-
Die
Erfindung betrifft einen Abgassensor, insbesondere eine Lambda-Sonde,
vorzugsweise für Kraftfahrzeuge,
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen, sowie
eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines derartigen Abgassensors
mit den im Oberbegriff des Anspruchs 4 angegebenen Merkmalen.
-
Stand der
Technik
-
Eine
Abgassonde, insbesondere eine Lambda-Sonde mit einer in einem Festelektrolyten
angeordneten Referenzelektrode und einer dem Abgas ausgesetzten
Abgaselektrode ist beispielsweise aus der
DE 41 31 503 A1 bekannt.
-
Die
DE 41 00 106 C1 offenbart
eine Abgassonde, bei der die dem Abgas ausgesetzte Elektrode durch
eine poröse
keramische Schutzschicht überdeckt
ist, in der katalytisch aktive Stoffe diskret und homogen derart
verteilt sind, dass die diskret verteilten katalytisch aktiven Stoffe,
vorzugsweise Platin, bei erhöhter
Temperatur aktiv sind, wohingegen homogen verteilte aktive Komponenten,
vorzugsweise Rhodium, bei niedriger Temperatur aktiv sind. Durch die
geringen Stoffmengen dieser Substanzen wird insbesondere eine Verbesserung
der Sensor-Regellage, insbesondere bei niedrigen Temperaturen erreicht.
Der Sensor ist darüber
hinaus fertigungstechnisch einfach herzustellen.
-
In
derartigen Abgassensoren mit sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten
wird der Übergang von
einem fetten zu einem mageren Gemisch durch Messung des Potenzials
zwischen der Abgaselektrode und der Referenzelektrode, die einem
Gas mit definiertem Sauerstoffgehalt ausgesetzt ist, wie beispielsweise
der Umgebungsluft, gemessen. Dieser Übergang äußert sich in einem starken
Sprung der Sondenspannung beim Übergang
von einem fetten zu einem mageren Gemisch, der häufig auch als Lambda-Sprung
bezeichnet wird. Die Abgaselektrode ist durch eine poröse Schutzschicht,
die die Abgaselektrode überdeckt,
getrennt. Die Schutzschicht dient nicht nur dem mechanischen Schutz
der Abgaselektrode, sie erhöht
auch die so genannte Vergiftungsresistenz.
-
Derartige
Abgassensoren werden zur Abgasnachbehandlung von Brennkraftmaschinen
eingesetzt. Die Sprungcharakteristik bei λ = 1 einer derartigen Sprungsonde
oder auch Zweipunkt-Lambda-Sonde eignet sich für Zweipunkt-Regelungen. Eine
Stellgröße, zusammengesetzt
aus einem Spannungssprung und einer Rampe, verändert ihre Stellrichtung bei
jedem Spannungssprung, der einen Wechsel fett/mager oder mager/fett
anzeigt. Die Amplitude dieser Stellgröße wird hierbei typischerweise im
Bereich 2 bis 3 Prozent festgelegt. Hierdurch ergibt sich eine beschränkte Reglerdynamik.
Die typische Fehlmessung der Zweipunkt-Sonde, bedingt durch die
Variation der Abgaszusammensetzung, kann gesteuert kompensiert werden,
indem der Stellgrößenverlauf
gezielt symmetrisch gestaltet wird. Die Lambda-Genauigkeit im dynamischen
Betrieb beträgt
typischerweise 5 Prozent, sodass Schwankungen um λ = 1 in dieser
Größenordnung
unvermeidlich sind.
-
Eine
Ursache für
die geringe Lambda-Genauigkeit liegt in den unterschiedlichen Transportgeschwindigkeiten
der so genannten Fettgase, also des Wasserstoffs und der Kohlenwasserstoffe
und der so genannten Magergase, d.h. des Sauerstoffs und der Stickoxide
in der Schutzschicht. Da an der Abgaselektrode katalytisch ein Gleichgewicht
entsteht, findet ein ständiger
Antransport der Fett- und Magergase gekoppelt mit einem ständigen Abtransport
der Reaktionsprodukte Kohlendioxid und Wasser statt. Dabei diffundiert
beispielsweise Wasserstoff schneller in der Schutzschicht als die
Magergase. Aus diesem Grunde sind höhere Mengen Magergase erforderlich, um
Wasserstoff komplett umzusetzen, als es der stöchiometrischen Zusammensetzung
des Abgas-Luft-Gemisches entsprechen würde, der Lambda-Sprung wird
hierdurch in den Magerbereich verschoben. Viele Kohlenwasserstoffe
wie beispielsweise Propan, diffundieren dagegen langsamer als die Magergase.
In diesem Falle verschiebt sich der Lambda-Sprung in den Fettbereich.
Eine weitere Ursache für
die Verschiebung des Lambda-Sprungs sind unvollständige Reaktionen
an der Abgaselektrode. In diesem Falle ist die Abgaselektrode nicht
in der Lage, das Gleichgewicht einzustellen. Bei den Magergasen
treten derartige Verschiebungen auf, wenn keine Katalyse der Fettgase
mit Stickoxid erfolgt. Stickoxid wirkt dann wie ein Inertgas und
es wird mehr Sauerstoff benötigt,
um die Fettgase umzusetzen. Der Lambda-Sprung wird hierdurch in
den Magerbereich verschoben. Umgekehrt benötigen Kohlenwasserstoffe, die
nicht komplett umgesetzt werden, weniger Magergase. Als Folge davon
verschiebt sich die gesamte Kennlinie und damit auch der Lambda-Sprung
in den Fettbereich. Diese Effekte der Verschiebung des Lambda-Sprungs
von 2-Punkt-Sonden treten aber nur dann auf, wenn das Gasgemisch
nicht im Gleichgewicht ist. Dies ist der Fall, wenn die 2-Punkt-Sonde
stromaufwärts
des Katalysators betrieben wird. Sonden, die stromabwärts des
Hauptkatalysators betrieben werden, erhalten eine Gleichgewichtsgasmischung
und zeigen deshalb einen sehr präzisen
Lambda-Sprung bei Lambda gleich 1. Die Lambdagenauigkeit ist hier
besser als 0,1%.
-
Zur
weiteren Steigerung der Genauigkeit der Lambda-Regelung werden Zweisonden-Lambda-Regelungen
mit Abgassonden in Abgasströmungsrichtung
vor und nach dem Hauptkatalysator verwendet, um die Präzision des
gesamten Regelkreises zu erhöhen.
Das Prinzip der Zweisonden-Regelung beruht darauf, dass die gesteuerte
Fett- bzw. Magerverschiebung oder der Sollwert einer stetigen Regelung durch
eine langsame Korrekturschleife additiv verändert werden. Bei Abgassonden,
die stromabwärts des
Katalysators eingesetzt werden, ist es nun wünschenswert, die Sprunglage
in den leichten Fettbereich zu verschieben, um die Abgaswerte zu
verbessern. Wenn nämlich
der Katalysator ein insgesamt leicht fettes Gemisch liefert, enthält das Abgas
praktisch keine Magergase und insbesondere keine Stickoxide mehr,
die zu einem Lambda-Sprung führen
können.
In diesem Zusammenhang spielt die Sauerstoffspeicherfähigkeit
von Dreiwegekatalysatoren eine entscheidende Rolle. Im mageren Bereich wird überschüssiger Sauerstoff
hierbei im Katalysator gespeichert, der in einer darauf folgenden
fetten Phase wieder abgegeben wird. Wenn nun der Katalysator mit
Sauerstoff beladen ist, entstehen höhere Stickoxidemissionen, die
unerwünscht
sind.
-
Gewöhnlich wird
bei einem Übergang
von einem fetten zu einem mageren Gemisch Sauerstoff in dem Dreiwegekatalysator
gespeichert. Eine an sich bekannte, stromabwärts des Katalysators eingebaute
Abgassonde zeigt hierbei noch ein fettes Gemisch an, solange, bis
eine vollständige
Sättigung
der Sauerstoffspeicherung im Dreiwegekatalysator erfolgt ist. Liefert
der Katalysator nämlich
ein insgesamt leicht fettes Gemisch, enthält das Abgas praktisch keine Magergase
mehr, die zu einem Lambda-Sprung führen können.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Vorteile der
Erfindung
-
Der
erfindungsgemäße Abgassensor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Sprunglage
auch bei Abwesenheit von Magergasen leicht in den fetten Bereich
verschoben ist. Grundidee der Erfindung ist es, die Abgassonde gewissermaßen zu "verstimmen", um hierdurch bereits
eine beginnende Speicherung von Sauerstoff im Katalysator zu detektieren
und so die vorbeschriebenen negativen Stickoxidemissionen, die bei
einer Sättigung
der Sauerstoffspeicherung im Katalysator im Magerbetrieb entstehen,
zu verhindern. Die Verschiebung in den Fettbereich erfolgt hierbei durch
eine zusätzliche
Sauerstoffquelle, welche es ermöglicht,
die Fettgase umzusetzen und welche eine Lambda-Sprung-Verschiebung
in den Fettbereich ermöglicht.
Erst durch diese Sauerstoffquelle wird ermöglicht, dass eine Abgassonde
stromabwärts
des Katalysators im Fettbereich springt.
-
Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
wird durch eine Reihenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle,
einem Widerstand und der Abgassonde gebildet, wobei der Pluspol
der Spannungsquelle mittelbar oder unmittelbar mit der Abgaselektrode
verbunden ist, wohingegen der Minuspol mittelbar oder unmittelbar
mit der Referenzelektrode verbunden ist.
-
Durch
diese Schaltungsanordnung ist ein zwischen Referenzelektrode und
Abgaselektrode zur Abgaselektrode fließender Sauerstoffstrom erzeugbar,
dessen Größe an die
durch die poröse
Beschichtung hindurchdiffundierenden Gasströme so angepasst ist, dass eine
gezielte Lambda-Sprung-Verschiebung erfolgt. Es erfolgt mit anderen
Worten erfindungsgemäß ein gezieltes
elektrochemisches Pumpen von Sauerstoff zur Abgaselektrode. Durch dieses
Pumpen verringert sich zwar die Nernst-Spannung der Sonde und verfälscht damit das
Sondensignal. Diese Verfälschung
hängt jedoch sehr
stark von der pro Zeiteinheit gepumpten Sauerstoffmenge, also von
dem Pumpstrom ab. Der Pumpstrom muss deshalb so gering wie möglich gehalten
werden. Die Auswirkung eines festen Pumpstroms auf die Verschiebung
der Sprunglage wird dagegen von dem Transport der Fettga se in der Schutzschicht
bestimmt. Beide Ströme,
der Pumpstrom des Sauerstoffs durch den Festelektrolyten und der
Stoffstrom der Fettgase, treffen sich an der Abgaselektrode. Damit
die gewünschte
Wirkung des Pumpstroms eintritt, muss deshalb der Stoffstrom durch
die poröse
Schutzschicht definiert eingestellt werden.
-
Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen der im
unabhängigen
Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Eine bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die poröse
Schutzschicht mehrere Lagen aufweist. Dabei können die Lagen vorteilhafterweise
jeweils unterschiedliche Porosität
aufweisen, wodurch deren „Einstellung" besonders gut möglich ist.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
-
Es
zeigen:
-
1 schematisch
den Aufbau einer Abgassonde;
-
2 eine
von der Erfindung Gebrauch machende Schaltungsanordnung zum Betreiben
der in 1 dargestellten Abgassonde;
-
3 die
Sondenspannung über
der Luftzahl λ bei
einer ersten Sonde;
-
4 die
Sondenspannung über
der Luftzahl λ bei
einer zweiten Sonde und
-
5 die
Verschiebung des Lambda-Sprungs in Abhängigkeit von der Porosität der porösen Beschichtung
erfindungsgemäßer Sonden.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Eine
Abgassonde, dargestellt in 1, weist einen
Festelektrolyten 100 auf, in dem auf an sich bekannte Weise
eine Referenzelektrode 110 und eine Abgaselektrode 120 angeordnet
sind. Die Abgaselektrode 120 ist einem Abgas 150 ausgesetzt,
sie ist durch eine ein- oder mehrlagige poröse Schutzschicht 130 überdeckt.
Die Abgassonde mit der Ab gaselektrode 120 und der Referenzelektrode 110 bilden
eine eigenständige
Spannungsquelle. Eine mögliche
Beschaltung ist in 2 dargestellt. Die Abgassonde
ist über
einen Widerstand 240 mit einer externen Spannungsquelle 205 verbunden,
die eine konstante Gleichspannung liefert. An der Klemme 210 der
Referenzelektrode liegt die Spannung 0 V an, wohingegen an der Klemme 220 der
Abgaselektrode 120 eine Spannung anliegt, die gegenüber der
Referenzelektrode ein negatives Spannungspotenzial aufweist. Die
Beschaltung mit der externen Spannungsquelle führt dazu, dass zwischen der
Referenzelektrode 110 und der Abgaselektrode 120 ein
Sauerstoffstrom fließt.
Der Betrag des Sauerstoffstromes wird von der Spannung der Spannungsquelle
und dem Widerstand 240 bestimmt. Das System ist so abgestimmt,
dass der fließende
Sauerstoffstrom die zwischen Klemme 210 und 220 anliegende
Spannung der Abgassonde nur minimal, d.h. nur um wenige Millivolt,
verringert. Durch diese zusätzliche
Sauerstoffzufuhr springt die Abgassonde im Fettbereich des Abgas-Luft-Gemisches.
-
Um
nun einerseits die Sprunglage der Sonde auch bei Abwesenheit von
Magergas in den fetten Bereich gezielt zu verschieben und andererseits
die Spannung der Abgassonde durch den fließenden Sauerstoffstrom nur
minimal zu verringern, ist es erforderlich, die Schutzschicht
130,
die aus ein- oder mehrlagigen porösen Schutzschichten bestehen kann,
einzustellen. Ein Verfahren zur Einstellung einer gezielten Porosität besteht
darin, dem Grundmaterial der Schutzschicht
130 geeignete
Anteile an Porenbildnern zuzusetzen. Dies kann beispielsweise mit
einem in der
DE 43
43 315 A1 beschriebenen Verfahren geschehen. Der Inhalt
der
DE 43 43 315 A1 wird
insoweit zum Zwecke der Offenbarung in die vorliegende Patentanmeldung
einbezogen. Die Einstellung der Porosität der porösen Beschichtung der Abgaselektrode
120 wird
dabei empirisch vorgenommen. Es werden dabei die Anteile an Porenbildnern derart
zugesetzt, beispielsweise durch kontinuierliches Erhöhen oder
Verringern der entsprechenden Anteile, dass eine Zufuhr von Sauerstoff
zur Abgaselektrode
120 entsteht, die zu einer Erhöhung des Sauerstoffgehaltes
an der Abgaselektrode
120 von 20 ppm bis 200 ppm Sauerstoff
führt.
-
Um
den Einfluss auf die Nernst-Spannung gering zu halten, sollte die
dafür benötigte Stromdichte
im Bereich von 25 μA/cm2 bezogen auf die makroskopische Fläche der
Abgaselektrode 120 liegen. Die Porosität der porösen Beschichtung wird so eingestellt, dass
die Verschiebung des Lambda-Sprungs im Bereich von 1,2 bis 9 ppm/(μA/cm2) in Lambda beträgt (siehe 5).
-
Die
Sondenspannung US einer Sonde A mit Abgaselektroden
unterschiedlicher Beschichtung ist in 3, die Sondenspannung
US über
der Luftzahl Lambda einer weiteren Abgassonde B ist in 4 dargestellt.
-
Wie
aus 3 hervorgeht, führt das Anlegen eines positiven
Spannungspotenzials an die Abgaselektrode 120 derart, dass
eine Stromdichte von 25 μA/cm2 bezogen auf die makroskopische Fläche an der
Abgaselektrode 120 entsteht, zu einer deutlichen Verschiebung
des Lambda-Sprungs. In 3 und 4 sind die
Sondenspannungen unterschiedlicher Sonden jeweils ohne ein an der
Abgaselektrode 120 anliegendes Spannungspotenzial (Kurve 310,
Kurve 410) und mit einem an der Abgaselektrode 120 anliegenden
Spannungspotenzial (Kurve 320, Kurve 420) dargestellt.
Der Lambda-Sprung wird zu einem Wert kleiner als 1 verschoben, wie
dies in 3 durch einen Pfeil 330 schematisch
dargestellt ist.
-
Die
in 3 dargestellte Sonde A weist eine geringere Porosität auf als
die in 4 dargestellte Sonde. Bei der in 4 dargestellten
Sonde tritt eine geringere Lambda-Punkt-Verschiebung auf. Die in 4 dargestellte
Sonde weist etwa eine Lambda-Punkt-Verschiebung von 0,5 ppm/(μA/cm2) auf, wohingegen die in 3 dargestellte
Sonde eine Lambda-Sprung-Verschiebung von 9 ppm/(μA/cm2) aufweist. Die Verschiebung der Sprunglage
des Lambda-Punktes bezogen auf die Stromdichte ist schematisch für zwei Sonden
(Sonde A und Sonde B) in 5 dargestellt.
-
Durch
die Verschiebung der Sprunglage in den leichten Fettbereich aufgrund
einer zusätzlichen Sauerstoffquelle,
die durch das Anlegen des Spannungspotenzials zwischen Referenzelektrode 110 und
Abgaselektrode 120 realisiert wird, kann insbesondere bei
Anwendung einer solchen Abgassonde als Abgassonde stromabwärts eines
Katalysators im fetten Bereich noch ein Lambda-Sprung detektiert werden,
der gewissermaßen
den Beginn der Speicherung oder Einlagerung von Sauerstoff im Dreiwegekatalysator
signalisiert. Auf diese Weise können wirkungsvoll
eine Sättigung
der Sauerstoffspeicherung im Dreiwegekatalysator und eine damit
verbundene Erhöhung
der Stickoxidanteile im Abgas verhindert werden. Die poröse Beschichtung
wird – wie oben
erwähnt – so eingestellt,
dass die Strombelastung des Pumpsystems gering gehalten wird. Hieraus
resultiert eine geringe Verfälschung
der Sondenspannung, was wiederum den Vorteil mit sich bringt, dass
Alterungseffekte der Elektrodenwiderstände und des Festelektrolytinnenwiderstands
sich nur gering auf das Alterungsverhalten der Sondenspannung auswirken.
Da die Menge der antransportierten Gase vom an sich bekannten (nicht
dargestellten) Schutzrohr vor der Sonde und dem Massendurchsatz
der Abgase bestimmt wird, kann durch die vorstehend beschriebene
empirisch zu bestimmende Kombination aus Schutzschicht und Pumpstrom
der gewünschte
vorgebbare Massenstrom und der nach fett verschobene Lambda-Sprung eingestellt
werden.
-
Die
Schutzschicht 130, kann – wie oben bereits ausgeführt – aus mehreren
porösen
Schutzschichten unterschiedlicher Porosität bestehen, sie muss den Stofftransport
der Gase so weit begrenzen, dass im Zusammenspiel mit dem gepumpten
Sauerstoff die gewünschte
Verschiebung des Lambda-Sprungs entsteht.
-
Es
ist an dieser Stelle darauf hinzuweisen, dass statt der oben beschriebenen
und in 2 dargestellten Schaltungsanordnung, bei der der
Pluspol der Spannungsquelle über
einen in Reihe geschalteten Widerstand 240 mit der Abgaselektrode 120 verbunden
ist, auch vorgesehen sein kann, den in Reihe geschalteten Widerstand
zwischen dem Minuspol der Spannungsquelle und der Referenzelektrode 110 anzuordnen.
Es kann darüber
hinaus eine Schaltungsanordnung vorgesehen sein, bei der die Sonde mit
dem Reihenwiderstand in eine Spannungsteileranordnung integriert
ist, um beispielsweise so eine Spannungsanpassung an die Versorgungsspannung eines
Steuergeräts
vorzunehmen.