DE102004025244A1 - Verfahren zum Prüfen der Elektrodengüte einer Lambdasonde - Google Patents

Verfahren zum Prüfen der Elektrodengüte einer Lambdasonde Download PDF

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bewerten der Elektrodeneigenschaften einer Lambdasonde, bei dem zum Messen deren Innenwiderstandes (Ri) unter Nutzung von in einem Referenzluftvolumen vorhandenem Sauerstoff die Sondenspannung (U) in einem unbelasteten und in einem mit einem Lastwiderstand (RL) belasteten Zustand gemessen wird. Eine zuverlässige Messung der Elektrodengüte bei Lambdasonden mit gepumpter Referenz wird dadurch erreicht, 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.

Description

  • 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.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • Vorteile der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer gepumpten λ = 1-Sonde im Querschnitt,
  • 2 ein Blockschaltbild eines Prüfaufbaus für eine Innenwiderstandsmessung der Lambdasonde und
  • 3 verschiedene Signalverläufe der Sondenspannung bei nicht gepumpter Referenz sowie bei gepumpter Referenz ohne und mit Auffüllen des Referenzluftvolumens.
  • Ausführungsbeispiel
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Bewerten der Elektrodeneigenschaften einer Lambdasonde, bei dem zum Messen deren Innenwiderstandes (Ri) unter Nutzung von in einem Referenzluftvolumen vorhandenem Sauerstoff die Sondenspannung (U) in einem unbelasteten und in einem mit einem Lastwiderstand (RL) belasteten Zustand gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, 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.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzluftvolumen durch Anlegen einer Pumpspannung an die Sonde aufgeladen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung im belasteten Zustand mindestens eine Sekunde nach Umschalten auf den Lastwiderstand (RL) erfolgt.
  5. Verfahren nach eine der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Lastwiderstand (RL) ein Widerstandswert von mindestens 100 Ω gewählt wird.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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