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Hintergrund und Kurzdarlegung
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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.
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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.
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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.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung eines
Verbrennungsmotors.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführung eines NOx-Sensors.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten beispielhaften Ausführung eines NOx-Sensors.
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4 ist
ein Schaubild, das eine beispielhafte Beziehung zwischen Pumpstrom
und Pumpspannung für
O2 und NOx veränderlicher Konzentrationen für einen
beispielhaften NOx-Sensor darstellt.
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5 ist
ein Schaubild, das eine Ausgabe eines beispielhaften NOx-Sensors
als Funktion von Messzeit und Pumpenelektrodenspannung zeigt.
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6 ist
ein Schaubild, das eine Ausgabe eines beispielhaften NOx-Sensors
als Funktion von Konzentration und Messzeit zeigt.
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7 ist
ein Flussdiagramm, das eine Ausführung
eines Verfahrens zum Ermitteln einer Gassensorausgabe zeigt.
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Eingehende Beschreibung der
dargestellten Ausführungen
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
NO
x-Sensor
98 kann sowohl für die Steuerung
der Nachbehandlungsanlage als auch für Onboard-Diagnose (OBD) verwendet
werden, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug nicht die NO
x-Schadstoffrichtlinien überschreitet. Ein Beispiel eines
NO
x-Sensors
wird in
U.S. Pat. Nr. 5,288,375 offenbart.
Es gibt viele Varianten von NO
x-Sensoren.
2 zeigt
eine schematische Ansicht einer beispielhaften Ausführung eines
NO
x-Sensors, der zum Messen einer Konzentration
von NO
x-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 NO
2. 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
201–
206 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 NO
x-Sensor aus sechs keramischen
Schichten gebildet ist, versteht sich, dass der NO
x-Sensor
eine andere geeignete Anzahl an keramischen Schichten aufweisen
kann.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 5–6 zeigen
eine solche Abnahme von NOx-Pumpströmen und
die resultierende Wirkung auf das Ausgabesignal der NOx-Konzentration.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.