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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bewerten der Elektrodeneigenschaften
einer Lambdasonde, bei dem zum Messen deren Innenwiderstandes unter
Nutzung von in einem Referenzluftvolumen vorhandenem Sauerstoff
die Sondenspannung in einem unbelasteten und in einem mit einem Lastwiderstand
belasteten Zustand gemessen wird.
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Stand der Technik
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Bei
einem derartigen (ohne vorhandenen druckschriftlichen Beleg) als
bekannt angenommenen Verfahren zum Bewerten der Elektrodeneigenschaften
einer λ =
1-Sonde wird zur Prüfung
der Elektrodengüte
der Innenwiderstand an der Sonde gemäß dem Zusammenhang Ri = RL (UO – UL)/UL in einem unbelasteten
Zustand und in einem mit einem Lastwiderstand RL belasteten Zustand
gemessen, wobei UO die Sondenspannung im
unbelasteten Zustand, UL die Sondenspannung
im belasteten Zustand und Ri den (Gleichstrom-)Innenwiderstand der Lambdasonde
darstellen. Der Strom durch die Sondenkeramik wird dabei von den Sauerstoffionen
getragen. Die Sauerstoffionen werden durch den Einbau von Sauerstoff
aus in einem Referenzluftvolumen vorhandener Referenzluft an einer
betreffenden Elektrode, in der Regel eine in einem feinen Längskanal
der Sondenkeramik befindlichen Innenelektrode, erzeugt und an einer
weiteren Elektrode, in der Regel der auf der Sondenkeramik befindlichen
Außenelektrode,
wieder aus der Keramik ausgebaut. Mit dieser Messung ist bei herkömmlichen
Lambdasonden mit genügend
sich selbst im Referenzluftvolumen einstellender Referenzluft eine
sehr gute Bewertung der Elektroden möglich. Jedoch ist insbesondere
bei λ =
1-Sonden mit sogenannter gepumpter Referenz eine genaue Messung
der Sondenspannung im belasteten Zustand mit Schwierigkeiten verbunden,
da sich die Sondenspannung (Nernstspannung) im belasteten Zustand ändert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bewerten
der Elektrodeneigenschaften einer Lambdasonde, insbesondere λ = 1-Sonde
mit gepumpter Referenz, bereitzustellen, das eine zuverlässige Bestimmung
der Elektrodeneigenschaft über
die Messung des Innenwiderstandes ergibt.
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei
ist vorgesehen, dass bei einer Lambdasonde mit gepumpter Referenz über die
Messzeit der Sauerstoffpartialdruck zum Messen der Sondenspannung
aufrechterhalten wird, indem für
die Messung das Referenzluftvolumen mit Sauerstoff aufgeladen wird.
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Durch
das aktive Aufladen des Referenzvolumens mit zusätzlichem Sauerstoff wird für die Innenwiderstandsmessung
im belasteten Zustand genügend
Sauerstoff vorgehalten, dass sich die Nernstspannung bei der Messung
beispielsweise auch über mehrere
Sekunden hinweg praktisch nicht ändert und
somit der Innenwiderstand genau bestimmt werden kann. Dies ergibt
sich aus folgenden Überlegungen:
Bei
der Belastung einer λ =
1-Sonde im fetten Abgas fließt
ein Strom derart, dass der Sauerstoff aus dem Referenzluftvolumen
abgepumpt wird. Der nach der eingangs angegebenen Formel berechnete
Innenwiderstand Ri setzt sich hauptsächlich aus den Übergangswiderständen für den Ein-
und Ausbau des Sauerstoffes und dem Widerstand (des Zirkondioxids ZrO2) des Keramikmaterials der Sonde zusammen und
liegt bei einer Keramiktemperatur von 700° C typischerweise bei ca. 100
bis 200 Ohm. Bei den herkömmlichen
Sonden ohne gepumpte Referenz ist infolge des ausreichend großen Referenzluftvolumens bzw.
wegen selbsttätiger
Luftzufuhr durch den ausreichend großen Längskanal immer genügend Sauerstoff
während
der Messung vorhanden. Bei Sonden mit gepumpter Referenz ist das
Referenzluftvolumen beispielsweise wegen in den Längskanal
eingebrachten porösen
Materials jedoch relativ klein und auch ein Nachströmen von
Luft eingeschränkt. Schon
bei geringster Belastung wird der gesamte in dem Referenzluftvolumen
vorhandene Sauerstoff abgepumpt. Als Folge hiervon verändert sich
die Nernstspannung. Der gemessene Innenwiderstand ist daher mehr
ein Maß dafür, dass
die Lambdasonde nicht genügend
Ladungsträger
aus der Referenzluft bereitstellen kann. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen
wird die Lambdasonde vorzugsweise für die Messung, und zwar vorzugsweise
vor der Messung so mit Sauerstoff vollgepumpt, dass für die Messung genügend Sauerstoff
auf der Referenzseite vorhanden ist. Durch die so zumindest über mehrere
Sekunden konstant aufrecht erhaltene Nernstspannung im belasteten
Zustand ist dann mittels der Messung des Innenwiderstandes eine
zuverlässige
Beurteilung der Elektrodeneigenschaften, wie z.B. der Elektrodengüte möglich.
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Außerdem kann
mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen
auch eine Risserkennung erfolgen. Sind Risse in der Sondenkeramik
vorhanden, führt dies
dazu, dass der durch das Aufpumpen erzeugte Sauerstoffpartialdruck
schnell wieder verschwindet. Für
die Messung bei Last ist nicht mehr genügend Sauerstoff vorhanden.
Der Innenwiderstand steigt dadurch auf untypische Werte von z.B.
mehreren kOhm.
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Denkbar
ist, dass zum Auffüllen
des Referenzluftvolumens mit Sauerstoff mechanisch Luft zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass
das Referenzluftvolumen durch Anlegen einer Pumpspannung an die
Sonde aufgeladen wird. Hierbei kann eine für den Betrieb der Lambdasonde
ohnehin vorhandene, insbesondere geregelte Spannungsquelle bzw.
Konstantstromquelle genutzt werden, um für die Messung genügend Sauerstoff
in das Referenzluftvolumen einzupumpen.
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Zur
Optimierung der Prüfung
bestehen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens darin,
dass das Aufladen mit Sauerstoff in Abstimmung auf das vorhandene
Referenzluftvolumen und weitere physikalische Eigenschaften der
Lambdasonde erfolgt, um die Sondenspannung über mindestens eine Sekunde
im strombelasteten Zustand konstant aufrecht zu erhalten. Auch eine
Abstimmung der eingebrachten Sauerstoffmenge auf den verwendeten Lastwiderstand
ist auf diese Weise einfach möglich.
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Für eine stabile
Messung ist weiterhin vorteilhaft vorgesehen, dass die Messung im
belasteten Zustand mindestens eine Sekunde nach Umschalten auf den
Lastwiderstand erfolgt. Beispielsweise kann die Messung im belasteten
Zustand erst mindestens drei oder mindestens fünf Sekunden nach Zuschalten
des Lastwiderstandes erfolgen, so dass sich stabile Messbedingungen
eingestellt haben.
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Ein
genügendes
Spannungssignal zwischen dem unbelasteten und dem belasteten Zustand
wird z.B. dadurch erhalten, dass für den Lastwiderstand ein Widerstandswert
von mindestens 100 Ohm gewählt
wird, so dass der Innenwiderstand genau beurteilt und die Elektrodengüte entsprechend
genau bestimmt werden kann.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer gepumpten λ = 1-Sonde im Querschnitt,
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2 ein
Blockschaltbild eines Prüfaufbaus für eine Innenwiderstandsmessung
der Lambdasonde und
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3 verschiedene
Signalverläufe
der Sondenspannung bei nicht gepumpter Referenz sowie bei gepumpter
Referenz ohne und mit Auffüllen
des Referenzluftvolumens.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
ein Beispiel für
eine sogenannte λ =
1-Sonde LS mit gepumpter Referenz im Querschnitt. In einer längs erstreckten
plättchenartigen Sondenkeramik
KER befindet sich ein feiner längs verlaufender
Kanal K, in dem eine Innenelektrode IE eingebracht ist, die einer
auf der Außenseite
der Sondenkeramik KER angeordneten Außenelektrode AE gegenüberliegt.
In dem Kanal K ist porö ses
Material eingebracht, wodurch das zur Verfügung stehende Referenzluftvolumen
entsprechend beschränkt
und auch eine Luftströmung
eingeschränkt
ist.
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Wie
das schematische Blockschaltbild nach 2 zeigt,
wird zur Prüfung
die Lambdasonde LS, die eine Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand
Ri bildet, zur Messung der Sondenspannung (Nernstspannung) und zur
Ermittlung des Innenwiderstandes über die Innenelektrode IE und
die Außenelektrode
AE an ein Spannungsmessgerät
MU angeschlossen. Parallel zu dem Spannungsmessgerät MU liegt
ein Lastwiderstand RL, der vorzugsweise mindestens 100 Ohm, beispielsweise
500 Ohm bis 3 kOhm beträgt
und über
einen ersten Schalter S1 für eine
belastete Spannungsmessung zu- und eine unbelastete Spannungsmessung
abgeschaltet werden kann, um die Sondenspannung U im belasteten
(UL) und im unbelasteten Zustand (UO) zu messen. Außerdem liegt über die
Innenelektrode IE und die Außenelektrode
AE an der Lambdasonde LS eine Stromquelle, insbesondere eine geregelte
Stromquelle Iconst bzw. Konstantstromquelle an, die über einen
weiteren Schalter S2 zu- und abschaltbar ist. Anstelle der Konstantstromquelle
kann auch eine Spannungsquelle vorgesehen sein. Die Stromquelle oder
Spannungsquelle dient dazu, einen Pumpstrom bzw. eine Pumpspannung
zum Zuführen
von Sauerstoff und Aufladen des Referenzluftvolumens bereitzustellen.
Außerdem
ist die Konstantstromquelle auch für ein Pumpen der Lambdasonde
LS im Betrieb zuständig.
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3 zeigt
den Vergleich verschiedener Signalverläufe der Sondenspannung U über der
Zeit t für
eine herkömmliche,
nicht gepumpte λ =
1-Sonde (Kurvenverlauf 11) und eine gepumpte λ = 1-Sonde (Kurvenverlauf 10).
Wird bei der ungepumpten Lambdasonde gemäß dem Kurvenverlauf 11 aus
einem anfänglichen unbelasteten
Zustand durch Zuschalten des Lastwiderstandes RL mittels des Schalters
S1 in den belasteten Zustand übergegangen,
so geht die Sondenspannung auf einen konstanten Wert 11.4 bei
Last zurück.
Hierbei kann der Innenwiderstand gemäß dem eingangs genannten Zusammenhang
Ri = RL (UO – UL)/UL z.B. nach einigen Sekunden zuverlässig bestimmt
und daraus die Elektrodengüte
zuverlässig
ermittelt werden.
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Bei
der gepumpten λ =
1-Sonde hingegen ergibt sich nach dem Übergang aus dem unbelasteten Zustand 10.1 in
den belasteten Zustand kein konstantes Spannungsniveau, sondern
die Sondenspannung fällt
nach einem allenfalls unvollständig
ausgebildeten Plateau gemäß dem abfallenden
Kurvenverlauf 10.3 auf einen sehr niedrigen Wert ab, der,
wie eingangs in Verbindung mit der Erfindung erläutert, auf eine mangelnde Sauerstoffzufuhr
zurückzuführen ist.
Dadurch lässt
sich die Elektrodeneigenschaft nicht zuverlässig aus dem Innenwiderstand
bestimmen.
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Wird
hingegen das Referenzluftvolumen mit Sauerstoff vorzugsweise durch
Anlegen der Pumpspannung oder des Pumpstromes aus der geregelten Stromquelle
Iconst unter Berücksichtigung
der Eigenschaften der Lambdasonde und des angeschlossenen Lastwiderstandes
RL zum Aufrechterhalten eines über
mehrere Sekunden konstanten Spannungsniveaus für den belasteten Zustand aufgeladen,
wodurch sich nach dem Spannungssprung 10.2 um eine Spannungsdifferenz
DU der konstante Spannungsverlauf 10.4 ergibt, so lässt sich
der Innenwiderstand Ri der gepumpten λ = 1-Sonde gemäß vorstehender Formel
genau messen und die Elektrodengüte
zuverlässig
bestimmen, um z.B. eine Prüfung
durchzuführen.
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Anstelle
das Referenzluftvolumen durch Anlegen eines Pumpstromes oder einer
Pumpspannung aufzuladen, ist auch denkbar, dieses vor der Messung
mechanisch durch aktives Zuführen
von Luft aufzuladen, so dass für
die Messung im belasteten Zustand genügend Sauerstoff zur Verfügung steht.