DE10145804A1

DE10145804A1 - Stickoxidsensor mit unterdrückter Sauerstoffabhängigkeit des NO¶¶X¶¶-Signals

Info

Publication number: DE10145804A1
Application number: DE10145804A
Authority: DE
Inventors: Rolf Reischl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2021-09-18
Also published as: JP2005504292A; US7455761B2; US20050029127A1; WO2003027655A2; DE10145804B4; EP1430296A2; WO2003027655A3

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Schaltung zum Betrieb eines Stickoxidsensors zur Bestimmung der Stickoxid(NOx-)konzentration in einem Gasgemisch, insbesondere bei der Abgasnachbehandlung eines Kraftfahrzeuges, wobei zwischen einer inneren Pumpelektrode (IPE) und einer äußeren Pumpelektrode (APE) einer Pumpzelle eine einen Pumpstrom (I_Pump) bewirkende elektrische Pumpspannung (U_APE, IPE) angelegt wird, mittels der in einem ersten Messgasraum durch Zu- und Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird, wobei die Pumpspannung (U_APE, IPE) derart geregelt wird, dass sich an Elektroden einer Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert einstellt, wobei eine in einem zweiten Messgasraum angeordnete NOx-sensitive dritte Elektrode als zweite Pumpzelle betrieben wird, in der sich ein Grenzpumpstrom einstellt, der die NOx-Konzentration angibt, ist zur Minimierung des Sauerstoffeinflusses des gemessenen Stickoxidsignals vorgesehen, dass der Pumpstrom (I_Pump) innerhalb eines Messzeitfensters (T_Mess) abgeschaltet oder kontrolliert reduziert wird und dass die NOx-Konzentration innerhalb des Messzeitfensters (T_Mess) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die

Abgasnachbehandlung insbesondere mittels einer Lambda- Regelung bei brennkraftgetriebenen Kraftfahrzeugen und im Speziellen ein Verfahren und eine Schaltung zum Betrieb eines in einer solchen Lambda-Regelung einsetzbaren Stickoxidsensors zur Bestimmung der Stickoxidkonzentration in einem Abgasgemisch.
Eine Lambda-Regelung ist, in Verbindung mit einem Katalysator, heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Erst im Zusammenspiel mit heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Besonders wirkungsvoll ist der Einsatz eines Dreiwege- oder Selektiv-Katalysators. Dieser Katalysatortyp hat die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einem Bereich von etwa 1% um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit LAMBDA = 1 betrieben wird. Dabei gibt LAMBDA an, wieweit das tatsächliche vorhandene Luft-Kraftstoff- Gemisch von dem Wert LAMBDA = 1 abweicht, der einem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin entspricht, d. h. LAMBDA ist der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf.
Bei der Lambda-Regelung wird das jeweilige Abgas gemessen und die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend dem Messergebnis mittels bspw. des Einspritzsystems sofort korrigiert. Als Messfühler wird eine Lambda = Sonde verwendet, die exakt bei LAMBDA = 1 einen Spannungssprung aufweist und so ein Signal liefert, das anzeigt, ob das Gemisch fetter oder magerer als LAMBDA = 1 ist. Die Wirkungsweise der Lambda-Sonde beruht auf dem Prinzip einer galvanischen Sauerstoff-Konzentrationszelle mit einem Festkörperelektrolyt.
Als Zweipunktsonden ausgeführte Lambda-Sonden arbeiten bekanntermaßen nach dem Nernst-Prinzip basierend auf einer Nernst-Zelle. Der Festkörperelektrolyt besteht aus zwei durch eine Keramik getrennte Grenzflächen. Das verwendete Keramikmaterial wird bei etwa 350°C für Sauerstoffionen leitend, so dass dann bei unterschiedlichem Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Keramik zwischen den Grenzflächen die sogenannte Nernstspannung erzeugt wird. Diese elektrische Spannung ist ein Maß für den Unterschied des Sauerstoffanteils zu beiden Seiten der Keramik. Da der Restsauerstoffgehalt im Abgas eines Verbrennungsmotors in starkem Maße vom Luft-Kraftstoff-Verhältnis das dem Motor zugeführten Gemisches abhängig ist, ist es möglich, den Sauerstoffanteil im Abgas als Maß für das tatsächlich vorliegende Luft-Kraftstoff-Verhältnis heranzuziehen.
Bei den sogenannten Breitbandsonden ist der Messfühler als Breitbandsensor ausgeführt. Dieser wird von Festelektrolytschichten sowie einer Anzahl von Elektroden gebildet. Ein solcher Aufbau geht aus der DE 199 12 102 A1, insbesondere den dortigen Seiten 8 und 9 nebst dortiger Fig. 1, hervor, auf die in dem vorliegenden Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen wird. Diese Elektroden sind in der nachfolgend noch im Detail beschriebenen Fig. 1 schematisch wiedergegeben. Ein Teil der genannten Elektroden bildet bei diesem Sensor eine sogenannte Pumpzelle, der andere Teil eine sogenannte Konzentrationszelle. Ferner wird durch die Festelektrolytschichten ein sogenannter erster Messgasraum ausgebildet.
An die Elektroden der Pumpzelle wird eine Pumpspannung U_APE,IPE angelegt (Fig. 1), mittels der im ersten Messgasraum durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird. Dabei wird die Pumpspannung derart geregelt, dass sich an den Elektroden der Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert von 450 mV einstellt. Diese Spannung entspricht einem Wert von LAMBDA = 1. Eine in einem zweiten Messgasraum angeordnete weitere Elektrode wird mit einer der genannten Elektroden als zweite Pumpzelle betrieben. Dabei wirkt aufgrund des katalytischen Materials die genannte weitere Elektrode als NOx-sensitive Elektrode, an der das NOx gemäß der Reaktion NO → SN2 + SO2 reduziert wird. Dabei wirkt die oben genannte Referenzelektrode gleichzeitig als zweite Pumpelektrode, an der der aus dem zweiten Messgasraum abgepumpte Sauerstoff in die Luftatmosphäre freigesetzt wird. An der als weitere Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle stellt sich somit ein Grenzstrom ein, der als Messsignal aufgenommen die NOx- Konzentration angibt.
Es ist anzumerken, dass die in der genannten Offenlegungsschrift DE 199 12 102 A1 beschriebene Diffusionsbarriere nicht notwendigerweise enthalten sein muss und ein Verzicht auf diese Barriere die Gaslaufzeiten sogar maßgeblich verringert.
Der beschriebene Messfühler kann sowohl als Stickoxid(NOx)-Sensor als auch als Kohlenwasserstoff(HC)-Sensor verwendet werden. In der Funktion als NOx-Sensor zeigt das NOx-Messignal eine Abhängigkeit von dem in der Messzelle jeweils vorliegenden Sauerstoffpartialdruck. Dieser Einfluss wird hauptsächlich durch in der Sensorkeramik entstehende elektrische Wechselwirkungen der Sensorelektroden hervorgerufen. Der Haupteinfluss geht dabei von der in Fig. 1 gezeigten Hauptpumpstrecke zwischen der äußeren Pumpelektrode (APE) und der inneren Pumpelektrode (IPE) aus, wobei die elektrische Stromhöhe (5 mA . . . 10 mA) und damit deren Pumpleistung bei wechselndem Sauerstoffgehalt entsprechend angepasst werden muss.
Dieser O2-Einfluss wird bekanntermaßen mittels geeigneter Auswerteschaltungen durch elektronische oder rechnerische Addition oder Subtraktion mit einem IPE- Strom-abhängigen Faktor kompensiert, wobei die Verstärkung dieser Kompensation für jeden einzelnen Sensor spezifisch eingestellt werden muss. Eine solche Schaltung zur elektronischen Kompensation zeigt die Fig. 1 in Blockdarstellung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine Schaltung anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile vermeiden und den genannten Sauerstoffeinfluss des Stickoxidsignals mit möglichst einfachen technischen Mitteln und möglichst kostengünstig minimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Ursache für den Sauerstoffeinfluss auf das Stickoxidsignal, nämlich den zwischen der inneren Pumpelektrode (IPE) und der äußeren Pumpelektrode (APE) vorliegenden Hauptpumpstrom, kurzzeitig zu unterdrücken, so dass in diesem Zeitraum ein unverfälschtes NOx-Signal erfasst werden kann.
Die Erfindung sieht dabei in einer ersten Variante vor, den (Haupt-)Pumpstrom I_Pump innerhalb eines Messzeitfensters T_Mess abzuschalten, d. h. auf den Wert 0 zu setzen. Eine zweite Variante sieht eine IPE- Stromsteuerung vor, die während des Messzeitfensters T_Mess den Hauptpumpstrom auf einen konstanten Wert > 0 einstellt, so dass der Einfluss des Hauptpumpstroms zwar nicht ganz ausgeschaltet, jedoch konstant gehalten wird, während die Pumpleistung weniger stark reduziert und damit die Amplitude der Sauerstoffkonzentrationsstörungen dennoch erheblich reduziert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Messzeitfenster T_Mess so dimensioniert, dass der zwischen IPE und APE fließende Pumpstrom innerhalb T_Mess bereits abgeklungen ist und die durch die Stromabschaltung bzw. -verringerung bedingte Sauerstoffkonzentrationserhöhung innerhalb T_Mess die NOx-Elektrode noch nicht erreicht.
Der vorgenannte Eingriff an dem Pumpstrom kann entweder regelmäßig mit einer Wiederholfrequenz vorgenommen werden, wobei die wiederholfrequenz für die Stromabschaltung bzw. -verringerung so bemessen ist, dass die Störung der Sauerstoffkonzentration zu Beginn einer jeweils nachfolgenden IPE-Abschaltung bzw. -verringerung wieder abgeklungen ist. Alternativ kann der Hauptpumpstrom 1 Pump während des Betriebs des Stickoxidsensors zeitweilig abgeschaltet oder reduziert und dabei jeweils eine Kalibrierung durchgeführt werden.
Das Messzeitfenster T_Mess liegt gemäß einem Ausführungsbeispiel im Bereich von 10-100 µsec, bevorzugt bei 60 µsec, und die genannte Wiederholfrequenz im Bereich von 10-100 Hz, bevorzugt bei 50 Hz.
Die Erfindung wird nachfolgend, unter Heranziehung der beigefügten Zeichnungen, anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert, wobei identische oder funktional gleiche Merkmale durch übereinstimmende Bezugszeichen referenziert sind. Dabei zeigen
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Hauptpumpstrecke eines NOx-Sensors gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik zum Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Hauptpumpstrecke;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung zur Kompensation der Sauerstoffabhängigkeit eines NOx-Sensors;
Fig. 4 die in der Fig. 3 dargestellten Schaltungsmodifikationen zur IPE-Abschaltung in einer weiteren Detaillierungsstufe;
Fig. 5 gemessene Verläufe unkompensierter und mittels einer erfindungsgemäßen IPE- Abschaltung kompensierter NOx-Signale im Vergleich; und
Fig. 6 typische, bei einer erfindungsgemäßen IPE- Abschaltung erfasste Signalverläufe der Pumpspannung U_IPE und des NOx-Signals U_NOx.
Die Fig. 1 zeigt schematisiert den Aufbau einer Hauptpumpstrecke eines im Stand der Technik bekannten NOx-Sensors 10. Der Sensor 10 umfasst einen ersten Messgasraum 12, der mit dem Messgas (hier: Abgas) in Verbindung steht. In dem Messgasraum 12 sind eine erste innere Pumpelektrode (IPE) 18 und eine zweite innere Pumpelektrode 20 angeordnet. An den ersten Messgasraum 12 schließt sich ferner ein zweiter Messgasraum 14 an, in dem eine dritte Elektrode (ME) 22 und eine vierte Elektrode (NO) 24 angeordnet sind.
Unabhängig von den beiden Messgasräumen 12, 14 ist ein Referenzgaskanal 26 angeordnet, der an einem Ende aus dem Körper des Sensors 10 herausgeführt und mit der Luftatmosphäre in Verbindung steht. Der Sensor 10 weist ferner eine oder mehrere Gaseintrittsöffnungen 28 auf, welche das Messgas in den ersten Messgasraum 12 leiten.
Ferner befindet sich an der äußeren Fläche einer (nicht gezeigten) Festelektrolytschicht eine äußere Elektrode (APE) 30, die dem Messgas unmittelbar ausgesetzt ist. Zudem befindet sich im Referenzgaskanal 26 eine der Luftatmosphäre ausgesetzte fünfte Elektrode (LR) 32, welche im Folgenden als Luftreferenzelektrode bezeichnet wird. Es ist anzumerken, dass die fünfte Elektrode 32 alternativ dem Messgas ausgesetzt sein kann.
Beim Betrieb des in der Fig. 1 gezeigten NOx-Sensors werden die äußere Elektrode 30 und die erste innere Elektrode 18 als Pumpelektroden einer ersten Pumpzelle betrieben. Die zweite innere Elektrode 20 ist mit der als Referenzelektrode wirkenden fünften Elektrode 32 als Konzentrationszelle geschaltet.
An die Elektroden 18, 30 wird eine Pumpspannung U_APE,IPE angelegt, mittels der im ersten Messgasraum 12 durch ein Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein kosntanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird. Dabei wird die an die Elektroden 18, 30 angelegte Pumpspannung U_APE,IPE derart geregelt, dass sich an den Elektroden 20, 32 der Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert von bspw. 450 mV einstellt. Diese Spannung entspricht einem Wert von LAMBDA = 1.
Bei einem mageren Messgas (LAMDA > 1) wird von der ersten Pumpzelle Sauerstoff aus dem ersten Messgasraum 12 herausgepumpt. Bei einem fetten Messgas (LAMBDA < 1) wird vom Messgas Sauerstoff in den ersten Messgasraum 12 hineingepumpt. Durch die Wahl des Elektrodenmaterials und/oder durch eine entsprechende Pumpspannung U_APE,IPE wird sichergestellt, dass beim Pumpen des Sauerstoffs kein NOx an den Elektroden 18, 20 abgepumpt wird.
Die auf einen konstanten Sauerstoffpartialdruck eingestellte Messatmosphäre gelangt über einen nur schematisch angedeuteten Verbindungskanal 16 in den zweiten Messgasraum 14. Die sich im zweiten Messgasraum 14 befindende dritte innere Elektrode (Messelektrode 'ME') 22 wird mit der fünften Elektrode 30 als zweite Pumpzelle betrieben. Dabei wirkt aufgrund des katalytischen Materials die vierte innere Elektrode 24 (hier Bezeichnung 'NO') als NOx-sensitive Elektrode, an der das NOx gemäß der Reaktion NO → SN2 + SO2 reduziert wird. Dabei wirkt die mit der Elektrode 20 zusammenwirkende Referenzelektrode gleichzeitig als zweite Pumpelektrode, an der der aus dem zweiten Messgasraum 14 abgepumpte Sauerstoff in die Luftatmosphäre freigesetzt wird. An der als weitere Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle stellt sich somit ein Grenzstrom ein, der als Messsignal aufgenommen die NOx-Konzentration angibt.
Die Fig. 1 illustriert ferner die Funktion der Hauptpumpstrecke des Nox-Sensors 10. Die gezeigte Anordnung dient dazu, die Sauerstoffkonzentration, d. h. den Wert von LAMBDA, in dem ersten Messgasraum 12 an der inneren Pumpelektrode 18 auf einen konstanten Wert, z. B. LAMBDA = 1, einzustellen. Welcher Wert von LAMBDA im ersten Messgasraum 12 vorliegt, kann an der zwischen der inneren Pumpelektrode 18 und der Luftreferenzelektrode 32 auftretenden Nernstspannung beurteilt werden.
Wird nun die innere Pumpelektrode 18 auf Massepotential 34 gelegt, wird der an der inneren Pumpelektrode 18 auftretende Wert von LAMBDA durch die elektrische Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode 32 und Masse 34 repräsentiert. Dieser Wert 35 bildet den Ist- Wert einer Regelstrecke 36, von dem der Sollwert U_Lambda_soll 37 mittels eines Summationssglieds 38 abgezogen wird. Das Differenzsignal wird dem negativen Eingang eines als Differenzverstärker ausgebildeten Zweipunktreglers 40, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Operationsverstärkers mit einem Verstärkungsfaktor > 10000, zugeführt. Der Referenzeingang des Zweipunktreglers 40 liegt auf Masse 42. Der Ausgang 44 des Zweipunktreglers 40 ist mit der äußeren Pumpelektrode 30 verbunden. Entsprechend der Größe und dem Vorzeichen der Differenz aus U_LR 35 und U_Lambda_soll 37 wird nun Sauerstoff in bzw. aus dem ersten Messgasraum 12 gepumpt.
Die Fig. 2 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung der in der Fig. 1 gezeigten Anordnung. Um die an der Luftreferenzelektrode 32 gemessene Spannung U_LR 35 nicht durch Stromfluss zu verfälschen, wird die Spannung U_LR 35 über einen Spannungsfolger (OP3) 50 zum Summationspunkt 38 am negativen Eingang des Zweipunktreglers (OP5) 40 übertragen. Der Sollwert 37wird durch eine negative Spannung gebildet, die über ein Widerstandnetzwerk 52 zum Istwert addiert wird. Die innere Pumpelektrode 18 ist mittels eines Guardverstärkers 54 auf Masse 56 gelegt. Die Ausgangsspannung des Guardverstärkers 54 repräsentiert den über einen ohmschen Widerstand (R1) 58 abfließenden, zwischen der äusseren Pumpelektrode (APE) 30 und der inneren Pumpelektrode (IPE) auftretenden Pumpstrom I_IPE, für den somit gilt: I_IPE = U_IPE/R1.
Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung zur Kompensation der Sauerstoffabhängigkeit eines NOx-Sensors 10. Aus dieser Darstellung geht hervor, dass die inneren Pumpelektroden (IPE) 18, 20 kurzgeschlossen sind und, zusammen mit der äußeren Pumpelektrode (APE) 30 über Versorgungsleitungen an Spannungsversorgungsanschlüssen 100, 102 der gezeigten Schaltung elektrisch verbunden sind. Entsprechende Anschlüsse 104, 106 sind für die Messelektrode (ME) 22 und die NOx-sensitive Elektrode (NO) 24 vorgesehen.
Die Auswerteschaltung weist ferner einen für den Grundabgleich des Sensors 10 vorgesehenen ersten Schaltungsteil 108 auf. Ferner ist ein als Additions- bzw. Subtraktionsstufe geschalteter zweiter Schaltungsteil 110 angeordnet, der zur vorbeschriebenen Sauerstoffkompensation mittels eines IPE-Stromabhängigen Faktors dient, der durch eine lineare Anordnung aus Operationsverstärkern 112, 114 und 116 bereitgestellt wird. Die in der Fig. 3 gezeigte Elektronik ist ferner über einen Anschluss 118 mit der Luftreferenzelektrode 32 elektrisch verbunden.
Es ist anzumerken, dass die in der Fig. 3 gezeigte Auswerteschaltung noch einige im Stand der Technik bereits bekannte Bauelemente aufweist, insbesondere die aus Operationsverstärkern 112-116 gebildete Kompensationsstufe zur Kompensation des O2-Einflusses mit einem IPE-Strom-abhängigen Faktor, auf die bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 eingegangen wurde. Durch die gestrichelte Darstellung der Bauteile 112-116 soll angedeutet werden, dass diese Bauteile vorliegend nicht erforderlich sind.
Erfindungsgemäß weist die Auswerteschaltung ein über Anschlüsse 400, 402 und 102 verbundenes IPE- Abschaltmodul 404 auf. Das Abschaltmodul 404 ist ferner über eine Steuerleitung 406 mit einem NOx- Messwerterfassungsmodul 408 verbunden.
Das IPE-Abschaltmodul 404 dient dazu, den Hauptpumpstrom 1 Pump innerhalb eines Messzeitfensters T_Mess abzuschalten, d. h. auf den Wert 0 zu setzen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das IPE- Abschaltmodul 404 während des Messzeitfensters T_Mess den Hauptpumpstrom auf einen konstanten Wert > 0 einstellt, so dass der Einfluss des Hauptpumpstroms zwar nicht ganz ausgeschaltet, jedoch konstant gehalten wird, während die Pumpleistung weniger stark reduziert und damit die Amplitude der Sauerstoffkonzentrationsstörungen dennoch erheblich reduziert wird.
Das Messzeitfenster T_Mess ist so dimensioniert, dass der zwischen IPE 18, 20 und APE 30 fließende Pumpstrom I_Pump innerhalb T_Mess bereits abgeklungen ist und die durch die Stromabschaltung bzw. -verringerung bedingte Sauerstoffkonzentrationserhöhung innerhalb T_Mess die NOx-Elektrode 24 noch nicht erreicht.
Die genannte Veränderung des Pumpstroms I_Pump wird in dem Ausführungsbeispiel mit einer Wiederholfrequenz vorgenommen, wobei die Wiederholfrequenz für die Stromabschaltung bzw. -verringerung so bemessen ist, dass die Störung der Sauerstoffkonzentration zu Beginn einer jeweils nachfolgenden IPE-Abschaltung bzw. -verringerung wieder abgeklungen ist. Das Messzeitfenster T_Mess liegt in dem Ausführungsbeispiel im Bereich von 10-100 µsec, bevorzugt bei 60 µsec, und die genannte Wiederholfrequenz im Bereich von 10-100 Hz, bevorzugt bei 50 Hz.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Hauptpumpstrom 1 Pump während des Betriebs des Stickoxidsensors 10 zeitweilig abgeschaltet oder reduziert und dabei eine Kalibrierung durchgeführt wird. Diese Verfahrensweise kann im Zusammenhang mit einer digitalen Signalverarbeitung erfolgen, mittels der ein entsprechendes Korrekturkennfeld beim Abgleich oder zeitweilig im Betrieb kalibriert wird. Letztere Vorgehensweise kann dabei in der Gestalt eines selbstlernenden Systems realisiert sein.
Das gezeigte NOx-Messwerterfassungsmodul 408 dient dazu, die innerhalb des Messzeitfensters T_Mess erfassten gegenüber Sauerstoff kompensierten NOx-Werte von den unkompensierten Messwerten unterscheiden zu können. Zu diesem Zweck wird das NOx- Messwerterfassungsmodul 408 mittels der Leitung 406 zeitlich getriggert und gibt die innerhalb des Messzeitfensters T_Mess erfassten Messdaten über eine eigens dafür vorgesehene Ausgangsleitung 410 aus.
In der Fig. 4 sind in der oberen Bildhälfte das vorbeschriebene IPE-Abschaltmodul 404 sowie in der unteren Bildhälfte das ebenfalls vorbeschriebene NOx- Messwerterfassungsmodul 408 in größerem Detail dargestellt. Die Funktion des IPE-Abschaltmoduls 404 besteht darin, den Hauptpumpstrom I_IPE kurzzeitig und so schnell wie möglich auf I_IPE = I_soll herunterzuregeln. Dabei kann I_soll = 0 oder I_soll > 0 gelten. Bei diesem Herunterregeln wird als Istwerterfassung die dem Strom I_IPE proportionale Spannung am Widerstand des Guardverstärkers 54 abgegriffen, wobei der Ausgang des Guardverstärkers 54an der in Fig. 4 gezeigten Klemme '2' und der Eingang des Guardverstärkers 54 an der gezeigten Klemme '3' anliegt. Die an den Klemmen '2' und '3' anliegende Spannungsdifferenz bildet das Eingangssignal für einen Integralregler 500, der in der Funktion eines Abschaltreglers beschaltet ist.
Der Ausgang des Integralreglers 500 ist über einen Schalter 514 und einen Spannungsfolger 502 sowie über die gezeigte Klemme '1' mit einem in der Fig. 3 gezeigten widerstand 400 an den Summationspunkt 38 des Pumpstromreglers 40 gekoppelt. Der Integralregler 500 verändert dabei die Spannung am Summationspunkt 38 des Pumpstromreglers 40 so, dass der Pumpstrom I_IPE nach einem Einschwingvorgang auf I_soll geregelt wird.
Dieser Vorgang findet während des Messfensters T_Mess statt. Zunächst ist der Schalter 503 geschlossen und damit die Ausgangsspannung des Integralreglers 500 gleich 0 V. Damit ist sichergestellt, dass zu Beginn des Regelvorgangs der Reglereingriff auf den Pumpstromregler 40 keine Auswirkung hat und erst die Integration in der von I_IPE vorgegebenen Richtung zu einem definierten Einschwingvorgang führt.
Alternativ kann in der Leitung zwischen der äußeren Pumpelektrode 30 und dem Reglerausgang des Pumpstromreglers 40 ein Schalter vorgesehen sein, mittels dessen der Pumpstrom I_IPE sofort, d. h. ohne den genannten Einschwingvorgang, auf Null gesetzt werden kann.
Zudem kann der Integralregler 500 so ausgestaltet sein, dass die Zeitkonstante für die Integration umschaltbar ist und bspw. zwischen einer relativ kurzen ersten Zeitkonstante und einer gegenüber der ersten Zeitkonstante relativ langen zweiten Zeitkonstante umgeschaltet werden kann. So kann die erste Zeitkonstante bis kurz vor einem Nulldurchgang des Pumpstromes I_IPE eingestellt sein und erst danach auf die zweite Zeitkonstante umgeschaltet werden, wodurch dann ein aperiodischer Einschwingvorgang hervorgerufen wird.
Vor Beginn von T_Mess ist der Schalter 514 geöffnet. Der Widerstand 510 sorgt dafür, dass während des regulären Reglerbetriebs an dem Summationspunkt 38 keine Spannung eingespeist wird und damit auf die Stromregelung kein Einfluss genommen wird. Zu Beginn der Messzeit T_Mess wird der Schalter 503 geöffnet und der Schalter 514 geschlossen, so dass der Eingriff des Integralreglers 500 auf den Pumpstromregler 40 einwirken kann.
Die in der unteren Bildhälfte von Fig. 4 dargestellte NOx-Messwerterfassung 408 hat nun die Aufgabe, das NOx- Signal zum Zeitpunkt eines definiert eingestellten Pumpstroms I_IPE = I_soll zu erfassen und zu speichern.
Die gezeigte Schaltungsanordnung enthält eine schaltungstechnische Realisierung des in der Fig. 2 dargestellten Verfahrens zur NOx-Bestimmung. Das dabei entstehende Signal wird bei der erfindungsgemäßen IPE- Abschaltmethode ohne schaltungstechnische Änderungen weiterverwendet, wobei der Einfluss der im Stand der Technik bekannten, in der Fig. 3 dargestellten Streustrom-Kompensation an eigens dafür vorgesehenen (nicht dargestellten) Potentiometern auf Null eingestellt wird. Dadurch kommen die Funktionen der in Fig. 3 dargestellten drei Verstärkerstufen 112, 114 und 116 (in Fig. 3 ausgekreuzt) praktisch nicht zur Wirkung.
Die NOx-Messwerterfassung wird synchron zum Integralregler 500 gesteuert. Dabei ist zunächst ein Schalter 526 geöffnet. Ein aus einem Kondensator 524 und einem Spannungsfolger 520 zusammengesetztes Halteglied hat eine Ausgangsspannung (Klemme '13'), die dem aktuellen Ladezustand des Kondensators 524 entspricht. Während der Messzeit T_Mess wird der Schalter 526 geschlossen, so dass der Kondensator 524 entsprechend der an Klemme '12' anliegenden Eingangsspannung umgeladen wird. Die Klemme '12' ist mit dem in Fig. 3 gezeigten NOx-Signalausgang der dortigen Auswerteschaltung verbunden.
Zum Ende der Messzeit T_Mess wird der Schalter 524 wieder geöffnet, so dass der Wert des NOx-Signals, der sich bei I_IPE = I_soll einstellt, gespeichert wird.
Die Fig. 5 zeigt einen Vergleich gemessener Verläufe eines unkompensierten NOx-Signals sowie während eines Messzeitfensters T_Mess abgetastete, erfindungsgemäß kompensierte NOx-Signale, und zwar jeweils bei wechselnden O2-Konzentrationen und sich ändernden NOx- Konzentrationen. In dieser Darstellung ist ein erfasstes NOx-Signal über die Zeit aufgetragen. Wird der Wert des NOx-Signals kurz vor Beginn der Messzeit ebenfalls erfasst und gespeichert, können der kompensierte und der unkompensierte Verlauf verglichen werden.
Es ist allerdings anzumerken, dass mittels der erfindungsgemäßen Methode die Flanken der O2- Konzentrationswechsel nicht kompensiert werden können.
Die Fig. 6 zeigt die Signalverläufe von U(I_IPE) und U(I_NOx) während der Messzeit mit den Abtastzeitpunkten für das kompensierte und unkompensierte Signal. Dabei bezeichnen U(I_IPE) und U(I_NO) die an den Elektroden 'IPE' 18 und 'NO' 24 jeweils anliegenden Ausgangsspannungen der oben beschriebenen Guardverstärker 54, 55. Ferner bezeichnet U(IPE) die am positiven Eingang des Guardverstärkers 54 an IPE anliegende Spannung.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Stickoxidsensors zur Bestimmung der Stickoxid(NOx-)konzentration in einem Gasgemisch, insbesondere bei der Abgasnachbehandlung eines Kraftfahrzeuges, wobei zwischen einer inneren Pumpelektrode (IPE) und einer äußeren Pumpelektrode (APE) einer Pumpzelle eine einen Pumpstrom (I_Pump) bewirkende elektrische Pumpspannung (U_APE,IPE) angelegt wird, mittels der in einem ersten Messgasraum durch Zu- oder Abpumpen von Sauerstoff ein konstanter Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird, wobei die Pumpspannung (U_APE,IPE) derart geregelt wird, dass sich an Elektroden einer Konzentrationszelle ein konstanter Spannungswert einstellt, wobei eine in einem zweiten Messgasraum angeordnete NOx-sensitive dritte Elektrode als zweite Pumpzelle betrieben wird, in der sich ein Grenzpumpstrom einstellt, der die NOx- Konzentration angibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrom (I_Pump) innerhalb eines Messzeitfensters (T_Mess) abgeschaltet oder kontrolliert reduziert wird und dass die NOx- Konzentration innerhalb des Messzeitfensters (T_Mess) erfasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messzeitfenster (T_Mess) so dimensioniert wird, dass der zwischen der inneren Pumpelektrode (IPE) und der äußeren Pumpelektrode (APE) fließende Pumpstrom (I_Pump) innerhalb des Messzeitfensters (T_Mess) abgeklungen ist und die durch die Stromabschaltung oder Stromreduzierung entstehende Sauerstoffkonzentrationserhöhung innerhalb des Messzeitfensters (T_Mess) die NOx- Elektrode nicht erreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptpumpstrom (I_Pump) mit einer Wiederholfrequenz abgeschaltet oder reduziert wird, wobei die Wiederholfrequenz für die Stromabschaltung oder Stromreduzierung so bemessen ist, dass die Störung der Sauerstoffkonzentration zu Beginn einer jeweils nachfolgenden Abschaltung oder Reduzierung bereits abgeklungen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messzeitfenster (T_Mess) im Bereich von 10-100 µsec, bevorzugt 60 µsec, und die Wiederholfrequenz im Bereich von 10-100 Hz, bevorzugt 50 Hz, liegen.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptpumpstrom (I_Pump) während des Betriebs des Stickoxidsensors zeitweilig abgeschaltet oder reduziert und dabei eine Kalibrierung durchgeführt wird.

6. Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Schaltung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine IPE-Stromsteuerung (404), die während des Messzeitfensters (T_Mess) den Hauptpumpstrom auf Null oder einen konstanten Wert größer Null einstellt.

8. Schaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die IPE-Stromsteuerung (404) das Messzeitfenster (T_Mess) im Bereich von 10-100 µsec, bevorzugt 60 µsec, und die Wiederholfrequenz im Bereich von 10-100 Hz, bevorzugt 50 Hz, einstellt.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen mit der äußeren Pumpelektrode (APE) (30) gekoppelten Zweipunkt- Regler (40) und einen in der Verbindungsleitung zwischen der äußeren Pumpelektrode (30) und dem Reglerausgang des Zweipunkt-Reglers angeordneten Schalter.

10. Schaltung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen in der IPE-Stromsteuerung (404) angeordneten, dem Zweipunkt-Regler (40) vorgeschalteten Integralregler (500).

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralregler (500) Mittel zum Einstellen der Zeitkonstante für die Integration aufweist.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Integralregler (500) bis kurz vor einem Nulldurchgang des Hauptpumpstroms mit einer ersten Zeitkonstante und danach mit einer gegenüber der ersten Zeitkonstante größeren zweiten Zeitkonstante betrieben wird.