DE102007020967A1

DE102007020967A1 - Gassensor für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines solchen Gassensors

Info

Publication number: DE102007020967A1
Application number: DE200710020967
Authority: DE
Inventors: Thomas Seiler; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-04
Filing date: 2007-05-04
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Bei einem Gassensor, insbesondere Breitband-Lambda-Sonde nach dem Grenzstromprinzip, insbesondere für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine, mit einer Anode (150) und mit einer Kathode (140), die in oder an einem ionenleitenden Festelektrolyten (110) angeordnet und von dem Abgas durch jeweils wenigstens eine Schicht (156, 157; 156', 157') getrennt sind, weist die die Anode (150) überdeckende Schicht (157, 157') einen anderen Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle auf als der Diffusionskoeffizient für Sauerstoffmoleküle der die Kathode (140) überdeckenden Schicht (156'). Es werden die Pumpstromoszillationen hinsichtlich Amplitude, Mittelwert und Phasenverschiebung relativ zu den Abgas-Druckoszillationen ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde nach dem Grenzstromprinzip für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Gassensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Ferner sind Gegenstände der Erfindung eine Schaltungsanordnung zur zeitlichen Erfassung und Auswertung von Pumpstromoszillationen bei einem derartigen Gassensor sowie ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
Elektrochemische Gassensoren in Form von Lambda-Sonden werden in großer Zahl in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um für die Motorsteuerung Signale über die Abgaszusammensetzung bereitstellen zu können. Auf diese Weise kann der Motor so betrieben werden, dass die Abgase eine optimale Zu sammensetzung für die Nachbehandlung mit im Abgassystem heute üblicherweise vorhandenen Katalysatoren aufweisen.
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter gattungsgemäßer Gassensor dargestellt. Das Sensorelement 100 weist ein Gaszutrittsloch 115 auf, durch welches Abgas einströmt und durch eine Diffusionsbarriere 120 in einen Messraum 130 gelangt. Eine erste Elektrode, auch als Außenelektrode oder äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet, ist an der Außenseite des Festelektrolyten 110 und unter einer porösen Schutzschicht 155 angeordnet dem Abgas einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine ausgesetzt. In dem Messraum ist eine zweite Elektrode, auch als Innenelektrode oder innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet. Ferner ist eine Referenzelektrode 145 vorgesehen, die entweder durch einen offenen Kanal zum Anschlusskontaktbereich oder durch Anlegen einer Pumpspannung mit Sauerstoff versorgt wird.
Zwischen der inneren Pumpelektrode 140 und der äußeren Pumpelektrode 150 wird eine Pumpspannung U_P angelegt, sodass ein Pumpstrom I_P fließt. Eine Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode 140 und Referenzelektrode 145 und der Pumpstrom I_P werden in einer Schaltungseinheit, die Teil eines Steuergeräts 190 ist, erzeugt und ausgewertet, wobei der Pumpstrom I_P so eingeregelt wird, dass sich eine vorgebbare Soll-Nernstspannung zwischen innerer Pumpelektrode 140 und Referenzelektrode 145 einstellt. In dem Festelektrolyten 110 ist ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion des Sensorelements 100 gestattet.
Eine derartige planare Breitband-Lambda-Sonde nach dem Grenzstromprinzip kann auch als Einzeller aufgebaut sein. Hierbei sind zwei Elektroden auf der Abgasseite angeordnet. Die Kathode ist unter einer Diffusionsbarriere angeordnet.
Ferner existieren Sonden nach dem Grenzstromprinzip, bei denen eine Elektrode unter einer Diffusionsbarriere im Abgas angeordnet ist, während die andere in einem Referenzluftkanal angeordnet ist.
Diese planaren, als Einzeller aufgebauten Brutband-Lambda-Sonden nach dem Grenzstromprinzip werden mit einer festen Pumpspannung beaufschlagt. Die feste Pumpspannung erzeugt bei einem mageren Abgas, d. h. bei einem Abgas mit Luftüberschuss, einen positiven Pumpstrom, der mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases und dem Transport- bzw. Diffusionsweg des Sauerstoffs zur Kathode eindeutig zusammenhängt. In einem fetten Abgas, d. h. einem Abgas mit Kraftstoffüberschuss, kommt es jedoch aufgrund der Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers an der inneren Pumpelektrode ebenfalls zu einem positiven Pumpstrom. Die angelegte Pumpspannung liegt zwar deutlich unter der Zersetzungsspannung des Wassers, da aber Wasserstoff im Abgas existiert, wird die Wasserzersetzung energetisch möglich, denn an der gegenüberliegenden Elektrode, an der als Anode wirkenden Außenpumpelektrode, wird aus der Reaktion des Wasserstoffs mit den Sauerstoffionen Wasser erzeugt. Der Pumpstrom wird also bei fettem Abgas durch den Wasserstoffgehalt und durch den Transportweg des Wasserstoffs zur Anode begrenzt. Da dieser Pumpstrom im fetten Abgas dieselbe Richtung aufweist wie der Pumpstrom bei magerem Abgas, kann aus dem Pumpstrom nicht mehr ohne weiteres auf die Abgaszusammensetzung geschlossen werden.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines derartigen Gassensors mit den Merkmalen des Anspruchs 11 ermöglichen demgegenüber eine eindeutige Bestimmung der Abgaszusammensetzung, ob also ein mageres Abgas (Magergas) oder ein fettes Abgas (Fettgas) vorliegt.
Grundidee der Erfindung ist es, mithilfe eines derartigen Gassensors die Pumpstromoszillationen aufgrund der Druckschwankungen im Abgas auszuwerten und aus diesen Pumpstromoszillationen auf das Vorliegen eines mageren Abgasgemisches oder eines fetten Abgasgemisches zu schließen. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass der Pumpstrom im Fetten durch die Diffusionseigenschaften der Anode und im Mageren durch die Diffusionseigenschaften der Kathode bestimmt wird.
Die Druckschwankungen entstehen durch abwechselnde Zünd- und Beladungsphasen der Zylinder. Durch dieses Verfahren sind keine zusätzlichen Sensoren oder ein zusätzlicher Schaltungsaufwand erforderlich, da der Zylinderzyklus ohnehin erfasst wird. Ein Gassensor, bei dem die die Anode überdeckende Schicht einen anderen Diffusionskoeffizienten aufweist als die die Kathode überdeckende Schicht, ermöglicht dabei eine sehr präzise Auswertung der Pumpstrom-Oszillation und hochgenaue Rückschlüsse auf die Abgaszusammensetzung aufgrund dieser Auswertungen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Gassensors und Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils auf Anspruch 1 und Anspruch 11 rückbezogenen Unteransprüche.
So ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gassensors vorgesehen, dass die Anode und die Kathode auf derselben Seite des das Sensorelement bildenden Festelektrolyten angeordnet sind.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei die Diffusionsbarriere über der Kathode dichter oder dicker ausgeführt als diejenige über der Anode. Hierdurch wird die Phasenverschiebung bei Vorliegen eines Magergases größer, sodass die Unterscheidung, ob ein Fett- oder Magergas vorliegt, verbessert wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann zwischen der Kathode und der Schutzschicht ein Hohlvolumen angeordnet sein. Durch dieses Hohlvolumen wird die Phasenverschiebung verstärkt.
Alternativ kann bei einem zweiten Ausführungsbeispiel die Diffusionsbarriere über der Anode dichter oder dicker ausgeführt werden als diejenige über der Kathode, um zu erreichen, dass die Amplituden der Pumpstromoszillationen bei Magergas deutlich größer sind als bei Fettgas, wenn diese als Unterscheidungsmerkmal zwischen Fett- und Magergas herangezogen werden. Die Anodenschutzschicht kann dabei so dicht oder dick ausgeführt werden, dass die Oszillation im Fetten sogar fast verschwinden.
Dieser Effekt kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Gassensors noch dadurch verstärkt werden, dass zwischen Anode und Schutzschicht ein Hohlvolumen zur Fettgasspeicherung angeordnet ist. Obwohl dadurch möglicherweise das Einströmen von Wasserstoff verstärkt wird, ist doch davon auszugehen, dass die Dämpfung durch die Pufferwirkung vorteilhaft ist.
Die Auswertung der Pumpstromoszillationen durch Vergleich mit den Druckschwankungen kann mittels einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens derart erfolgen, dass aufgrund der Phasenverschiebung der Pumpstromoszillationen gegenüber den Druckschwankungen auf die Konzentration der Gaskomponenten geschlossen wird. Die Druckschwankungen werden dabei entweder über einen Drucksensor oder mittels der Zylinderzyklen und dem Massenfluss des Abgases bzw. dem Kraftstoffumsatz bestimmt.
Dabei wird auf das Vorliegen eines Magergases geschlossen, wenn die Phasenverschiebung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet.
Dem liegt zugrunde, dass die Pumpstromoszillationen im Magergas eine größere Phasenverschiebung verglichen mit den Zylinderzyklen aufweisen als im Fettgas, da diese im Mageren durch den relativ langsamen Transport der großen Sauerstoffmoleküle im Vergleich zum schnellen Transport der kleinen Wasserstoffmoleküle des Fettgases bestimmt wird.
Bei einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens, bei der ein Gassensor verwendet wird, bei dem die die Kathode überdeckende Schicht einen kleineren Diffusionskoeffizienten aufweist, als die die Anode überdeckende Schicht und gegebenenfalls über der Kathode ein Hohlraum angeordnet ist, wird ein Vergleich der Pumpstromoszillationen mit dem Mittelwert des Pumpstroms vorgenommen. Es wird auf ein Magergas geschlossen, wenn die auf den Mittelwert des Pumpstroms bezogenen, relativen Pumpstromoszillationen einen vorgebbaren ersten Schwellenwert unterschreiten.
Bei Verwendung eines Gassensors, bei dem die die Anode überdeckende Schicht einen kleineren Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle aufweist, als die die Kathode überdeckende Schicht für Fettgasmoleküle und gegebenenfalls zwischen der Anode und der die Anode überdeckenden Schicht ein Hohlraum angeordnet ist, wird gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens bei Unterschreiten einer vorgebbaren zweiten Schwelle der auf den Mittelwert des Pumpstroms bezogenen, relativen Pumpstromoszillation auf ein Fettgas geschlossen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird aus dem Mittelwert der Pumpstromoszillationen quantitativ die Konzentration der Gaskomponenten bestimmt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Schaltungsanordnung zur zeitlichen Erfassung und Auswertung von Pumpstromoszillationen bei einem derartigen Gassensor. Diese Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise Teil eines Steuergeräts eines Fahrzeugs. Das Steuergerät enthält ferner vorzugsweise wenigstens einen elektrischen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als Computerprogramm abgelegt sind.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm sieht vor, dass alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn es auf einem Computer abläuft.
Bevorzugt wird das Computerprogramm mittels eines Computerprogrammprodukts mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, bereitgestellt. Auf diese Weise kann es immer wieder oder gegebenenfalls auch im Wege einer Nachrüstung in den Speicher des Steuergeräts eingelesen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Gassensor;
2a, 2b zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Gassensors;
3 den Pumpstrom über der Luftzahl λ bei derartigen Gassensoren;
4 den zeitlichen Verlauf der Zylinderzyklen, der Druckschwingungen sowie des Pumpstroms zur Erläuterung einer Phasenauswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und
5 den zeitlichen Verlauf der Zylinderzyklen, der Druckschwankungen und des Pumpstroms zur Erläuterung einer Amplitudenauswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Gassensor, der nach dem Doppelzellenprinzip arbeitet, weist ein Sensorelement 100 auf, das durch einen in Schichtbauweise ausgebildeten Festelektrolyten 110 gebildet wird. Auf der Außenseite des Sensorelements 100 ist dem Abgas ausgesetzt eine erste Elektrode, auch als äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet, angeordnet, die durch eine offenporige Schutzschicht 155 überdeckt ist. In dem Festelektrolyten 110 ist ein Messvolumen 130 ausgebildet, in dem eine zweite Elektrode, auch als innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet ist. Zudem ist in dem Festelektrolyten 110 eine Referenzelektrode 145 angeordnet, die entweder über einen anschlusskontaktseitigen Referenzkanal (nicht dargestellt) oder durch internes Pumpen mit Sauerstoff versorgt wird.
In dem Festelektrolyten 110 ist ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion des Sensorelements 100 gestattet.
Das Abgas eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors strömt durch ein Gaszutrittsloch 115 über eine Diffusionsbarriere 120 in das Messvolumen 130.
Durch eine schematisch dargestellte elektronische Schaltung, die beispielsweise Teil eines Steuergerätes 190 sein kann, wird zwischen der äußeren Pumpelektrode 150 und der in dem Messvolumen 130 angeordneten inneren Pumpelektrode 140 eine konstante Pumpspannung U_P erzeugt, die so geregelt wird, dass sich aufgrund des Pumpstroms ein λ = 1-Gasgemisch in dem Messvolumen 130 einstellt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Pumpstrom auf eine Nernstspannung U_N = 450 mV zwischen der inneren Pumpelektrode und der sauerstoffbespülten Referenzelektrode 145 geregelt wird.
Anders verhält es sich bei Lambda-Sonden nach dem Grenzstromprinzip, die als sogenannte Einzeller aufgebaut sind und bei denen die beiden Elektroden auf der Abgasseite angeordnet sind, wobei eine feste Pumpspannung an diesen Elektroden anliegt. In diesem Falle kann die Kathode unter einer Diffusionsbarriere angeordnet oder eine Elektrode im Abgas unter einer Diffusionsbarriere angeordnet sein und die andere Elektrode in einem Referenzluftkanal mit hohem Grenzstrom. Bei diesen Sonden wird durch die feste Pumpspannung bei magerem Abgas ein positiver Pumpstrom erzeugt, der eindeutig mit dem Sauerstoffgehalt des Abgases zusammenhängt. Im fetten Abgas kommt es jedoch auch hier aufgrund der Zersetzung des im Abgas enthaltenen Wassers zu einem positiven Pumpstrom. Die angelegte Pumpspannung liegt in diesem Fall zwar deutlich unter der Zersetzungsspannung des Wassers. Da aber Wasserstoff im Abgas existiert, wird die Wasserzersetzung energetisch möglich, denn an der gegenüberliegenden Elektrode wird Wasser erzeugt. Der Strom ist also im Fetten durch die Abgaszusammensetzung, durch den Wasserstoffgehalt begrenzt. Da dieser „Fett-Pumpstrom" dieselbe Richtung aufweist wie der „Mager-Pumpstrom", kann aus dem Pumpstrom nicht mehr eindeutig auf die Abgaszusammensetzung geschlossen werden.
Um nunmehr mit einem solchen Einzeller auf die Abgaszusammensetzung schließen zu können, ist bei einem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors, der für die Auswertung einer Phasenverschiebung von Pumpstromoszillationen auf nachfolgend noch näher zu beschreibende Weise verwendet wird, vorgesehen, die Anode 150 durch eine Diffusionsbarriere 157 zu überdecken, die einen größeren Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle aufweist als die Diffusionsbarriere 156 für Sauerstoffmoleküle, die die Kathode 140 überdeckt. Der größere Diffusionskoeffizient kann beispielsweise durch eine gegenüber der Diffusionsbarriere 156 dünner ausgebildete Diffusionsbarriere 157 realisiert werden, wie es in 2a dargestellt ist, in der gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 1.
Möglich ist es aber auch, statt der Variation der Dicke eine porösere Diffusionsbarriere zu wählen oder beide Merkmale zu kombinieren.
Statt die Anode 150 durch eine Diffusionsbarriere 157 zu überdecken, die einen größeren Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle aufweist als die Diffusionsbarriere 156 für Luftmoleküle, welche die Kathode 140 überdeckt, kann – wie es schematisch in 2b dargestellt ist, in der gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind wie in 2a – alternativ auch vorgesehen sein, die Kathode 140 mit einer Diffusionsbarriere 156' zu überdecken, die einen größeren Diffusionskoeffizienten für Luftmoleküle aufweist als die Diffusionsbarriere 157', welche die Anode 150 überdeckt, für Fettgasmoleküle.
Beide Sensoren können für eine Amplituden- und/oder Phasenauswertung der Pumpstromoszillationen herangezogen werden, wie nachstehend erläutert wird.
Die beiden Elektroden, Anode 150 und Kathode 140, sind bei beiden Sensoren bevorzugt an einer Außenfläche des ionenleitenden Festelektrolyten 110 angeordnet. Es ist zu bemerken, dass auch eine andere Anordnung, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten, denkbar ist. Unmittelbar nach einem Schubbetrieb eines die Brennkraftmaschine aufweisenden Fahrzeuges, das heißt, wenn das Fahrzeug nicht durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird, sondern sich beispielsweise aufgrund eines Gefälles bewegt, befindet sich der Gassensor im sogenannten „Magerast", das heißt, er befindet sich in 3, in der der Pumpstrom I_P über der Luftzahl λ dargestellt ist, in dem ersten Quadranten. Erst wenn der Pumpstrom I_P einen Nulldurchgang zeigt, muss erneut festgestellt werden, ob sich das Signal auf dem „Fettast" (vierter Quadrant in 3) oder auf dem „Magerast" befindet.
Diese Bestimmung wird nachfolgend anhand der 4 und 5 erläutert.
Grundidee der Erfindung ist es, die aufgrund von Druckschwankungen im Abgas hervorgerufenen Pumpstromoszillationen, z. B. unter Verwendung der vorgenannten Gassensoren auszuwerten und hieraus auf die Abgaszusammensetzung, d. h. die Konzentration der Gaskomponenten zu schließen.
Diese Oszillationen des Pumpstroms I_P, in 4 und 5 schematisch jeweils im oberen Drittel der entsprechenden Schaubilder dargestellt, sind eine Folge von Druckschwankungen, in 4 und 5 jeweils im mittleren Teil der Schaubilder dargestellt, der den zeitlichen Verlauf des Druckpegels zeigt. Diese Druckschwankungen wiederum entstehen durch abwechselnde Zünd- und Beladungsphasen der Zylinder, die jeweils schematisch in 4 und 5 im unteren Drittel anhand des Rechtecksignals Z, welches den zeitlichen Verlauf der Zylinderzyklen kennzeichnet, dargestellt sind.
Wie in 4 dargestellt, weisen nun in einem Magergas M die Oszillationen des Pumpstroms I_P, nachfolgend kurz Pumpstromoszillationen genannt, eine größere Phasenverschiebung ΔΦ_M auf als in einem Fettgas F, wo die Phasenverschiebung ΔΦ_F signifikant kleiner ist, da die kleineren Fettgasmoleküle schneller zur Anode diffundieren als die Sauerstoffmoleküle zur Kathode. Es ist also möglich, aufgrund der Phasenverschiebung der Pumpstromoszillationen gegenüber den Druckschwankungen qualitativ auf die Abgaszusammensetzung, d. h. die Konzentration der Bestandteile des Abgases zu schließen, also festzustellen, ob ein Magergas oder ein Fettgas vorliegt. Anders ausgedrückt kann auf diese Weise ermittelt werden, ob man sich im ersten oder im vierten Quadranten des Pumpstroms als Funktion der Luftzahl λ gemäß 3 befindet. Diese Phasenverschiebung wird bei einem Gassensor der eingangs beschriebenen Art, bei dem die die Anode 150 überdeckende Diffusionsbarriere 157 einen größeren Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle aufweist als die die Kathode 140 überdeckende Diffusionsbarriere 156 für Luftmoleküle bei Vorliegen eines Magergases noch weiter vergrößert. Durch diese, in 2a gezeigte Ausbildung des Sensors wird der Betrag der Phasenverschiebung größer, sodass eine Unterscheidung, ob ein Fett- oder Magergas vorliegt, wesentlich verbessert wird. Dieser Effekt kann noch dadurch verstärkt werden, dass zwischen der Kathode 140 und der Schutzschicht 156 ein Hohlvolumen 159 angeordnet ist.
Wenn umgekehrt gemäß einer anderen Ausführungsform der Diffusionskoeffizient der die Kathode 140 überdeckenden Diffusionsbarriere 156 hinreichend größer gewählt wird als der Diffusionskoeffizient der die Anode 150 überdeckenden Diffusionsbarriere 157, kann die Phasenverschiebung so ausgewertet werden, dass bei Unterschreiten eines vorgebbaren und empirisch zu bestimmenden Schwellenwertes auf das Vorliegen eines Magergases geschlossen wird.
Alternativ kann, wie oben erläutert und in 2b dargestellt, die Diffusionsbarriere über der Anode 150 dichter oder dicker ausgeführt werden als diejenige über der Kathode 140, um zu erreichen, dass die Amplituden der Pumpstromoszillationen relativ zum mittleren Betrag des Pumpstroms I_P bei Magergas deutlich größer sind als bei Fettgas, sodass diese als Unterscheidungsmerkmal zwischen Fett- und Magergas herangezogen werden können. Dies ist schematisch in 5 dargestellt. Es ist also auch möglich, aufgrund der Amplitude der relativen Pumpstromoszillationen, das heißt, der auf den Mittelwert des Pumpstroms bezogenen Pumpstromoszillationen qualitativ zwischen einem Fett- und einem Magergas zu unterscheiden. Dabei kann die die Anode 150 überdeckende Schicht 157' so dicht oder dick ausgeführt werden, das die Oszillationen im Fetten fast verschwinden. Dieser Effekt kann noch dadurch verstärkt werden, dass zwischen Anode 150 und Schutzschicht 157' ein Hohlvolumen 159' zur Fettgasspeicherung angeordnet ist. Obwohl hierdurch möglicherweise das Einströmen von Wasserstoff verstärkt wird, ist doch zu erwarten, dass die Dämpfung durch diese Pufferwirkung vorteilhaft ist. Weist dagegen die die Kathode 140 überdeckende Diffusionsbarriere einen kleineren Diffusionskoeffizienten auf als der die Anode 150 überdeckenden Schicht, dann wird bei Überschreiten eines vorgebbaren, empirisch zu bestimmenden weiteren Schwellenwertes der Pumpstromoszillationen relativ zum mittleren Betrag des Pumpstroms I_P auf das Vorhandensein eines Fettgases geschlossen.
Quantitative Aussagen über die Konzentration der Fett- oder Sauerstoffmoleküle liefert schließlich die Auswertung des Mittelwerts des Pumpstroms I_P.
Wie in 2a, 2b schematisch dargestellt ist, befinden sich die beiden Pumpelektroden 140, 150 im Abgas 200. Eine konstante Pumpspannung U_P liegt an. Sowohl über der Anode 150 als auch über der Kathode 140 liegen Schutzschichten 157 bzw. 157', 156 bzw. 156' mit unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten, wie es oben beschrieben ist. Die Schaltungsanordnung 190 misst nun in einer ersten Ausgestaltung (2a) die Phasenverschiebung zwischen den Zylinderzyklen und dem Pumpstrom. Bei einer zweiten Ausgestaltung (2b) erfasst die Schaltungsanordnung die Pumpstromoszillation, bezieht sie auf den Mittelwert des Pumpstroms und vergleicht sie mit vorgebbaren Schwellwerten. Dabei wird im Falle eines größeren Anoden-Diffusionskoeffizienten der Fettgasmoleküle im Vergleich zum Kathoden-Diffusionskoeffizienten der Sauerstoffmoleküle bei Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der auf den Mittelwert des Pumpstroms bezogenen relativen Pumpstromamplitude auf das Vorliegen eines Fettgases geschlossen. Wenn die auf den Pumpstrommittelwert bezogenen relativen Pumpstromamplituden der Pumpstromoszillationen diesen Schwellenwert unterschreiten, wird auf das Vorliegen eines Magergases geschlossen. Bei umgekehrten Diffusionsverhältnissen erfolgt das Schließen auf die Abgaszusammensetzung in umgekehrter Weise.
Die Schaltungsanordnung 190 kann dabei Teil des Steuergeräts sein.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einen maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät lesen kann, sodass auch eine spätere „Nachrüstung" des Steuergeräts auf diese Weise möglich ist.

Claims

Gassensor, insbesondere Breitband-Lambda-Sonde nach dem Grenzstromprinzip, für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebenen Brennkraftmaschine mit einer Anode (150) und mit einer Kathode (140), die in oder an einem ionenleitenden Festelektrolyten (110) angeordnet und von dem Abgas durch jeweils wenigstens eine Schicht (156, 157; 156', 157') getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anode (150) überdeckende Schicht (157; 157') einen anderen Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle aufweist als der Diffusionskoeffizient für Sauerstoffmoleküle der die Kathode (140) überdeckenden Schicht (156; 156').
Gassensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (150) und die Kathode (140) auf dem das Sensorelement bildenden Festelektrolyten (110) angeordnet sind.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kathode (140) überdeckende Schicht (156) einen kleineren Diffusionskoeffizienten für Sauerstoffmoleküle aufweist als der Diffusionskoeffizient für Fettgasmoleküle der die Anode (150) überdeckenden Schicht (156).
Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kathode (140) überdeckende Schicht (156) eine größere Dicke aufweist als die die Anode (150) überdeckende Schicht (157).
Gassensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kathode (140) überdeckende Schicht (156) eine weniger poröse Diffusionsbarriere bildet als die die Anode (150) überdeckende Schicht (157).
Gassensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet dass zwischen der Kathode (140) und der die Kathode (140) überdeckenden Schicht (156) ein Hohlraum (159) angeordnet ist.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anode (150) überdeckende Schicht (157') einen kleineren Diffusionskoeffizienten für Fettgasmoleküle aufweist als der Diffusionskoeffizient für Sauerstoffmoleküle der die Kathode (140) überdeckenden Schicht (156').
Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anode (150) überdeckende Schicht (157') eine größere Dicke aufweist als die die Kathode (140) überdeckende Schicht (156').
Gassensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Anode (150) überdeckende Schicht (157') eine weniger poröse Diffusionsbarriere bildet als die die Kathode (140) überdeckende Schicht (156').
Gassensor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anode (156') und der die Anode (156') überdeckenden Schicht (157') ein Hohlraum (159') angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Gassensors mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 10 zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch (200), insbesondere der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit an einem Festelektrolyten (110) angeordneten und von dem Gasgemisch (200) durch wenigstens eine Diffusionsbarriere (150) getrennte, durch einen vorgebbaren Pumpstrom (I_P) beaufschlagbare Pumpelektroden (130, 140), dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund von Druckschwankungen im Abgas hervorgerufene Pumpstromoszillationen erfasst werden und durch Vergleich der Pumpstromoszillationen mit den Druckschwankungen oder durch Auswerten der auf den Mittelwert des Pumpstroms bezogenen, relativen Pumpstromoszillationen auf die Konzentration der Gaskomponenten in dem Gasgemisch (200) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Phasenverschiebung der Pumpstrom-Oszillation gegenüber den Druckschwankungen auf die Konzentration der Gaskomponenten geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Gassensors mit den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 6 dann, wenn die Phasenverschiebung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, auf das Vorliegen eines Magergases geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Gassensors mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 10 dann, wenn die Phasenverschiebung einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet, auf das Vorliegen eines Fettgases geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Gassensors mit den Merkmalen der Ansprüche 3 bis 6 auf das Vorliegen eines Magergases geschlossen wird, wenn die Amplitude der auf den Pumpstrommittelwert bezogenen Pumpstrom-Oszillation einen vorgebbaren ersten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Gassensors mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 10 auf das Vorliegen eines Fettgases geschlossen wird, wenn die Amplitude der auf den Pumpstrommittelwert bezogenen Pumpstrom-Oszillation einen vorgebbaren zweiten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass man aus dem Mittelwert der Pumpstromoszillationen quantitativ die Konzentration der Gaskomponenten bestimmt.
Schaltungsanordnung zur zeitlichen Erfassung und Auswertung von Pumpstromoszillationen bei einem Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines Steuergeräts (190) eines Fahrzeugs ist.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 17 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät (190) einer Brennkraftmaschine abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät (190) eines Fahrzeugs ausgeführt wird.