpe (38) Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer (12) und der zweiten Kammer (18) entzogen wird, – mittels der Sauerstoffpumpe (28) ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer (18) aufrecht erhalten wird, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und – in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Wasserstoffpumpen (38, 40) der ersten und der zweiten Kammer (12, 18) sowie einem Korrekturfaktor für den Wasseranteil die Wasserstoff-Konzentration bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor zur Kompensation des Wasseranteils im Bereich von 12 bis 16%, insbesondere 14%, liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Messmodus zur Konzentrationsmessung von HC – mittels der Sauerstoffpumpe (26) ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer (12) aufrecht erhalten wird, – mittels der Wasserstoffpumpe (38) Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer (12) und der zweiten Kammer (18) entzogen wird, – mittels der Sauerstoffpumpe (28) ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer (18) aufrecht erhalten wird, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und – in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) eine HC-Konzentration bestimmt wird.