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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betreiben einer Grenzstromsonde
nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Ferner betrifft die Erfindung ein Gaskonzentrationsmesssystem.
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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. Die heute verwendeten
Katalysatortypen haben die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid
und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in
einen Bereich von etwa 1% um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit
Lambda = 1 betrieben wird. Dabei gibt der Lambda-Wert an, wie weit
das tatsächlich
vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem zur vollständigen Verbrennung
theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1
kg Benzin abweicht. Lambda ist hierbei der Quotient aus zugeführter Luftmasse
und theoretischem Luftbedarf.
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Als
Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentration des Restsauerstoffs
in einem Abgas haben sich insbesondere Breitband-Lambdasonden als
auch Grenzstromsonden bewährt.
Aus der
DE 101 56
248 A1 ist beispielsweise ein Sensor zur Messung der Konzentration
einer Gaskomponente in einem Gasgemisch bekannt, der sowohl als
Breitband-Sensor
mit einer Pumpzelle betrieben werden kann, als auch nach dem Grenzstromprinzip.
Bei einer nach diesem Prinzip arbeitenden Sonde sind vorzugsweise
auf einem Festkörperelektrolyt
zwei Elektroden angeordnet, wobei die erste Elektrode dem Abgas
zugewandt ist und die zweite über
eine Diffusionsbarriere vom Abgas getrennt ist. Der Festkörperelektrolyt
besteht in der Regel aus einem mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid
und ist bei einer Betriebstemperatur > 600 C° für Sauerstoffionen
leitend. Zum Betreiben der Sonde wird an den Elektroden eine Pumpspannung
angelegt, deren höheres Potenzial
an der Außenelektrode
liegt und somit die Anode bildet. Durch diese Pumpspannung werden Sauerstoffionen
von der Kathode zur Anode, also von der Innenelektrode zur Außenelektrode
gepumpt. Da das Nachfließen
von Sauerstoffmolekülen
aus dem Abgas in den die Innenelektrode umgebenden Hohlraum durch
eine Diffusionsbarriere behindert ist, erreicht auch der Pumpstrom
oberhalb eines Pumpspannungs-Schwellenwerts
eine Stromsättigung, den
so genannte Grenzstrom. Dieser Grenzstrom ist der Sauerstoffkonzentration
im Abgas proportional. Dieses Funktionsprinzip ist beispielsweise
bei
Riegel et al.: Exhaust gas sensors. In: Automotive electronics
handbook Kapitel 6, Herausgeber: Jürgen, Ronald, McGrawhill, 1995
beschrieben.
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Riegel
et al. ist ferner zu entnehmen, dass die Pumpspannungen einer solchen
Grenzstromsonde sich typischerweise im Bereich zwischen wenigen 100
Millivolt bis 1 Volt bewegen. Die Pumpströme variieren in Abhängigkeit
der Gaskonzentration im Bereich von Mikroampere bis zu Milliampere.
Zur Messung des Grenzstromes wird typischerweise eine Anordnung,
wie sie aus der
DE
101 56 248 A1 bekannt ist, gewählt, bei der der Spannungsabfall über einen im
Pumpstromkreis angeordneten Messwiderstand abgegriffen wird. Bei
einem Abgas in der Nähe
des stöchiometrischen
Verhältnisses
von Lambda = 1 ist typischerweise ein Pumpstrom von ca. 1 Mikroampere
zu erwarten, sodass beispielsweise über einen Messwiderstand von
1000 Ohm eine Spannung von 1 Millivolt abfällt. Um mit der Auswerteelektronik
auch für
kleine Spannungen eine gute Messauflösung zu erzielen, ist es typischerweise
das Bestreben, diesen Messwiderstand möglichst groß zu wählen.
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Vorteile der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs wird in überraschender
Weise nicht ein möglichst
großer
Innenwiderstand bzw. Messwiderstand einer Strommessvorrichtung gewählt, sondern
in vorteilhafter Weise ein innerer Widerstand der kleiner als 200 Ohm
ist. Die Strommessvorrichtung erfasst hierbei einen durch eine erste
und zweite Elektrode einer Grenzstromsonde fließenden Strom.
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Dieses
Vorgehen hat den Vorteil, dass sich insbesondere charakteristische
Zeiten der Grenzstromsonde – wie
beispielsweise Reaktionszeit oder Betriebsbereitschaft – verkürzen.
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So
liegt in vorteilhafter Weise bei einem Einschalten der Grenzstromsonde
die Betriebsbereitschaft der Sonde deutlich früher vor, als bei Sonden, deren
Strommessvorrichtungen im Hinblick auf die Strommessung optimiert
wurden. Ferner lässt
sich in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren
die Reaktionszeit, die eine Grenzstromsonde benötigt, um auf eine Veränderung
der Gaskonzentration zu reagieren, verkürzen.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem
unabhängigen Anspruch
angegebenen Verfahrens möglich.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, den inneren Widerstand
so festzulegen, dass eine charakteristische Zeit der Grenzstromsonde
einen Schwellenwert unterschreitet. Wobei ferner der Schwellenwert
in Abhängigkeit
der Einsatzbedingungen der Grenzstromsonde festgelegt wird; und
wobei ferner die charakteristische Zeit der Grenzstromsonde eine
Reaktionszeit der Grenzstromsonde und/oder eine Betriebsbereitschaft
der Grenzstromsonde sein kann.
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Dieses
Vorgehen hat den Vorteil, dass die Vorrichtung nicht im Hinblick
auf Eigenschaften der Strommessung optimiert wird, sondern im Hinblick auf
eine Reaktionszeit und/oder Betriebsbereitschaft der Grenzstromsonde.
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Ferner
ist es vorteilhaft, eine Strommessvorrichtung vorzusehen, die den
Pumpstrompfad der Grenzstromsonde im Wesentlichen nicht mit einem Widerstand
belastet. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
kann eine solche Strommessvorrichtung als Transimpedanzverstärker ausgestaltet
sein.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 schematisch
ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Grenzstromsonde
mit einem Messwiderstand;
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2 ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
mit einem Transimpedanzverstärker;
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3 einen
zeitlichen Verlauf des Pumpstroms bei einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
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Offenbarung der Erfindung
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1 zeigt
beispielhaft eine Grenzstromsonde 100 zur Bestimmung der
Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit einer zugehörigen Vorrichtung 200 zum
Betreiben der Grenzstromsonde. Die Grenzstromsonde umfasst in einem unteren
Bereich eine Heizung 160, in einem mittleren Bereich einen
Messraum 130 mit einer ersten Elektrode 140 und
in einem oberen Bereich eine zweite Elektrode 150. Zwischen
der ersten Elektrode, der Innenpumpelektrode 140, und der
zweiten Elektrode, der Außenpumpelektrode 150,
erstreckt sich ein Festkörperelektrolyt,
der zusammen mit den beiden Elektroden eine Pumpzelle 120 bildet.
Die dem Gasgemisch bzw. Messgas zugewandte Außenpumpelektrode 150 ist
durch eine Schutzschicht 110 gegenüber dem Messgas 10 geschützt. Ferner
weist die Pumpzelle 120 in einem zentralen Bereich eine Öffnung 105 auf,
durch die das Messgas 10 über eine Diffusionsbarriere 135 in
den Messraum 130 und somit zur Innenpumpelektrode 140 gelangt.
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Durch
Anlegen einer Heizspannung UH werden der
Gassensor und insbesondere die Pumpzelle 120 auf eine Betriebstemperatur
gebracht, bei der der Festkörperelektrolyt
eine ausreichend hohe Sauerstoffionen-Leitfähigkeit aufweist.
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Selbstverständlich ist
der erfindungsgemäße Gegenstand
nicht auf eine in 1 dargestellte Grenzstromsonde
beschränkt,
sondern kann auch in vergleichbaren Sondentypen eingesetzt werden.
Insbesondere kann die Innenpumpelektrode 140 in einem Referenzkanal
angeordnet sein und nicht mit dem Abgas, sondern mit einem Referenzgas,
vorzugsweise Luft in Verbindung stehen. Darüber hinaus kann die Außenpumpelektrode 150, insbesondere
bei einer Sonde mit Referenzkanal, statt mit einer Schutzschicht 110 mit
einer Diffusionsschicht versehen sein.
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Die
Vorrichtung 200 zum Betreiben der Grenzstromsonde 100 beaufschlagt
die beiden Elektroden 140, 150 der Pumpzelle 120 mit
einer Pumpspannung Up. Die Pumpspannung Up wird über eine Spannungsquelle 220 zur
Verfügung
gestellt. Im dargestellten Beispiel wird die Außenpumpelektrode 150 mit
einer positiven Spannung und die Innenpumpelektrode 140 mit
einer negativen Spannung beaufschlagt. Zwischen der Spannungsquelle 220 und
der Außenpumpelektrode 150 ist
ein Messwiderstand 240 angeordnet, über dem der Pumpstrom Ip ausgehend von der über dem Messwiderstand 240 abfallenden
Spannung UIp, bestimmt wird. Zur Messung des
Spannungsabfalls UIp ist parallel zum Messwiderstand 240 ein
Operationsverstärker 210 angeordnet,
der ein Ausgangssignal Ua zur Verfügung stellt, das
proportional zum fließenden
Pumpstrom Ip ist. Messwiderstand 240 und Operationsverstärker 210 bilden
hierbei beispielhaft eine Strommessvorrichtung 250.
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Bei
einem Mager-Betrieb der Brennkraftmaschine, also bei einem Betrieb,
bei dem der Brennkraftmaschine mehr Luft zugeführt wird, als durch den eingespritzten
Kraftstoff verbrannt werden kann, liegt auch im Abgas eine hohe
Sauerstoffkonzentration vor. Eine zu dieser Sauerstoffkonzentration
proportionale Sauerstoffmenge steht auch an den Innenpumpelektroden 140 an.
Aufgrund der an den Elektroden anliegenden Pumpspannung wird der
Sauerstoff in Form von Sauerstoffionen über den Festkörperelektrolyt
der Pumpzelle 120 aus dem Messgasraum 130 zur
Außenpumpelektrode 150 gepumpt. Die
Zuströmung
weiteren Sauerstoffs aus dem Abgas/Messgas 10 in den Messraum 130 wird über die Diffusionsöffnung 105 und
der Diffusionsbarriere 135 behindert, sodass hierdurch
der über
die Pumpzelle 120 fließende
Sauerstoff-Ionenstrom begrenzt wird und der Pumpstrom Ip einen Grenzstrom
erreicht. Dieser Grenzstrom ist im Wesentlichen proportional zur
O2-Konzentration des Abgases/Messgases 10.
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Bei
Vorliegen eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
also bei einem Lambdawert = 1, wird die zugeführte Luftmenge theoretisch vollständig durch
den vorhandenen Kraftstoff verbrannt, sodass im Abgas im Wesentlichen
kein Sauerstoffvorhanden ist. In der Nähe eines Lambda-Werts = 1 werden
daher keine oder nur geringe Mengen Sauerstoff vom Messraum 130 der
Pumpzelle 120 zur Außenpumpelektrode 150 gefördert, sodass
auch nur ein sehr geringer Pumpstrom Ip in Höhe weniger Mikroampere fließt. Um derart
geringe Ströme
sinnvoll über
einen Messwiderstand 240 zu messen, ist es standardmäßig vorgesehen,
einen Messwiderstand von etwa 1 kOhm oder mehr vorzusehen, sodass
am Messwiderstand insbesondere bei geringen Lambdawerten Spannungen
UIp von einigen Millivolt abfallen. Eine
Verkleinerung des Messwiderstands führt zwangsläufig auch zu einer Verkleinerung
der an diesem Widerstand abfallenden Spannung, wobei aufgrund der
unvermeidlich vorhandenen Störsignale
die Gefahr besteht, dass das eigentliche Spannungssignal im Rauschen
verschwindet. Daher gab es bislang keine Bemühungen, Messwiderstände unterhalb
von 1 kOhm vorzusehen.
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Untersuchungen
zeigen jedoch, dass der Messwiderstand einen signifikanten Einfluss
auf die Dynamik bzw. der Reaktionszeit als auch der Betriebsbereitschaft
der Gassonde hat. Mit Dynamik wird hierbei die Schnelligkeit der
Gassonde bzw. des gesamten Gasmesssystems bezeichnet, mit der der Grenzstrom
einer sich im Abgas ändernden
Gaskonzentration folgen kann. Die Betriebsbereitschaft – auch häufig Light-Off-Zeit
genannt – kennzeichnet die
Zeit, die zwischen einem Einschalten der Sonde und einer ersten
relevanten Möglichkeit
zur Bestimmung der Gaskonzentration verstreicht. In überraschender
Weise haben sich hier innere Widerstände der Strommessvorrichtung
von weniger als 200 Ohm bewährt.
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3 zeigt
schematisch den Verlauf des Pumpstroms Ip(λ) über der Zeit, wobei die Kurve
1 einem Verlauf mit einem kleinen Messwiderstand R1 und die Kurve
2 einem Verlauf mit einem großem Messwiderstand
R2 entspricht. Hierbei sei angenommen, dass zu einem Zeitpunkt t_0
der Lambda-Wert des Messgases von einem ersten λ_x auf einen zweiten Wert Lambda λ_y wechselt.
Wie dargestellt, steigt der Pumpstrom Ip(λ) ab dem Zeitpunkt t_0 rasch
an, um sich dann asymptotisch dem neuen Lambdawert λ_y zu nähern. Hierbei
zeigt sich, dass bei einem kleinen Messwiderstand R1 der zum Lambdawert λ_y proportionale
Grenzpumpstrom Ip(λ_y)
rascher erreicht wird als bei einem größeren Widerstand R2.
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Zur
Normierung bzw. Festlegung eines Schwellenwertes für die Dimensionierung
eines Messwiderstands kann beispielsweise die Zeit betrachtet werden,
die der Pumpstrom Ip(λ)
benötigt, um
63% der Strom- bzw. Gaskonzentrationsänderung zu erreichen. Über diese
Zeit lässt
sich die Dynamik bzw. Reaktionszeit des Gassensors definieren. Im
dargestellten Beispiel erreicht der Grenzstrom die 63%-Schwelle
bei einem Innenwiderstand R1 < R2
nach einer Reaktionszeit t_1 und mit einem Widerstand R2 > R1 nach einer Reaktionszeit
t_2 > t_1.
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Für eine effektive
Abgasnachbehandlung und/oder eine gezielte Verbrennungsführung ist
es vorteilhaft, bereits frühzeitig
auf Änderungen
im Abgas zur reagieren. Abhängig
von den Einsatzbedingungen der Grenzstromsonde kann nun ein Schwellenwert
für die
Reaktionszeit festgelegt werden. Beispielsweise kann es für bestimmte
Einsatzbedingungen wünschenswert
sein, die Reaktionszeit t_2 als Schwellenwert festzulegen. Um zu
kürzeren
Reaktionszeiten zu gelangen, wäre
dann ein Messwiderstand auszuwählen,
der kleiner ist, als der zweite Messwiderstand R2.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
wobei gleiche Bezugszeichen die aus 1 bekannten
Merkmale kennzeichnen. Wie bereits in 1 gezeigt,
wird eine Gassonde 100 mit einer Vorrichtung 200 betrieben.
Im Gegensatz zu 1 ist der Strommessvorrichtung 250 bestehend aus
dem Messwiderstand 240 und der Operationsverstärker 210 durch
eine alternative Strommessvorrichtung 300 ersetzt. Die
Strommessvorrichtung 300 ist als ein so genannter Transimpedanzverstärker ausgeführt. Hierbei
ist der nicht-invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 310 mit
der Spannungsquelle 220 und der invertierende Eingang mit der
Außenpumpelektrode 150 verbunden.
Das Signal am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 310 ist über einen
Widerstand 320 an den Ausgang des Operationsverstärkers 310 gegengekoppelt.
Am Ausgang des Operationsverstärkers steht
eine zum Pumpstrom Ip proportionale Spannung Ua zur
Verfügung.
Eine derartige, erfindungsgemäße Ausgestaltung
hat den Vorteil, dass der Pumpstromkreis nicht mit einem zusätzlichen
Messwiderstand belastet wird, da eine solche Schaltung dem Stromfluss
praktisch keinen Widerstand entgegen bringt. Die Reaktionszeit des
gesamten Gas-Konzentrations-Messsystem wird somit gegenüber einem
herkömmlichen
Vorgehen mit einem Messwiderstand deutlich verkürzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist es vorgesehen, den Messwiderstand 240 der Strommessvorrichtung 250 gemäß 1 möglichst
klein zu wählen,
vorzugsweise kleiner 200 Ohm. Der Widerstandswert des Messwiderstands 240 bzw.
ein innerer Widerstand einer Strommessvorrichtung 250, 300 kann
hierbei beispielsweise in Abhängigkeit
einer Reaktionszeit bzw. Dynamik des Sensors festgelegt werden.
Insbesondere kann für bestimmte
Einsatzbedingungen ein Schwellenwert der Reaktionszeit festgelegt
werden, die durch geeignete Wahl des Messwiderstands zu unterschreiten
ist.
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Beispielsweise
kann eine Einsatzbedingung durch ein Aufheizen des Katalysators
oder einer Abgasregelstrategie vorgeben sein. Ferner kann eine Einsatzbedingung
auch über
die gewünschte und/oder
erforderliche Betriebsbereitschaft der Sonde definiert werden.
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Ferner
hat sich auch gezeigt, dass insbesondere Strommessvorrichtungen
mit einem inneren Widerstand von < 150
Ohm charakteristische Zeiten der Sonde besonders vorteilhaft verkürzen.
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Bezüglich der
Betriebsbereitschaft der Sonde ist ein kleiner Messwiderstand ebenfalls
vorteilhaft. Im Einzelnen setzt sich die an die Pumpzelle angelegte
Spannung aus den Spannungsabfällen
am Messwiderstand 240, dem Innenwiderstand der Pumpzelle 120 sowie
der sich ergebenden Nernstspannung der belasteten Pumpzelle 120 zusammen. Der
Spannungsabfall am Innenwiderstand der Sonde entspricht der effektiv
wirkenden Pumpspannung, also der Spannung, die in einen Pumpstrom
umgesetzt wurde. In Abhängigkeit
von der Gaszusammensetzung wird als Folge der Gaszutrittsbegrenzungen die
Nernstspannung der unbelasteten Pumpzelle von der Nernstspannung
der belasteten Zelle abweichen. Die Differenz dieser beiden Spannungen
stellt die eigentliche Pumpspannungsreserve der Sonde dar. Diese
Pumpspannungsreserve fällt
größer aus,
wenn der Spannungsabfall am Messwiderstand 240 durch Verwendung
eines kleinen Messwiderstands klein gehalten wird. Da beim Einschalten
der Sonde der temperaturabhängige
Innenwiderstand der Pumpzelle 120 noch sehr groß sein kann,
ist besonders bezüglich
der Light-off-Zeit
für fetten
oder mageren Warmlauf – also
der Zeit, ab der relevante Messungen möglich sind – eine erhöhte Pumpspannungsreserve durch
die Wahl eines kleinen Messwiderstands 240 vorteilhaft.