DE102009001843A1 - Method for operating a sensor element and sensor element - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Bestimmen des Innenwiderstandes; - Vergleichen des Innenwiderstandes mit einer vorgebbaren Widerstandsschwelle; - Zuschalten einer Pumpspannung bei Überschreiten der Widerstandsschwelle.A method for operating a lambda probe for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of internal combustion engines is characterized by the following steps: determining the internal resistance; - Comparing the internal resistance with a predetermined resistance threshold; - Connecting a pump voltage when the resistance threshold is exceeded.

Description

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.The The invention relates to a method for operating a sensor element for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of internal combustion engines and a sensor element for determining the concentration of gas components in Exhaust gas from internal combustion engines, which in such a method for Use can come.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.object The present invention also relates to a computer program and a Computer program product used to carry out the method are suitable.

Stand der TechnikState of the art

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.Such sensors are also referred to as lambda probes and go, for example, from the book publication "Bosch Automotive Handbook" 25th edition, pages 133 ff out. A sensor for determining gas components and / or the concentration of gas constituents in gas mixtures, in particular in exhaust gases of internal combustion engines, with a reference electrode, which is acted upon by a reference gas channel with a reference gas, in particular air or an oxygen-containing gas, is further from the DE 100 43 089 C2 known.

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.sensor elements for lambda probes, which are usually planar are, have a reference gas channel, in which a reference electrode arranged is. These sensors are used for example as jump probes. The term "jump probe" is of the characteristic derived lambda sensors, which at an air ratio λ = 1 a "jump" from a first voltage value in the range of about 900 mV to a second voltage value in the range of a few mV. This jump is detected and for determining the correct air-fuel mixture at λ = 1, where optimal, stoichiometric combustion is present, evaluated.

Darüber hinaus werden diese Sensoren auch mit einer sogenannten gepumpten Referenz bzw. durch eine mit einer Pumpspannung beaufschlagten Referenz betrieben, bei der über einen aufgeprägten anodischen Strom die Referenzelektrode aus dem Abgas heraus mit Sauerstoff durchströmt wird.About that In addition, these sensors are also pumped with a so-called Reference or by a loaded with a pumping voltage reference operated in the case of an imprinted anodic Stream the reference electrode out of the exhaust with oxygen is flowed through.

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 Eindiffusion des Sauerstoffs. Damit kommt es an der Referenzelektrode zu einer relativen Anreicherung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen bzw. zu einem relativen Sauerstoffmangel. Schließlich ist aufgrund der erläuterten Mechanismen die Gefahr des CSD-Verhaltens im Referenzgaskanal deutlich größer als im Innenvolumen im Sondengehäuse, das mit dem Referenzgaskanal in Verbindung steht.At the Operation of such lambda probes now the problem arises that unburned at the reference electrode or in an adjacent reference gas volume Hydrocarbons occur, for example, from polluted and / or overheated components or a leaking package originate from the probe. By these unburned hydrocarbons becomes a non-negligible part of the reference electrode supplied oxygen consumed, so that the oxygen concentration lowered at the reference electrode and thus the probe function is disturbed. This phenomenon is called CSD behavior ("Characteristic-Shift-Down") known. In this It is further disturbing that the unburned Hydrocarbons preferably in the hot, catalytic active areas, d. H. in particular at the reference electrode oxidized in the hot area of the probe ("hot spot area") become. In addition, the unburned hydrocarbons diffuse in the reference gas channel, although usually slower than oxygen, however typically uses a single hydrocarbon molecule more than a single oxygen molecule, so that the effective oxygen consumption rate by diffused unburned Hydrocarbons is greater than the Eindiffusion of oxygen. This results in a relative to the reference electrode Enrichment of unburned hydrocarbons or to a relative lack of oxygen. Finally, due to the Mechanisms explained the danger of CSD behavior in Reference gas channel significantly larger than in the internal volume in Probe housing that communicates with the reference gas channel stands.

Dem CSD-Verhalten kann nun dadurch entgegengewirkt werden, dass ein Elektronenstrom durch das Sensorelement angelegt wird, der dadurch einen Sauerstoffstrom antreibt. Der Sauerstoffstrom geht von der Referenzelektrode aus und führt über den Referenzkanal in den Außenbereich des Sensorelementes. Dabei wird ein ausreichender Sauerstoffpartialdruck erzeugt, um Fettgaskomponenten zu oxidieren oder abzutransportieren, sodass das CSD-Verhalten aktiv beseitigt wird.the CSD behavior can now be counteracted by having a Electron current is applied through the sensor element, thereby forming a Oxygen flow drives. The oxygen flow goes from the reference electrode off and leads via the reference channel in the outdoor area of the sensor element. In this case, a sufficient oxygen partial pressure generated to oxidize or remove grease gas components, so that the CSD behavior is actively eliminated.

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 wird) 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.Of the Internal resistance of such lambda probes is beyond temperature dependent. If such probes with a pumping current operated, a pumping current leads to a voltage drop on the internal resistance and thus to a displacement of the measuring signal. With constant supply voltage and constant internal resistance (the caused by a constant temperature) is also the voltage drop constant and can thus be considered in advance in the control unit become. For unheated sensors, however, the internal resistance depends from the exhaust gas temperature. This can lead to a temperature-dependent Voltage drop on the internal resistance come, the signal delay equivalent. This is proportional to the pumping current.

Aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasensoren werden gewöhnlich ohne Pumpstrom betrieben. Dies führt einerseits aufgrund der Proportionalität zum Innenwiderstand zu einem Verschwinden des temperaturabhängigen Signalverzuges. Andererseits kann auf diese Weise keine Pumpwirkung zur Beseitigung des CSD-Verhaltens durch Spülen des Referenzkanals erreicht werden.Lambda sensors known from the prior art are usually operated without pumping current. On the one hand, this leads to a Verschwin due to the proportionality to the internal resistance that of the temperature-dependent signal delay. On the other hand, in this way no pumping action to eliminate the CSD behavior by flushing the reference channel can be achieved.

Der Erfindung liegt nun 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.Of the The invention is based on the object, a method for operating an unheated sensor element, in particular a lambda probe, and to convey such a lambda probe, in which the CSD behavior eliminated.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen und ein derartiges Sensorelement mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst.These The object is achieved by a method for operating a sensor element for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of Internal combustion engine and such a sensor element with the features the independent claims 1 and 5 solved.

Grundidee der Erfindung ist es, das CSD-Verhalten bei unbeheizten Lambdasonden, also einen Signalverzug bei diesen Sonden, dadurch zu minimieren, dass der Regelpunkt an die jeweiligen Innenwiderstandsverhältnisse angepasst wird.The basic idea The invention is the CSD behavior in unheated lambda probes, ie to minimize signal delay in these probes by: the control point to the respective internal resistance conditions is adjusted.

Dies geschieht dadurch, dass der Innenwiderstand bestimmt wird, der Innenwiderstand mit einer vorgebbaren Schwelle verglichen wird und dass eine Pumpspannung zugeschaltet wird, wenn der Innenwiderstand die Schwelle unterschreitet. Auf diese Weise ist es möglich, die Lambda-Sonde sowohl mit Luftreferenz als auch mit gepumpter Referenz zu betreiben. Im Bereich hoher Widerstände und niedrigerer Temperaturen wird die Sonde konventionell mit Luft-Referenz betrieben. Wenn der Innenwiderstand dagegen mit steigender Temperatur abgefallen ist, wird eine Pumpspannung zugeschaltet.This happens by the fact that the internal resistance is determined, the internal resistance is compared with a predeterminable threshold and that a pumping voltage is switched on when the internal resistance falls below the threshold. In this way it is possible to use the lambda probe both operate with air reference as well as with pumped reference. in the Range of high resistances and lower temperatures the probe is conventionally operated with air reference. If the Internal resistance, however, has dropped with increasing temperature is switched on a pump voltage.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 5 angegebenen Verfahrens und des Sensorelements möglich.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous developments and improvements of specified in the independent claims 1 and 5 Method and the sensor element possible.

So kann der Innenwiderstand des Sensorelements direkt gemessen werden.So the internal resistance of the sensor element can be measured directly.

Bei einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Innenwiderstand über die Temperatur des Sensorelements anhand der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine rechnerisch ermittelt oder einem Kennfeld entnommen. Dabei werden, abhängig beispielsweise vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, auch die Abgastemperatur und/oder das Abgasmengenverhältnis und/oder der Abgasmassenstrom bestimmt, und aus diesen auf die Temperatur und somit den Innenwiderstand des Sensorelements geschlossen.at In another embodiment of the method, the internal resistance is over the temperature of the sensor element based on the operating parameters of Internal combustion engine calculated or taken from a map. In doing so, depending on, for example, the operating point the internal combustion engine, and the exhaust gas temperature and / or the exhaust gas amount ratio and / or the exhaust gas mass flow determined, and from these to the temperature and thus closed the internal resistance of the sensor element.

Als Schwelle für den Widerstandswert kann beispielsweise ein Widerstandswert zwischen 500 und 3500 Ω, insbesondere 1,5 kΩ gewählt werden.When Threshold for the resistance, for example, a Resistance value between 500 and 3500 Ω, especially 1.5 kΩ.

Das erfindungsgemäße Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere eine Lambdasonde mit einer gedruckten Elektrolytschicht, zeichnet sich dadurch aus, dass die gedruckte Elektrolytschicht aus Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid besteht. Zum einen kann ein gedruckter Elektrolyt gegenüber einem mittels einer Grünfolie hergestellten Elektrolyten wesentlich dünner hergestellt werden, wodurch sich der Innenwiderstand erheblich verkleinert. Darüber hinaus wird auch durch die Verwendung von Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid anstelle von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid vor allem im Niedertemperaturbereich bei gleicher Schichtdicke ein niedrigerer Innenwiderstandswert erreicht. Ein solches Sensorelement kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders bevorzugt eingesetzt werden.The Sensor element according to the invention for determination the concentration of gas components in the exhaust gas of internal combustion engines, in particular a lambda probe with a printed electrolyte layer, is characterized in that the printed electrolyte layer made of scandium-stabilized zirconia. For one thing, one printed electrolyte against a produced by means of a green sheet Electrolytes are made much thinner, thereby the internal resistance decreases considerably. About that In addition, by the use of scandium-stabilized Zirconia instead of yttria-stabilized zirconia especially in the low temperature range with the same layer thickness a lower one Internal resistance reached. Such a sensor element can for Implementation of the method according to the invention particularly preferably used.

Um eine verbesserte Ionenleitfähigkeit herzustellen, können dabei Lokalbereiche mit Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid verwendet werden.Around can produce improved ionic conductivity while local areas with yttria-stabilized zirconia used become.

Weiterhin ist zur Reduktion des Gleichstrominnenwiderstands vorgesehen, die Elektrodenflächen zu maximieren und die Referenzelektrode nahe an der Oberfläche zu positionieren, um den dazwischen angeordneten Elektrolyten möglichst gut an das heiße Abgas zu koppeln.Farther is intended to reduce the DC internal resistance, the To maximize electrode areas and the reference electrode Position it near the surface, in between arranged electrolyte as well as possible to the hot To couple exhaust gas.

Das Sensorselement wird vorteilhafterweise über einen Spannungsteiler betrieben, der veränderbare Teilerwiderstände aufweist. Hierdurch kann auf technisch einfach zu realisierende Weise eine Pumpspannung zugeschaltet und damit das Sensorelement mit gepumpter Referenz betrieben werden.The Sensor element is advantageously via a voltage divider operated, the variable divider resistors having. This can be technically easy to implement Way switched a pump voltage and thus the sensor element operated with pumped reference.

Eine derartige Lambdasonde kann darüber hinaus mit einem sehr geringen Pumpstrom betrieben werden, der zu einem möglichst geringen Spannungsverzug führt und dennoch eine CSD- und Nebenschlussfestigkeit gewährleistet. Die Pumpströme liegen dabei vorteilhafterweise im Bereich zwischen 0 μA und 10 μA, bevorzugt zwischen 2 μA und 5 μA.A Such lambda probe can also with a very low pumping current to be operated as possible low voltage delay leads and still a CSD and Shunt resistance guaranteed. The pumping currents are advantageously in the range between 0 μA and 10 μA, preferably between 2 μA and 5 μA.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention are illustrated in the drawing and in the following description explained in more detail.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement schematisch im Schnitt; 1 shows a sensor element according to the invention schematically in section;

2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Sensorelements. 2 shows a circuit arrangement for operating a sensor element.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist schematisch ein Sensorelement dargestellt, welches durch einen Elektrolyten 100 aus Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid gebildet wird, der auf einen Träger 105, beispielsweise mittels Siebdruck, aufgebracht sein kann. Der Elektrolyt weist eine Dicke von etwa 500 μm auf. Die Drucktechnik zur Herstellung des Elektrolyten im Bereich 101 unter der Außenelektrode 110 wird eingesetzt, um eine geringe Schichtdicke von Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid zu erzielen und dadurch den Innenwiderstand bedingt durch die Ionen-Einbaureaktion zu minimieren.In 1 schematically a sensor element is shown, which by an electrolyte 100 formed from scandium-stabilized zirconia, which is supported on a support 105 , For example, by screen printing, may be applied. The electrolyte has a thickness of about 500 microns. The printing technology for the production of the electrolyte in the field 101 under the outer electrode 110 is used to achieve a small layer thickness of scandium-stabilized zirconia and thereby minimize the internal resistance due to the ion incorporation reaction.

Die Lambdasonde weist eine dem (nichtdargestellten) Abgas ausgesetzte Referenzelektrode 110 auf, die mit einem Steuergerät SG über eine in der 1 nur schematisch dargestellte elektrische Leitung 111 verbunden ist und einen 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 unter Berücksichtigung der baulichen Gegebenheiten maximal gewählt. Die Referenzelektrode 120 ist möglichst nahe der äußeren, dem Abgas ausgesetzten 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.The lambda probe has a reference electrode exposed to the exhaust gas (not shown) 110 on, which with a control unit SG over one in the 1 only schematically illustrated electrical line 111 is connected and one in a reference gas volume 130 arranged reference electrode 120 who also have a line 140 connected to the control unit SG. To reduce the DC internal resistance, the electrode surface of the electrode exposed to the exhaust gas 110 chosen as large as possible, ideally chosen in the ideal case, taking into account the structural conditions. The reference electrode 120 is positioned as close as possible to the outer surface of the probe exposed to the exhaust gas in order to couple the electrolyte arranged therebetween as well as possible to the hot exhaust gas. The probe can be operated with a pump current that is chosen to be as small as possible in order to cause a small voltage delay and still ensure the CSD and shunt capability. The pump currents are in the range between 0 μA and 10 μA, in particular and preferably in the range between 2 μA and 5 μA.

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 Eindrin gen von Fettgaskomponenten in den Referenzgaskanal 130 zu unterdrücken und gleichzeitig den Strömungswiderstand und somit den Druckaufbau im Referenzbereich einzustellen.An outlet 132 of the pumping gas is dimensioned small in order to advance from fat gas to the reference electrode 120 as possible to prevent. However, it must be chosen so large that a pressure equalization with the environment is guaranteed. In this case, porous layers with high flow resistance must be avoided. To prefer is an open channel with a correspondingly small cross-section. The reference channel can be realized by a simple printing layer with a sacrificial layer of thickness 20 to 30 microns and a channel width between 0.5 and 1 mm (not shown). In principle, it is also possible to use a not quite tight printed electrode lead as a reference channel (not shown). In addition, it can be provided with a porous printing layer 133 In the input region of the reference channel further Eindrin gene of fat gas components in the reference gas channel 130 to suppress and at the same time adjust the flow resistance and thus the pressure build-up in the reference range.

Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Lambdasensors zur Kompensation des Signalverzugs, die sich durch ein CSD-Verhalten ergibt, in Verbindung mit 2 beschrieben.In the following, a method for operating such a lambda sensor to compensate for the signal distortion, which results from a CSD behavior, in conjunction with 2 described.

In 2 ist schematisch ein Spannungsteiler bestehend aus den Widerständen R1 und R2 dargestellt, der über einen Vorwiderstand RV eine Sondenspannung US an der Sonde erzeugt. Hierzu wird die Spannung U0 durch den Spannungsteiler geteilt, wobei eine Teilerspannung UT über den Vorwiderstand RV als Sondenspannung US an der Sonde anliegt, die in 2 schematisch durch einen Innenwiderstand RI und eine Spannungsquelle in Form der Nernstspannung UN dargestellt ist.In 2 schematically a voltage divider consisting of the resistors R 1 and R 2 is shown, which generates a probe voltage U S on the probe via a series resistor R V. For this purpose, the voltage U 0 is divided by the voltage divider, wherein a divider voltage U T via the series resistor R V is applied as a probe voltage U S to the probe, which in 2 is schematically represented by an internal resistance R I and a voltage source in the form of Nernst voltage U N.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren zum Betreibendes in 1 dargestellten Sensorelements, d. h. einer Lambdasonde, könnte auch als „Hybrid-Modell” bezeichnet werden – das Betreiben der Sonde mit Luftreferenz bzw. mit gepumpter Referenz, abhängig vom temperarurbedingten Innenwiderstand der Sonde. Im Bereich hoher Innenwiderstände und niedriger Temperaturen wird die Sonde konventionell mit Luft-Referenz betrieben. Unterschreitet der Widerstand einen vorgebbaren Schwellenwert, der – wie oben erwähnt – bei 1 oder 1,5 kΩ liegen kann, ist also die Temperatur weit genug angestiegen, wird eine Pumpspannung zugeschaltet. Der Innenwiderstand kann dabei direkt gemessen werden oder durch ein Widerstandsmodell bestimmt werden, wobei hier als Eingangsgrößen die Abgastemperatur, der Abgasmassenstrom und weitere Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine herangezogen werden können. Diese Größen können beispielsweise mittels anderer Sensoren oder aufgrund der Kenntnis eines im Steuergerät SG hinterlegten Kennfeldes in Bezug auf Drehzahl und Last erfolgen. Die Zuschaltung der Pumpspannung erfolgt über den Spannungsteiler beispielsweise durch Öffnen des Schalters S und damit Abschalten eines Widerstands R2 P von 1 kΩ, der zu dem Widerstand R2 parallel liegt. Durch diese Maßnahme tritt aufgrund des bei erhöhten Temperaturen vorliegenden geringen Innenwiderstandes nur ein geringer und noch tolerierbarer Verzug der Sondenspannung im Vergleich zum Spannungshub durch die Nernstspannung auf. Dieses Verfahren zum Betreiben des Sensorelements ist insbesondere im Hinblick auf ein Ausdampfen von Fettgas-Komponenten aus der Dichtpackung (sogenanntes „Heiß-CSD”) vorteilhaft.The method described below for operating in 1 represented sensor element, ie a lambda probe, could also be referred to as "hybrid model" - the operation of the probe with air reference or with pumped reference, depending on the temperature-related internal resistance of the probe. In the area of high internal resistance and low temperatures, the probe is conventionally operated with air reference. If the resistance falls below a predefinable threshold value, which, as mentioned above, can be 1 or 1.5 kΩ, then the temperature has risen far enough, a pump voltage is switched on. The internal resistance can be measured directly or be determined by a resistance model, in which case the exhaust gas temperature, the exhaust gas mass flow and other operating variables of the internal combustion engine can be used as input variables. These variables can be done for example by means of other sensors or based on the knowledge of a stored in the control unit SG map in terms of speed and load. The connection of the pump voltage via the voltage divider, for example, by opening the switch S and thus switching off a resistor R 2 P of 1 kΩ, which is parallel to the resistor R 2 . Due to this measure, due to the low internal resistance present at elevated temperatures, only a small and still tolerable distortion of the probe voltage occurs in comparison to the voltage swing due to the Nernst voltage. This method of operating the sensor element is advantageous in particular with regard to evaporation of fatty-gas components from the sealing pack (so-called "hot CSD").

Im Folgenden wird ein Dimensionierungsbeispiel für die in 2 dargestellte Schaltung beschrieben. Für einen tolerierbaren Verzug der Sondenspannung in Höhe von 10 mV und 5 μA Pumpstrom darf sich der Innenwiderstand bei eingeschaltetem Pumpstrom noch um R = U/I = 2 kΩ ändern. An sich bekannte Lambdasonden weisen bei 850°C einen Innenwiderstand von RI = 16 kΩ auf. Der Innenwiderstand steigt um 2 kΩ beim Abkühlen auf 500°C und weiter bis auf etwa 70 kΩ bei 350°C, bevor das Sondenmaterial in einen nicht leitenden Zustand übergeht. Das vorbeschriebene Hybrid-Modell kann dabei ohne Kompensation des Regelpunktes durch Zuschaltung einer Pumpspannung ab 500°C der Sensorelementtemperatur eingesetzt werden. Wird am Sensorelement durch weitere Maßnahmen der Innenwiderstand des Sensorelementes weiter reduziert, erweitert sich der Temperaturbereich, bei dem ein weitgehend verzugsfreies Pumpen möglich ist, entsprechend.The following is a dimensioning example for the in 2 illustrated circuit described. For a tolerable delay of the probes Voltage of 10 mV and 5 μA pump current, the internal resistance may still change by R = U / I = 2 kΩ when the pump current is switched on. Known lambda sensors have at 850 ° C an internal resistance of R I = 16 kΩ. The internal resistance increases by 2 kΩ on cooling to 500 ° C and further up to about 70 kΩ at 350 ° C, before the probe material goes into a non-conductive state. The above-described hybrid model can be used without compensation of the control point by switching a pump voltage from 500 ° C of the sensor element temperature. If the internal resistance of the sensor element is further reduced on the sensor element by further measures, the temperature range in which largely distortion-free pumping is possible is correspondingly increased.

Die Widerstände des Spannungsteilers sind für Temperaturen kleiner als 500°C im Verhältnis 1:10, also beispielsweise R1 = 10 kΩ und R2 = 1 kΩ zu wählen. Bei Temperaturen über 500°C wird zu R2 ein Widerstand von beispielsweise 2,17 kΩ zugeschaltet, sodass sich bei einer Versorgungsspannung U0 von 5 V eine Teilerspannung UT von 1,78 V ergibt. Die Widerstände können beliebig reduziert werden, solange das Verhältnis aufrechterhalten bleibt und die Stromquelle nicht überlastet wird. Der Vorwiderstand RV wird jedoch wegen der Nebenschlussfestigkeit nicht erhöht.The resistors of the voltage divider are to be selected for temperatures less than 500 ° C in the ratio 1:10, that is, for example, R 1 = 10 kΩ and R 2 = 1 kΩ. At temperatures above 500 ° C., a resistance of, for example, 2.17 kΩ is connected to R 2 so that a divider voltage U T of 1.78 V results for a supply voltage U 0 of 5 V. The resistances can be arbitrarily reduced as long as the ratio is maintained and the power source is not overloaded. However, the series resistor R V is not increased because of the shunt resistance.

Durch die Zuschaltung des Pumpstromes oberhalb der dem Widerstandsschwellwert entsprechenden Temperatur kann ein bereits bestehendes CSD abgebaut werden und ein weiteres Entstehen verhindert werden.By the connection of the pumping current above the resistance threshold value corresponding temperature can be reduced already existing CSD and prevent further emergence.

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.The The method described above can be used, for example, as a computer program be implemented in the control unit of the internal combustion engine and run out there. The program code may be on a machine-readable Carrier be stored, the control unit SG can read.

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Claims (11)

Verfahren zum Betreiben einer Lambda-Sonde zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Bestimmen des Innenwiderstandes; – Vergleichen des Innenwiderstandes mit einer vorgebbaren Widerstandsschwelle; – Zuschalten einer Pumpspannung bei Unterschreiten der Widerstandsschwelle.Method for operating a lambda probe for Determination of the concentration of gas components in the exhaust gas of internal combustion engines, characterized by the following steps: - Determine the internal resistance; - Compare the internal resistance with a predefinable resistance threshold; - connect a pumping voltage when falling below the resistance threshold. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand gemessen wird oder mittels eines Modells bestimmt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the internal resistance is measured or by means of a model is determined. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwelle für den Widerstand ein Widerstandswert zwischen 500 und 3500 Ω, insbesondere 1,5 kΩ vorgesehen wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that as a threshold for resistance a resistance value between 500 and 3500 Ω, in particular 1.5 kΩ provided becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuschalten der Pumpspannung durch Abschalten von Widerständen (R2 P) eines Spannungsteilers, über den die Pumpspannung eingestellt wird, erfolgt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the switching on of the pumping voltage by switching off resistors (R 2 P ) of a voltage divider, via which the pumping voltage is set takes place. Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere Lambdasonden mit wenigstens einer gedruckten Elektrolytschicht (100, 101), dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Elektrolytschicht (101) aus Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid besteht.Sensor element for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of internal combustion engines, in particular lambda probes with at least one printed electrolyte layer ( 100 . 101 ), characterized in that the printed electrolyte layer ( 101 ) consists of scandium-stabilized zirconia. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung des Gleichstrominnenwiderstands des Sensorelements die Elektro denflächen (110, 120) so an dem Elektrolyten (101) ausgebildet sind, dass sie eine maximal mögliche Oberfläche aufweisen.Sensor element according to claim 5, characterized in that to minimize the DC internal resistance of the sensor element, the electric denflächen ( 110 . 120 ) so on the electrolyte ( 101 ) are formed so that they have a maximum possible surface. Sensorelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (120) nahe der äußeren, dem Abgas ausgesetzten Oberfläche des Sensorelements positioniert ist.Sensor element according to claim 5 or 6, characterized in that the reference electrode ( 120 ) is positioned near the outer, exhaust-exposed surface of the sensor element. Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es über einen Spannungsteiler mit veränderbaren Teilerwiderständen (R1, R2, R2 P) betreibbar ist.Sensor element according to one of claims 5 to 7, characterized in that it can be operated via a voltage divider with variable divider resistors (R 1 , R 2 , R 2 P ). Sensorelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Pumpstrom beaufschlagt wird, der zwischen 0 μA und 10 μA beträgt, vorzugsweise zwischen 2 μA und 5 μA beträgt.Sensor element according to one of claims 5 to 8, characterized in that it is acted upon by a pumping current which is between 0 μA and 10 μA, preferably between 2 μA and 5 μA. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft.Computer program that shows all the steps of a procedure according to one of claims 1 to 4 executes when it on a computing device, in particular the control unit an internal combustion engine runs. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.Computer program product with program code based on a machine-readable carrier is stored for execution of the method according to one of claims 1 to 4, when the Program on a computer or a control unit of a vehicle is performed.
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