-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige
Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Insbesondere
werden Sensorelemente dieser Art in sog. „Lambdasonden"
eingesetzt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung
von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der
Dieseltechnologie.
-
Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei
allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen
einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für
die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen)
Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer
Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt
eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette"
Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss)
eine Luftzahl λ < 1
auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische
mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Ausführungsformen
der Sensorelemente bekannt und werden beispielsweise in Robert
Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", Juni 2001, S.
112–117 oder in T. Baunach et al.: „Sauberes
Abgas durch Keramiksensoren", Physik Journal 5 (2006) Nr. 5, S.
33–38, beschrieben.
-
Eine
Ausführungsform stellt die so genannte „Sprungsonde"
dar, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz
zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode
und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode
beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den
Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden
Eigenschaften in der Regel Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes
Zirkondioxid) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt
eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch
und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher
genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung zu messen
und/oder zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden,
welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind
beispielsweise in
DE
10 2004 035 826 A1 ,
DE 199 38 416 A1 und
DE 10 2005 027 225 A1 beschrieben.
-
Alternativ
oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen"
zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung"
an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden
angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle
gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen
bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden
Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über
eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzt. Alternativ kann diese Elektrode auch einer
Luftreferenz ausgesetzt sein. Die zweite der beiden Elektroden ist
jedoch in der Regel derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht
unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst
eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um
in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen.
Als Diffusionsbarriere wird zumeist eine poröse keramische
Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt
mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum
ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle
an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen
reduziert, werden durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven
Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben.
Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb
betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung
derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere
eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt
wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise
proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so
dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren
bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich Pumpzellen über
einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda
einsetzen, weshalb Pumpzellen insbesondere in so genannten Breitbandsensoren
zum Einsatz kommen, um auch bei Gasgemischszusammensetzungen abseits
von λ = 1 zu messen und/oder zu regeln.
-
Die
oben beschriebenen Sensorprinzipien von Sprungzellen und Pumpzellen
lassen sich vorteilhaft auch kombiniert einsetzen, in so genannten „Mehrzellern".
So können die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem
Sprungsensor-Prinzip arbeitende Zellen und ein oder mehrere Pumpzellen
enthalten. Ein Beispiel eines „Doppelzellers" ist in
EP 0 678 740 B1 beschrieben.
Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck
in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden
Hohlraum einer Pumpzelle gemessen und die Pumpspannung durch eine
Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ =
1 herrscht. Verschiedene Abwandlungen dieses mehrzelligen Aufbaus
sind bekannt.
-
Die
aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zeigen jedoch
in vielen Fällen lediglich im mageren Abgas eine eindeutige
Kennlinie. Im leicht mageren Bereich, also wenn λ sich
dem Wert 1 nähert, ist jedoch in vielen Fällen
eine Abweichung der Pumpstrom-Kennlinie vom theoretischen Verlauf zu
beobachten. Statt eines Absinkens des Pumpstroms mit kleiner werdenden
Lambda-Werten hin zum Wert λ = 1 ist sogar in vielen Fällen
ein Anstieg des Pumpstroms zu beobachten. Diese Abweichung bewirkt,
dass die Pumpstrom-Kennlinie keinen eindeutigen Verlauf mehr aufweist,
aus welchem auf die Luftzahl zurück geschlossen werden
kann. Dies macht sich beispielsweise bei Lambdasonden für den
Einsatz in Dieselfahrzeugen, bei welchen üblicherweise
im leicht mageren Bereich gearbeitet wird, negativ bemerkbar.
-
Eine
weitere Problematik bekannter Sensorelemente besteht darin, dass
verschiedene Betriebszustände existieren, welche unterschiedliche
Regelpunkte, also insbesondere die Einstellung bestimmter Luftzahlen,
verlangen, die in unterschiedlichen Bereichen liegen. So lassen
sich beispielsweise insbesondere für den Betrieb von Dieselfahrzeugen kostengünstige
Grenzstrom-Magersonden in Form von einzelligen Pumpzellen einsetzen,
da Dieselfahrzeuge üblicherweise auf eine Luftzahl im mageren Bereich
geregelt werden. Gleichwohl existieren insbesondere bei Dieselfahrzeugen
mit Katalysatoren, Betriebszustände, in denen auf eine
andere Luftzahl, insbesondere auf eine Luftzahl im leicht fetten
Bereich (z. B. λ = 0,9) geregelt wird. Insbesondere sind dies
Betriebszustände, in denen der Katalysator (beispielsweise
ein NOx-Speicherkatalysator, NSC) und/oder ein Filter, beispielsweise
ein Partikelfilter, regeneriert wird. Da übliche Grenzstrom-Magersonden
in diesem Bereich jedoch im Idealfall in diesem Bereich kein Stromsignal
liefern, ist ein derartiger Wechsel des Betriebszustandes mit herkömmlichen Sensorelementen
nicht oder nur schwer möglich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es
wird dementsprechend ein Verfahren zur Messung einer Gaskomponente
in einem Gasgemisch vorgeschlagen, welches die Nachteile der aus dem
Stand der Technik bekannten Sensorelemente vermeidet. Insbesondere
kann das Sensorelement in einer Lambdasonde oder als Lambdasonde
eingesetzt werden, vorzugsweise als Grenzstrom-Magersonde, vorzugsweise
im Bereich der Dieseltechnologie. Alternativ oder zusätzlich
kann das Verfahren jedoch auch im fetten Luftzahlbereich eingesetzt
werden oder auch für andere Arten der Regelung. Das von
dem Verfahren verwendete Sensorelement weist mindestens einer erste
Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen
die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite
Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf.
-
Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die
oben beschriebene Nicht-Eindeutigkeit der Pumpstrom-Kennlinie bei
einfachen Pumpstrom-Sensorelementen (z. B. Grenzstrom-Magersonden)
im Bereich leicht magerer Abgase und auch im Bereich fetter Gasgemische
auf die an der Anode ablaufenden Reaktionen zurückzuführen
ist. In diesem Fall sind beide Elektroden dem Abgas ausgesetzt.
Die Reaktionen bewirken ein Stromsignal wie im Magerbetrieb, was
eine Kennlinie zur Folge hat, die lediglich bei Messungen im mageren Abgas
eindeutig ist. Bereits geringe Mengen an Brenngas (speziell H2) beeinflussen das Messsignal, so dass die
Eindeutigkeit von Kennlinien der Grenzstrom-Magersonden auch im
Nichtgleichgewichtsabgas, wie es beispielsweise in der Dieseltechnologie eingesetzt
wird, schon nahe bei λ = 1,0 nicht mehr gegeben ist. Dementsprechend
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die im Fettgas
ablaufenden Reaktionen an der Pumpanode, wie beispielsweise die Reaktionen CO + O2– → CO2 + 2e– H2 + O2– → H2O + 2e–, dadurch zu
unterbinden, dass die mindestens eine zweite Elektrode (welche insbesondere
zumindest zeitweise in der Regel als Pumpanode geschaltet wird)
von dem Gasraum abgeschirmt wird, so dass sich in der Umgebung dieser
mindestens einen zweiten Elektrode keine oder nur wenig reduzierende Gaskomponenten,
wie beispielsweise H2 oder CO, befinden.
-
Diese
Abschirmung soll erfindungsgemäß dadurch erfolgen,
dass, während die mindestens eine erste Elektrode mit dem
Gasgemisch aus dem mindestens einen Gasraum beaufschlagbar ist,
die mindestens eine zweite Elektrode mit mindestens einem vom Gasraum
getrennten Referenzgasraum verbunden ist. Beispielsweise kann es
sich dabei um einen Motorraum der Verbrennungskraftmaschine handeln
oder auch einen separaten Referenzgasraum mit einer zumindest näherungsweise
bekannten und konstanten Gasgemischzusammensetzung.
-
Die
Brenngaskonzentrationen im Nichtgleichgewichtsabgas (z. B. Diesel-Nichtgleichgewichtsabgas
nahe bei λ = 1) und die überschüssigen Brenngase
im fetten Abgas können dann das Signal des Sensorelements
nicht mehr beeinflussen, da kein Brenngasumsatz an der Pumpanode
erfolgen kann. Der mindestens eine Referenzgasraum soll demzufolge
derart realisiert werden, dass dieser einen Abtransport des an der
mindestens einen zweiten Elektrode entstehenden Gases, insbesondere des
Sauerstoffs, gewährleistet. Ergebnis dieser Sensorelement-Anordnung
ist eine eindeutige Kennlinie im Bereich Luft > λ ≥ 1, so dass sich
dieses einfache Sensorelement beispielsweise als Einzeller kostengünstig
für den Einsatz in Dieselfahrzeugen zur Messung im Bereich
Luft > λ ≥ 1
einsetzen lässt.
-
Untersuchungen
haben gezeigt, dass bei dem Aufbau des Sensorelements mit der abgeschirmten
mindestens einen zweiten Elektrode tatsächlich eine eindeutige
Pumpstrom-Kennlinie erreichen lässt, da im mageren Abgas
ein Pumpstrom entsprechend des Sauerstoff-Partialdruckes gemessen
wird. Im fetten Abgas hingegen wird kein Pumpstrom gemessen, da
kein freier Sauerstoff vorliegt und da im Betrieb die Pumpspannung
(typischerweise zwischen 100 mV und 1,0 V, vorzugsweise zwischen
300 mV und 800 mV und besonders bevorzugt zwischen 600 mV und 700
mV) unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser liegt. Somit können
keine Brenngasoxidationen an der mindestens einen zweiten Elektrode,
welche nunmehr abgeschirmt und „brenngasblind" ist, ablaufen.
-
Das
Sensorelement ist somit als Grenzstrom-Magersonde aufgrund der eindeutigen
Kennlinie im mageren Bereich einsetzbar. Hierfür kann beispielsweise
eine elektronische Steuervorrichtung vorgesehen sein, welche zunächst
(optional) mindestens einen Betriebszustand umfassen kann, der als Magerregelungszustand
ausgestaltet ist. Dieser Magerregelungszustand kann eingesetzt werden
im mageren Bereich des Gasgemischs, d. h. in einem Bereich, in dem
ein stöchiometrischer Überschuss der nachzuweisenden
Gaskomponente (beispielsweise Sauerstoff) vorliegt. In diesem Magerregelungszustand
ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die mindestens zwei Elektroden
mit einer (beispielsweise konstanten) Pumpspannung zu beaufschlagen, welche
vorzugsweise so gewählt wird, dass diese einen Grenzstrombetrieb
(also einen Betrieb im Sättigungsbereich des Pumpstroms)
gewährleistet. Dabei wird mindestens ein Pumpstromsignal
zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens
einen zweiten Elektrode gemessen. Aufgrund der nunmehr gegebenen
Eindeutigkeit der Pumpstrom-Kennlinie lasst sich diesem Stromsignal beispielsweise
ein Lambda-Wert zuordnen.
-
Die
oben beschriebenen Maßnahmen allein ermöglichen
jedoch noch nicht die beispielsweise in Dieselapplikationen gewünschte
Regelung von bestimmten Betriebszuständen im Bereich λ < 1,0. Für die
Regenerierung von bestimmten Filtern (beispielsweise Diesel-Partikelfiltern)
und/oder Katalysatoren im Dieselabgasstrang ist jedoch eine Regelung
von Betriebszuständen auch im Bereich zwischen λ =
0,9 und λ = 0,95, also im fetten Bereich, zu gewährleisten.
Der Begriff des „Katalysators" ist dabei weit zu fassen
und umfasst im allgemeinen Abgas-Nachbehandlungssysteme, wie beispielsweise
NSC-Systeme (NSC: NOx storage catalyst, NOx-Speicherkatalysatoren).
-
Zusätzliche
zu dem oben beschriebenen Vorteil einer eindeutigen Kennlinie im
mageren Bereich, verbunden mit einem entsprechenden Magerregelungszustand,
bietet das vorgeschlagene Verfahren somit noch den Vorteil mindestens
eines zweiten Betriebszustandes, nämlich mindestens eines Fettregelungszustandes.
Beispielsweise kann der oben beschriebene Magerregelungszustand
im Normalbetrieb verwendet werden, wohingegen der mindestens eine
Fettregelungszustand in einem Regenerationsbetrieb des mindestens
einen Katalysators und/oder Filters eingesetzt wird. Alternativ
kann das Verfahren jedoch auch lediglich mit dem mindestens einen
Fettregelungszustand eingesetzt werden. In dem mindestens einen
Fettregelungszustand wird das Sensorelement in einem fetten Bereich
des Gasgemischs betrieben, also in einem Bereich, in welchem ein
stöchiometrischer Unterschuss der nachzuweisenden Gaskomponente
vorliegt. Dabei wird ein Regelungspunkt des Gasgemisches eingestellt
(beispielsweise einen oder mehrere vorgegebene Lambda-Werte, z.
B. in dem oben beschriebenen Bereich zwischen 0,9 und 0,95). Die
nachzuweisende Gaskomponente liegt bei dem Regelungspunkt in einer vorgegebenen
Konzentration vor, welcher eine Regel-Nernst-Spannung zwischen der
mindestens einen ersten Elektrode, welche dem Gasgemisch ausgesetzt
ist, und der mindestens einen zweiten Elektrode, welche der Referenzatmosphäre
in dem Referenzgasraum ausgesetzt ist, entspricht. Die Steuervorrichtung
ist eingerichtet, um die mindestens eine erste Elektrode und die
mindestens eine zweite Elektrode mit einer Regel-Pumpspannung zu
beaufschlagen, welche der Regel-Nernst-Spannung entgegen gerichtet
ist, so dass sich am Regelungspunkt die beiden Spannungen gerade
kompensieren. Dabei wird ein Stromsignal zwischen der mindestens
einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode
gemessen. Ist dieses mindestens eine Stromsignal von Null verschieden,
so indiziert dies eine Abweichung von dem mindestens einen Regelungspunkt,
was wiederum beispielsweise zur Erzeugung einer Regelsignals zur
Veränderung der Gasgemischzusammensetzung in dem Gasraum
genutzt werden kann, beispielsweise in Form einer Einwirkung auf
eine Luftmassenzuführung zu einem Verbrennungsprozess.
-
Auf
diese Weise lassen sich kostengünstige, einfach aufgebaute
Sensorelemente herstellen, welche beispielsweise sowohl als Grenzstrom-Magersonde
einsetzbar sind als auch für den beschriebenen Regenerationsbetrieb.
Neben den beschriebenen konstruktiven Besonderheiten der Abschirmung der
mindestens einen zweiten Elektrode erfordert dies lediglich einen
geringen apparativen Aufwand, da im wesentlichen eine entsprechende
Steuervorrichtung (beispielsweise mit einem oder mehreren Mikrocomputern,
Hardware-Bausteinen und Software-Komponenten) vorgesehen werden
muss, um die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Sensorelements zu erzielen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Pumpstrom-Kennlinie;
-
2 einen
Schichtaufbau eines als Einzeller ausgestalteten Sensorelements
mit innen liegender Pumpkathode und innen liegender Pumpanode und übereinander
liegenden Zuleitungen;
-
3 ein
Sensorelement gemäß 3, jedoch
mit nebeneinander liegenden Zuleitungen;
-
4 ein
Sensorelement mit außen liegender Pumpkathode und innen
liegender Pumpanode;
-
5 eine
schematische Darstellung eines Systems mit einem Sensorelement und
einer Steuervorrichtung; und
-
6 ein
Beispiel einer Pumpstrom-Regelung mit einem Regelungspunkt im fetten
Bereich.
-
Ausführungsformen
der Erfindung
-
In
der 1 ist schematisch ein Verlauf eines Pumpstroms
IP als Funktion der Luftzahl λ eines Gasgemisches
dargestellt. Dabei handelt es sich um den erwarteten Verlauf der
Kennlinie für ein erfindungsgemäßes Design
eines Sensorelements mit einer zweiten Elektrode, welche vollständig
gegenüber dem Gasgemisch (Brenngas) abgeschirmt ist. Hier wie
im Folgenden sei als Beispiel angenommen, dass diese mindestens
eine zweite Elektrode als Pumpanode betrieben wird. Es sind jedoch
auch andere Arten der Beschaltung denkbar, beispielsweise Beschaltungen
mit wechselnder Polarität. Die senkrechte gestrichelte
Linie 110 bezeichnet dabei in 1 den Wert λ =
1, welcher den fetten Bereich 112 vom mageren Bereich 114 trennt.
Dabei ist zu erkennen, dass die zu erwartende Kennlinie im Bereich λ > 1 linear ansteigt
und im fetten Bereich, also für λ < 1, den Wert 0 annimmt.
-
Wäre
die zweite Pumpelektrode (Pumpanode) nicht, wie die Erfindung vorschlägt,
gegenüber dem Brenngas abgeschirmt, so wäre insbesondere im
fetten Bereich 112 ein nicht verschwindender Pumpstrom
zu beobachten, welcher auf die oben beschriebenen Fettgasreaktionen
an der Pumpanode zurückzuführen ist. Bereits im
leicht mageren Bereich, also im Bereich 114 nahe bei λ =
1, wäre eine Abweichung vom linearen Verlauf der Kennlinie
zu beobachten.
-
In 2 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 210 in
perspektivischer Darstellung des Schichtaufbaus dargestellt, welches
für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt
werden kann. Bei diesem Sensorelement 210 handelt es sich um
einen Einzeller, welcher vergleichsweise einfach und kostengünstig
zu realisieren ist. Das beschriebene Sensorelement 210 kann
beispielsweise als Grenzstrom-Magersonde eingesetzt werden, um Gasgemisch
in einem Gasraum 212 zu analysieren.
-
Das
Sensorelement 210 weist auf der dem Gasraum 212 zugewandten
Seite einen ersten Festelektrolyten 214, beispielsweise
einen Yttrium-stabilisierten Zirkondioxid-Elektrolyten, auf. In
einer Schichtebene auf der dem Gasraum 212 abgewandten
Seite des Festelektrolyten 214 ist der Festelektrolyt 214 durch
eine Pumpanode 216 (beispielsweise eine Platin-Elektrode
und/oder eine Oxidelektrode) und eine Pumpkathode 218 kontaktiert,
wobei Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 nebeneinander angeordnet
sind. Die Pumpkathode 218 fungiert dabei als die oben beschriebene
erste Elektrode, und die Pumpanode 216 stellt die zweite
Elektrode dar.
-
Unterhalb
von Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 ist ein
zweiter Festelektrolyt 220 angeordnet, so dass Pumpanode 216 und
Pumpkathode 218 zwischen den beiden Festelektrolyten 214, 220 eingebettet
sind. Während die Pumpanode 216 dabei lediglich
als einzelne Elektrode ausgebildet ist, weist die Pumpkathode 218 eine
erste Teilkathode 222 und eine zweite Teilkathode 224 auf,
wobei die erste Teilkathode 222 den oben liegenden Festelektrolyten 214 kontaktiert,
und die zweite Teilkathode 224 den unten liegenden, zweiten
Festelektrolyten 220. Die beiden Teilkathoden 222, 224 sind
jedoch elektrisch leitend verbunden, so dass diese als einzelne
Pumpkathode 218 wirken, jedoch mit vergrößerter
Oberfläche. Hierdurch lässt sich der Innenwiderstand
des Sensorelements 210 reduzieren.
-
Zwischen
den beiden Teilkathoden 222, 224 ist ein Kathodenhohlraum 226 vorgesehen. Über
ein Gaszutrittsloch 228 im oben liegenden Festelektrolyten 214 kann
Gasgemisch aus dem Gasraum 212 in den Kathodenhohlraum 226 eindringen.
Dabei ist zwischen Gaszutrittsloch 228 und Kathodenhohlraum 226 eine
Diffusionsbarriere 230 vorgesehen, welche ein poröses,
dichtes keramisches Material aufweist und welche den Grenzstrom
der Pumpkathode 218 begrenzt. Die Pumpkathode 218 wird durch
eine Kathodenzuleitung 232, welche auf dem unteren Festelektrolyten 220 angeordnet
ist, elektrisch kontaktiert. Über einen Kathodenanschluss 234 auf
der Oberseite des Festelektrolyten 214 und eine elektrische
Durchkontaktierung 236 kann die Pumpkathode 218 mit
einer entsprechenden elektronischen Schaltung (siehe 5)
verbunden werden und beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden.
-
Unterhalb
der Pumpanode 216 ist ein Anodenhohlraum 238 vorgesehen,
welcher über einen Abluftkanal 240 mit einem vom
Gasraum 212 getrennten Referenzgasraum 242 verbunden
ist. Anodenhohlraum 238 und/oder Abluftkanal 240 sind
dabei mit einem Sauerstoff-durchlässigen porösen
Füllelement 244 auf Al2O3-Basis gefüllt oder auch mit einem
anderen porösen Material ausgefüllt oder ungefüllt
ausgeführt. Der Abluftkanal 240 weist vorzugsweise
mindestens eine der folgenden Eigenschaften auf:
- – der
mindestens eine Abluftkanal 240 weist eine rechteckige
Querschnittsfläche auf;
- – der mindestens eine Abluftkanal 240 weist
eine Länge im Bereich von 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise
im Bereich von 10 mm bis 30 mm, auf;
- – der mindestens eine Abluftkanal 240 weist
eine Querschnittsfläche im Bereich von 0,001 mm2 bis 1 mm2, vorzugsweise
von 0,01 bis 0,1 mm2, auf;
- – der mindestens eine Abluftkanal 240 weist
eine Querschnittsfläche auf, wobei das Verhältnis
der Querschnittsfläche zur Fläche der mindestens
einen Pumpanode 216 im Bereich zwischen 2 und 0,01, vorzugsweise
im Bereich zwischen 0,3 und 0,05, liegt.
-
Auf
diese Weise wird einerseits ein optimaler Abtransport von Sauerstoff
von der Pumpanode 216 gewährleistet, und andererseits
ein Eindiffundieren von Verunreinigungen zur Pumpanode 216 durch den
Abluftkanal 240 weitgehend verhindert.
-
Die
Pumpanode 216 ist über eine Anodenzuleitung 246 elektrisch
kontaktiert und über eine weitere elektrische Durchkontaktierung 248 im
Festelektrolyten 214 mit einem auf der Oberseite des Festelektrolyten 214 angeordneten
Anodenanschluss 250 verbunden. Über diesen Anodenanschluss 250 kann die
Pumpanode 216 beispielsweise mit der oben beschriebenen
elektronischen Vorrichtung verbunden werden, so dass beispielsweise
zwischen Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 eine
Spannung angelegt werden kann und/oder ein Pumpstrom gemessen werden
kann. Anodenzuleitung 246 und Kathodenzu leitung 232 sind
dabei in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 übereinander
liegend angeordnet. Eine elektrische Isolierung von Pumpanode 216 bzw.
Anodenzuleitung 246 gegenüber der Kathodenzuleitung 232 erfolgt
dabei durch das poröse Füllelement 244,
welches elektrisch nichtleitende Eigenschaften aufweist.
-
Unterhalb
des zweiten Festelektrolyten 220 ist ein Heizelement 252 angeordnet,
welches ein zwischen zwei Isolatorfolien 254 eingebettetes
Heizwiderstandselement 256 umfasst. Das Heizwiderstandselement 256 kann über
Durchkontaktierungen 258 in einem Trägersubstrat 260 (beispielsweise
wieder ein Festelektrolyt) über Heizanschlüsse 262 auf
der dem Gasraum 212 abgewandten Seite des Trägersubstrats 260 elektrisch
kontaktiert und mit einem Heizstrom beaufschlagt werden. Beispielsweise kann
dieser Heizstrom mit einer Regelung geregelt werden, welche beispielsweise
einen konstanten Innenwiderstand des Sensorelements 210 einstellt.
-
Mittels
des in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels
eines Sensorelements 210 kann die in 1 dargestellte
Pumpstrom-Kennlinie im Wesentlichen realisiert werden. Beim Einsatz
als Lambdasonde wird dabei im mageren Bereich 114 ein Pumpstrom
entsprechend des Sauerstoffpartialdrucks gemessen (linear ansteigende
Kennlinie), im fetten Bereich 112 kein Strom, da kein freier
Sauerstoff vorliegt und die gewählte Pumpspannung vorteilhafterweise
unterhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Somit kann
keine Brenngasoxidation an der innen liegenden, abgeschirmten Brenngas-blinden
Pumpanode 216 auftreten. Dadurch lässt sich ein
kostengünstiges, als Einzeller aufgebautes Sensorelement 210 realisieren,
welches auch für den Einsatz in Dieselfahrzeugen geeignet
ist.
-
In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 210 in
perspektivischer Schichtdarstellung gezeigt, welches für
das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden kann, wobei ebenfalls
wieder elektronische Schaltungskomponenten nicht dargestellt sind.
Der Aufbau entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2, so dass bezüglich
der einzelnen Elemente auf dieses Ausführungsbeispiel verwiesen
werden kann. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 weist
jedoch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 nicht
nur die Pumpkathode 218 zwei Teilkathoden 222, 224 auf,
sondern auch die Pumpanode 216 ist zweiteilig ausgebildet,
mit einer oben liegenden ersten Teilanode 310, welche den
oberen Festelektrolyten 214 kontaktiert, und einer unten
liegenden zweiten Teilanode 312, welche den unten liegenden
Festelektrolyten 220 kontaktiert. Die Teilanoden 310, 312 sind
wiederum, analog zu den Teilkathoden 222, 224, elektrisch
leitend miteinander verbunden. Der Vorteil dieser Anordnung besteht,
wie oben ausgeführt, in einer Verringerung des Innenwiderstands
des Sensorelements 210, da nunmehr wirksam Pumpströme durch
den oberen Festelektrolyten 214 und den unteren Festelektrolyten 220 geleitet
werden können.
-
Die
beiden Teilanoden 310, 312 sind durch den Anodenhohlraum 238 voneinander
getrennt, welcher wiederum, analog zu 3, mit dem
porösen Füllelement 244 ausgefüllt
ist. Analog zu 2 ist der Anodenhohlraum 238 auch
im Ausführungsbeispiel gemäß 3 über
den Abluftkanal 240, welcher ebenfalls mit dem porösen
Füllelement 244 ausgefüllt ist, mit dem
Referenzgasraum 242 verbunden.
-
Ebenfalls
im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist
im Ausführungsbeispiel des Sensorelements 210 gemäß 3 keine übereinander
liegende Anordnung der Elektrodenzuleitungen 232, 246 vorgesehen,
mittels derer die Pumpkathode 218 und die Pumpanode 216 kontaktiert
werden. Anodenzuleitung 246 und Kathodenzuleitung 232 sind vielmehr
nebeneinander liegend auf dem unteren Festelektrolyten 220 angeordnet,
wobei der Abluftkanal 240 mittig zwischen den beiden Elektrodenzuleitungen 232, 246 und
parallel zu diesen verläuft. Die Kontaktierung der Elektrodenzuleitungen 232, 246 erfolgt,
analog zum Ausführungsbeispiel in 2, über
die Elektrodenanschlüsse 234, 250. Für
die weiteren Bauelemente und die Funktionsweise sei auf die obige
Beschreibung verwiesen. Das Sensorelement 210 gemäß 3 weist
somit wieder eine „Brenngas-blinde" Pumpanode 216 auf,
so dass sich wiederum die in 1 dargestellte
Kennlinie erzielen lässt.
-
In 4 ist
ein zu den 2 und 3 alternatives
Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 210 dargestellt,
bei welchem, im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen
in den 2 und 3, lediglich die Anode 216 im
Sensorelement-Inneren angeordnet ist, wohingegen die Pumpkathode 218 auf der äußeren,
dem Gasraum 212 zugewandten Oberfläche des Festelektrolyten 214 angeordnet
ist.
-
Die
Pumpanode 216 ist in diesem Fall einteilig ausgebildet
und unmittelbar über der oberen Isolatorfolie 254 des
Heizelements 252 angeordnet. Über die Anodenzuleitung 246,
welche ebenfalls auf der oberen Isolatorfolie 254 angeordnet
ist, die Anoden-Durchkontaktierung 248 im oberen Festelektrolyten 214 und
den Anodenanschluss 250 kann die Pumpanode 216 mit
einem Potential beaufschlagt werden bzw. mit einer entsprechenden
elektronischen Schaltung verbunden werden (siehe untern 5).
Wiederum steht die Anode 216 über den Abluftkanal 240,
welcher wiederum mit dem porösen Element 244 ausgefüllt
ist, mit dem Referenzgasraum 242 in Verbindung. Abluftkanal 240 und
poröses Element 244 isolieren die Anodenzuleitung 246 gegenüber
dem oberen Festelektrolyten 214. Weiterhin kann auch in
diesem Ausführungsbeispiel wiederum ein (hier nicht dargestellter)
Anodenhohlraum vorgesehen sein, welcher wiederum hohl oder mit einem
porösen Füllelement ausgestaltet sein kann.
-
Die
Pumpkathode 218 ist auf der Oberseite des Festelektrolyten 214 angeordnet
und kann durch eine Kathodenzuleitung 232 und einen Kathodenanschluss 234,
welche ebenfalls auf der Oberfläche des Festelektrolyten 214 angeordnet
sind, elektrisch kontaktiert werden. Die Kathodenzuleitung 232 ist
durch ein Isolationselement 410 vom Festelektrolyten 214 elektrisch
getrennt.
-
Die
Pumpkathode 218 ist mit einer gasundurchlässigen
Abdeckschicht 412 gegenüber dem Gasraum 212 abgeschirmt.
An einer Stirnseite, an welcher die Abdeckschicht 412 einen
Spalt zum Festelektrolyten 214 offen lässt, ist
die Diffusionsbarriere 230 vorgesehen, deren Funktion oben
bereits beschrieben wurde und welche den Grenzstrom der Pumpkathode 218 begrenzt.
Gasgemisch aus dem Gasraum 212 muss, um zur Pumpkathode 218 zu
gelangen, die Diffusionsbarriere 230 durchdringen. Wiederum
kann auch hier ein Kathodenhohlraum vorgesehen sein, welcher wiederum
mit einem porösen Füllelement ausgefüllt
oder hohl ausgestaltet ist und welcher in der 4 nicht
dargestellt ist.
-
Die
Funktionsweise des Sensorelements 210 entspricht im wesentlichen
der Funktionsweise der Sensorelemente gemäß den 2 und 3,
so dass bezüglich der weiteren Bauelemente auf die obige
Beschreibung verwiesen werden kann. Auch mittels des in 4 dargestellten
Sensorelements 210 lässt sich aufgrund der gegenüber
dem Gasraum 212 abgeschirmten Pumpanode 216 die
in 1 dargestellte Kennlinie realisieren.
-
Wie
oben beschrieben, sind die erfindungsgemäßen Sensorelemente 210 durch
ihren Aufbau mit der „Brenngas-blinden" Pumpanode 216 somit als
Grenzstrom-Magersonden im mageren Bereich einsetzbar. Gleichzeitig
soll jedoch auch eine gezielte Regelung von fetten Betriebszuständen
möglich sein, beispielsweise für eine zeitlich
begrenzte Regeneration eines Katalysators. Dementsprechend weist das
erfindungsgemäßen System eine elektronische Steuervorrichtung 510 auf,
deren Funktionsweise anhand der 5 und 6 erläutert
werden soll. Dabei zeigt 5 ein erfindungsgemäßes
Sensorelement 210 und eine Steuervorrichtung 510,
wobei ein Sensorelement-Aufbau verwendet wird, der im Wesentlichen
dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht.
Dementsprechend kann bezüglich dieses Aufbaus auf die obige
Beschreibung verwiesen werden. Auch andere Arten von Sensorelementen 210 mit „Brenngas-blinder"
Pumpanode 216 lassen sich jedoch erfindungsgemäß nutzen.
In 6 ist eine Pumpstrom-Kennlinie dargestellt, welche
für die gezielte Regelung eingesetzt wird.
-
Die
Steuervorrichtung 510 gemäß 5 ist zunächst
ausgestaltet, um in einem Magerregelungszustand im mageren Bereich 114 die
lineare Pumpstrom-Kennlinie für eine Breitband-Regelung auszunutzen.
Dabei wird eine Pumpspannungsquelle 512 eingesetzt, um
eine Pumpspannung zwischen Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 anzulegen. In
diesem Fall fungiert die „Pumpanode" 216 tatsächlich
als Anode beim Pumpvorgang, wird also mit einer positiven Pumpspannung
Up beaufschlagt. Mittels einer Pumpstrom-Messvorrichtung 514 wird
der Pumpstrom Ip gemessen, welcher durch
die durch Pumpanode 216, Pumpkathode 218 und Festelektrolyten 214 gebildete
Pumpzelle 516 fließt. Aus der eindeutigen und
linearen Kennlinie im mageren Bereich 114 (siehe 6)
kann eindeutig auf einen λ-Wert rückgeschlossen
werden. So kann die Steuervorrichtung 510 beispielsweise
eine Steuerelektronik 518 umfassen, welche die Pumpspannungsquelle 512 und
die Pumpstrom-Messvorrichtung 514 ansteuert und/oder ausliest.
Diese Steuerelektronik 518 kann beispielsweise ein Regelsignal 520 erzeugen,
welches der Luftzahl entspricht und dieses an weitere Komponenten
der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eine Motorsteuerung,
weiterleiten. Umgekehrt kann die Steuerelektronik 518 über
entsprechende Ansteuersignale 522 angesteuert werden, beispielsweise
um zwischen den verschiedenen Betriebszuständen umzuschalten.
-
Neben
dem beschriebenen Magerregelungszustand existiert mindestens ein
weiterer Betriebszustand, nämlich ein Fettregelungszustand,
in welchem ein bestimmter λ-Wert < 1 eingeregelt werden soll. Bei λ-Werten < 1, also bei einem
Sauerstoff-Unterschuss im Vergleich zum stöchiometrischen
(d. h. λ = 1-Gemisch) stellt sich in der Pumpzelle 516 aufgrund des
Sauerstoff-Konzentrationsgefälles zwischen Anodehohlraum 238 und
Kathodenhohlraum 226 eine Nernst-Spannung zwischen Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 ein,
welche der oben beschriebenen Pumpspannung entgegen gesetzt gerichtet
ist. Die „Pumpzelle" 516 bildet in diesem Fall
eine Nernst-Zelle, in welcher die „Pumpkathode" 218 nunmehr
als Nernst-Anode fungiert und die „Pumpanode" 216 als
Nernst-Kathode. Aufgrund der bekannten Eigenschaften der Pumpzelle 516 lässt
sich für jeden λ-Wert diese Nernst-Spannung berechnen
oder auch experimentell ermitteln.
-
Soll
ein bestimmter λ-Wert < 1
(Regelungspunkt) eingestellt werden, so wird nun durch die Steuervorrichtung 510 mittels
der Pumpspannungsquelle 512 eine Spannung zwischen Pumpkathode 218 und
Pumpanode 216 angelegt, welche dem Betrag nach gerade der
Nernst-Spannung entspricht, die dem gewünschten λ-Wert
entspricht, welche der Nernst-Spannung jedoch gerade entgegen gesetzt gerichtet
ist. Die Pumpspannung Up kompensiert somit
am Regelungspunkt die Nernst-Spannung UN. Genau
am Regelungspunkt fließt daher kein Strom zwischen den
beiden Elektroden 216, 218. Der Regelungspunkt
wird dann durch Null (kein Stromfluss) und Minus (geringer Pumpstrom
in entgegen gesetzter Rich tung zum „Magerpumpstrom") erkannt.
Zwischen den Pumpelektroden 216, 218 liegt eine
effektive Pumpspannung Ueff an, die sich
aus der Differenz der angelegten Pumpspannung Up und
der Nernst-Spannung UN ergibt: Ueff = Up – UN.
-
Mittels
dieses „Null-Minus-Schalters" lässt sich beispielsweise
ein für eine Regeneration eines Katalysators und/oder Filters
in einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Diesel-Kraftfahrzeug, erforderlicher λ-Wert
im Bereich zwischen 1,0 > λ ≥ 0,9
ansteuern. So ist beispielsweise in 6 ein Regelungspunkt 610 bei λ =
0,9 gewählt. Dementsprechend wird eine Pumpspannung Up eingestellt, welche gerade der Nernst-Spannung
UN für den Regelungspunkt λ =
0,9 entspricht. In 6 zeigt dabei der durchgezogene
Graph 612 die theoretische Pumpstrom-Kennlinie bei hoher
Spannung UP, bei Pumpspannungen, welche
weit oberhalb der Nernst-Spannung UN liegen.
Der gestrichelt dargestellte Graph 614 zeigt hingegen die Pumpstrom-Kennlinie
bei einer Pumpspannung UP, welche gerade
der Nernst-Spannung UN für λ =
0,9 entspricht. Sinkt λ vom mageren Bereich 114 ausgehend
unter λ = 1 ab, so ist zunächst kein Pumpstrom zu
messen, da die effektive Pumpspannung Ueff noch positiv
ist und da, wie oben beschrieben, an der Pumpanode 216 keine
Brenngasreaktionen stattfinden können. Ab λ =
0,9 wird dann, bei kleiner werdenden λ-Werten, die effektive
Pumpspannung Ueff negativ, da die Nernst-Spannung
UN die Pumpspannung Up überkompensiert.
Es wird folglich ein Strom gemäß der Richtung
des elektrischen Potentials, bestimmt durch die Nernst-Spannung,
gemessen, welcher mittels der Pumpstrom-Messvorrichtung wahrnehmbar ist.
Dieser Strom ist entgegen gesetzt zur Stromrichtung im Magerbetrieb
und wird daher als negativer Pumpstrom verzeichnet. Alternativ oder
zusätzlich kann die Betriebsweise auch derart modifiziert
werden, dass anstelle des Stromes Spannungsänderungen an
den Elektroden erfasst werden.
-
Die
Steuervorrichtung 510 kann beispielsweise derart ausgestaltet
sein, dass diese sich mittels eines Ansteuersignals 522 zwischen
den beiden Betriebzuständen umschalten lasst. Auch können, beispielsweise
in einem elektronischen Datenspeicher 524, verschiedene
Regelungspunkte 610 vorgegeben sein, beispielsweise in
Form von Pumpspannungen, welche gerade bestimmten λ-Werten
entsprechen. Beispielsweise kann dies in Form einer elektronischen
Tabelle erfolgen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004035826
A1 [0003]
- - DE 19938416 A1 [0003]
- - DE 102005027225 A1 [0003]
- - EP 0678740 B1 [0005]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", Juni 2001, S. 112–117 [0002]
- - T. Baunach et al.: „Sauberes Abgas durch Keramiksensoren",
Physik Journal 5 (2006) Nr. 5, S. 33–38 [0002]