-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit
dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige
Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem
Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde” bekannt
sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen
in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie,
spielen.
-
Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ) wird
dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis
zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer
für die Verbrennung theoretisch benötigten (d.
h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl
wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an
einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors
gemessen. Entsprechend weisen „fette” Gasgemische
(d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine
Luftzahl λ < 1
auf, wohingegen „magere” Gasgemische (d. h. Gasgemische
mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
-
Derartige
Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde”,
deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz
zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode
und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode
beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den
Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden
Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt
eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch
und magerem Gasge misch einen charakteristischen Sprung auf, welcher
genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ =
1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger
Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen” bezeichnet
werden, sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren
im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, S. 112-115 beschrieben.
-
Alternativ
oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen” zum
Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung” an zwei über
den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei
der „Pumpstrom” durch die Pumpzelle gemessen wird.
Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen
in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in
Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über
eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch
derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser
Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere” durchdringen
muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum
zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse
keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet.
Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den
Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an
der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen
reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode
transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die
Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb
betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die
Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere
eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt
wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise
proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so
dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren
bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige
Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen
vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda
einsetzen.
-
In
vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien
auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem
Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen”)
und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt
sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem
Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers” durch
Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.
Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in
EP 0 678 740 B1 beschrieben.
Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck
in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden
Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung zumeist
so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ =
1 herrscht. Auch andere Regelungen sind denkbar. Weitere Beispiele
derartiger Sensorelemente sind in
Robert Bosch GmbH: „Sensoren
im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116-117 beschrieben.
-
Insbesondere
bei Sprungsonden aber auch bei anderen Arten von Sensorelementen,
bei welchen das Potential einer abgasseitigen Elektrode relativ
zu einer sauerstoffbespülten Referenzelektrode gemessen
wird, werden in der Regel allein für diese Messung zwei
Anschlussleitungen für das Sensorelement benötigt.
Zusätzlich werden in der Regel zwei weitere Anschlussleitungen
für die Beheizung verwendet, so dass in Summe häufig
vier Kabel benötigt werden. Ein Betrieb der Sensorelemente
ohne Heizelement kommt in vielen Fällen nicht in Frage,
da unbeheizte Sonden in manchen Fahrtzuständen zu kalt sind,
um verwertbare Signale zu liefern. Die Anzahl der Anschlussleitungen
bzw. Kabel des Sensorelements ist jedoch für den Preis
der Sensorelemente ein wesentlicher Faktor. Es bestehen daher Bestrebungen,
die Anzahl der Anschlusskontakte zu reduzieren. So beschreibt
DE 10 2005 003 813
A1 beispielsweise ein Sensorelement, bei welchem die Messung
der Nernst-Spannung relativ zu einer Fahrzeugmasse durchgeführt
wird, wenn die Referenzelektrode mit der Masse verbunden ist. Dabei
kann die Sprungsonde derart betrieben werden, dass eine Heizerversorgung über
dasselbe Kabel geführt wird wie einer der beiden Anschlüsse
der Nernstzelle, wobei das Signal getaktet ausgewertet wird. Dies
ermöglicht den Betrieb einer beheizten Sprungsonde mit
drei Kabeln bzw. Anschlüssen. Nach wie vor besteht jedoch,
auch bei dem in
DE
10 2005 003 813 A1 dargestellten Sensorelement, ein Bedarf
für weitere Einsparungen, um die Kosten der Sensorelemente weiter
zu verringern.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Auslesen
der Nernstspannung und die Sondenbeheizung über dasselbe,
vorzugsweise einzige, Anschlusskabel zu betreiben und die Beheizung
bzw. das Auslesen relativ zu einer Masse, insbesondere einer Fahrzeug-Masse
durchzuführen. Dementsprechend werden erfindungsgemäß ein
Sensorelement sowie eine das Sensorelement umfassende Sensoranordnung
vorgeschlagen, welche die Anzahl der Kontakte, mittels derer das Sensorelement
kontaktiert werden muss, insbesondere die Anzahl der Kabel und/oder
Zuleitungen, erheblich reduziert werden kann, bis hin zu einem einzigen
Kabel.
-
Das
Sensorelement dient der Bestimmung mindestens einer physikalischen
Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Insbesondere kann das
Sensorelement ausgestaltet sein, um eine Konzentration und/oder
einen Partialdruck einer Gaskomponente in einem Gas in dem Messgasraum
zu bestimmen, insbesondere einer Sauerstoffkonzentration bzw. einen
Sauerstoffpartialdruck. Besonders bevorzugt ist das Sensorelement
einsetzbar im Abgas einer Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen, nachzuweisende
Gaskomponenten und Einsatzzwecke sind jedoch denkbar, wobei beispielsweise
auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden
kann.
-
Das
Sensorelement weist mindestens eine erste Elektrode, mindestens
eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und
die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf. Der Festelektrolyt
kann beispielsweise ein Sauerstoffionen-leitender Festelektrolyt
sein, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ).
Auch andere Festelektrolytmaterialien sind jedoch einsetzbar. Die
Elektroden können beispielsweise Cermet-Elektroden umfassen,
beispielsweise Platin-Cermet-Elektroden. Die mindestens zwei Elektroden
und der Festelektrolyt können dabei eine Nernstzelle bilden.
-
Weiterhin
weist das Sensorelement mindestens ein Heizelement auf. Dieses Heizelement
kann beispielsweise eine mäanderförmige Bahn von
Heizwiderständen umfassen. Das Heizelement kann insbesondere
ausgestaltet sein, um das Sensorelement auf eine optimale Betriebstemperatur
aufzuheizen, beispielsweise eine Temperatur zwischen 500°C
und 800°C. Das Heizelement weist mindestens zwei Heizkontakte
auf. Mindestens ein erster Heizkontakt dieser Heizkontakte und die
erste Elektrode sind über eine gemeinsame Anschlussleitung
kontaktierbar. Diese gemeinsame Anschlussleitung ist vorzugsweise
in einem keramischen Schichtaufbau des Sensorelements integriert,
so dass diese mittels eines einzigen externen Anschlusses kontaktiert
werden kann. Mindestens ein zweiter Heizkontakt der Heizkontakte und
die zweite Elektrode sind mit einer gemeinsamen Masseleitung verbunden.
Auch diese gemeinsame Masseleitung kann beispielsweise vollständig
in dem keramischen Schichtaufbau integriert sein und kann beispielsweise
mit einem Gehäuse des Sensorelements, beispielsweise einem
metallischen Gehäuse, kontaktiert werden, so dass eine
externe Kontaktierung dieser Masseleitung durch einen Kontakt bzw. ein
Kabel nicht erforderlich ist. Eine derartige externe Kontaktierung
ist jedoch ebenfalls möglich. Im Gegensatz zum Stand der
Technik ist also vorzugsweise das Heizelement, insbesondere ein
oder mehrere Heizmäander des Heizelements, zur Nernstzelle
parallel geschaltet. Hierdurch lassen sich Zuleitungen einsparen,
so dass das Sensorelement letztendlich mit lediglich einer Zuleitung
betrieben werden kann.
-
Vorzugsweise
steht die erste Elektrode mit dem Messgasraum in Verbindung, beispielsweise
direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht, beispielsweise
poröses Aluminiumoxid. Die zweite Elektrode steht vorzugsweise
mit einem von dem Messgasraum getrennten Referenzgasraum in Verbindung.
Auf diese Weise können die erste Elektrode und die zweite
Elektrode, gemeinsam mit dem Festelektrolyten, eine Nernstzelle
bilden, bei welcher das Potential der ersten Elektrode mit dem Potential
der zweiten Elektrode in dem Referenzgasraum verglichen wird. Dabei
kann der Referenzgasraum beispielsweise einen mit einer Arbeitsumgebung
verbundenen Referenzgaskanal umfassen. Beispielsweise kann die Arbeitsumgebung
einen Motorraum umfassen, in welchem Luft unter Normalbedingungen
vorliegt. Auch andere Ausgestaltungen des Referenzgasraumes sind
jedoch möglich. So kann beispielsweise ein abgeschlossener
Referenzgasraum verwendet werden, also ein Referenzgasraum, welcher
nicht oder nicht wesentlich mit Gas aus dem Messgasraum und/oder
einer Arbeitsumgebung beaufschlagt wird. In diesem Fall kann beispielsweise eine
Referenzatmosphäre innerhalb des abgeschlossenen Referenzgasraumes
dadurch aufrechterhalten bzw. herbeigeführt werden, dass
dieser Referenzgasraum als „gepumpte Referenz” betrieben
wird, wie beispielsweise aus dem eingangs beschriebenen Stand der
Technik bekannt ist. Zu diesem Zweck kann das Sensorelement beispielsweise
mindestens eine weitere Pumpelektrode umfassen. Diese weitere Pumpelektrode,
welche auch ganz oder teilweise identisch sein kann mit der ersten
Elektrode, kann beispielsweise in einem von dem Referenzgasraum räumlich
getrennten Referenzgaskanal angeordnet sein, um, gemeinsam mit der
zweiten Elektrode in dem Referenzgasraum, beispielsweise gesteuert durch
eine entsprechende Regelung in dem Referenzgasraum eine bestimmte
Atmosphäre (beispielsweise λ = 1) herbeizuführen.
-
Besonders
bevorzugt ist es, wenn zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen
Anschlussleitung mindestens ein Vorwiderstand, beispielsweise ein
ohmscher Vorwiderstand, vorgesehen ist. Dieser Vorwiderstand kann
vollständig in das keramische Sensorelement integriert
sein, beispielsweise in einen Schichtaufbau dieses Sensorelements.
Alternativ oder zusätzlich ist jedoch grundsätzlich
auch eine Ausgestaltung des Vorwiderstands außerhalb des
Schichtaufbaus denkbar.
-
Im
Fall der Verwendung des mindestens einen Vorwiderstands, insbesondere
bei zumindest teilweise in dem Schichtaufbau integriertem Vorwiderstand,
ist das Heizelement zur Nernstzelle und dem Vorwiderstand parallel
geschaltet. Der Vorwiderstand dient dazu, bei dieser Parallelschaltung
eine Schädigung der Nernstzelle zu vermeiden, insbesondere
bei einer getakteten Betriebsweise des Sensorelements, wie sie unten
näher beschrieben wird. Vorzugsweise weist die Nernstzelle,
welche die erste Elektrode, den Festelektrolyten und die zweite
Elektrode umfasst, einen Nernstzellenwiderstand auf. Der Vorwiderstand
ist in diesem Fall vorzugsweise derart gewählt, dass dieser
im Betrieb des Sensorelements, das heißt beispielsweise
bei typischen Betriebstemperaturen des Sensorelements, den 2- bis
10-fachen Betrag, vorzugsweise den ca. 6-fachen Betrag, des Nernstzellenwiderstands
aufweist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der überwiegende
Anteil der am Heizelement abfallenden Spannung, welcher aufgrund
der beschriebenen Parallelschaltung auch an dem parallelen, die
Nernstzelle und den Vorwiderstand umfassenden Zweig abfällt,
am Vorwiderstand anliegt, so dass eine Schädigung der Nernstzelle
vermieden wird.
-
Vorteilhafterweise
kann jedoch auf den zusätzlichen Vorwiderstand auch gänzlich
verzichtet werden, insbesondere wenn der ohmsche Widerstand der
Nernstzelle selbst hinreichend groß ausgelegt wird. Dies
kann beispielsweise über eine ausreichende Dicke des Festelektrolyten,
beispielsweise des ZrO2-Materials, und/oder
durch dessen Zusammensetzung erreicht werden. Der Widerstand sollte mindestens
so groß gewählt werden, dass insbesondere nach
Erreichen der Betriebstemperatur ein ausreichend großer
Anteil der Heizspannung an dem Festelektrolyten, beispielsweise
der ZrO2-Keramik, abfällt und nur
so wenig an der Grenzfläche zwischen dem Festelektrolyt
und der Elektrode bzw. den Elektroden, dass keine Schädigung
auftritt.
-
Weiterhin
wird eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen
Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche
mindestens ein Sensorelement nach einem oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
umfasst. Weiterhin umfasst die Sensoranordnung mindestens eine Steuerung,
welche beispielsweise ganz oder teilweise in ein Motorsteuerungsgerät
eines Kraftfahrzeugs integriert sein kann. Auch eine separate Steuerung
ist jedoch möglich. Dabei kann die Steuerung eingerichtet
sein, um das im Folgenden beschriebene Verfahren zum Betrieb des
Sensorelements durchzuführen, so dass neben der beschriebenen
Steuerung und der Sensoranordnung auch ein derartiges Betriebsverfahren zum
Betreiben des Sensorelements erfindungsgemäß vorgeschlagen
wird. Die Steuerung kann beispielsweise ganz oder teilweise mittels
einer Datenverarbeitungseinrichtung durchgeführt werden
und kann entsprechende programmtechnische Schritte umfassen, welche
beispielsweise mittels eines geeigneten Computerprogramms implementiert
sind.
-
Die
Steuerung ist eingerichtet, um die Anschlussleitung wahlweise mit
einer elektrischen Energiequelle oder einer Messvorrichtung zu verbinden. Für
dieses wahlweise Verbinden können beispielsweise ein oder
mehrere Schalter vorgesehen sein, so dass insbesondere eine entweder-
oder -Verbindung hergestellt werden kann. Die elektrische Energiequelle
kann beispielsweise eine Spannungs- und/oder Stromquelle umfassen.
Beispielsweise kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Anschlussleitung
mit einem elektrischen Pluspol der elektrischen Energiequelle zu
verbinden. Die Messvorrichtung kann insbesondere eine elektrische Messvorrichtung
umfassen, insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine
Strommessvorrichtung.
-
Während
die oben beschriebene Sensoranordnung mit den ersten und zweiten
Elektroden, dem Festelektrolyten, der Anschlussleitung und der Masseleitung
vorzugsweise als monolithisches Sensorelement ausgestaltet ist,
also als ein einziger keramischer Schichtaufbau, ist die Steuerung
vorzugsweise separat zu diesem Schichtaufbau ausgestaltet. Zu diesem
Zweck kann die Steuerung beispielsweise über ein oder mehrere
Anschlussleitungen bzw. Kabel mit dem Sensorelement verbunden sein.
Wie oben beschrieben, wird dabei vorzugsweise lediglich ein einzelnes
Kabel verwendet, um die Steuerung mit der Anschlussleitung zu verbinden,
wohingegen die Masseleitung mit einer Masse des Sensorelements verbunden
ist. Diese Masse, welche beispielsweise ein Sensorgehäuse
umfassen kann, kann beispielsweise mit einem Motorblock oder der
Masse eines Kraftfahrzeugs verbunden sein.
-
Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Steuerung derart eingerichtet ist, dass
in mindestens einer Heizphase die Anschlussleitung mit der elektrischen Energiequelle
verbunden ist und in mindestens einer Messphase mit der Messvorrichtung.
Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um aus mindestens
einem Signal der Messvorrichtung auf die physikalische Eigenschaft
des Gases, insbesondere auf eine Sauerstoffkonzentration bzw. einen
Sauerstoffpartialdruck, zu schließen. Dieser Auswertungsvorgang
kann absolut erfolgen, indem das absolute Signal der Messvorrichtung
beispielsweise analytisch, empirisch oder semiempirisch mit der
physikalischen Eigenschaft korreliert wird, beispielsweise über
entsprechende Auswertungsfunktionen, Tabellen, Korrelationskurven
oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann
jedoch auch beispielsweise eine Zweipunktregelung verwendet werden,
bei welcher der Auswertungsschritt lediglich darin besteht, dass
festgestellt wird, ob sich beispielsweise ein Gasgemisch in einem
fetten Zustand oder in einem mageren Zustand befindet. In diesem
Fall ist die Auswertung also eine digitale Auswertung, welche anstelle
eines absoluten Messwertes lediglich eine Fett/Mager-Information
liefert.
-
Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Sensorelement getaktet betrieben wird.
Dabei erfolgt das Auslesen der Nervst-Spannung vorzugsweise in einer
Zeit zwischen zwei Heiztakten. Dementsprechend kann zwischen Heizphasen
und Messphasen abwechselnd hin- und hergeschaltet werden. Dabei können
beispielsweise die Heizphasen länger ausgestaltet sein
als die Messphasen. Auch variable zeitliche Langen der Phasen sind
denkbar, beispielsweise im Rahmen einer Pulsweitenmodulation.
-
Da
bei der Parallelschaltung des Heizelements der Nernstzelle trotz
des Vorwiderstands in der Regel eine nicht unerhebliche Spannung
an der Nernstzelle abfällt, kann unter Umständen
während der Heizphase aufgrund von Pumpeffekten durch die Nernstzelle
eine Veränderung der Gasgemischzusammensetzung in dem Referenzgasraum
auftreten. Beispielsweise kann, wenn ein Referenzgaskanal verwendet
wird, der Nachstrom bzw. der Abstrom aus dem Bereich um die zweite
Elektrode begrenzt sein, so dass durch das Pumpen der Referenzgaskanal entleert
wird bzw. der Sauerstoffpartialdruck im Referenzgaskanal im Bereich
der zweiten Elektrode sinkt. Dieser Effekt kann dadurch vermindert
werden, dass das Heizelement mit wechselnder Polarität
betrieben wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung
eingerichtet sein, um in aufeinander folgenden Heizphasen das Heizelement
mit wechselnder elektrischer Polarität zu betreiben.
-
Auf
diese Weise lassen sich also, durch Implementierung der erfindungsgemäßen
Idee, ein Sensorelement und eine Sensoranordnung herstellen, welche äußerst
einfach im Aufbau sind und welche gleichzeitig dennoch eine zuverlässige
und kontrollierbare Referenz für eine Messung des Nernstpotentials
bereitstellen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung mit einer einzigen Zuleitung und einem Referenzluftkanal.
-
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 110 schematisch dargestellt. Die Sensoranordnung 110 umfasst ein
Sensorelement 112 und eine Steuerung 114, welche über
eine einzelne Zuleitung 116 miteinander verbunden sind.
Das Sensorelement 112 umfasst ein in 1 symbolisch
angedeutetes Gehäuse 118, welches beispielsweise
mit einer Masse 120 eines Kraftfahrzeugs verbunden sein
kann. In dem Gehäuse ist das eigentliche aktive Sensorelement
als keramischer Schichtaufbau 122 integriert. Für
mögliche Gehäuseformen 118, insbesondere
Bauformen und weitere Details, kann beispielsweise auf Robert Bosch
GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 1. Ausgabe,
2001, Seiten 112 bis 115 verwiesen werden.
-
Das
Sensorelement 112 bzw. der keramische Schichtaufbau 122 umfassen
eine erste Elektrode 124, einen Festelektrolyten 126 und
eine zweite Elektrode 128. Während die erste Elektrode 124 mit einem
Messgasraum 130, beispielsweise einem Abgastrakt einer
Brennkraftmaschine, in Verbindung steht, in welchem eine Sauerstoffkonzentration
bzw. ein Sauerstoffpartialdruck ermittelt werden soll, ist die zweite
Elektrode 128 in einem Referenzgasraum 132 angeordnet.
Dieser Referenzgasraum 132 ist in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel Teil eines Referenzluftkanals 134, über
welchen der Referenzgasraum 132 beispielsweise mit einem
Motorraum, welcher vom Messgasraum 130 getrennt ist, in
Verbindung steht. Der Referenzluftkanal 134 kann beispielsweise
als offener Kanal oder als mit einem gasdurchlässigen,
porösen Medium (beispielsweise einem offenporigem Aluminiumoxid)
gefüllter Referenzluftkanal ausgestaltet sein. Die Verbindung
zwischen dem Referenzluftkanal 134 und der Arbeitsumgebung,
insbesondere dem Motorraum, ist in 1 nicht
dargestellt.
-
Weiterhin
umfasst das Sensorelement 112 in dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ein Heizelement 136. Dieses
Heizelement 136 dient dazu, das Sensorelement 112 auf
eine optimale Betriebstemperatur zu regeln, beispielsweise um eine
Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 126 einzustellen
und um eine ausreichende Robustheit gegen Schadstoffe aus dem Abgas
sicherzustellen.
-
Die
beiden Elektroden 124 und 128 und der diese Elektroden
verbindende Festelektrolyt 126 bilden gemeinsam eine Nernstzelle 138.
Während die erste Elektrode 124, welche direkt
oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht (beispielsweise
eine offenporige Aluminiumoxid-Schicht, welche in 1 nicht
dargestellt ist) mit dem Messgasraum 130 in Verbindung
steht, wird die zweite Elektrode 128 über den
Referenzluftkanal 134 mit einer definierten Gaszusammensetzung
beaufschlagt. Die Nernstzelle 138 verfügt somit über
eine erste Nernstzellen-Zuleitung 140, welche beispielsweise
als Leiterbahn auf der Oberseite des keramischen Schichtaufbaus 122 angeordnet
ist und welche die erste Elektrode 124 kontaktiert, und
eine zweite Nernstzellen-Zuleitung 142, welche beispielsweise
in dem Referenzluftkanal 134 angeordnet ist und welche
die zweite Elektrode 128 kontaktiert.
-
Entsprechend
verfügt das Heizelement 136, welches beispielsweise
als Heizmäander ausgestaltet ist oder beispielsweise mindestens
einen Heizmäander umfasst, über einen ersten Heizkontakt 144 und
einen zweiten Heizkontakt 146. Die Heizkontakte 144, 146 und
die Nernstzellen-Zuleitungen 140, 142 können
beispielsweise als gedruckte leitfähige Bahnen in dem Schichtaufbau 122 realisiert
sein und können zusätzliche, in 1 nicht
dargestellte Isolationsschichten umfassen.
-
Erfindungsgemäß sind
bei dem Sensorelement 112 in 1 die zweite
Nernstzellen-Zuleitung, welche die als Referenzelektrode fungierende
zweite Elektrode 128 kontaktiert, und der zweite Heizkontakt 146 mit
einer gemeinsamen Masseleitung 148 verbunden. Diese Zusammenfassung
der Leitungen 142 und 146 kann noch innerhalb
des Schichtaufbaus 122 erfolgen oder kann auch außerhalb
dieses Schichtaufbaus, jedoch innerhalb des Gehäuses 118,
erfolgen. Eine Zusammenfassung innerhalb des Schichtaufbaus ist
beispielsweise durch Verwendung entsprechender Durchkontaktierungen
möglich. In 1 ist symbolisch eine Zusammenfassung
zur gemeinsamen Masseleitung 148 außerhalb des
keramischen Schichtaufbaus 122 angedeutet. Die Masseleitung 148 kann
beispielsweise mit der Masse 120 verbunden sein, welche
beispielsweise wiederum ihrerseits mit dem Gehäuse 118 verbunden
sein kann.
-
In
die erste Nernstzellen-Zuleitung 140 ist ein Vorwiderstand 150 integriert.
Dieser Vorwiderstand 150 kann beispielsweise Bestandteil
des keramischen Schichtaufbaus 122 sein oder kann, alternativ oder
zusätzlich und wie in 1 dargestellt,
auch außerhalb des keramischen Schichtaufbaus 122 reali siert
sein. Ohmsche Widerstände lassen sich beispielsweise durch
entsprechende Druckschichten erzeugen, beispielsweise durch keramische
Druckschichten oder ähnliche Materialien. Auch eine Verteilung
des Vorwiderstands 150 auf mehrere Teilwiderstände,
welche beispielsweise in Reihe geschaltet sein können,
ist denkbar. Alternativ kann anstelle des Vorwiderstands 150 auch,
wie oben ausgeführt, der Widerstand der Nernstzelle 138,
beispielsweise durch Wahl einer geeigneten Geometrie und/oder durch
Wahl einer geeigneten Materialzusammensetzung und/oder durch eine
geeignete Betriebstemperatur, hinreichend groß gewählt
werden.
-
Die
erste Nernstzellen-Zuleitung 140 und der erste Heizkontakt 144 sind
mit einer gemeinsamen Anschlussleitung 152 verbunden. Auch
diese Verbindung der Leitungen 140, 144 zur gemeinsamen
Anschlussleitung 152 kann beispielsweise wiederum innerhalb
des keramischen Schichtaufbaus 122 erfolgen, beispielsweise
wiederum durch Verwendung entsprechender Durchkontaktierungen. In
diesem Fall ist der Vorwiderstand 150 vorzugsweise Bestandteil
des keramischen Schichtaufbaus 122. Alternativ kann, wie
in 1 angedeutet, die Verbindung mit der gemeinsamen
Anschlussleitung 152 auch außerhalb des keramischen
Schichtaufbaus 122 erfolgen, wie in 1 angedeutet.
-
Das
Sensorelement 112 verfügt also in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel lediglich über einen einzigen
Anschlusskontakt, welcher symbolisch mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet
ist und welcher mit der Anschlussleitung 152 verbunden
ist. Der Anschlusskontakt 154 kann wiederum mit der Zuleitung 116 verbunden
sein, welche das Sensorelement 112 mit der Steuerung 114 verbindet.
-
Innerhalb
der Steuerung ist ein Schalter 156 vorgesehen, über
welchen die gemeinsame Anschlussleitung 152 wahlweise mit
einer elektrischen Energiequelle 158 oder mit einer Messvorrichtung 160 verbindbar
ist. Der Schalter 156 kann beispielsweise ein durch eine
elektronische Steuervorrichtung, beispielsweise einen Mikrocontroller,
gesteuerter Schalter sein. Die elektrische Energiequelle 158 kann
beispielsweise eine Spannungsquelle umfassen, beispielsweise eine
Spannungsquelle mit einer konstanten Spannung von ca. 11 V, wobei über
den Schalter 156 die Anschlussleitung 152 beispielsweise
mit einem Pluspol dieser Spannungsquelle verbindbar ist.
-
Die
Messvorrichtung 160 kann, wie in 1 gezeigt,
beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung umfassen, welche in 1 symbolisch
angedeutet ist. Beispielsweise kann die Spannung über einem
Messwiderstand (in 1 nicht gezeigt) gemessen werden.
Die Messvorrichtung 160 kann auf ihrer dem Schalter 156 gegenüberliegenden
Seite beispielsweise mit einer Masse 120 verbunden sein.
-
Bei üblichen,
dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelementen, wird die Nernst-Spannung
an der Nernstzelle 138 üblicherweise zwischen
der als Nernstelektrode fungierenden ersten Elektrode 124 und
der als Referenzelektrode fungierenden zweiten Elektrode 128 abgegriffen und
ein Sollwert für λ = 1 beispielsweise auf 450
mV festgelegt. Die Referenzelektrode liegt dabei auf Zirkonoxid
und befindet sich in dem Referenzluftkanal 134 oder wird
als gepumpte Referenz betrieben. Bei üblichen Sensorelementen
verfügt das Heizelement 136 über zwei
separate Anschlüsse. Insgesamt muss das Sensorelement also
mit vier Kontakten bzw. Anschlüssen kontaktiert werden.
-
Das
erfindungsgemäße Sensorelement 112 in 1 ist
demgegenüber derart ausgelegt, dass dieses ausschließlich
mit der einzigen Zuleitung 116 kontaktiert werden kann.
Der Heizerstromkreis des Heizelements 136 verfügt
lediglich über ein einzelnes Anschlusskabel, und der Strom
fließt vom Pluspol der Energiequelle 158 über
das Heizelement 136 zur Fahrzeugmasse 120. Parallel
zum Heizmäander des Heizelements 136 ist die Nernstzelle 138 und
der zu ihr in Reihe liegende Vorwiderstand 150 geschaltet.
-
Vorzugsweise
ist der Heizmäander des Heizelements 136 möglichst
hochohmig ausgeführt, beispielsweise mit einem Heizwiderstand
von 30 Ohm. Damit lasst sich bei einer Spannung von beispielsweise
10,7 V eine Heizleistung von ca. 3,8 W in das Heizelement 136 einspeisen,
von denen durch niederohmige Auslegung der Zuleitung (das heißt
der Leitungen 144, 146, 148 und 116)
ein möglichst großer Anteil am Mäander,
also am eigentlichen Heizwiderstand, des Heizelements 136 abfallen
sollte.
-
Vorzugsweise
weist die Nernstzelle 138 einen Nernstzellenwiderstand
auf und das Heizelement 136 einen Heizerwiderstand. Dabei
sind Heizerwiderstand und Nernstzellenwiderstand derart gewählt,
dass bei der Betriebstemperatur der Heizerwiderstand zumindest näherungsweise
(d. h. beispielsweise mit einer Abweichung von nicht mehr als 20%) ein
Fünftel des Nernstzellenwiderstands, zuzüglich des
Widerstands des optional vorhandenen Vorwiderstands 150,
beträgt.
-
Da
das Sensorelement 112 lediglich über den einzigen
Anschlusskontakt 154 verfügt, und das die Nernstzelle 138 und
das Heizelement 138 parallel geschaltet sind, sollte die
Ansteuerung der Sensoranordnung 110 mittels der Steuerung 114 getaktet
erfolgen. Zu diesem Zweck kann, beispielsweise softwaregesteuert,
der Schalter 156 getaktet hin- und hergeschaltet werden,
so dass beispielsweise jeweils in Heizphasen der Schalter 156 in
der in 1 gezeigten Stellung steht, wohingegen in Messphasen der
Schalter 156 derart geschaltet ist, dass die Zuleitung 116 mit
der Messvorrichtung 160 verbunden ist. Die Heiz- und Messphasen
können dabei gleich- oder unterschiedlich lang ausgestaltet
sein. Auch eine variable Ausgestaltung ist möglich, beispielsweise
in Form einer lediglich bedarfswei sen Zwischenschaltung einer oder
mehrerer Messphasen zwischen eine oder mehrere längere
Heizphasen.
-
Damit
keine Auskühlung des Heizelements 136 erfolgt,
insbesondere in den Messphasen, wird bei einer getakteten Schaltung
vorzugsweise ein hohes Tastverhältnis, also ein hohes Verhältnis
zwischen den Heizphasen und den Messphasen, gewählt. Beispielsweise
lassen sich Tastverhältnisse zwischen 20% und 50% wählen.
Außerdem kann das Gehäuse 118 als Schutzrohr
ausgestaltet sein, welches geschlossen ausgeführt sein
kann.
-
Die
Nernstzelle 138 sollte bei Verwendung des Vorwiderstands 150 einen
möglichst geringen Gleichstromwiderstand aufweisen, beispielsweise maximal
20 Ohm. Der Vorwiderstand 150 der Nernstzelle 138 sollte
etwa sechsmal so groß sein wie der Nernstzellenwiderstand
der Nernstzelle 138, also beispielsweise 120 Ohm betragen.
Während der Heizphasen, also dem Takt, in welchem das Heizelement 136 beaufschlagt
wird, fallen somit bei dem obigen Ausführungsbeispiel ca.
11 V über dem Heizmäander des Heizelements 136 ab.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Parallelschaltung
fällt die gleiche Spannung über der Nernstzelle 138 und
dem Vorwiderstand 150 ab. Mit den erwähnten Widerstandsverhältnissen
fallen dabei bei Betriebstemperatur ca. 1,5 V über der
Nernstzelle 138 ab, die übrige Spannung am Vorwiderstand 150.
Bei dieser Spannung findet noch keine Schädigung der Nernstzelle 138,
insbesondere des Zirkonoxids des Festelektrolyten 126, statt.
Vor einem Erreichen der Betriebstemperatur ist der Zirkonoxidwiderstand
und damit der Nernstzellenwiderstand noch höher, und es
fällt mehr Spannung über dem Volumen des Festelektrolyten 126 ab. Die
Grenzfläche zwischen den Elektroden 124, 128, also
beispielsweise den Platinelektroden, und dem Festelektrolyten 126 erfährt
jedoch keinen bedeutend größeren Spannungsabfall
während dieser Aufheizphase. Eine Schädigung durch
zu hohe Spannung tritt jedoch in der Regel an diesen Grenzflächen auf,
indem dort Zirkonoxid reduziert wird und metallisches Zirkon entsteht,
was zu einer Braunfärbung des Sensorelements 112 bzw.
des keramischen Schichtaufbaus 122 und einem elektrischen
Nebenschluss führen kann. Dies wird jedoch aufgrund des überwiegenden
Spannungsabfalls im inneren Volumen des Festelektrolyten 126 vorliegend
nicht der Fall sein.
-
Zwischen
zwei aufeinander folgenden Heizphasen liegt vorzugsweise keine externe
Spannung am Heizmäander des Heizelements 136 und
an der Nernstzelle 138 an. In diesem Zeitraum kann die Nernstspannung
und damit die Abgaszusammensetzung ermittelt werden. Falls ein fettes
Abgas im Messgasraum 130 vorliegt, erzeugt die Nernstzelle 138 eine
Spannung von ca. 800 mV. Diese Spannung resultiert in einem Stromfluss über
den Vorwiderstand 150 und den Heizmäander, welcher
I = 0,8 V/(30 Ohm + 20 Ohm + 120 Ohm) = 4,7 mA beträgt. Ein
Strom dieses Betrags kann problemlos von der Nernstzelle 138 geliefert
werden.
-
Um
ein „Leerpumpen” des Referenzluftkanals 134 bzw.
eine messbare Änderung der Zusammensetzung der Atmosphäre
in diesem Referenzluftkanal 134 zu vermeiden, sollte dieser
Referenzluftkanal 134 mit einem hohen Speichervolumen und/oder einem
hohen Grenzstrom ausgestattet sein. Alternativ oder zusätzlich
kann in einer weiteren Ausführungsform das Heizelement 136 durch
geeignete Ausgestaltung der elektrischen Energiequelle 158 und/oder
durch einen zusätzlichen Umpolschalter in der Steuerung 114 derart
betrieben werden, dass das Heizelement 136 mit einer wechselnden
Polarität beaufschlagt wird. Auch auf diese Weise lässt
sich eine Entleerung des Referenzluftkanals 134 vermeiden. Vorzugsweise
wird bei einer derartigen Beaufschlagung mit wechselnden Polaritäten
die positive Polarität länger an das Heizelement 136 angelegt,
um den Referenzgasraum 132 geringfügig „aufzupumpen”, das
heißt mit einem erhöhten Sauerstoffpartialdruck zu
beaufschlagen. Bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform wird der erste Heizkontakt 144 vorzugsweise
mit dem Pluspol der elektrischen Energiequelle 158 verbunden,
so dass der Referenzluftkanal 134 gefüllt wird,
da ansonsten der fließende Strom von I = (1,5 V)/20 Ohm
= 80 mA eine Verschiebung des Elektrodenpotentials der als Referenzelektrode fungierenden
zweiten Elektrode 128 provozieren könnte (Continuous
Shift Down, CSD).
-
Bei
dem oben beschriebenen Stromfluss von 4,7 mA beträgt der
Spannungsabfall über dem Heizmäander des Heizelements 136 U
= 4,7 mA·30 Ohm = 141 mV. Dieser Spannungsabfall kann mittels
der Messvorrichtung 160 zwischen dem ersten Heizkontakt 144 und
der Masse 120 detektiert werden. Falls eine magere Abgaszusammensetzung
vorliegt, so wird hierbei eine Spannung von ca. U = 0 mV gemessen.
-
Die
gegebenenfalls auf der Fahrzeugmasse 120 anliegenden Störspannungen
betragen typischerweise bis zu ca. 50 mV. Applikationsspezifisch muss
dieser Wert abgesichert werden. Falls dieser Wert der Störspannungen
in den Bereich der mittels der Messvorrichtung 160 zu messenden
Spannungen kommt, müssen die oben beschriebenen Widerstandswerte,
insbesondere der Wert des Vorwiderstands 150, anders dimensioniert
werden.
-
Bei
dem oben beschriebenen alternativen Verfahren ohne Vorwiderstand 150 beträgt
der innere Widerstand der Nernstzelle 138 beispielsweise
140 Ω. Dann ergeben sich zumindest näherungsweise dieselben
Spannungen wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel
mit Vorwiderstand 150.
-
Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das
Sensorelement 112 als Sensorelement mit Referenzluftkanal 134 ausgestaltet.
Wie oben beschrieben, kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch
eine gepumpte Referenz verwendet werden. Bei einer derartigen gepumpten
Referenz kann die Polung der Nernstzelle 138 derart ausgeführt
sein, dass während der Heizphasen, in denen beispielsweise
1,5 V an der Nernstzelle 138 anliegen können, der
Referenzgasraum 132 mit Sauerstoff aufgepumpt wird. Dies
bedeutet, dass die erste Elektrode 124 bzw. eine zusätzliche
Pumpelektrode, welche für die Befüllung des Referenzgasraums 132 verwendet wird,
als Anode betrieben werden sollte, also mit einem Minuspol einer
Pumpspannungsquelle verbunden sein sollte.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 0678740
B [0005]
- - DE 102005003813 A1 [0006, 0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, S. 112-115 [0003]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”,
2001, S. 116-117 [0005]
- - Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”,
1. Ausgabe, 2001, Seiten 112 bis 115 [0024]