DE102004042027A1

DE102004042027A1 - Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE102004042027A1
Application number: DE102004042027A
Authority: DE
Inventors: Roland Stahl; Hans-Martin Wiedenmann; Detlef Heimann; Lothar Diehl; Thomas Moser; Björn Janetzky; Jan Bahlo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-02
Also published as: JP4537454B2; US20090038941A1; WO2006024556A1; EP1789776A1; JP2008510959A

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren, DOLLAR A - mit einem Meßgasraum, in dem die Konzentration der Komponente gegen den Einfluß der über eine Diffusionsbarriere wirkenden Kopplung an die Konzentration im Gasgemisch einstellbar ist, DOLLAR A - wobei der Einfluß der Kopplung durch einen steuerbaren Strom von Ionen der Komponente mittels eines mit einer steuerbaren Pumpspannung beaufschlagbaren, als Pumpvorrichtung dienenden Festelektrolyten zwischen Meßgasraum und Gasgemisch kompensiert wird, so daß eine den Strom charakterisierende Größe ein Maß für die gesuchte Konzentration in dem Gasgemisch darstellt, dadurch gekennzeichnet, wird DOLLAR A - der Festelektrolyt wenigstens zeitweise abhängig von wenigstens einer Zustandsgröße des Gasgemisches mit einer vorgebbaren konstanten Pumpspannung beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren nach der Gattung des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 195 16 139 A1 bekannt.

Aus der DE 198 57 471 A1 geht ein Sensorelement für Grenzstromsonden zur Bestimmung des Lambda-Wertes von Gasgemischen, insbesondere von Abgasen von Verbrennungsmotoren, hervor, wobei das Sensorelement mit auf einer Festelektrolytfolie angeordneten inneren und äußeren Pumpelektroden ausgeführt ist. Die innere Pumpelektrode ist in einem durch eine Diffusionsbarriere begrenzten Diffusionskanal angeordnet. Die Pumpelektrode liegt in Diffusionsrichtung des Gasgemisches hinter der Diffusionsbarriere. Ein Gaszutrittsloch ist im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Festelekrolytfolie durch die Festelektrolytfolie hindurch in den Diffusionskanal geführt. Die Diffusionsbarriere ist im Diffusionskanal von der Innenwand des Gaszutrittslochs zurückgesetzt angeordnet. Hierdurch ergibt sich auch eine größere Eintrittsfläche, wodurch das Einbrennen von abgelagerten Abgasbestandteilen bei verzögertem Einschalten nach dem Start des Verbrennungsmotors vermieden wird.

Insbesondere wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren bestimmt werden soll, können in dem zu detektierenden Gasgemisch Druckspitzen entstehen. Hierbei wird jeweils eine zusätzliche Gasmenge in den Meßgasraum geschoben, wodurch ein kurzer Anstieg des Betrags des positiven oder negativen Pumpstroms verursacht wird. Im Falle der Detektierung der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung über den kalibrierten Wert überhöht, wodurch fehlerhafte Sauerstoffkonzentrationswerte angezeigt werden. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Widerstand einer zwischen dem ersten Teilvolumen und einem zweiten Teilvolumen angeordneten Diffusionsbarriere für eine Strömung aufgrund eines Druckgradienten im Vergleich zum Widerstand aufgrund einer Diffusion, d.h. einer Teilchenwanderung aufgrund eines Konzentrationsgradienten, zu klein ist. Dadurch verändern Druckspitzen, beispielsweise aufgrund von Brennraumentleerungen des Verbrennungsmotors das Ausgangssignal, obwohl sie nicht notwendigerweise mit einer Änderung der Gaszusammensetzung verbunden sind. Besonders dann, wenn die Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren erfaßt wird, machen sich bei hohen Sauerstoffkonzentrationen Partialdruckschwankungen im ersten Teilvolumen aufgrund des einströmenden Abgases stark bemerkbar. Die Höhe der Schwankungen der Ausgangsspannung ist in diesem Falle proportional dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas und damit proportional dem Pumpstrom. Diese Phänomene werden als dynamische Druckabhängigkeit bezeichnet. Wenn das Gas mit höherer Sauerstoffkonzentration durch den Druckstoß aus der Diffusionsbarriere austritt, verteilt es sich sofort im ganzen Hohlraum und wird abgepumpt. Daher kann es bei einem umgekehrten Druckstoß nicht wieder abtransportiert werden, was wiederum zu einer Unsymmetrie der dynamischen Druckabhängigkeit führt, die auch durch elektronische Filter und dergleichen nicht beseitigt werden kann. Bei niedrigen Druckstoßfrequenzen kann dagegen schon während einer Halbwelle durch die Pumpelektroden ein erheblicher Teil des eingeströmten Gases wieder abtransportiert werden. Wenn kein Hohlraum existiert, kommt es zu einem Konzentrationsgradienten entlang der Elektroden, der eine ungleichmäßige Belastung der Pumpen und Elektroden verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine eingangs beschriebene Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors dahingehend weiterzubilden, daß sich die vorbeschriebenen Druckspitzen im Gasgemisch nicht störend auf die den Pumpstrom charakterisierende Größe, die ein Maß der gesuchten Konzentration ist, auswirken.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Grundidee der Erfindung ist es, den Festelektrolyten zumindest zeitweise, also intermittierend, abhängig von wenigstens einer Zustandsgröße mit einer vorgebbaren konstanten Pumpspannung zu beaufschlagen. Hierdurch fließt jeweils der Grenzstrom entsprechend der Konzentration der Komponente des Gasgemisches, also beispielsweise der Sauerstoffkonzentration im Hohlraum. Auf diese Weise wird die Dynamik der Reaktion nur durch die Gasströmung über die Diffusionsbarriere bestimmt.

Die wenigstens eine Zustandsgröße kann beispielsweise der in dem Gasgemisch herrschende Druck sein.

Die Zustandsgröße kann bei einem anderen Ausführungsbeispiel aber auch die Konzentration der Komponente sein. Auf diese Weise wird beispielsweise eine als Breitbandsonde ausgebildete Vorrichtung im Magerbetrieb zeitweise als Grenzstromsonde betrieben. Durch diese Betriebsweise werden schnelle, durch Druckpulse erzeugte Reaktionen des Pumpstroms vermieden, so daß das Ausgangssignal wesentlich besser der tatsächlichen Konzentration der Komponente in dem Gasgemisch entspricht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ist durch ein Mittel zum Umschalten der Pumpspannung zwischen einem Anschluß, an dem die vorgebbare konstante Pumpspannung anliegt, und einer Schaltungseinrichtung, durch welche die Pumpspannung als Funktion der Abweichung der Ausgangsspannung einer Nernst-Zelle zwischen dem ersten Teilvolumen und einem Bereich, in dem eine Referenzkonzentration der Komponente des Gasgemisches vorliegt, von einem Sollwert gesteuert wird. Diese vorteilhafte Ausführungsform ermöglicht den Betrieb der Vorrichtung sowohl als an sich bekannte Breitbandsonde als auch zeitweise als Grenzstromsonde.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in der Figur dargestellt ist, erläutert. Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch.

Ausführungsbeispiel
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Sensor 1 und eine Schaltungseinheit 2 des Sensors 1. Der Sensor 1 weist ein erstes Teilvolumen 3 auf, das über eine kleine Öffnung 4, die als Diffusionswiderstand wirkt, mit dem Gasgemisch, beispielsweise dem Abgas eines Verbrennungsmotors, verbunden ist. In einem zweiten Teilvolumen 6 herrscht eine Referenzatmosphäre, die beispielsweise durch eine Verbindung zur Außenluft definiert sein kann oder auf andere Weise erzeugt wird. Beide Teilvolumina werden von einem sauerstoffionenleitenden Elektrolyten 7 begrenzt, der Elektroden 8, 9, 10 und 11 trägt. In dem Elektrolyten 7 kann eine Heizung 12 vorgesehen sein.
In dem Teilvolumen 3 ist ferner eine Diffusionsbarriere 5 angeordnet, die zwischen dem Hohlraum, in den das Gasgemisch über die Öffnung 4 einströmt und einem Meßgasraum 3a, in dem die Elektroden 8, 9 vorgesehen sind, angeordnet ist. Die sich als Folge unterschiedlicher Sauerkonzentrationen im Meßgasraum 3a und im Teilvolumen 6 einstellende Nernst-Spannung UN wird dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 14 zugeführt, an dessen nichtinvertierendem Eingang eine vorgegebene Vergleichsspannung UV von beispielsweise 450 mV anliegt, die beispielsweise von einer Spannungsquelle 15 erzeugt wird. Mit der Vergleichsspannung UV wird ein Sollwert für die Sauerstoffkonzentration im Meßgasraum 3a festgelegt. Bei einer Nernst-Spannung UN kleiner als 450 mV wird der Ausgang des Operationsverstärkers 12 positiv und treibt einen positiven Strom Ip durch die aus den Elektroden 8, 9 und dem dazwischenliegenden Elektrolyten 7 gebildete Pumpzelle. Oder anders ausgedrückt: eine vergleichsweise kleine Nernst- Spannung UN, die einem Sauerstoffüberschuß im Meßgasraum 3a entspricht, führt zu einem Transport (negativer) Sauerstoffionen vom Meßgasraum 3a zum Abgas. Eine vergleichsweise hohe Nernst-Spannung UN führt entsprechend zu einem Sauerstoffteilchenstrom vom Abgas zum Meßgasraum 3a, so daß im eingeschwungenen Zustand eine vorgegebene Konzentration von Sauerstoff im Meßgasraum 3a einstellt. Da diese Konzentration durch die über die Diffusionsbarriere 5 wirkende Kopplung gestört wird, stellt der zur Aufrechterhaltung notwendige Pumpstrom Ip letztlich ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas dar. Der Pumpstrom Ip kann, wie in der Figur dargestellt, als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand Rm 17 gemessen werden.
Dem Operationsverstärker 14 nachgestaltet ist ein Mittel 20 zum Umschalten zwischen einem Anschluß 21, auf den nachfolgend noch näher eingegangen wird, und einem Anschluß 22, der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 14 verbunden ist.
In der in der Figur gezeigten Schaltstellung, in der der Ausgang des Operationsverstärkers 14 über den Meßwiderstand Rm 17 mit der äußeren Pumpelektrode 8 verbunden ist, an der auf diese Weise eine steuerbare Pumpspannung UPump anliegt, wird die Vorrichtung als an sich bekannter Breitbandsensor betrieben, wie es beispielsweise aus der DE 198 57 471 A1 , auf die vorliegend Bezug genommen wird, hervorgeht. In diesem Falle ist das über dem Meßwiderstand Rm 17 abgegriffene Spannungssignal UA ein Maß für die Konzentration der Komponente des Gasgemisches, also beispielsweise der Sauerstoffkonzentration des Abgases.
Bei Druckpulsen im Abgas wird nun jeweils eine zusätzliche Gasmenge in den Hohlraum 3 sowie dem Meßgasraum 3a geschoben, wodurch ein kurzer Anstieg des Betrags des positiven oder negativen Pumpstroms Ip hervorgerufen wird, also eine Abweichung beispielsweise vom Wert Lambda = 1 im Falle der Messung der Sauerstoffkonzentration. Dies liegt daran, daß der Widerstand der Diffusionsbarriere 5 für eine Strömung aufgrund eines Druckgradienten – im Vergleich zum Widerstand aufgrund einer Diffusion – einer durch einen Konzentrationsgradienten hervorgerufenen Teilchenwanderung – zu klein ist. Dadurch erscheinen Druckspitzen aus den Brennraumentleerungen als Ausgangssignal, die nicht notwendigerweise mit einer Änderung der Gaszusammensetzung, beispielsweise einer Änderung der Sauerstoffkonzentration und damit einer Änderung des Lambda- Wertes, verbunden sind. Dieses Phänomen wird als dynamische Druckabhängigkeit bezeichnet.
Besonders bei einem hohen Sauerstoffpartialdruck wirkt sich die Partialdruckschwankung im Hohlraum 3 sowie im Meßgasraum 3a aufgrund des über die Öffnung 4 einströmenden Abgases stark aus. Die Höhe der Schwankungen der Ausgangsspannung UA ist proportional dem Sauerstoffpartialdruck oder dem Pumpstrom Ip. Tritt das Gas mit höherer Sauerstoffkonzentration durch einen solchen Druckstoß aus der Diffusionsbarriere 5 aus, verteilt es sich sofort im ganzen Meßgasraum 3a. Aus diesem Grunde kann es bei einem umgekehrten Druckstoß nicht sofort wieder abtransportiert werden, so daß Unsymmetrien der dynamischen Druckabhängigkeit entstehen, die auch durch elektronische Filter nicht beseitigt werden können.
Bei niedrigen Druckstoßfrequenzen kann dagegen schon während einer Halbwelle durch die Pumpelektroden 8, 9 ein erheblicher Teil des eingeströmten Gases abtransportiert werden.
Um diese Probleme zu beseitigen, ist nun eine zweite Schaltstellung des Mittels 20 zum Umschalten vorgesehen, in der die äußere Meßelektrode 8 an eine Klemme (einem Port) 21 angeschlossen ist, an der eine positive konstante Pumpspannung UPK anliegt. Hierdurch fließt jeweils der Grenzstrom entsprechend der Konzentration der Komponente des Gasgemisches, beispielsweise der Sauerstoffkonzentration im Meßgasraum 3a. Die Dynamik der Reaktion wird nur durch die Gasströmung über die Diffusionsbarriere 5 bestimmt. Die Breitbandsonde wird also – anders ausgedrückt – zeitweise als Grenzstromsonde betrieben. Hierdurch wird eine Betriebsweise vermieden, bei welcher schnelle Reaktionen auf Druckpulse erzeugt werden. Das Ausgangssignal UA entspricht so wesentlich besser der tatsächlichen Abgaskonzentration. Dabei kann, wie in der Figur dargestellt, ein zusätzlicher Port 21 vorgesehen sein. Es kann aber auch die Pumpspannung intern in einem integrierten Schaltkreis umgeschaltet werden, wie auch die gesamte Schaltung 2 Teil eines integrierten Schaltkreises oder Teil eines Steuergerätes sein kann. In diesem Falle ist der Grenzstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas.

Claims

Vorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Komponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren – mit einem Meßgasraum (3a), in dem die Konzentration der Komponente gegen den Einfluß der über eine Diffusionsbarriere (5) wirkenden Kopplung an die Konzentration im Gasgemisch einstellbar ist, – wobei der Einfluß der Kopplung durch einen steuerbaren Strom von Ionen der Komponente mittels eines, mit einer steuerbaren Pumpspannung beaufschlagbaren, als Pumpvorrichtung dienenden Festelektrolyten (7) zwischen Meßgasraum (3a) und Gasgemisch kompensiert wird, so daß eine den Strom charakterisierende Größe ein Maß für die gesuchte Konzentration in dem Gasgemisch darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß – der Festelektrolyt wenigstens zeitweise abhängig von wenigstens einer Zustandsgröße des Gasgemisches mit einer vorgebbaren konstanten Pumpspannung beaufschlagt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zustandsgröße der in dem Gasgemisch herrschende Druck ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zustandsgröße die Konzentration der Komponente ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel (20) zum Umschalten der Pumpspannung zwischen einem Anschluß, an dem die vorgebbare konstante Pumpspannung anliegt, und einer Schaltungseinrichtung, durch welche die Pumpspannung als Funktion der Abweichung der Ausgangsspannung einer Nernst-Zelle zwischen dem ersten Teilvolumen und ei nem Bereich, in dem eine Referenzkonzentration der Komponente des Gasgemisches vorliegt, von einem Sollwert gesteuert wird.