DE102008007238A1

DE102008007238A1 - Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102008007238A1
Application number: DE200810007238
Authority: DE
Inventors: Thomas Seiler; Bernhard Kamp; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2009-08-06

Abstract

Verfahren zum Abgleichen eines Sensorelements für eine Sonde zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere für eine planare Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, wobei das Sensorelement eine Pumpzelle mit zwei auf einem ionenleitenden Festelektrolyten (110) angeordneten Pumpelektroden (140, 150, 170) aufweist, von denen eine äußere Pumpelektrode (150) dem Gasgemisch aussetzbar und eine innere Pumpelektrode (140) durch eine poröse Diffusionsbarriere (120) von dem Gasgemisch getrennt und in einem Hohlraum (130) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Pumpelektrode (150, 170) ein Gasgemisch vorgebbarer, definierter Zusammensetzung eingestellt wird, dass daraufhin durch die auf der der Abgasseite abgewandten Seite der Diffusionsbarriere (120) angeordnete Pumpelektrode (140) die zu bestimmende Gaskomponente umgesetzt wird und dass aus dem hierbei resultierenden Pumpstrom und/oder dem zeitlichen Verlauf des Pumpstroms auf einen Abgleichwert geschlossen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorelements nach der Gattung des Anspruchs 1.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
Elektrochemische Gassensoren in Form von Lambda-Sonden werden in großer Zahl in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um für die Motorsteuerung Signale über die Abgaszusammensetzung bereitstellen zu können. Auf diese Weise kann der Motor so betrieben werden, dass die Abgase eine optimale Zusammensetzung für die Nachbehandlung mit im Abgassystem heute üblicherweise vorhandenen Katalysatoren aufweisen.
In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter gattungsgemäßer Gassensor dargestellt. Das Sensorelement 100 weist ein Gaszutrittsloch 115 auf, durch welches Abgas einströmt und durch eine Diffusionsbarriere 120 in einen Messraum 130 gelangt. Eine erste Elektrode, auch als Außenelektrode oder äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet, ist an der Außenseite des Festelektrolyten 110 und unter einer porösen Schutzschicht 155 angeordnet dem Abgas einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine ausgesetzt. In dem Messraum ist eine zweite Elektrode, auch als Innenelektrode oder innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet.
Zwischen die innere Pumpelektrode 140 und die äußere Pumpelektrode 150 wird eine Pumpspannung U_pump angelegt, sodass ein Pumpstrom I_pump fließt. In dem Festelektrolyten 110 ist ferner eine in eine Isolationsschicht 162 eingebettete Heizung 160 angeordnet. Durch diese Heizung 160 wird das Sensorelement auf eine Temperatur erwärmt, die eine optimale Funktion des Sensorelements 100 gestattet.
Das Kernelement einer derartigen Breitband-Lambdasonde ist der auch als Hohlraum bezeichnete Messraum 130, der durch die gasdurchlässige Diffusionsbarriere 120 begrenzt wird. Die durch diese Barriere eindiffundierende Sauerstoff- oder Fettgasmenge wird entweder anhand des Grenzstroms (Einzeller) oder mittels des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf Lambda = 1 notwendigen Pumpstroms (Doppelzeller) gemessen. Der fließende Messstrom ist proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas. Der Proportionalitätsfaktor ist eine Funktion der Porosität und Geometrie der Diffusionsbarriere und damit deren Diffusionswiderstands.
Wegen drucktechnisch bedingter Streuungen besitzt jeder derartige Sensor einen individuellen Proportionalitätsfaktor. Um dennoch für alle Sonden die gleiche Kennlinie, d. h. den gleichen Messstrom bei einer bestimmten Abgaszusammensetzung zu erhalten, ist ein Abgleichwiderstand 180 vorgesehen, der dem Messwiderstand 190 parallel geschaltet ist und bevorzugt im Gehäuse des Steckers der Sonde angeordnet ist. Die Einstellung eines jeweils jeder Sonde zugeordneten Abgleichwiderstands 180 bedeutet einen hohen verfahrenstechnischen Aufwand. Außerdem entstehen hierdurch Kosten durch eine zusätzlich benötigte Anschlussleitung.
Der Abgleich derartiger Breitband-Lambdasonden findet am Bandende im Werk statt. Unter bestimmten Umständen, beispielsweise im Schubzustand bei Diesel-Fahrzeugen, kann ein Abgleich auch im Feldbetrieb erfolgen.
Hierbei wird der Verbrennungsmotor mit Luft bespült und der somit bei einer bekannten Gaskonzentration ermittelte Proportionalitätsfaktor bestimmt und gespeichert. Hierdurch kann auch eine Kompensation von Alterungseffekten erzielt werden, da der Abgleich beliebig oft erneuert werden kann.
Dabei kann gegebenenfalls auch auf einen Werksabgleich, also einen Abgleich am Bandende verzichtet werden.
Problematisch bei derartigen Abgleichsverfahren ist, dass der Abgleich immer in besonderen Betriebszuständen, also beispielsweise im Schubbetrieb erfolgen muss. Das Verfahren kann daher beispielsweise nicht bei sogenannten Hybridfahrzeugen, bei denen der Antrieb durch eine Kombination von Verbrennungsmaschine und Elektromotor erfolgt, eingesetzt werden, da bei diesen Fahrzeugen in Schubphasen kein Transport von Umgebungsluft in den Abgastrakt mehr erfolgt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren oder Abgleichen eines Sensorelements für eine Sonde zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere für eine planare Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen zu vermitteln, welches die genannten Nachteile beseitigt und einen Abgleich unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine oder des Fahrzeugs ermöglicht und insbesondere auch bei Hybridfahrzeugen einsetzbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
Grundidee der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abgleich von amperometrischen Gassensoren zu vermitteln, bei dem zunächst vor der Diffusionsbarriere, das heißt auf der Seite des zu analysierenden Gasgemischs der Diffusionsbarriere ein Anteil der zu bestimmenden Gaskomponente, insbesondere von Sauerstoff, von nahezu 100% eingestellt wird und dieser dann durch Betrieb der hinter der Diffusionsbarriere, das heißt auf der dem Gasgemisch abgewandten Seite der Diffusionsbarriere befindlichen Pumpelektrode wieder umgesetzt wird, wobei der resultierende Pumpstrom gemessen und aus diesem auf den Abgleichwert zur Kalibration des Sensors geschlossen wird. Zur Einstellung des Anteils der zu bestimmenden Gaskomponente wird sehr vorteilhaft eine Pumpelektrode so betrieben, dass sie die zu bestimmende Gaskomponente erzeugt.
Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es auch dann eingesetzt werden kann, wenn an sich bekannte Verfahren nicht einsetzbar sind, weil es z. B. in Hybridfahrzeugen in Schubphasen kein Transport von Umgebungsluft in den Abgastrakt mehr gibt. Es kann beispielsweise auch zur Driftkompensation einer Abgassonde, das heißt zur Kompensation von Alterungseffekten und dergleichen eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass auf ein an dem Bandende durchgeführtes Abgleichverfahren verzichtet werden kann, da durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Abgleich des Sensors im Fahrzeug ermöglicht wird. Hierdurch werden die Herstellungskosten erheblich gesenkt.
Von besonderem Vorteil ist es, dass das Verfahren nicht auf die Umsetzung einer einzigen Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff beschränkt ist, sondern dass es auch zur Umsetzung anderer Gaskomponenten, wie beispielsweise Wasserstoff, anwendbar ist. Die nachfolgende Beschreibung, die das Verfahren anhand der Beispielskomponente Sauerstoff in Verbindung mit Abgassensoren beschreibt ist insoweit nicht einschränkend zu verstehen. Die nachfolgend verwendete Formulierung „vor der Diffusionsbarriere" ist gleichzusetzen mit „auf der der Abgasseite zugewandten Seite der Diffusionsbarriere". Entsprechend bezeichnet „hinter der Diffusionsbarriere" eine Anordnung auf der der Abgasseite abgewandten Seite der Diffusionsbarriere, nämlich im Messraum des amperometrischen Sauerstoffsensors.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen, Ausgestaltungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung de Verfahrens wird ein Sauerstoffanteil von nahezu 100% auf der der Abgasseite zugewandten Seite, das heißt vor der Diffusionsbarriere mit Hilfe der hinter der Diffusionsbarriere angeordneten Pumpelektrode erzeugt, anschließend wird die Pumprichtung umgekehrt, der resultierende Pumpstrom gemessen und hieraus auf den Abgleichwert geschlossen. Dabei wird bevorzugt der zeitliche Verlauf des Pumpstroms bestimmt und bei Auftreten eines Strom-Plateaus aus dem Plateau-Wert des Pumpstroms auf den Abgleichwert geschlossen. Wenn kein Plateau-Wert erreicht wird erfolgt ein Leerpumpen der Diffusionsbarriere. Da nämlich die Diffusionsbarriere zunächst im Raumbereich nahe der inneren Pumpelektrode leergepumpt wird, charakterisieren die frühen Pumpstromwerte diesen Raumbereich. Später gemessene Werte charakterisieren zunehmend die gesamte Diffusionsbarriere und sind daher als Abgleichwert besser geeignet. Aus diesem Grunde sieht eine Ausgestaltung des Verfahrens vor, als Abgleich den Pumpstrom zu einem vorgebbaren Zeitpunkt nach der Pumprichtungsumkehr zu verwenden, wobei der Zeitpunkt so gewählt wird, dass er in diesem Sinne die gesamte Diffusionsbarriere charakterisiert. Als Abgleichwert kann dabei der Pumpstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt oder das Ergebnis einer Regression einer Pumpstrom-Zeit-Abhängigkeit über einen bestimmten Zeitraum genutzt werden. Als Regressionsfunktion kommt dabei beispielsweise eine Exponentialfunktion, etwa I_pump = A·exp(–B·t) + C in Betracht, wobei A, B, C Konstanten sind und t die Variable der Zeit bedeutet.
Diese Verfahrensschritte können wiederholt werden, das heißt die Pumpstromrichtung kann beispielsweise periodisch umgekehrt werden und die vorstehend beschriebenen Schritte daraufhin erfolgen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, die im Gegensatz zum vorstehend beschriebenen diskontinuierlichen Verfahren als kontinuierliches Verfahren bezeichnet werden könnte, ist vorgesehen, dass ein Wert von 100% Sauerstoff vor der Diffusionsbarriere mit Hilfe einer auf der Abgasseite angeordneten, im Falle einer Breitband-Lambdasonde insbesondere mit Hilfe der äußeren Pumpelektrode erzeugt wird, dass der Sauerstoff von der hinter der Diffusionsbarriere angeordneten inneren Pumpelektrode umgesetzt wird und dass aus dem dabei auftretenden Pumpstrom auf den Abgleichwert geschlossen wird, wobei die zur äußeren Pumpelektrode transportierten Sauerstoffionen durch eine dritte Pumpelektrode, insbesondere die Referenzelektrode erzeugt und zur abgasseitigen Pumpelektrode gepumpt werden.
Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn der Sauerstoff vor der Diffusionsbarriere durch Diffusion oder Konvektion abtransportiert wird. Durch die dritte Elektrode, die Referenzelektrode, werden Sauerstoffionen bereitgestellt, die zur abgasseitigen Elektrode gepumpt werden. Das Verfahren ist insbesondere auch dann hinreichend sensitiv, wenn zuvor im Abgasraum eine Lambda = 1-Atmosphäre erzeugt wurde. Dies kann entweder mit einer sogenannten Hinter-Kat-Sprungsonde oder auch mit der noch unabgeglichenen Breitband-Sonde detektiert werden, indem ein Pumpstrom I_pump = 0 eingeregelt wird. Sobald ein Lambda = 1-Wert vorliegt, wird zwischen der inneren Pumpelektrode und der äußeren Pumpelektrode eine konstante Spannung, beispielsweise 600 mV eingestellt, wobei der Minuspol an der inneren Pumpelektrode anliegt. In diesem Zustand fließt fast kein Pumpstrom, da kein Sauerstoff vorhanden ist und die Wasserzersetzung energetisch bei der angelegten Pumpspannung nicht möglich ist. Lediglich bereits vorhandene Fettgasmoleküle ermöglichen wegen der Wasserbildungsreaktion an der äußeren Pumpelektrode in geringem Maß eine Wasserzersetzung an der inneren Pumpelektrode und damit einen positiven Pumpstrom. Wird noch zusätzlich ein konstanter Sauerstoffpumpstrom von der Referenzelektrode zur äußeren Pumpelektrode getrieben, wird an der äußeren Pumpelektrode Sauerstoff entwickelt. Dieser diffundiert teilweise durch das Gaszutrittsloch und die Diffusionsbarriere zur inneren Pumpelektrode. Die resultierende Zunahme des Stroms zwischen innerer Pumpelekt rode und äußerer Pumpelektrode ist proportional zur Diffusionskonstante und ermöglicht damit die Bestimmung des Abgleichwerts.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine Kombination der beiden vorgenannten Verfahren, des diskontinuierlichen Verfahrens und des kontinuierlichen Verfahrens vor. Dabei kann bei dem diskontinuierlichen Verfahren zusätzlicher Sauerstoff mit Hilfe einer zweiten Pumpelektrode vor der Diffusionsbarriere erzeugt werden.
Bevorzugt findet das Verfahren Anwendung, wenn auf der Abgasseite der Diffusionsbarriere ein geringer konvektiver Gasaustausch stattfindet. In diesem Falle ist bei dem kontinuierlichen Verfahren gewährleistet, dass vor der Diffusionsbarriere der Sauerstoffmolenbruch von 100% auch bei geringer Pumpleistung der zweiten Pumpelektrode erhalten bleibt.
Bei dem vorstehend beschriebenen diskontinuierlichen Verfahren muss sichergestellt sein, dass der Sauerstoffmolenbruch von 100% über einen möglichst langen Zeitraum erhalten bleibt. Insbesondere muss er solange erhalten bleiben, bis der Pumpstrom den Wert des Diffusionsgrenzstroms in reiner Sauerstoffatmosphäre erreicht. Diese Vorraussetzungen werden unter den folgenden Bedingungen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors erfüllt:

– während einer Schubabschaltung;
– im Nachlauf, das heißt nach Abstellen des Motors;
– beim Betrieb einer „Motorbremse", bei der im Schubbetrieb eine Klappe im Abgastrakt geschlossen wird und das Abgas vollständig über die Abgasrückführung wieder dem Ansaugtrakt zugeführt – in diesem Falle herrscht hinter der Klappe keine Strömung mehr;
– bei Hybridfahrzeugen in Phasen des rein elektrischen Betriebs;
– im Start-Stopp-Betrieb in Stopp-Phasen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensors, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
2a ein als Einzeller ausgebildeter Gassensor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
2b ein als Zweizeller ausgebildeter Gassensor, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt und
3 der zeitliche Verlauf der Pumpspannung des Pumpstroms zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein aus dem Stand der Technik bekannter, in 1 dargestellter Gassensor (Einzeller) weist ein Sensorelement 100 auf, das durch einen in Schichtbauweise ausgebildeten Festelektrolyten 110 gebildet wird. Auf der Außenseite des Sensorelements 100 ist dem Abgas ausgesetzt eine erste Elektrode, auch als äußere Pumpelektrode 150 bezeichnet, angeordnet, die durch eine offenporige Schutzschicht 155 überdeckt ist. In dem Festelektrolyten 110 ist ein Messvolumen 130 ausgebildet, in dem eine zweite Elektrode, auch als innere Pumpelektrode 140 bezeichnet, angeordnet ist. Das Abgas eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors strömt durch ein Gaszutrittsloch 115 über eine Diffusionsbarriere 120 in das Messvolumen 130. Durch eine nicht dargestellte, an sich bekannte elektronische Schaltung wird zwischen der äußeren Pumpelektrode 150 und der in dem Messvolumen 130 angeordneten inneren Pumpelektrode 140 eine konstante Pumpspannung U_pump erzeugt, sodass ein Pumpstrom I_pump fließt. Der in den Hohlraum oder in das Messvolumen 130 durch die Diffusionsbarriere 120 eindiffundierende Sauerstoff oder das Fettgas wird anhand des Grenzstroms oder bei einem sogenannten Doppelzeller (2b), bei dem ein Referenzvolumen mit einer darin angeordneten Referenzelektrode zusätzlich vorgesehen sind, anhand des zur Regelung der Hohlraumkonzentration auf Lambda = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der Messstrom I_pump ist dabei proportional zum Sauerstoff- oder Fettgasgehalt im Abgas. Der Proportionalitätsfaktor wiederum stellt eine Funktion der Porosität und Geometrie der Diffusionsbarriere oder kurz des Diffusionswiderstands dar.
Da nun derartige Sonden aufgrund herstellungstechnisch bedingter Streuungen jeweils einen individuellen Proportionalitätsfaktor aufweisen, muss für diese Sonden ein Abgleich vorgesehen sein, um für unterschiedliche Sonden jeweils die gleiche Kennlinie, d. h. den gleichen Messstrom bei einer bestimmten Abgaszusammensetzung zu erhalten. Ein solcher Abgleich kann beispielsweise auf an sich bekannte Weise durch den in 1 dargestellten, parallel zu einem Messwiderstand R_M 190 geschalteten und mit diesem einen Stromteiler bildenden Abgleichwiderstand R_Abg 180 vorgenommen werden. Der Abgleich erfolgt dadurch, dass der Abgleichwiderstand R_Abg 180 eingestellt wird, was allerdings mit einem großen Aufwand verbunden ist. Außerdem ist jeweils ein Abgleichwiderstand R_Abg und eine weitere Zuleitung erforderlich, was nicht nur den Herstellungsaufwand, sondern auch die Kosten erhöht.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren macht einen derartigen Abgleichwiderstand 190 und die damit verbundenen Nachteile überflüssig. Grundidee der Erfindung ist es, zunächst auf der Seite des zu analysierenden Gasgemisches, das heißt im Falle von amperometrischen Gassensoren für Kraftfahrzeuge auf der Abgasseite einen Anteil der zu bestimmenden Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff von nahezu 100% einzustellen, wobei hierfür eine Pumpelektrode so betrieben wird, dass sie die zu bestimmende Gaskomponente erzeugt. Daraufhin wird durch Betrieb der hinter der Diffusionsbarriere, das heißt auf der der Abgasseite abgewandten Seite der Diffusionsbarriere angeordneten Pumpelektrode die zu bestimmende Gaskomponente wieder umgesetzt und der dabei resultierende Pumpstrom gemessen. Dieser Pumpstrom wird als Abgleichwert zur Kalibrierung des Sensors verwendet, bzw. es wird aus dem zeitlichen Verlauf des Pumpstroms ein Abgleichwert abgeleitet.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass es auch dort anwendbar ist, wo aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren nicht einsetzbar sind, z. B. bei Hybridfahrzeugen in Schubphasen, bei denen kein Transport von Umgebungsluft in den Abgastrakt erfolgt. Ein ganz großer Vorteil des Verfahrens ist es auch, dass ein Abgleich der Sonde am Bandende, das heißt während der Produktion entfallen kann.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren kann bei verschiedenen zu bestimmenden Gaskomponenten, beispielsweise Sauerstoff oder auch Wasserstoff oder anderen vergleichbaren Gaskomponenten eingesetzt werden. Nachfolgend wird das Verfahren anhand der Beispielkomponente Sauerstoff für die Anwendung als Abgassensor beschrieben. Es ist ausdrücklich darauf hinzuweisen, dass diese Beschreibung nicht beschränkend zu verstehen ist. Die Formulierung „vor der Diffusionsbarriere" bezieht sich in diesem Fall auf die Abgasseite der Diffusionsbarriere des betrachteten amperometrischen Sauerstoffsensors. Entsprechend bezieht sich die Formulierung „hinter der Diffusionsbarriere" auf die der Abgasseite abgewandten Seite der Diffusionsbarriere eines derartigen amperometrischen Sauerstoffsensors.
Im Folgenden wird eine erste Ausgestaltung des Verfahrens beschrieben, die auch als „diskontinuierliches Verfahren" bezeichnet werden kann.
Hierbei wird der vor der Diffusionsbarriere 120 angesammelte Sauerstoff von der hinter der Diffusionsbarriere 120 befindlichen Pumpelektrode 140 erzeugt. Dafür wird zunächst vor der Diffusionsbarriere 120 ein Sauerstoffanteil von 100% eingestellt, indem die hinter der Diffusionsbarriere 120 angeordnete Pumpelektrode 140 so betrieben wird, dass sie Sauerstoff erzeugt. Anschließend wird die Pumprichtung derselben Pumpelektrode 140 umgekehrt, wodurch der Sauerstoff wieder umgesetzt wird. Der resultierende Pumpstrom I_pump wird gemessen, wie es in 2a für den Einzeller bzw. 2b für den Zweizeller dargestellt ist, wobei bei dem in 2a schematisch dargestellten Einzeller und bei dem in 2b schematisch dargestellten Zweizeller für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen gewählt sind, wie bei dem in 1 dargestellten Sensor und insoweit auf die Beschreibung dieser Elemente in Verbindung mit 1 Bezug genommen wird.. Dieser Pumpstrom I_pump wird als Abgleichwert zur Kalibrierung des Sensors verwendet, bzw. es wird aus dem zeitlichen Verlauf des Pumpstrom I_pump ein Abgleichwert abgeleitet. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit 3 beschrieben. In 3 oben ist der Pumpstrom I_pump über der Zeit dargestellt. Diese variiert periodisch zwischen positiven und negativen Pumpspannungswerten.
Im unteren Bereich der 3 ist der sich dabei einstellende Pumpstrom I_pump über der Zeit dargestellt.
In einem ersten Bereich 310 konstanter positiver Pumpspannung U_pump stellt sich ein positiver Pumpstrom I_pump ein. Dieser Bereich dient zur Bildung der reinen Sauerstoffatmosphäre vor der Diffusionsbarriere 120. Das Pumpen erfolgt dabei über einen so langen Zeitraum t1, dass sich vor der Diffusionsbarriere 120 nahezu 100% Sauerstoff gebildet hat. Sodann erfolgt eine Umkehrung der Pumprichtung durch Umkehrung der Pumpspannung U_pump. Bei dem sich daran anschließenden Leerpumpen der Diffusionsbarriere nach einer schnellen Umkehrung der Pumpspannung U_pump ist ein transientes Verhalten des Pumpstrom I_pump zu beobachten. Zunächst stellen sich vergleichsweise hohe Beträge des Pumpstroms I_pump ein, die zurückgehen, während der Sauerstoff aus der Diffusionsbarriere 120 abgepumpt wird. Nach Einsetzen der Diffusionslimitierung stellt sich für einige Zeit ein konstanter Pumpstrom I_pump ein. Dieser Plateau-Wert 320 ist der Diffusionsgrenzstrom, der sich für die reine Sauerstoffatmosphäre vor dem Sensorelement ergibt. Ist der Sauerstoff vor der Diffusionsbarriere verbraucht, sinkt der Betrag des Pumpstroms I_pump wieder, bis er sich schließlich dem Wert angleicht, der dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas entspricht. Dieser Wert ist in 3 mit Bezugszeichen 330 bezeichnet. Aus dem transienten Stromverlauf kann auf die folgende Weise auf einen Abgleichwert geschlossen werden

– Messung des Plateau-Werts (Diffusionsgrenzstrom der reinen Sauerstoffatmosphäre): Dieser Stromwert ist am besten als Abgleichwert geeignet. Der Plateau-Wert wird aber nur erreicht, wenn die reine Sauerstoffatmosphäre vor der Diffusionsbarriere hinreichend lang erhalten bleibt. Der Plateauwert 320 lässt sich dadurch identifizieren, dass die zeitliche Ableitung des Pumpstroms ein erstes Minimum erreicht. Alternativ kann der Plateau-Wert auch über den Zeitpunkt der Messung identifiziert werden;
– Messung von Pumpstromwerten im Zeitraum des Leerpumpens der Diffusionsbarriere: Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn kein Plateau-Wert erreicht wird. Da die Diffusionsbarriere im Raumbereich nahe der inneren Pumpelektrode 140 leergepumpt wird, charakterisieren die frühen Pumpstromwerte diesen Raumbereich. Später gemessene Werte charakterisieren zunehmend die gesamte Diffusionsbarriere und sind daher als Abgleichwert besser geeignet. Andererseits werden aber spätere Pumpstromwerte zunehmend durch die Sauerstoffkonzentration des umgebenden Abgases beeinflusst, was Störungen verursacht. Hier ist empirisch ein anwendungsspezifisches Optimum zu finden.

Als Abgleichwert kann der Pumpstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt oder das Ergebnis einer Regression einer I_pump(t)-Abhängigkeit über einen bestimmten Zeitraum genutzt werden. Eine solche Regressionsfunktion kann z. B. die Form einer Exponentialfunktion aufweisen: I_pump = A·exp(–B·t) + C, wobei die Größen A und/oder B die Abgleichwerte und C eine Konstante darstellen.
Neben dem vorbeschriebenen diskontinuierlichen Verfahren, bei dem periodisch eine Umkehrung der Pumprichtung erfolgt, kann ein kontinuierliches Verfahren vorgesehen sein, das nachfolgend beschrieben wird. Bei dieser Ausgestaltung wird der vor der Diffusionsbarriere 120 angesammelte Sauerstoff von einer zweiten Pumpelektrode erzeugt, die sich nahe der Diffusionsbarriere auf deren Abgasseite befindet. Im Falle einer Breitband-Lambdasonde ist dies vorteilhafterweise die äußere Pumpelektrode 150. Der so erzeugte Sauerstoff wird von der hinter der Diffusionsbarriere 120 befindlichen ersten Pumpelektrode, das heißt der inneren Pumpelektrode 140, wieder umgesetzt. Der Pumpstrom I_pump der hinter der Diffusionsbarriere 120 befindlichen ersten Pumpelektrode, das heißt der inneren Pumpelektrode 140, wird als Abgleichwert zur Kalibrierung des Sensors verwendet.
Da vor der Diffusionsbarriere 120 Sauerstoff durch Diffusion oder Konvektion abtransportiert wird, ist eine dritte Elektrode erforderlich. Diese wird beispielsweise durch die Referenzelektrode 170, die in einem Referenzvolumen 172 angeordnet ist, im Fall einer als Zweizeller ausgebildeten Breitband-Lambdasonde gebildet (2b). Gegebenenfalls könnte auch bei einer als Einzeller (2a) ausgebildeten Breitband-Lambdasonde eine zusätzliche Elektrode vorgesehen sein. Durch diese werden „neue" Sauerstoffionen bereitgestellt, die zur zweiten Elektrode, das heißt zur äußeren Pumpelektrode 150 gepumpt werden und dort neuen gasförmigen Sauerstoff bilden. An der dritten Elektrode werden Sauerstoffionen O^2- durch Reduktion von Sauerstoff oder einer sauerstoffhaltigen Gaskomponente z. B. Wasser gebildet.
Dieses kontinuierliche Verfahren ist insbesondere dann hinreichend sensitiv, wenn zuvor im Abgasraum eine Lambda = 1-Atmosphäre erzeugt wurde. Dies ist entweder mit einer Hinter-Kat-Sprungsonde oder auch mit der noch unabgeglichenen Breitband-Sonde möglich, indem ein Pumpstrom I_pump = 0 eingeregelt wird. Sobald Lambda = 1 vorliegt, wird zwischen der inneren Pumpelektrode 140 und der äußeren Pumpelektrode 150 eine konstante Spannung von vorzugsweise 600 mV eingestellt, wobei der Minuspol an der inneren Pumpelektrode 140 anliegt. In diesem Zustand fließt fast kein Pumpstrom, da kein Sauerstoff vorhanden ist und die Wasserzersetzung energetisch bei der angelegten Pumpspannung nicht möglich ist. Lediglich bereits vorhandene Fettgasmoleküle ermöglichen wegen der Wasserbildungsreaktion an der äußeren Pumpelektrode 150 in geringem Maße eine Wasserzersetzung an der inneren Pumpelektrode 140 und damit einen positiven Pumpstrom. Wird nun zusätzlich ein konstanter Sauerstoff-ionen-Pumpstrom von der Referenzelektrode 170 zur äußeren Pumpelektrode 150 getrieben, dann wird an der äußeren Pumpelektrode 150 Sauerstoff entwickelt. Dieser diffundiert teilweise durch das Gaszutrittsloch und die Diffusionsbarriere 120 zur inneren Pumpelektrode 140. Die resultierende Zunahme des Stromes zwischen innerer Pumpelektrode 140 und äußerer Pumpelektrode 150 ist proportional zur Diffusionskonstanten.
Für dieses Verfahren ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Pumpkapazität der Referenzelektrode 170 hinreichend groß ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Referenzraum zuerst mit Sauerstoff „aufgepumpt" wird, bevor der unter hohem Druck gespeicherte Sauerstoff zur äußeren Pumpelektrode 150 abgepumpt wird. Das Aufpumpen kann beispielsweise so erfolgen, dass für die Dauer von 10 Sekunden mit einem Pumpstrom I_pump = 1 mA von der äußeren Pumpelektrode 150 oder der inneren Pumpelektrode 140 zu Referenzelektrode 170 gepumpt wird. Daraufhin wird dieses Pumpen gestoppt und sobald der Pumpstrom zwischen innerer Pumpelektrode 140 und äußerer Pumpelektrode 150 konstant ist, kann das Herauspumpen des Sauerstoffion von der Referenzelektrode 170 zur äußeren Pumpelektrode 150 mit beispielsweise einem konstanten Pumpstrom von I_pump = 0,5 mA durchgeführt werden und die resultierende Zunahme des inneren Pumpstroms zwischen innerer Pumpelektrode 140 und äußerer Pumpelektrode 150 registriert werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass der Strom zwischen innerer Pumpelektrode 140 und äußerer Pumpelektrode 150 und der Strom zwischen Referenzelektrode 170 und äußerer Pumpelektrode 150 separat gemessen werden kann. Dies muss in der Messelektronik entsprechend vorgesehen sein.
Das zuletzt beschriebene kontinuierliche Verfahren kann auch mit dem zuerst beschrieben diskontinuierlichen Verfahren kombiniert werden. Es kann bei einem Abgleich gemäß dem diskontinuierlichen Verfahren zusätzlicher Sauerstoff mit Hilfe einer zweiten Pumpelektrode vor der Diffusionsbarriere erzeugt werden. Hierdurch bleibt die Sauerstoffatmosphäre vor der Elektrode länger erhalten, wo durch der Abgleich sicherer und genauer gestaltet werden kann. Eine Kombination der beiden Verfahren kann insbesondere dann sehr vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Pumpkapazität der Referenzelektrode 170 vergleichsweise gering ist, sodass der Einsatz des kontinuierlichen Verfahrens nicht ohne Weiteres möglich ist.
Bevorzugt finden vorstehende Verfahren Anwendung, wenn auf der Abgasseite der Diffusionsbarriere 120 ein geringer konvektiver Gasaustausch stattfindet. So kann bei dem kontinuierlichen Verfahren gewährleistet werden, dass vor der Diffusionsbarriere 120 der Sauerstoffmolenbruch von 100% auch bei geringer Pumpleistung der zweiten Pumpelektrode erhalten bleibt. Bei dem diskontinuierlichen Verfahren muss sichergestellt sein, dass der Sauerstoffmolenbruch von 100% für einen möglichst langen Zeitraum erhalten bleibt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn diese Bedingungen solange erhalten bleiben, bis der Pumpstrom I_pump den Wert des Diffusionsgrenzstroms in reiner Sauerstoffatmosphäre erreicht. Diese Vorraussetzungen sind unter den folgenden Bedingungen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors erfüllt:

– während einer Schubabschaltung;
– im Nachlauf, das heißt nach Abstellen des Motors;
– beim Betrieb einer „Motorbremse". Hierbei wird im Schubbetrieb eine Klappe im Abgastrakt geschlossen und das Abgas vollständig über die Abgasrückführung wieder dem Ansaugtrakt zugeführt. Hinter der Klappe herrscht dabei keine Strömung mehr;
– bei Hybridfahrzeugen in Phasen des rein elektrischen Betriebs;
– bei Start-Stopp-Betrieb in Stopp-Phasen.

Gelingt die Einstellung des Sauerstoffmolenbruchs von 100% nur näherungsweise, ist zu erwarten, dass der erzeugte Abgleichwert vom Sauerstoffgehalt im Abgas beeinflusst wird. In diesem Falle wird dann wie folgt vorgegangen:

– der Abgleichwert wird unter Berücksichtigung des vor Beginns der Abgleichprozedur gemessenen Sauerstoffgehalts korrigiert;
– der Abgleichwert wird hinsichtlich des nach Abschluss der Abgleichprozedur gemessenen Sauerstoffgehalts korrigiert. Diese Messung wird dann durchgeführt, wenn der Sauerstoffpartialdruck in unmittelbarer Umgebung sich dem des umgebenden Abgases angeglichen hat;
– die Abgleichprozedur wird nur durchgeführt, wenn der Sauerstoffgehalt vor der Abgleichprozedur vergleichsweise hoch war. Dies kann der Fall sein, wenn der Motor vor dem Abgleich bei geringer Last bzw. Leerlauf betrieben wurde;

Kombinationen von vorstehender Ausgestaltungen sind möglich.
Die Abgleichwerte, die auf vorstehend beschriebene Weisen gewonnen werden, können genutzt werden zur Anpassung der Sondenkalibrierung, zum Abgleich von Serienstreuungen (in diesem Fall ersetzen sie Kalibrierung am Bandende), zur Korrektur von Drifteffekten, beispielsweise Alterungseffekten sowie zur Plausibilisierung des Sonden-Signals zu Diagnosezwecken. Hierbei wird überprüft, ob der gewonnene Abgleichwert in einem vordefinierten Bereich liegt. Falls dies nicht der Fall ist, wird ein Defekt der Sonde festgestellt.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine, deren Teil auch die Schaltung zur Erzeugung des Pumpstroms und der Nernstspannung (2b) ist, implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät lesen kann.

Claims

Verfahren zum Abgleichen eines Sensorelements für eine Sonde zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere für eine planare Breitband-Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, wobei das Sensorelement eine Pumpzelle mit wenigstens zwei auf einem ionenleitenden Festelektrolyten (110) angeordneten Pumpelektroden (140, 150, 170) aufweist, von denen eine äußere Pumpelektrode (150) dem Gasgemisch aussetzbar und eine innere Pumpelektrode (140) durch eine poröse Diffusionsbarriere (120) von dem Gasgemisch getrennt und in einem Hohlraum (130) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Pumpelektrode (150, 170) ein Gasgemisch vorgebbarer, definierter Zusammensetzung eingestellt wird, dass daraufhin durch die auf der der Abgasseite abgewandten Seite der Diffusionsbarriere (120) angeordnete Pumpelektrode (140) die zu bestimmende Gaskomponente umgesetzt wird und dass aus dem hierbei resultierenden Pumpstrom und/oder dem zeitlichen Verlauf des Pumpstroms (I_pump) auf einen Abgleichwert geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu bestimmende Gaskomponente Sauerstoff oder Wasserstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstoff-Anteil von 100% auf der der Abgasseite zugewandten Seite der Diffusionsbarriere (120) mit Hilfe der hinter der Diffusionsbarriere angeordneten Pumpelektrode (140) erzeugt wird, anschließend die Pumprichtung umgekehrt wird und der resultierende Pumpstrom (I_pump) gemessen und hieraus auf einen Abgleichwert geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Pumpstroms (I_pump) bestimmt wird und bei Auftreten eines Strom-Plateaus (320) aus dem Plateau-Wert des Pumpstroms (I_pump) auf den Abgleichwert geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Nichtauftretens eines Plateau-Wertes (320) ein Leerpumpen des Sauerstoffes aus dem Messhohlraum (130) erfolgt und der Pumpstromwert im Zeitpunkt des Leerpumpens der Diffusionsbarriere (120) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Abgleichwert der Pumpstrom (I_pump) zu einem vorgebbaren Zeitpunkt und nach Pumprichtungsumkehr verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwert aus einer Regressionsfunktion insbesondere aus folgender Funktion bestimmt wird: Ipump = A·exp(–B·t) + C,wobei A, B, C Konstanten und t die Zeit sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen eines Gasgemisches vorgebbarer, definierter Zusammensetzung und das Umsetzen dieses Gasgemisches zu vorgegebenen Zeiten wiederholt stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert von 100% Sauerstoff vor der Diffusionsbarriere mit Hilfe einer auf der Abgasseite angeordneten Elektrode, insbesondere mit Hilfe der äußeren Pumpelektrode (150) erzeugt wird und der Sauerstoff von der hinter der Diffusionsbarriere (120) angeordneten inneren Pumpelektrode (140) umgesetzt wird und aus dem dabei auftretenden Pumpstrom (I_pump) auf den Abgleichwert geschlossen wird, wobei die zur abgasseitig angeordneten Pumpelektrode (150) transportierten Sauerstoffionen durch eine weitere Pumpelektrode, insbesondere eine Referenzelektrode (170) erzeugt und zur abgasseitigen äußeren Pumpelektrode (150) gepumpt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durchgeführt wird, wenn auf der Abgasseite der Diffusionsbarriere (120) ein geringer konvektiver Gasaustausch stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es bei folgenden Betriebszuständen des Fahrzeugs/der Brennkraftmaschine durchgeführt wird: – während einer Schubabschaltung; – im Nachlauf, nach Abstellen der Brennkraftmaschine; – beim Betrieb einer Motorbremse im Schubbetrieb durch Schließen einer Klappe im Abgastrakt und Rückführung des Abgases durch eine Abgasrückführung zum Ansaugtrakt; – in Phasen des rein elektrischen Betriebs bei Hybridfahrzeugen; – im Start-Stopp-Betrieb in Stoppphasen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwert zur Kalibrierung des Sensorelements, insbesondere zum Ausgleich von Serienstreuungen sowie zur Korrektur von Drifteffekten und zur Plausibilisierung des Sondensignals zu Diagnosezwecken verwendet wird.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.