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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements
zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen
und ein Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im
Abgas von Brennkraftmaschinen, das bei einem solchen Verfahren zum
Einsatz kommen kann.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein
Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens
geeignet sind.
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Stand der Technik
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Derartige
Sensoren werden auch als Lambdasonden bezeichnet und gehen beispielsweise
aus der Buchveröffentlichung
„Bosch Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch" 25. Auflage, Seiten 133 ff hervor.
Ein Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder der Konzentration
von Gasbestandteilen in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren,
mit einer Referenzelektrode, die über einen Referenzgaskanal
mit einem Referenzgas, insbesondere Luft oder einem sauerstoffhaltigen
Gas, beaufschlagbar ist, ist ferner aus der
DE 100 43 089 C2 bekannt
geworden.
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Sensorelemente
für Lambdasonden, die üblicherweise planar aufgebaut
sind, weisen einen Referenzgaskanal auf, in dem eine Referenzelektrode angeordnet
ist. Diese Sensoren werden beispielsweise als Sprungsonden eingesetzt.
Der Ausdruck „Sprungsonde” ist von der Kennlinie
derartiger Lambdasensoren abgeleitet, die bei einer Luftzahl λ =
1 einen „Sprung” von einem ersten Spannungswert
im Bereich von etwa 900 mV auf einen zweiten Spannungswert im Bereich
von wenigen mV ausführt. Dieser Sprung wird detektiert
und zur Bestimmung des korrekten Luft-Kraftstoff-Gemisches bei λ =
1, bei dem eine optimale, stöchiometrische Verbrennung vorliegt,
ausgewertet.
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Darüber
hinaus werden diese Sensoren auch mit einer sogenannten gepumpten
Referenz bzw. mit einer Referenzelektrode betrieben, die mit einer
Pumpspannung beaufschlagt ist, sodass über den dadurch
aufgeprägten anodischen Strom der Referenzkanal aus dem
Abgas heraus mit Sauerstoff durchströmt wird.
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Beim
Betrieb derartiger Lambdasonden tritt nun das Problem auf, dass
an der Referenzelektrode bzw. in einem benachbarten Referenzgasvolumen unverbrannte
Kohlenwasserstoffe auftreten, die beispielsweise von verschmutzten
und/oder überhitzten Bauteilen oder einer undichten Packung
der Sonde herrühren. Durch diese unverbrannten Kohlenwasserstoffe
wird ein nicht vernachlässigbarer Teil des der Referenzelektrode
zugeführten Sauerstoffs verbraucht, sodass die Sauerstoffkonzentration
an der Referenzelektrode herabgesetzt und damit die Sondenfunktion
gestört ist. Dieses Phänomen ist als CSD-Verhalten
(„Characteristic-Shift-Down”) bekannt. In diesem
Zusammenhang ist es weiter störend, dass die unverbrannten
Kohlenwasserstoffe vorzugsweise an den heißen, katalytisch
aktiven Flächen, d. h. insbesondere an der Referenzelektrode
in dem heißen Bereich der Sonde („Hot-Spot-Bereich”) oxidiert
werden. Darüber hinaus diffundieren die unverbrannten Kohlenwasserstoffe
in den Referenzgaskanal zwar meist langsamer als Sauerstoff, jedoch
setzt ein einzelnes Kohlenwasserstoffmolekül in der Regel
mehr als ein einzelnes Sauerstoffmolekül um, sodass die
effektive Sauerstoffverbrauchsrate durch eindiffundierte unverbrannte
Kohlenwasserstoffe größer ist als die Diffusionsrate
für Sauerstoff. Damit kommt es an der Referenzelektrode
zu einer relativen Anreicherung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen
bzw. zu einem relativen Sauerstoffmangel, also zu CSD.
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Dem
CSD-Verhalten kann nun dadurch entgegengewirkt werden, dass eine
elektrische Spannung an dem Sensorelement beziehungsweise ein Elektronenstrom
durch das Sensorelement angelegt wird, der dadurch einen Sauerstoffionenstrom
antreibt. Der Sauerstoffionenstrom geht an der Referenzelektrode
in einen Sauerstoffstrom über und führt von der
Referenzelektrode über den Referenzkanal in den Außenbereich
des Sensorelementes. Dabei wird ein ausrei chender Sauerstoffpartialdruck
erzeugt, um Fettgaskomponenten zu oxidieren oder abzutransportieren,
sodass das CSD-Verhalten aktiv beseitigt wird.
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Der
Innenwiderstand derartiger Lambdasonden ist darüber hinaus
temperaturabhängig. Sofern derartige Sonden mit einem Pumpstrom
betrieben werden, führt ein Pumpstrom zu einem Spannungsabfall
am Innenwiderstand und damit zu einer Verschiebung des Messsignals.
Bei konstanter Versorgungsspannung und konstantem Innenwiderstand (der
durch eine konstante Temperatur bedingt ist) ist auch der Spannungsabfall
konstant und kann so vorab im Steuergerät berücksichtigt
werden. Bei unbeheizten Sensoren ist jedoch der Innenwiderstand
abhängig von der Abgastemperatur. Hierdurch kann es zu
einem temperaturabhängigen Spannungsabfall am Innenwiderstand
kommen, der einem Signalverzug entspricht. Dieser ist proportional
zum Pumpstrom.
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Aus
dem Stand der Technik bekannte unbeheizte Lambdasensoren werden
gewöhnlich ohne Pumpstrom betrieben. Dies führt
zwar einerseits aufgrund der Proportionalität des Signalverzuges
zum Pumpstrom zu einem Verschwinden des temperaturabhängigen
Signalverzuges. Andererseits kann auf diese Weise keine Pumpwirkung
zur Beseitigung des CSD-Verhaltens durch Spülen des Referenzkanals erreicht
werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben
eines unbeheizten Sensorelements, insbesondere einer Lambdasonde,
und eine derartige Lambdasonde zu vermitteln, bei der das CSD-Verhalten
beseitigt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements
zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von
Brennkraftmaschinen und ein Sensorelement mit den Merkmalen der
Ansprüche 1 und 4 gelöst.
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Grundidee
der Erfindung ist es, das CSD-Verhalten, also einen Signalverzug
bei unbeheizten Lambdasonden, dadurch zu minimieren, dass der Regelpunkt
dy namisch an die jeweiligen Innenwiderstandsverhältnisse
angepasst wird. Der Regelpunkt beschreibt hier den Wert der Sondenspannung,
oberhalb von dem das Abgas in Richtung Magergas und unterhalb von
dem das Abgas in Richtung Fettgas nachgeregelt wird. Dies erlaubt
den Betrieb des Sensors mittels eines konstanten Stroms, der durch
eine Konstantstromquelle bereitgestellt wird. Der Regelpunkt des
Sensorelements wird dabei an den Innenwiderstand des Sensorelements
angepasst, der wiederum bestimmt wird.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 angegebenen
Verfahrens und des Sensorelements möglich.
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So
wird beispielsweise der Innenwiderstand des Sensorelements bei einer
vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens durch eine RI-Puls-Innenwiderstandsmessung
bestimmt.
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Bei
einer wiederum anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Innenwiderstand
auf der Basis von Abgasmengenverhältnissen bzw. des Abgasmassenstroms
und der Abgastemperatur mittels eines Kennfeldes, das den Zusammenhang
von Innenwiderstand und Abgasmengenverhältnis bzw. Abgasmassenstrom
und Abgastemperatur repräsentiert, bestimmt. Dieses Kennfeld
wird zuvor empirisch bestimmt.
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Für
das erfindungsgemäße Sensorelement zur Bestimmung
der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen
mit wenigstens einer Elektrolytschicht wird als Elektrolyt anstelle
von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid Scandium-stabilisiertes Zirkonoxid
verwendet.
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Um
einen verbesserten Gesamtwiderstand herzustellen, können
dabei Lokalbereiche mit jeweils unterschiedlichem, Yttrium- oder
Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid verwendet werden, um die Widerstandsbeiträge
der Einbaureaktion der Sauerstoffionen an den Elektroden und der
Ionenleitung im Festkörper separat zu optimieren. Hierdurch
sind vor allem im Niedertemperaturbereich bei gleicher Schichtdicke
niedrigere Innenwiderstandswerte erreichbar.
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Weiterhin
ist zur Reduktion des Gleichstrominnenwiderstands vorgesehen, die
Elektrodenflächen zu maximieren und die Referenzelektrode
nahe an der äußeren, dem Abgas zugewandten Oberfläche
zu positionieren, um den dazwischen angeordneten Elektrolyten möglichst
gut an das heiße Abgas zu koppeln.
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Eine
derartige Lambdasonde wird darüber hinaus mit einem sehr
geringen Pumpstrom betrieben der zu einem möglichst geringen
Spannungsverzug führt und dennoch eine CSD- und Nebenschlussfestigkeit
gewährleistet. Die Pumpströme liegen dabei im
Bereich zwischen 0 μA und 10 μA, bevorzugt zwischen
2 μA und 5 μA.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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In
der 1 ist ein erfindungsgemäßes
Sensorelement schematisch im Schnitt dargestellt.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
schematisch ein Sensorelement dargestellt, welches durch einen Elektrolyten 100 gebildet
wird, der auf einen Träger 105 aufgebracht ist. Der
Elektrolyt weist eine Dicke von etwa 500 bis 600 μm auf.
Ein Teil des Elektrolyten 100 unter der Außenelektrode
im Bereich 101 kann statt durch Yttrium-stabilisiertes
Zirkonoxid durch Scandium stabilisiertes Zirkonoxid gebildet werden.
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Zur
Herstellung des Elektrolyten wird erfindungsgemäß eine
Druckschicht eingesetzt, um eine geringe Schichtdicke im Bereich 101 zu
erzielen und dadurch den Innenwiderstandsanteil durch die Einbaureaktion
zu minimieren. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten,
rein durch vorgefertigte keramische Grünfolien hergestellten
Elektrolyten wird damit eine Reduktion des Widerstands realisiert.
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Die
Lambdasonde weist eine dem (nicht dargestellten) Abgas ausgesetzte
Außenelektrode 110 auf, die mit einem Steuergerät
SG über eine in der 1 nur schematisch
dargestellte elektrische Leitung 111 verbunden ist und
eine in einem Referenzgasvolumen 130 angeordnete Referenzelektrode 120,
die ebenfalls über eine Leitung 140 mit dem Steuergerät
SG verbunden ist. Zur Reduktion des Gleichstrominnenwiderstands
ist die Elektrodenfläche der dem Abgas ausgesetzten Elektrode 110 möglichst
groß gewählt, im Idealfall ist sie unter Berücksichtigung
der baulichen Gegebenheiten maximal gewählt. Die Referenzelektrode 120 ist
möglichst nahe an der äußeren Oberfläche
der Sonde positioniert, um den dazwischen angeordneten Elektrolyten möglichst
gut an das heiße Abgas zu koppeln. Die Sonde kann mit einem
Pumpstrom betrieben werden, der möglichst klein gewählt
wird, um einen geringen Spannungsverzug zu verursachen und dennoch
die CSD- und Nebenschlussfähigkeit zu gewährleisten. Die
Pumpströme liegen im Bereich zwischen 0 μA und
10 μA, insbesondere und bevorzugt im Bereich zwischen 2 μA
und 5 μA.
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Rein
prinzipiell ist es auch möglich, einen Pumpstrom erst bei
einer höheren Temperatur, beispielsweise > 500°C, zuzuschalten,
der dazu dient, eine „Abreaktion” des aus der
Dichtpackung ausdampfenden Fettgases herbeizuführen. Ein
Auslass 132 des Pumpgases wird klein dimensioniert, um
ein Vordringen von Fettgas zur Referenzelektrode 120 möglichst
zu unterbinden. Er muss allerdings so groß gewählt
werden, dass ein Druckausgleich mit der Umgebung gewährleistet
ist. Hierbei müssen poröse Schichten mit hohem
Strömungswiderstand vermieden werden. Zu bevorzugen ist
ein offener Kanal mit entsprechend kleinem Querschnitt. Der Referenzkanal
kann durch eine einfache Druckschicht mit einer Opferschicht der
Dicke 20 bis 30 μm und einer Kanalbreite zwischen 0,5 und
1 mm realisiert werden (nicht dargestellt). Rein prinzipiell ist
es auch möglich, eine nicht ganz dicht gedruckte Elektrodenzuleitung
als Referenzkanal zu nutzen (nicht dargestellt). Darüber
hinaus kann vorgesehen sein, mit einer porösen Druckschicht 133 im
Eingangsbereich des Referenzkanals ein weiteres Eindringen von Fettgaskomponenten
in den Referenzgaskanal zu unterdrücken und gleichzeitig
den Strömungswiderstand und somit den Druckaufbau im Referenzbereich
einzustellen.
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Im
Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Lambdasensors
zur Kompensation des Signalverzugs, die sich durch ein CSD-Verhalten
ergibt, beschrieben. Die Kompensation des Signalverzugs setzt die
Kenntnis des Innenwiderstands als Leitgröße voraus.
Aus diesem Grunde wird zunächst der Innenwiderstand des
Sensorelements bestimmt. Dies kann beispielsweise durch eine RI-Puls-Innenwiderstandsmessung
erfolgen. Dieses Verfahren ist an sich zur Heizerregelung von Breitbandlambdasonden
bekannt. Der Innenwiderstand kann darüber hinaus auch durch
Bestimmung der Abgasmengenverhältnisse bzw. des Abgasmassenstroms
und der Abgastemperatur beispielsweise mittels anderer Sensoren
oder aufgrund der Kenntnis eines im Steuergerät SG hinterlegten
Kennfeldes bezüglich Drehzahl und Last erfolgen. Es ist
zu bemerken, dass die Kenntnis der Abgastemperatur allein nicht
ausreicht, da der Volumenstrom wesentlich für den Energieeintrag
in das Sensorelement ist. Aus diesem Grund ist die Kenntnis des
Abgasmassenstroms bzw. der Abgasmengenverhältnisse erforderlich.
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In
Kenntnis des Innenwiderstands des Sensorelements wird nun der Regelpunkt
des Sensorelements an den Innenwiderstand angepasst. Dies hat den
Vorteil, dass die Lambdasonde mit einem konstanten Strom betreibbar
ist, das heißt, es kann eine Konstantstromquelle zum Betreiben
der Lambdasonde verwendet werden.
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Durch
den Pumpstrom kann ein CSD durch Spülen des Referenzkanals
mit Sauerstoff unterdrückt werden. Durch die Veränderung
des Regelpunkts, der innerhalb einer Regelsoftware im Steuergerät
SG erfolgt, können auch nicht temperaturbedingte Signalverzüge
durch den Innenwiderstand (die beispielsweise auch im Rahmen der
Alterung auftreten) kompensiert werden.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm
im Steuergerät der Brennkraftmaschine implementiert sein
und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren
Träger gespeichert sein, den das Steuergerät SG
lesen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Bosch
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch” 25. Auflage, Seiten 133
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