DE102007054594A1 - System und Verfahren zum Verbessern der Genauigkeit eines Gassensors - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Gassensors offenbart, wobei das Verfahren das Anlegen eines Spannungsimpulses über einem Messelektrodenpaar und das Detektieren eines Stroms durch das Messelektrodenpaar während des Spannungsimpulses vor Abnahme des Stroms auf einen Wert stationären Zustands umfasst.

Description

  • Hintergrund und Kurzdarlegung
  • Gaskonzentrationssensoren können zum Überwachen der Konzentrationen von Spezies in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann ein NOx-Sensor zum Detektieren der Konzentration von Stickstoffoxidemissionen (kollektiv „NOx") im Abgas eines Kraftfahrzeug- oder Lastkraftwagen-Endrohrs verwendet werden. Ein NOx-Sensor arbeitet im Allgemeinen durch elektrochemisches Dissoziieren von NOx und Messen eines elektrischen Stroms, der sich aus dem Leiten der Sauerstoffionen durch einen Festkörperelektrolyt ergibt.
  • Da Schadstoffbegrenzungsrichtlinien restriktiver werden, wird die Sensorgenauigkeit zunehmend wichtig, um eine präzise Rückmeldung zum Steuern von Prozessen und Parametern in Verbindung mit der Schadstoffbegrenzung zu liefern. Mit der Alterung eines Sensors können sich aber in der Sensorstruktur Defekte entwickeln, die Änderungen der Impedanz des Sensors hervorrufen. Diese Defekte können ein Abnehmen der Genauigkeit des Sensors im zeitlichen Verlauf hervorrufen.
  • Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass ein gealterter elektrochemischer Gassensor, beispielsweise ein NOx-Sensor, eine präzisere Ausgabe liefern kann, wenn er durch Anlegen eines Spannungsimpulses über einem Messelektrodenpaar betrieben wird und ein elektrischer Strom durch das Messelektrodenpaar während des Spannungsimpulses detektiert wird, bevor der elektrische Strom auf einen Wert stationären Zustands fällt. Ein solches Verfahren zum Betreiben eines Sensors kann das Erhalten einer Messung ermöglichen, mit geringerem Einfluss von sich aus der Sensoralterung ergebenden Impedanzen. Ein solches Verfahren kann auch die Prüfung von Messungen durch das Ermöglichen von mehreren Messungen über einem Intervall erleichtern. Zudem kann ein solches Verfahren ein relativ großes Signal sowie gute Nutz-/Rauschsignal-Verhältnisse für verbessertes Ansprechen liefern und kann daher die Messung schwächerer Signale erleichtern.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines Verbrennungsmotors.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführung eines NOx-Sensors.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführung eines NOx-Sensors.
  • 4 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Beziehung zwischen Pumpstrom und Pumpspannung für O2 und NOx veränderlicher Konzentrationen für einen beispielhaften NOx-Sensor darstellt.
  • 5 ist ein Schaubild, das eine Ausgabe eines beispielhaften NOx-Sensors als Funktion von Messzeit und Pumpenelektrodenspannung zeigt.
  • 6 ist ein Schaubild, das eine Ausgabe eines beispielhaften NOx-Sensors als Funktion von Konzentration und Messzeit zeigt.
  • 7 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführung eines Verfahrens zum Ermitteln einer Gassensorausgabe zeigt.
  • Eingehende Beschreibung der dargestellten Ausführungen
  • Die vorliegende Offenbarung gibt verschiedene Ausführungen von Verfahren zum Betreiben eines Gassensors an die Hand, die durch Faktoren wie Sensoralterung und Fertigungsvariabilität verursachte Messfehler reduzieren kann. NOx-Sensoren werden typischerweise in einer Betriebsart stationären Zustands betrieben, wobei der Sensor basierend auf einem Ionenstrom, der durch das elektrochemischen Pumpen von Sauerstoff von dissoziierten NOx-Molekülen erzeugt wird, eine kontinuierliche Ausgabe liefert. Dieser Strom kann sich aber im zeitlichen Verlauf und/oder zwischen verschiedenen Sensoren der gleichen Auslegung aufgrund von Faktoren wie Sensoralterung verändern. Ohne durch die Theorie gebunden sein zu wollen, können sich zum Beispiel bei Alterung des NOx-Sensors die Impedanz des Detektorelektrolyts und/oder die Elektrolyt-Elektroden-Grenzflächen aufgrund von Polarisierungswirkungen, die durch strukturelle Änderungen im Elektrolyt und/oder an den Grenzflächen verursacht werden, im zeitlichen Verlauf ändern.
  • Die hierin offenbarten Ausführungen können dazu beitragen, diese Probleme zu überwinden, die bei Sensorbetrieb im stationären Zustand auftreten, indem eine Spezieskonzentration basierend auf einem nach Anlegen einer elektrischen Spannung über den Sensormesselektroden, aber vor Fallen des detektierten Stroms auf einen Wert stationären Zustands detektierten Stroms ermittelt wird. Ohne durch die Theorie gebunden sein zu wollen, kann der im stationären Zustand gemessene Strom eines NOx-Sensors von Impedanzen abhängen, die sich aus Polarisierungswirkungen im Sensor ergeben, während der unmittelbare Strom diesen Wirkungen weniger unterliegen kann. Die hierin offenbarten Verfahren können in jedem geeigneten Sensor und/oder jeder geeigneten Anwendung verwendet werden, einschließlich aber nicht ausschließlich beim Überwachen von Spezies wie NOx in Kraftfahrzeugabgas. Diese Verfahren werden nachstehend eingehender erläutert.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines von einem Motorsteuergerät 12 gesteuerten Verbrennungsmotors 10, der mehrere Brennräume umfasst (wovon einer bei 30 gezeigt wird). Der Brennraum 30 von Motor 10 weist Brennraumwände 32 mit einem darin positionierten und mit einer Kurbelwelle 40 verbundenen Kolben 36 auf. Der Brennraum 30 wird mit dem Ansaugkrümmer 44 und dem Abgaskrümmer 48 mittels eines jeweiligen Einlassventils 52 und Auslassventils 54 in Verbindung stehend gezeigt. Ein Einspritzventil 65 zum Zuführen flüssigen Kraftstoffs direkt in den Brennraum 30 proportional zur Impulsbreite eines von dem Steuergerät 12 empfangenen Signals (FPW) ist direkt mit dem Brennraum 30 verbunden gezeigt. In manchen Ausführungen kann ein Einspritzventil aber im Ansaugkrümmer 44 positioniert sein, wodurch eine Kanaleinspritzung vorgesehen wird.
  • Ein Strömen von Ansaugluft durch den Ansaugkrümmer 44 kann mit einer Drosselklappe 125 angepasst werden, die von dem Steuergerät 12 gesteuert wird. Dem Brennraum 30 kann mittels der Zündkerze 92 als Reaktion auf ein Zündsignal von dem Steuergerät 12 ein Zündfunke geliefert werden. Alternativ kann bei einem Selbstzündungsmotor auf die Zündkerze 92 verzichtet werden. Ferner kann das Steuergerät 12 das Einspritzventil 65 während des Motorbetriebs aktivieren, so dass ein Gemisch mit erwünschtem Kraftstoff-/Luftverhältnis gebildet wird, wenn der Zündkerze 92 durch eine Zündanlage 88 Zündleistung geliefert wird. Das Steuergerät 12 steuert die von dem Einspritzventil 65 gelieferte Kraftstoffmenge, so dass das Kraftstoff-/Luftverhältnisgemisch im Brennraum 30 so gewählt werden kann, dass es im Wesentlichen bei (oder nahe) Stöchiometrie, einem unterstöchiometrischen Wert oder einem überstöchiometrischen Wert ist.
  • Ein Einlassventil 52 kann mittels eines elektrischen Ventilaktors (EVA) 51 von dem Steuergerät 12 gesteuert werden. Analog kann ein Auslassventil 54 mittels EVA 53 durch das Steuergerät 12 gesteuert werden. Während mancher Bedingungen kann das Steuergerät 12 die den Aktoren 51 und 53 gelieferten Signale verändern, um das Öffnen und Schließen der jeweiligen Einlass- und Auslassventile zu steuern. Die Stellung des Einlassventils 52 und des Auslassventils 54 kann durch Ventilstellungssensoren 55 bzw. 57 ermittelt werden. In alternativen Ausführungen können ein oder mehrere der Einlass- und Auslassventile durch einen oder mehrere Nocken betätigt werden und können eines oder mehrere der Systeme: Nockenprofilschalten (CPS, vom engl. Cam Profile Switching), veränderliche Nockensteuerzeiten (VCT, vom engl. Variable Cam Timing), veränderliche Ventilsteuerzeiten (VVT, vom engl. Variable Valve Timing) und/oder veränderlichem Ventilhub (VVL, vom engl. Variable Valve Lift) nutzen, um den Ventilbetrieb zu verändern. Zum Beispiel kann der Zylinder 30 alternativ ein mittels elektrischer Ventilbetätigung gesteuertes Einlassventil und ein mittels Nockenbetätigung, einschließlich CPS und/oder VCT, gesteuertes Auslassventil umfassen.
  • Das Steuergerät 12 wird in 1 als herkömmlicher Mikrocomputer gezeigt, welcher umfasst: einen Mikroprozessor 102, Input/Output-Ports 104, ein elektronisches Speichermedium zum Laufenlassen von Programmen und Kalibrierungswerten, das in diesem bestimmten Beispiel als Festspeicherchip 106 gezeigt wird, einen Arbeitsspeicher 108, einen batteriestromgestützten Speicher 110 und einen herkömmlichen Datenbus.
  • Das Steuergerät 12 wird gezeigt, wie es verschiedene Signale von mit dem Motor 10 verbundenen Sensoren empfängt, einschließlich: Messungen der eingeleiteten Luftmasse (MAF) von einem Luftmengenmesser 117; einer Gaspedalstellung von einem Pedalstellungssensor 119; eine Motorkühlmitteltemperatur (ECT) von einem mit einem Kühlmantel 114 verbundenen Temperaturfühler 112; ein Zündungsprofil-Aufnehmersignal (PIP) von einem mit der Kurbelwelle 40 verbundenen Halsgeber 118, das eine Motordrehzahl (RPM) anzeigt; und eine absolutes Krümmerdrucksignal (MAP) von einem Sensor 122. Das Motordrehzahlsignal (RPM) wird von dem Steuergerät 12 aus dem Signal PIP in herkömmlicher Weise erzeugt, und das Krümmerdrucksignal MAP liefert eine Angabe der Motorlast.
  • Ein Abgasrückführungsdurchlass 130 (AGR) wird mit dem Abgaskrümmer 48 und dem Ansaugkrümmer 44 in Verbindung stehend gezeigt. Die dem Ansaugkrümmer zugeführte AGR-Menge kann durch das AGR-Ventil 134 angepasst werden, das mit dem Steuergerät 12 in Verbindung steht. Weiterhin kann das Steuergerät 12 ein Signal vom AGR-Sensor 132 empfangen, der zum Messen von Temperatur oder Druck des Abgases in dem AGR-Durchlass ausgelegt sein kann.
  • Der Abgassauerstoffsensor 76 wird mit dem Abgaskrümmer 48 stromaufwärts einer Abgasnachbehandlungsanlage 70 verbunden gezeigt. Der Abgassauerstoffsensor 76 kann so ausgelegt sein, dass er dem Steuergerät 12 ein Signal liefert, welches anzeigt, ob das Abgas-Kraftstoff-/Luftverhältnis entweder über- oder unterstöchiometrisch ist. Die Abgasnachbehandlungsanlage 70 kann einen Katalysator, einen Mager-NOx-Filter und/oder jede andere geeignete Behandlungsvorrichtung umfassen. Der Abgasnachbehandlungssensor 77 kann so ausgelegt sein, dass er dem Steuergerät 12 ein Signal liefert, das den Zustand der Abgasnachbehandlungsanlage 70 anzeigt, und kann eine Messung von Temperatur, Druck, etc. umfassen.
  • Der NOx-Sensor 98 ist stromabwärts der Abgasnachbehandlungsanlage 70 mit dem Abgaskrümmer 48 verbunden gezeigt. Der NOx-Sensor 98 kann dafür ausgelegt sein, als Reaktion auf eine detektierte Konzentration von NOx im Motorabgas ein Signal an das Steuergerät 12 auszugeben, was nachstehend eingehender beschrieben wird. Der NOx-Sensor 98 kann auch dafür ausgelegt sein, ein Signal vom Steuergerät 12 zu empfangen, beispielsweise ein Steuersignal zum Steuern einer Temperatur des Sensors, eine an Elektroden im Sensor angelegte Spannung, etc. In einer alternativen Ausführung kann der Sensor 98 dafür ausgelegt sein, die Konzentration anderer Spezies außer NOx zu messen, einschließlich aber nicht ausschließlich O2, CO, H2O, SOx und andere sauerstoffhaltige Gase.
  • Der NOx-Sensor 98 kann sowohl für die Steuerung der Nachbehandlungsanlage als auch für Onboard-Diagnose (OBD) verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug nicht die NOx-Schadstoffrichtlinien überschreitet. Ein Beispiel eines NOx-Sensors wird in U.S. Pat. Nr. 5,288,375 offenbart. Es gibt viele Varianten von NOx-Sensoren. 2 zeigt eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführung eines NOx-Sensors, der zum Messen einer Konzentration von NOx-Gasen in einem Emissionsstrom ausgelegt ist. Der Begriff NOx, wie er hierin verwendet wird, kann jede Kombination von Stickstoff und Sauerstoff bezeichnen, einschließlich aber nicht ausschließlich NO und NO2. Der Sensor 200 umfasst mehrere Schichten aus einem oder mehreren keramischen Materialien, die in einer Schichtkonfiguration angeordnet sind. Diese Schichten aus keramischen Materialien sind als Schichten 201, 202, 203, 204, 205 und 206 dargestellt. Die Schichten 201206 können aus jedem geeigneten Material gebildet werden, einschließlich aber nicht ausschließlich Sauerstoffionenleitern wie zum Beispiel Materialien auf der Basis von Zirconiumoxid. Weiterhin kann in einigen Ausführungen ein Heizelement 232 zwischen den verschiedenen Schichten angeordnet werden (oder anderweitig mit den Schichten in thermischer Verbindung stehen), um die Ionenleitfähigkeit der Schichten zu verbessern. Während der dargestellte NOx-Sensor aus sechs keramischen Schichten gebildet ist, versteht sich, dass der NOx-Sensor eine andere geeignete Anzahl an keramischen Schichten aufweisen kann.
  • Die Schicht 202 umfasst ein Material bzw. Materialien, die eine erste Diffusionsstrecke 210 erzeugen. Die erste Diffusionsstrecke 210 ist dafür ausgelegt, Abgase mittels Diffusion in einen ersten Innenhohlraum 212 einzuleiten. Ein erstes Paar Pumpelektroden 214 und 216 ist in Verbindung mit dem Innenhohlraum 212 stehend angeordnet und ist dafür ausgelegt, einen ausgewählten Abgasbestandteil elektrochemisch vom Innenhohlraum 212 durch die Schicht 201 und aus dem Sensor 200 heraus zu pumpen. Im Allgemeinen kann die aus dem Innenhohlraum 212 des Sensors 200 herausgepumpte Spezies eine Spezies sein, die die Messung eines erwünschten Analyts stören kann. Bei einem NOx-Sensor kann molekularer Sauerstoff die Messung von NOx an einer Messelektrode potentiell beeinträchtigen, da Sauerstoff dissoziiert wird und bei einem niedrigeren Potential als NOx gepumpt wird. Wenn daher Sauerstoff und NOx beide an einer zum Messen von NOx-Konzentration ausgelegten Elektrode vorliegen, kann das resultierende Ausgabesignal Beiträge von Ionenstrom aufweisen, die durch die Dissoziierung von sowohl NOx als auch O2 erzeugt wurden. Das Entfernen des Sauerstoffs von der analytischen Abgasprobe im Sensor 200 kann ein Messen von NOx-Konzentration im Wesentlichen ohne Beeinträchtigung durch Sauerstoff ermöglichen.
  • Die erste Diffusionsstrecke 210 kann dafür ausgelegt sein, eine oder mehrere Komponenten von Abgas, einschließlich aber nicht ausschließlich Sauerstoff und NOx-Gase, in den Innenhohlraum 212 bei einer langsameren Rate diffundieren zu lassen, als die störende Komponente durch das erste Paar von Pumpelektroden 214 und 216 elektrochemisch herausgepumpt werden kann. Die Pumpelektroden 214 und 216 können hierin als eine erste Pumpelektrodenkonfiguration bezeichnet werden. Auf diese Weise kann Sauerstoff von dem ersten Innenhohlraum 212 entfernt werden, um die von Sauerstoff verursachten störenden Wirkungen zu mindern.
  • Der Prozess des elektrochemischen Pumpens des Sauerstoffs aus dem ersten Innenhohlraum 212 umfasst das Anlegen eines elektrischen Potentials VIp0 über dem ersten Paar Pumpelektroden 214, 216, das ausreicht, um molekularen Sauerstoff zu dissoziieren, aber nicht ausreicht, um NOx dissoziieren. Mit Auswahl eines Materials mit einer geeigneten niedrigen Rate an Sauerstoffdiffusion für die erste Diffusionsstrecke 210 kann der Ionenstrom Ip0 zwischen dem ersten Paar Pumpelektroden 214, 216 durch die Rate beschränkt werden, bei der das Gas in die Kammer diffundieren kann, die proportional zur Sauerstoffkonzentration in dem Abgas ist, statt durch die Pumprate des ersten Paars Pumpelektroden 214, 216. Dies kann im Wesentlichen das Pumpen des gesamten Sauerstoffs aus dem ersten Innenhohlraum 212 erlauben, während NOx-Gase im ersten Innenhohlraum 212 belassen werden.
  • Der Sensor 200 umfasst weiterhin einen zweiten Innenhohlraum 220, der von dem ersten Innenhohlraum durch eine zweite Diffusionsstrecke 218 getrennt ist. Die zweite Diffusionsstrecke 218 ist dafür ausgelegt, Abgase von dem ersten Innenhohlraum 212 in den zweiten Innenhohlraum 220 diffundieren zu lassen. Eine zweite Pumpelektrode 222 kann optional in Verbindung mit dem zweiten Innenhohlraum 220 stehend vorgesehen werden. Die zweite Pumpelektrode 222 kann in Verbindung mit Elektrode 216 bei einem geeigneten Potential VIp1 festgelegt werden, um zusätzlichen restlichen Sauerstoff von dem zweiten Innenhohlraum 220 zu entfernen. Die zweite Pumpelektrode 222 und die Elektrode 216 können hierin als zweite Pumpelektrodenkonfiguration bezeichnet werden. Alternativ kann die zweite Pumpelektrode 222 ausgelegt werden, um eine im Wesentlichen konstante Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenhohlraum 220 zu wahren. In manchen Ausführungen kann V0 in etwa gleich V1 sein, während in anderen Ausführungen V0 und V1 unterschiedlich sein können. Während die dargestellte Ausführung die Elektrode 216 zum Pumpen von Sauerstoff aus dem ersten Innenhohlraum 212 und aus dem zweiten Innenhohlraum 220 nutzt, versteht sich, dass eine (nicht dargestellte) separate Elektrode in Verbindung mit Elektrode 222 verwendet werden kann, um eine andere Pumpelektrodenkonfiguration zum Pumpen von Sauerstoff aus dem zweiten Innenhohlraum 220 zu bilden.
  • Der Sensor 200 umfasst weiterhin eine Messelektrode 226 und eine Bezugselektrode 228. Die Messelektrode 226 und die Bezugselektrode 228 können hierin als Messelektrodenkonfiguration bezeichnet werden. Die Bezugselektrode 228 ist zumindest teilweise in einem Bezugsluftkanal 230 angeordnet oder anderweitig diesem ausgesetzt. Die Messelektrode 226 kann bei einem ausreichenden Potential relativ zur Bezugselektrode eingestellt sein, um NOx aus dem zweiten Innenhohlraum 220 zu pumpen. Die Sensorausgabe beruht auf dem Pumpen von Strom, der durch die Messelektrode 226 und die Pumpelektrode 228 fließt, der proportional zur NOx-Konzentration in dem zweiten Innenhohlraum 220 ist.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführung des vorstehend unter Bezug auf 2 beschriebenen NOx-Sensors 200. Sensor 300 von 3 wird mit ähnlichen Komponenten wie 2 gezeigt, wobei er nur ein Paar Pumpelektroden 314, 316 zum Entfernen einer störenden Spezies nutzt (d.h. Pumpelektrode 222 ist nicht enthalten). Da Sensor 300 mit nur einem Paar Pumpelektroden im Gegensatz zu den zwei Paar Pumpelektroden von Sensor 200 gezeigt wird, kann die die Messelektroden 326, 328 erreichende Sauerstoffkonzentration anders als die die Messelektroden 226, 228 von Sensor 200 erreichende Sauerstoffkonzentration sein. Weiterhin kann in manchen Ausführungen ein NOx-Sensor nur eine Diffusionsstrecke und einen Innenhohlraum aufweisen, wodurch die Pumpelektrode und die Messelektrode in den gleichen Innenhohlraum gesetzt werden.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend unter Bezug auf 2 und 3 beschriebenen beispielhaften Ausführungen nicht einschränkend gedacht sind und dass ein anderer geeigneter Sensor mit einer anderen Konfiguration und/oder anderen Materialien verwendet werden kann. Ferner können die hierin offenbarten Verfahren auch auf andere Sensoren angewendet werden als die zum Detektieren von NOx verwendeten Sensoren, einschließlich aber nicht ausschließlich auf CO-, CO2-, SOx und H2O-Sensoren.
  • 4 zeigt ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen Pumpstrom und Pumpspannung für O2 und NOx veränderlicher Konzentrationen für einen beispielhaften NOx-Sensor darstellt. Die Auslösung der elektrochemischen Dissoziierung sowohl von O2 als auch von NOx wird durch einen schnellen Anstieg des Pumpstroms gezeigt. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass O2 bei einer niedrigeren Pumppotential als NOx dissoziiert wird. Daher können die Sauerstoffpumppotentiale V0 und V1 von der Spannung, bei der O2-Pumpstrom einen stationären Zustand erreicht, bis zu einer Spannung, die zum Bewirken von NOx-Dissoziierung ausreicht, reichen. Analog können geeignete NOx-Pumppotentiale über den Elektroden 226 und 228 Spannungen einschließen, die zum Pumpen von NOx ausreichen, aber nicht ausreichen, um andere potentiell störende Spezies mit höheren Dissoziierungspotentialen wie Wasser zu pumpen.
  • Ein Sensor mit gutem Ansprechverhalten und guter Präzision ist erwünscht, um schwache NOx-Konzentrationen zur Einhaltung von Schadstoffrichtlinien und zur Optimierung von Schadstoffbegrenzung zu detektieren. Wie aber vorstehend beschrieben wurde, können Faktoren wie Änderung von Einheit zu Einheit und Sensoralterung bei manchen Sensoren zu der ungenauen NOx-Messung beitragen. Insbesondere können diese Faktoren zur Entstehung von Bedingungen in dem Sensor führen, die Polarisierungsänderungen im Elektrolyt und an den Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen bewirken können. Solche Polarisierungsänderungen können Änderungen der elektrochemischen Eigenschaften des Sensors im zeitlichen Verlauf verursachen. Zum Beispiel kann der NOx-Pumpstrom eines gealterten Sensors eine Abnahme bei gesteuerten Gaszusammensetzungen im Lauf der Zeit zeigen. Das Ausgabesignal der NOx-Konzentration kann durch diese Änderungen so weit beeinflusst werden, dass die Genauigkeit eines gealterten Sensors geringer als die eines neueren Sensors sein kann Zudem kann der gemessene Strom bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen relativ gering sein. In diesen Situationen können relativ kleine Nutz-/Rauschsignal-Verhältnisse zu geringerer Genauigkeit führen. Die beispielhaften Schaubilder in 56 zeigen eine solche Abnahme von NOx-Pumpströmen und die resultierende Wirkung auf das Ausgabesignal der NOx-Konzentration.
  • Zunächst unter Bezug auf 5 stellt das Schaubild 500 ein Beispiel einer Abnahme von NOx-Pumpströmen als Funktion von Änderungen der Messzeit dar. 5 zeigt auch die Wirkung des Anhebens von V0 auf die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenhohlraum. Die in dem Schaubild 500 gezeigten Daten wurden mittels der folgenden experimentellen Bedingungen (unter Bezug auf den in 2 gezeigten NOx-Sensor) erhalten: V1 (die zweite Sauerstoffpumpelektrode) wurde auf 385 mV gesetzt, während V0 (die erste Sauerstoffpumpelektrode) verändert wurde. Für V0 wurde jeweils ein V2-Impuls (V2: die NOx-Messelektrode) von 400 mV angelegt, und der sich ergebende Ip2 (NOx-Pumpstrom) wurde gemessen. Das Testgasgemisch bestand aus 1 % O2, 4% CO2, 100 ppm NO und das Restgas war N2. Messungen wurden bei T1 = 2,2 Sekunden, T2 = 3,4 Sekunden und bei T3 = 300 Sekunden vorgenommen (was einem Wert stationären Zustands entspricht), nachdem ein 400 mV Spannungsimpuls angelegt wurde.
  • Aus den in dem Schaubild gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass für jede gemessene V0 der gemessene NOx-Pumpstrom im zeitlichen Verlauf nach dem anfänglichen Anlegen der Pumpspannung fällt. Ferner kann sich die Abnahme der Signalgrößenordnung mit ansteigender V0 daraus ergeben, dass bei höherem V0 mehr Sauerstoff durch die Sauerstoffpumpelektroden als bei niedrigerem V0 entfernt wird und daher weniger Restsauerstoff die Messelektroden erreicht. Um eine Pumpstromabnahme im Einzelnen darzustellen, werden drei bei einem einzigen Wert von V0 genommene beispielhafte NOx-Pumpstrommessungen allgemein bei 510 gezeigt. In dem Datensatz 510 stellt der Datenpunkt 512 den NOx-Pumpstrom bei 2,2 Sekunden dar, der Datenpunkt 514 stellt den NOx-Pumpstrom bei 3,4 Sekunden dar und der Datenpunkt 516 stellt den NOx-Pumpstrom nach 300 Sekunden bei stationärem Zustand dar. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass zwischen dem ersten Anlegen der Pumpspannung und dem Erreichen von Ausgabewerten des stationären Zustands eine wesentliche Abnahme des NOx-Pumpstroms von etwa 0,45 mA auf etwa 0,15 mA erfolgt.
  • Diese Abnahme wird in 6 weiter veranschaulicht, die die Abnahme des NOx-Pumpstroms als Funktion von Zeit für verschiedene NO-Konzentrationen zeigt. Die in dem Diagramm 600 gezeigten Daten wurden mittels der folgenden experimentellen Bedingungen (unter Bezug auf den in 2 gezeigten NOx-Sensor) erhalten: V1 (die zweite Sauerstoffpumpelektrode) wurde auf 385 mV gesetzt und IP1 wurde auf 7 Mikroampere gesetzt. Die Gasgemischzusammensetzung enthielt neben unterschiedlichen Mengen NO auch 1% O2, 4% CO2 und als Rest N2. Messungen wurden bei T1 = 3 Sekunden, T2 = 5 Sekunden und bei T3 = 300 Sekunden vorgenommen, was einem stationären Zustand entspricht.
  • Aus den in dem Schaubild 600 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, dass bei jeder gemessenen NO-Konzentration der gemessene NOx-Pumpstrom im zeitlichen Verlauf nach dem ersten Anlegen der Pumpspannung fällt. Der Datensatz 610 zeigt drei beispielhafte NOx-Pumpstrommessungen, die bei einer einzigen Gasgemischzusammensetzung genommen wurden, und bei 610 gezeigt werden. In diesem Datensatz stellt der Datenpunkt 612 den NOx-Pumpstrom bei 3 Sekunden dar, der Datenpunkt 614 stellt den NOx-Pumpstrom bei 5 Sekunden dar und der Datenpunkt 616 stellt den NOx-Pumpstrom im stationären Zustand dar. Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass zwischen dem ersten Anlegen der Pumpspannung und dem Erreichen von Ausgabewerten bei stationärem Zustand eine erhebliche Abnahme an NOx-Pumpstrom von etwa 0,2 mA auf etwa 0,1 mA erfolgt.
  • Ohne durch die Theorie gebunden sein zu wollen, kann die in 5 und 6 gezeigte Abnahme durch Impedanz in Verbindung mit Polarisierungswirkungen im Elektrolyt und in den Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen beeinflusst werden, die zunächst schwächer sind, wenn der Messelektrodenimpuls V2 angelegt wird, und die als Funktion von Zeit größer werden. Ein gealterter Sensor mit gealtertem Elektrolyt und gealterten Elektroden kann verhältnismäßig größere Polarisationen und somit größere Impedanzen aufweisen. Diese alterungsbedingten Wirkungen können den gemessenen Strom senken und können somit zu einer verhältnismäßig niedrigeren Ausgabe des NOx-Konzentrationswerts führen. Das transiente Signal wird durch die Alterungswirkung relativ wenig beeinflusst. Daher kann das Verlängern der Detektion des Stroms oder das Verwenden einer Messung des Stroms bei stationärem Zustand zu Messwerten von IP2 führen, die infolge der gezeigten Abnahme niedriger und ungenauer sind als das unmittelbare Stromverhalten. Ferner kann das unmittelbare Stromverhalten weniger Beiträge von den Polarisierungswirkungen im Sensor umfassen. Zudem können bei unterschiedlichen Zeiten durchgeführte Messungen Informationen über den NOx-Konzentrationswert liefern, die bei Selbstprüfung oder zur Ermittlung eines Mittels der gemessenen Daten, das bei der Ermittlung einer NOx-Konzentration zu verwenden ist, eingesetzt werden können Zum Mindern der Auswirkung von alterungsbedingten Impedanzen auf die Sensorleistung kann der NOx-Pumpstrom IP2 statt beim stationären Zustand unmittelbar nach oder kurz nach Anlegen eines Spannungsimpulses an den NOx-Messelektroden gemessen werden. 7 zeigt im Allgemeinen bei 700 ein Flussdiagramm einer beispielhaften Ausführung eines Verfahrens zum Messen der NOx-Konzentration mittels eines NOx-Sensors. Während es im Kontext eines NOx-Sensors beschrieben wird, versteht sich, dass das Verfahren 700 mit jeder anderen geeigneten Art von Gassensor verwendet werden kann. Es versteht sich, dass das Verfahren 700 in jeder geeigneten Weise gesteuert werden kann, einschließlich aber nicht ausschließlich durch ausführbare Befehle, die im Steuergerät 12 gespeichert sind und von diesem ausgeführt werden.
  • Das Verfahren 700 umfasst bei Schritt 710 das Entfernen jeglicher Spezies von Sensor, die die Messung des Analyts beeinträchtigen kann, das Anlegen einer Spannung bei Schritt 720, um NOx in der Messelektrodenkonfiguration zu dissoziieren, und dann bei Schritt 730 das Detektieren eines Ausgabesignals basierend auf einem Strom durch die Messelektrodenkonfiguration, bevor der Strom durch die Messelektrode auf einen Wert stationären Zustands abnimmt.
  • Unter Bezug zunächst auf Schritt 710, wo der Sensor ein NOx-Sensor ist, kann die von der Pumpelektrodenkonzentration entfernte Störspezies O2 sein. Der Prozess des elektrochemischen Pumpens des Sauerstoffs aus dem ersten Innenhohlraum 212 kann das Anlegen eines elektrischen Potentials V0 über dem ersten Paar von Pumpelektroden 214, 216 umfassen, das ausreicht, um molekularen Sauerstoff zu dissoziieren, aber nicht ausreicht um NOx zu dissoziieren.
  • In manchen Ausführungen kann der NOx-Sensor mehr als eine Pumpelektrode zum Entfernen von Störspezies umfassen. In diesen Ausführungen können die zusätzlichen Pumpelektroden gleichfalls bei einem geeigneten Potential V1 eingestellt werden, um restlichen Sauerstoff zu entfernen, der von dem ersten Paar Pumpelektroden nicht entfernt wurde, aber nicht um NOx-Gase zu dissoziieren und zu pumpen. In manchen Ausführungen können die Potentiale jedes Paars von Pumpelektroden bei den gleichen oder ähnlichen Werten betrieben werden. In anderen Ausführungen können die Potentiale in verschiedenen Teilen des Sensors an Größe zunehmen, wenn die analytische Probe an Sauerstoff verarmt. Daher kann das an zusätzlichen Pumpelektrodenkonfigurationen, die zwischen der ersten Pumpelektrodenkonfiguration und der Messelektrodenkonfiguration angeordnet sind, angelegte Potential entsprechend an Größenordnung gewinnen. Dementsprechend kann die analytische Probe im Wesentlichen frei von Sauerstoff, der die präzise Messung der NOx-Konzentration stören kann, in die Messelektroden eingebracht werden.
  • Unter Bezug als Nächstes auf Schritt 720 kann jeder geeignete Impuls an den Messelektroden angelegt werden, um das Analyt zu dissoziieren. Im Kontext eines NOx-Sensors können geeignete NOx-Pumppotentiale über den Elektroden 226 und 228 Spannungen umfassen, die zum Pumpen von NOx ausreichen, ohne möglicherweise störende Spezies zu dissoziieren und zu pumpen, die in der analytischen Probe vorhanden sind. Solche Potentiale können Potentiale zwischen in etwa 0,7 V, wo NOx-Dissoziation beginnt, und Potentialen umfassen, die die Dissoziation und das elektrochemische Pumpen der potentiell störenden Spezies, beispielsweise Wasser, das eine Dissoziation bei in etwa 1,2 V beginnen kann, hervorrufen können.
  • Der an den Messelektroden angelegte Impuls kann auch jede geeignete Breite, Frequenz und jedes geeignete Profil haben. Der Impuls kann zum Beispiel eine Breite gleich oder größer als die Dauer der Strommessung haben, die von den Messelektroden zu nehmen ist. Die Verwendung eines Impulses kürzerer Dauer kann das Vornehmen häufigerer Messungen ermöglichen. Es kann aber eine gewisse Zeitspanne erforderlich sein, damit die zeitabhängigen Impedanzwirkungen ihre Anfangswerte bei Entfernen eines Potentials über den Messelektroden abbauen. Daher kann die Impulsbreite und -frequenz basierend auf Messzeiten und Frequenzen gewählt werden, die so ermittelt werden, dass sie zum Ermöglichen genauer NOx-Konzentrationsmessungen ausreichen. In noch anderen Ausführungen können statt eines einzigen Impulses mehrere Impulse für das Erhalten einer Messung angelegt werden.
  • Als Nächstes kann unter Bezug auf Schritt 730 das Ausgabesignal in geeigneter Weise detektiert und verarbeitet werden. Zum Beispiel kann die Ausgabe in manchen Ausführungen einer einzigen Strommessung entsprechen. In diesen Ausführungen kann die einzige Strommessung eine beliebige Dauer haben und über einen geeigneten Zeitintervall genommen werden. Wie zuvor erläutert kann das Verzögern der Detektion des Stroms oder das Verwenden einer Strommessung stationären Zustands zu relativ niedrigen Werten des gemessenen Stroms führen. Daher kann eine einzelne Strommessung statt bei stationärem Zustand unmittelbar nach oder kurz nach Anlegen eines Impulses an den Messelektroden genommen werden.
  • Unter manchen Bedingungen können verschiedene elektronische Störungen wie Spannungsspitzen eine NOx-Messung beeinträchtigen. Daher kann in anderen Ausführungen das Ausgabesignal auf einem statistischen Wert beruhen, der den durchschnittlichen Wert, Medianwert oder einen anderen statistisch ermittelten Wert mehrerer Strommessungen umfassen kann.
  • Analog kann die Dauer jeder Strommessung jeden geeigneten Wert haben. In einer Ausführung kann der NOx-Pumpstrom über eine vorbestimmte Zeitdauer, Anzahl von Motorzyklen etc. nach Anlegen des Impulses gemessen werden. Beispiele für eine geeignete Dauer umfassen, sind aber nicht hierauf beschränkt, eine Dauer von weniger als oder in etwa 0,1 Millisekunden–10 Sekunden. Alternativ kann die Dauer der Strommessung durch das Zeitintervall zwischen dem Start des angelegten Signals und dem Punkt, bei dem der gemessene Strom auf einen vorbestimmten Prozentsatz oder Wert unter dem anfangs gemessenen Strom fällt, festgelegt werden. Da die Impedanzbeiträge aus Polarisationswirkungen mit der Zeit zunehmen können, kann der Strom über eine ausreichend kurze Dauer gemessen werden, so dass die Impedanzbeitrage nicht wesentlich zu dem gemessenen Strom beitragen. Es versteht sich, dass die vorstehend gegebenen Werte lediglich beispielhaft sind und dass jede andere geeignete Verzögerungszeit oder Messung zum Ermitteln der Dauer der Strommessung verwendet werden kann.
  • Es mag nachvollziehbar sein, dass die Reihenfolge der Verarbeitung im Einzelnen nicht unbedingt erforderlich ist, um die Merkmale und Vorteile der hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungen zu verwirklichen, doch wird sie zur einfachere Darstellung und Beschreibung vorgesehen. Ein oder mehrere der gezeigten Schritte oder Funktionen können abhängig von der jeweils verwendeten Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Schritte einen in ein maschinell lesbares Speichermedium für den Sensor, beispielsweise in dem Motorsteuersystem, zu programmierenden Code graphisch darstellen.
  • Es versteht sich ferner, dass die verschiedenen Ausführungen von Gassensoren und Verfahren zum Betreiben von Gassensoren, die hierin offenbart werden, beispielhafter Natur sind und dass diese spezifischen Ausführungen nicht einschränkend aufgefasst werden dürfen, da zahlreiche Abänderungen möglich sind. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst weiterhin alle neuartigen und nicht nahe liegenden Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Sensoren, Verfahren zum Betreiben von Sensoren sowie andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden. Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen auf, welche als neuartig und nicht nahe liegend betrachtet werden. Diese Ansprüche können auf „ein" Element oder „ein erstes" Element oder eine Entsprechung desselben verweisen. Diese Ansprüche sind so zu verstehen, dass sie das Integrieren eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere dieser Elemente weder fordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen hierin offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche werden, ob sie nun gegenüber dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche breiter, enger, gleich oder unterschiedlich sind, ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.

Claims (24)

  1. Verfahren bei einem einen Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug zum Betreiben eines elektrochemischen Gassensors, welches umfasst: Anlegen eines Spannungsimpulses über einem Messelektrodenpaar; und Detektieren eines Stroms durch das Messelektrodenpaar während des Spannungsimpulses, bevor der Strom auf einen Wert stationären Zustands abnimmt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls eine Breite von weniger als in etwa 0,1 Millisekunden–10 Sekunden hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren des Stroms vor dem Abnehmen des Stroms auf einen Wert stationären Zustands das Detektieren des Stroms zwischen in etwa null und fünf Sekunden nach Anlegen des Spannungsimpulses umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Anlegen einer Dauerspannung an einem Pumpelektrodenpaar zum zumindest teilweisen Entfernen einer Störspezies von dem Sensor umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein NOx-Sensor ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Anpassen einer Motorbetriebsbedingung als Reaktion auf das Detektieren des Stroms durch das Messelektrodenpaar umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls eine Größenordnung von in etwa 0,1 bis 1,2 Volt hat.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiterhin das Anlegen eines anderen Spannungsimpulses vor dem erneuten Detektieren des Stroms durch das Messelektrodenpaar umfasst.
  9. Verfahren bei einem einen Verbrennungsmotor umfassenden Fahrzeug zum Betreiben eines elektrochemischen Gassensors, welches umfasst: Anlegen einer Dauerspannung über einem ersten Elektrodenpaar, wobei die Dauerspannung ausreicht, um eine Störspezies von dem Sensor elektrochemisch zu pumpen, aber nicht ausreicht, um ein Analyt von dem Sensor zu pumpen; Anlegen einer gepulsten Spannung über einem Messelektrodenpaar; und Messen eines Stroms durch das Messelektrodenpaar während mindestens eines Spannungsimpulses.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls eine Breite weniger als in etwa 0,1 Millisekunden–10 Sekunden hat.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des Stroms durch die Messelektrode das Messen des Stroms vor der Abnahme des Stroms auf einen Wert stationären Zustands umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom zwischen in etwa null und fünf Sekunden nach Anlegen des Spannungsimpulses gemessen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein NOx-Sensor ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin das Anpassen einer Motorbetriebsbedingung als Reaktion auf das Detektieren des Stroms durch das Messelektrodenpaar umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls eine Größenordnung von in etwa 0,1 bis 1,2 Volt hat.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin das Anlegen eines anderen Spannungsimpulses über dem Messelektrodenpaar vor dem erneuten Messen des Stroms durch das Messelektrodenpaar umfasst.
  17. Vorrichtung, welche umfasst: einen Verbrennungsmotor; eine Emissionsanlage; einen elektrochemischen Gassensor, der zum Detektieren einer Konzentration einer gasförmigen Spezies in der Emissionsanlage positioniert ist; und ein Steuergerät, das zum Steuern des Betriebs des elektrochemischen Gassensors ausgelegt ist, wobei das Steuergerät in einem Speicher gespeicherte und durch das Steuergerät ausführbare Befehle umfasst, um: eine Dauerspannung über einem ersten Elektrodenpaar anzulegen, wobei die Dauerspannung ausreicht, um eine Störspezies von dem Sensor elektrochemisch zu pumpen, aber nicht ausreicht, um ein Analyt von dem Sensor zu pumpen; einen Impuls über einem Messelektrodenpaar anzulegen und einen Strom durch das Messelektrodenpaar während mindestens eines Spannungsimpulses zu messen.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls eine Breite von weniger als in etwa 0,1 Millisekunden–10 Sekunden hat.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät, dafür ausgelegt ist, den Strom durch die Messelektrode durch Messen des Stroms vor der Abnahme des Stroms auf einen Wert stationären Zustands umfasst.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom zwischen in etwa null und fünf Sekunden nach Anlegen des Spannungsimpulses gemessen wird.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein NOx-Sensor ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin durch das Steuergerät ausführbare Befehle zum Anpassen einer Motorbetriebsbedingung als Reaktion auf das Detektieren des Stroms durch das Messelektrodenpaar umfasst.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsimpuls eine Größenordnung von in etwa 0,1 bis 1,0 Volt hat.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät weiterhin durch das Steuergerät ausführbare Befehle zum Anlegen eines anderen Spannungsimpulses über dem Messelektrodenpaar vor dem erneuten Messen des Stroms durch das Messelektrodenpaar umfasst.
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