DE102006041184A1

DE102006041184A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Führungssonde

Info

Publication number: DE102006041184A1
Application number: DE102006041184A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schaak; Goetz Reinhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-06
Also published as: US20090223819A1; EP2059797A1; WO2008025631A1; CN101506650B; CN101506650A

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer hinter einem Katalysator angeordneten Führungssonde, die wenigstens eine, in einem Festelektrolyten angeordnete Referenzelektrode, eine dem Abgas ausgesetzte Abgaselektrode und eine die Abgaselektrode überdeckende poröse keramische Beschichtung aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Referenzelektrode und Abgaselektrode ein den Sauerstoffionentransport zwischen Referenzelektrode und Abgaselektrode gezielt beeinflussender Widerstand angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer stromabwärts eines Katalysators angeordneten Führungssonde mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Aus der DE 41 00 106 C1 ist eine Abgassonde bekannt geworden, 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.
Zur Überwachung von Abgaszusammensetzungen stromabwärts eines Katalysators werden derartige Sprungsonden als Führungssonden eingesetzt. Diese Führungssonden dienen der Überwachung des Katalysators und werden zusätzlich zum Abgleich der die Gemischbildung regelnden Sonde stromaufwärts des Katalysators, der sogenannten Vorkat-Sonde, eingesetzt. Die Regelung und die Überwachung einer solchen stromabwärts des Katalysators eingesetzten Führungssonde basiert auf einem Regelpunkt, der geringfügig vom stöchiometrischen Punkt (Lambda = 1) in den Fettbereich verschoben ist. Dabei kommen Regelspannungen im Bereich von 600 mV bis 700 mV zum Einsatz.
Nachteilig bei der Einstellung eines derartig hohen Regelpunktes ist es, dass die Sondenspannung selbst bei konstantem Lambda vom Verhältnis der Fettgaskomponenten Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) abhängt. Darüber hinaus hängt die Gaszusammensetzung am Regelpunkt auch noch stark von der Sondentemperatur ab. Diese starke Gas- und Temperaturabhängigkeit hat einen erhöhten Arbeitsaufwand zur optimalen Abstimmung des Regelsystems zur Folge. Der Katalysator kann nach einem fett/mager Wechsel über einen längeren Zeitraum die Gasgleichgewichte unterschiedlich gut einstellen. Unter bestimmten Umständen gibt es Arbeitsbereiche in denen keine Regelung auf einen konstanten Lambdawert im System aufgrund der unterschiedlichen Gaszusammensetzung möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu vermitteln, welche die Erhöhung der Genauigkeit der Fettgasmessung in einem sehr kleinen Bereich mit geringen Fettgaskonzentrationen ermöglicht. Darüber hinaus soll die Temperaturabhängigkeit des Messsignals verringert werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben einer stromabwärts des Katalysators angeordneten Führungssonde hat den Vorteil, dass mittels einer an sich bekannten Sprungsonde Fettgaskomponenten im Abgas nachgewiesen werden können. Durch den zwischen der Referenzelektrode und der Abgaselektrode angeordneten, einen Sauerstoffionentransport zwischen der Referenzelektrode und der Abgaselektrode gezielt beeinflussenden Widerstand wird auf sehr vorteilhafte Weise ein lineares Kennlinienverhalten bei Fettgaskonzentrationen erreicht. Von besonderem Vorteil ist es auch, dass Sprungsonden als Führungssonden einsetzbar sind, die keinen zusätzlichen Schaltungsaufwand erfordern. Das Ausgangssignal beruht auf der an sich bekannten Messung der Sondenspannung einer derartigen Sprungsonde.
Der Widerstand wird so gewählt, dass die über ihm abfallende Sondenspannung niedriger ist als die Nernstspannung der Führungssonde. Vorteilhafte Werte des Widerstands variieren zwischen 5000 und 20000 Ohm.
Bevorzugt werden der Widerstand und die poröse Beschichtung so aufeinander abgestimmt, dass durch den durch den Widerstand hervorgerufenen Sauerstoffionentransport die sich in der porösen Beschichtung sammelnden Fettgasmoleküle vollständig oxidiert werden.
Die Porosität und Dicke der porösen Beschichtung wird vorteilhaft so eingestellt, dass bei einem Wasserstoffgehalt von 100 ppm ein Oxidationsstrom im Bereich von 20 bis 60 μA fließt. Die Werte für die Widerstände und den Oxidationsstrom gelten für die verwendete Elektrodengröße. Bei Veränderung der geometrischen Fläche der Abgaselektrode müssen die Werte entsprechend angepasst werden.
Durch Wahl geeigneter katalytisch wenig aktiver Elektroden kann die Empfindlichkeit gegenüber CO vermindert werden. Das Ausgangssignal der Führungssonde ist dann proportional dem Wasserstoffpartialdruck.
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;
2a und 2b schematisch von der Erfindung Gebrauch machende Schaltungsanordnungen zum Betreiben einer Führungssonde;
3 die Sondenspannung als Funktion des Lambdawertes bei typischen Hinterkatgaszusammensetzungen

a) ohne Beschaltung
b) mit einer in 2a dargestellten Beschaltung;

4 die Sondenspannung über der Konzentration von Wasserstoff bei zwei unterschiedlichen zwischen Referenzelektrode und Abgaselektrode gemäß 2a geschalteten Widerständen.
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 Abgaselektrode 120 und der Referenzelektrode 110 bilden eine eigenständige Spannungsquelle.
In 1 sind schematisch der Strom der Sauerstoffionen (O^2–-Ionen) von der Referenzelektrode 110 zur Abgaselektrode 120 sowie, am Beispiel von Kohlenmonoxid, der Strom von Kohlenmonoxid CO durch die poröse Beschichtung 130 zur Abgaselektrode 120 dargestellt. In der Abgaselektrode 120 findet dabei die folgende Reaktion statt: CO + O^2– → CO₂ + 2e^–.
In der Abgaselektrode 120 findet darüber hinaus eine weitere Reaktion des Fettgases Wasserstoff H₂ statt: H₂ + O^2– → H₂O + 2e^–.
Eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer in 1 dargestellten Sonde ist in 2 schematisch dargestellt. Demgemäß ist die Abgaselektrode 120 mit einer Klemme 220 und die Referenzelektrode 110 mit einer Klemme 210 verbunden, um die Sondenspannung U_s zu messen. Zwischen der Klemme 210 und der Klemme 220 liegt ein Widerstand Rx an (vergl. 2a). Alternativ kann auch ein zusätzlicher Parallelwiderstand R_p zwischen der Klemme 210 und der Referenzelektrode 110 vorgesehen sein, wie es schematisch in 2b dargestellt ist. Dieser Widerstand beträgt beispielsweise 56 kΩ. Durch den Widerstand Rx, der parallel zur Referenzelektrode 110 sowie zur Abgaselektrode 120 geschaltet ist, fließt ein signifikanter Strom von O^2–-Ionen von der Referenzelektrode 110 zur Abgaselektrode 120. Dieser durch den Festelektrolyten 100, der die Sonde bildet, fließende Strom wird an der Abgaselektrode 120 durch die oben aufgeführten Reaktionen mit den Fettgasen H₂ und CO gewissermaßen aufgefangen.
Bei entsprechender Einstellung des Diffusionswiderstands der Schutzschicht 130 und bei einem optimierten Wert des parallel geschalteten Widerstands Rx können Betriebsbedingungen eingestellt werden, bei denen im Grunde jedes in der Schutzschicht 130 ankommende Fettgasmolekül oxidiert wird. Der durch die Anordnung fließende Strom ist dann proportional zur Konzentration zur Komponente im Abgas. Damit ist auch die Sondenspannung U_s proportional zur Konzentration im Abgas.
In 3 ist die Sondenspannung U_s über den Lambdawert bei einer derartigen Sonde dargestellt. 3a zeigt dabei eine nicht beschaltete Sonde mit dem typischen Lambdasprung bei Lambda gleich 1 und bei 3 verschiedenen Sondentemperaturen. Bei einem üblichen Regelpunkt von 600 mV variiert der eingestellte Lambdawert dabei um 0,35‰ in Lambda. Für die Regelung ist es generell günstig, wenn die Signaländerung über Lambda am Regelpunkt sehr hoch ist. Bei der nicht beschalteten Sonde beträgt die Steigung dU/dλ am Regelpunkt –110 V bei 730°C.
In 3b ist die gleiche Sonde mit einem Widerstand Rx von 15 kΩ und der Beschaltung aus 2a für die gleichen Temperaturen dargestellt. Bin linearer Verlauf zwischen Sondenspannung und Lambda wird im Bereich von Sondenspannungen zwischen 0,2 V und 0,45 V unabhängig von der Sondentemperatur gefunden. In diesem Bereich ist die Kennlinie nahezu unabhängig von der Sondentemperatur. Bei einem Regelpunkt von 350 mV resultiert eine Variation in Lambda von 0,03‰. Das ist um mehr als eine Größenordnung geringer als bei der nicht beschalteten Sonde. Die Steigung am Regelpunkt dU/dλ ist mit einem Wert von –670 V um einen Faktor von ca. 6 größer als bei der nicht beschalteten Sonde. Dies erleichtert signifikant die Regelung auf den Regelpunkt.
Vorteilhafte Werte für den Regelpunkt liegen zwischen λ = 0,999 und λ = 0,9998.
In 4 ist die Sondenspannung als Funktion des Wasserstoffgehaltes für Widerstände Rx von 8 kΩ und 16 kΩ dargestellt. Durch den Wert des Widerstandes wird bei einer eingestellten Porosität der Beschichtung der lineare Bereich eingestellt. Bei 16 kΩ verläuft die Kennlinie zwischen 40 ppm und 120 ppm H₂ linear, bei 8 kΩ zwischen 80 ppm und 220 ppm.
Es ist darauf hinzuweisen, dass das Pumpvermögen des Referenzluftkanals (nicht dargestellt) hierbei zu berücksichtigen ist. Kann über die Referenzluft nicht genügend Sauerstoffnachgeliefert werden, wird vorstehendes Reaktionsverhalten insoweit begrenzt.
Um eine Diffusionskontrolle, also einen gezielten Diffusionsstrom zu erzielen, wird der Widerstand Rx generell so gewählt, dass die resultierende Sondenspannung U_s signifikant niedriger als die zugehörige Nernstspannung der Sonde im stromlosen Zustand ist. Diese Bedingung begrenzt die obere Spannung auf 0,45 V bis 0,5 V. Bei Sondenspannung niedriger als 0,2 V wird als weitere Elektrodenreaktion noch Sauerstoff freigesetzt. O^2– → ½O₂ + 2e^–.
Durch die Parallelreaktion wird der Strom bzw. die Sondenspannung U_s erhöht.
Bei der Anwendung als Führungssonde stromabwärts des Katalysators treten als Fettgaskomponenten fast ausschließlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf. Wegen der schnelleren Diffusion von Wasserstoff wird dieser mit wesentlich größerer Empfindlichkeit nachgewiesen. An sich bekannte Elektroden sind zum Teil katalytisch wesentlich inaktiver in Bezug auf die Elektrodenreaktion mit Kohlenmonoxid. Mit geeignet gewählten katalytisch inaktiven Elektrodenmaterialien ist es dadurch möglich, eine Erhöhung der Selektivität bezüglich H₂ zu erzeugen.
Um zu vermeiden, dass der Nachtransport von Sauerstoff über den Referenzluftkanal die vorbeschriebenen Messungen, wie oben beschrieben, limitiert, werden bei dieser als Führungssonde eingesetzten Sprungsonde Schutzschichten 130 eingesetzt, die dichter sind als Schutzschichten bei an sich bekannten Sprungsonden. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein größerer Referenzluftkanal vorgesehen sein. Hierdurch lässt sich der vorbeschriebene lineare Bereich erweitern und optimieren.

Claims

Schaltungsanordnung zum Betreiben einer hinter einem Katalysator angeordneten Führungssonde, die wenigstens eine, in einem Festelektrolyten angeordnete Referenzelektrode (110), eine dem Abgas ausgesetzte Abgaselektrode (120) und eine die Abgaselektrode (120) überdeckende poröse keramische Beschichtung (130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Referenzelektrode (110) und Abgaselektrode (120) ein den Sauerstoffionentransport zwischen Referenzelektrode (110) und Abgaselektrode (120) gezielt beeinflussender Widerstand angeordnet ist, derart, dass die Sondenspannung nahe Lambda = 1 nicht durch die Nernstspannung bestimmt ist, sondern in einem kleinen Lambdabereich (λ < 1) linear von der Fettgaskonzentration abhängt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand und die poröse Beschichtung (130) so aufeinander abgestimmt sind, dass durch den durch den Widerstand hervorgerufenen Sauerstoffionentransport die sich in der porösen Beschichtung sammelnden Fettgasmoleküle in einem definiert eingestellten Lambdabereich (λ < 1) vollständig oxidiert werden.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand einen Wert zwischen 5 kΩ und 20 kΩ Ohm aufweist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und Dicke der porösen Beschichtung (130) so eingestellt werden, dass bei einem Wasserstoffgehalt von 100 ppm H₂ ein Oxidationsstrom zwischen 20 μA und 60 μA fließt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität und die Dicke der porösen Beschichtung (130) sowie der Widerstand so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Sondenspannung von 0,35 V in einem Lambdabereich zwischen 0,999 und 0,9998 auftritt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand zwischen 5 kΩ und 20 kΩ variiert, insbesondere 8 kΩ oder 16 kΩ beträgt.