DE102009026418B4 - Konditionierung eines Sensorelements in einem Brennerprüferstand bei mindestens 1000°C und Konditionierungsstrom - Google Patents

Konditionierung eines Sensorelements in einem Brennerprüferstand bei mindestens 1000°C und Konditionierungsstrom Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Konditionierung eines Sensorelements (116) in einem Brennerprüferstand, wobei das Sensorelement (116) eine unbeheizte Zweipunkt-Lambdasonde ist, mit genau einer Messzelle (118), wobei die Messzelle (118) eine erste Elektrode (120) aufweist, wobei die erste Elektrode (120) mit einem Messgas beaufschlagt wird, wobei die Messzelle (118) weiterhin eine zweite Elektrode (124) und einen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (127) aufweist, wobei die Messzelle (118) vor Inbetriebnahme des Sensorelements (116) einem Konditionierungsprozess unterworfen wird, wobei die Messzelle (118) bei dem Konditionierungsprozess einerKonditionierungstemperatur von mindestens 1000°C ausgesetzt wird, wobei die Messzelle (118) bei dem Konditionierungsprozess zusätzlich mit einem Konditionierungsstrom beaufschlagt wird, wobei in einem ersten Teilschritt die Messzelle (118) mit einem Konditionierungsstrom zwischen 1 mA und 30 mA beaufschlagt wird und wobei in einem zweiten Teilschritt die Messzelle (118) mit einem Konditionierungsstrom zwischen 0 µA und -30 mA beaufschlagt wird, wobei jeder Teilschritt des Konditionierungsprozesses eine Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden aufweist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von so genannten unbeheizten Zweipunkt-Lambdasonden. Derartige Lambdasonden können beispielsweise als Low-Cost-Sonden in Zweiradapplikationen zum Einsatz kommen, beispielsweise als Sensorelement, als in einem Gehäuse fixierten Sensorelement, was im Folgenden auch als Baugruppe bezeichnet wird, oder als Komplettsonde, im Folgenden auch als Sensor bezeichnet.
  • Aus der US 2005 / 0 252 788 A1 US 2005 / 0 252 788 A1 ist ein Verfahren zur Aktivierung eines Zirkonium-Sauerstoffsensors beschrieben, der die Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsatmosphäre mittels eines Zirkoniumelements detektiert.
  • Aus der ist ein
  • Weitere Sensorelemente sind bekannt aus der
  • Unbeheizte Lambdasonden zeigen in vielen Fällen nach dem Verbau eine für die Applikation zu große Ansprechzeit t2. Die t2-Zeit beschreibt die von der Lambdasonde benötigte Zeit im Brennerprüfstand, um nach einem Wechsel vom Fettgasbetrieb zum Magergasbetrieb die Sondenspannung von 600 mV auf 300 mV abzusenken. Die Ansprechzeit t2 ist zudem beim mehrmaligen Einbau des Sensorelements in den Prüfstand und darauf folgender Messungen in vielen Fällen nicht oder nur schwer wiederholbar. Wünschenswert wären daher Sensorelemente mit im Vergleich zu herkömmlichen Sensorelementen verkürzten Ansprechzeiten t2 sowie eine Stabilisierung der Ansprechzeit t2.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Konditionierung eines Sensorelements der oben beschriebenen Art vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Herstellungs- und Konditionierungsverfahren beziehungsweise mittels dieser Verfahren hergestellter und konditionierter Sensorelemente, Baugruppen und Sensoren zumindest weitgehend vermeidet. Das Verfahren dient der Konditionierung mindestens eines Sensorelements oder einer Sensorelement umfassenden Baugruppe oder einem das Sensorelement umfassenden Sensor. Wie oben dargestellt, wird unter einer Baugruppe dabei mindestens ein in mindestens einem Gehäuse fixiertes Sensorelement bezeichnet und unter einem Sensor ein betriebsfertiges, die Baugruppe und gegebenenfalls weitere Komponenten wie beispielsweise Steckverbindungen umfassendes Bauelement. Unter einer Konditionierung ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei welchem das Sensorelement auf einen Einsatz vorbereitet wird. Diese Konditionierung kann insbesondere dem Zweck dienen, das Sensorelement auf eine konstante und reproduzierbare Messung vorzubereiten, beispielsweise indem durch bestimmte Herstellungsschritte verursachte Verunreinigungen, die die Messwerte beeinflussen können, entfernt werden.
  • Das Sensorelement dient der Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Sensorelement um eine unbeheizte Zweipunkt-Lambdasonde. Derartige Sensorelemente können insbesondere, wie oben dargestellt, in Zweiradapplikationen eingesetzt werden. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement um ein einzelliges Sensorelement, also ein Sensorelement, welches genau eine Messzelle aufweist, beispielsweise eine Sprungzelle oder eine als Sprungzelle betriebene Messzelle.
    Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird genau eine Messzelle bereitgestellt. Die Herstellung der Messzelle selbst kann Bestandteil des Verfahrens sein, kann jedoch auch in einem separaten Verfahren durchgeführt werden, so dass lediglich die Bereitstellung der Messzelle Bestandteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist. Wie oben dargestellt, kann das Konditionierungsverfahren auch an einem lediglich teilweise fertig gestellten Sensor durchgeführt werden. Das Sensorelement sollte jedoch soweit fertig gestellt sein, dass die genannte genau eine Messzelle bereitgestellt werden kann, welche zumindest teilweise bereits betriebsfähig sein sollte.
  • Die Messzelle weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Dabei ist die erste Elektrode mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Diese Beaufschlagung kann direkt oder indirekt erfolgen, beispielsweise indem die erste Elektrode unmittelbar dem Gas des Messgasraums ausgesetzt werden kann und/oder über eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht. Die zweite Elektrode kann mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehen, welcher getrennt von dem Messgasraum ausgebildet ist, insbesondere einem Referenzkanal. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Referenzluftkanal handeln, welcher mit einem Motorraum einer Brennkraftmaschine in Verbindung steht und von einem Abgastrakt, in welchem eine Gasgemischzusammensetzung (beispielsweise eine Luftzahl) gemessen werden soll, getrennt ist. Die Messzelle weist weiterhin einen Festelektrolyten auf, welcher die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindet. Unter einem Festelektrolyten, wobei es sich vorzugsweise um einen keramischen Festelektrolyten handelt, ist dabei ein Material zu verstehen, welches bei stark erhöhten Temperaturen (Temperaturen oberhalb von 1000 °C) eine lonenleitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweist. Beispielsweise können dabei bekannte Festelektrolytmaterialien eingesetzt werden, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ). Auch andere Festelektrolytmaterialien können jedoch alternativ oder zusätzlich zum Einsatz kommen, beispielsweise Scandium-stabilisiertes Zirkondioxid oder andere Arten von Festelektrolytmaterialien.
  • Weiterhin kann das Sensorelement in ein Sondengehäuse verbaut sein. Die Messzelle kann in einem Schichtaufbau, vorzugsweise einem keramischen Schichtaufbau, realisiert werden. Der Schichtaufbau kann von einem Schutzrohr umgeben sein, beispielsweise einem metallischen Schutzrohr, vorzugsweise mit Schlitzen, durch welche Gas aus dem Messgasraum, beispielsweise dem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, zu dem Schichtaufbau vordringen kann. Der Schichtaufbau kann derart realisiert sein, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode übereinander oder nebeneinander angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist die erste Elektrode als Außenelektrode in einem Schichtaufbau ausgestaltet, und die zweite Elektrode als innen liegende Innenelektrode.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Konditionierung eines Sensorelements in einem Brennerprüfstand vorgeschlagen, wobei das Sensorelement eine unbeheizte Zweipunkt-Lambdasonde ist, mit genau einer Messzelle, wobei die Messzelle eine erste Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode mit einem Messgas beaufschlagt wird, wobei die Messzelle weiterhin eine zweite Elektrode und einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist, wobei die Messzelle vor Inbetriebnahme des Sensorelements einem Konditionierungsprozess unterworfen wird, wobei die Messzelle bei dem Konditionierungsprozess einer Konditionierungstemperatur von mindestens 1000°C ausgesetzt wird, wobei die Messzelle bei dem Konditionierungsprozess zusätzlich mit einem Konditionierungsstrom beaufschlagt wird, wobei in einem ersten Teilschritt die Messzelle mit einem Konditionierungsstrom zwischen 1 mA und 30 mA beaufschlagt wird und wobei in einem zweiten Teilschritt die Messzelle mit einem Konditionierungsstrom zwischen 0 µA und -30 mA beaufschlagt wird, wobei jeder Teilschritt des Konditionierungsprozesses eine Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden aufweist.
  • Der Konditionierungsprozess kann insbesondere in einer definierten Gasatmosphäre durchgeführt werden, also in einer Gasatmosphäre, deren Zusammensetzung zumindest hinsichtlich einer oder mehrerer Komponenten bekannt ist. Beispielsweise kann der Konditionierungsprozess in einer fetten Gasatmosphäre durchgeführt werden, vorzugsweise in abgebranntem Luft/Gasgemisch, und/oder in einer wechselnden Gasatmosphäre. Insbesondere kann es sich bei der definierten Gasatmosphäre um eine Gaszusammensetzung bekannter Luftzahl handeln, beispielsweise um Luft und/oder insbesondere um Fettgas.
  • Der Konditionierungsprozess wird in einem Brennerprüfstand durchgeführt. Unter einem Brennerprüfstand ist dabei allgemein eine Anordnung zu verstehen, bei welcher der Sensor oder ein Teil des Sensors, beispielsweise die genau eine Messzelle, mindestens ein die Messzelle umfassendes Sensorelement oder mindestens eine das Sensorelement umfassende Baugruppe, einer durch einen Brenner erzeugten Wärme und/oder einem durch einen Brenner erzeugten oder beeinflussten Gasstrom ausgesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Beaufschlagung mit einer definierten Gasatmosphäre erfolgen.
  • Zusätzlich zur Beaufschlagung der Messzelle mit der Konditionierungstemperatur von mindestens 1000°C erfolgt bei dem Konditionierungsprozess auch eine Beaufschlagung der Messzelle mit einem Konditionierungsstrom. Es ist denkbar, dass der Konditionierungsstrom in mindestens einem Teilschritt des Konditionierungsprozesses, beispielsweise einem ersten Teilschritt des Konditionierungsprozesses, derart gewählt werden, dass die zweite Elektrode auf einem höheren Potential liegt als die erste Elektrode. Vorzugsweise fließt dabei Sauerstoff von der ersten Elektrode, beispielsweise der Außenelektrode, zu der zweiten Elektrode, beispielsweise der Innenelektrode, infolge eines Pumpprozesses. Wie oben dargestellt, umfasst der Konditionierungsprozess zwei Teilschritte, wobei in einem ersten Teilschritt die Messzelle mit einem Konditionierungsstrom zwischen 1 mA und 30 mA beaufschlagt wird und wobei in einem zweiten Teilschritt die Messzelle mit einem Konditionierungsstrom zwischen 0 µA und - 30 mA beaufschlagt wird, wobei jeder Teilschritt des Konditionierungsprozesses eine Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden aufweist.
  • Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen lässt sich die Ansprechzeit t2 erheblich verkürzen und stabilisieren. Durch die beschriebenen Maßnahmen, einzeln oder in Kombination, lassen sich auf dem Sensorelement, insbesondere auf einer oder beiden der Elektroden, verbleibende Fettgaskomponenten entfernen oder zumindest weitgehend reduzieren. Weiterhin lassen sich Vergiftungen auf und/oder innerhalb der Elektrodenoberfläche einer oder beider der Elektroden, beispielsweise Verbindungen von Silizium, Bor, Chrom oder anderer Übergangsmetalle, zuverlässig abdampfen oder zumindest reduzieren.
  • Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können eine Cermet-Elektrode umfassen, also eine Metall-Keramik-Elektrode. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Zirkondioxid-Platin-Elektrode handeln. Auch andere Arten von Cermet-Elektroden sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Durch die beschriebenen Maßnahmen, einzeln oder in Kombination, lässt sich dabei der Anteil der Dreiphasengrenze von Metall, Keramik und Gas, beispielsweise von Platin, Zirkondioxid und Gas, erhöhen. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Relevanz von Vergiftungen abschwächen, und die Elektroden lassen sich insbesondere im Niedertemperaturbereich empfindlicher gestalten. Dies ist insbesondere für die erfindungsgemäß vorgesehenen und oben beschriebenen unbeheizten Zweipunkt-Lambdasonden von Vorteil. Weiterhin lassen sich auch Oxidschichten von den Elektrodenoberflächen entfernen und auf diese Weise ebenfalls die Elektroden im Niedertemperaturbereich empfindlicher gestalten.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Konditionierung eines Sensorelements.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist schematisch ein Brennerprüfstand 110 dargestellt, anhand dessen ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch erläutert werden soll. Der Brennerprüfstand 110 umfasst ein Gehäuse 112 mit einem Konditionierungsraum 114, in welchem ein Sensorelement 116 als Fertigprodukt oder als Zwischenprodukt aufgenommen ist. Das Sensorelement 116 umfasst erfindungsgemäß genau eine Messzelle 118, welche für das erfindungsgemäße Verfahren in einem bereits funktionsfähigen Zustand, also beispielsweise als fertiggesinterter Schichtaufbau, bereitgestellt werden kann, und/oder eine diese Messzelle 118 umfassende Baugruppe. Nicht dargestellt sind weitere Elemente des Sensorelements 116, wie beispielsweise Gehäusekomponenten, Dichtpackungen, Steckverbindungen oder Ähnliches. Die Messzelle 118 umfasst eine erste Elektrode 120, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Außenelektrode ausgestaltet ist und über eine poröse Schutzschicht 122 mit Gas aus einem Messgasraum beaufschlagbar ist. Weiterhin umfasst die Messzelle 118 eine zweite Elektrode 124, welche als Innenelektrode ausgebildet ist und im Inneren eines Schichtaufbaus der Messzelle 118, getrennt vom Messgasraum ausgebildet ist. Die zweite Elektrode 124 ist dabei in einem Referenzkanal 126 ausgebildet und beispielsweise über diesen mit Luft beaufschlagbar. Die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 124 sind durch einen Festelektrolyten 127 miteinander verbunden. Beispielsweise kann es sich bei diesem Festelektrolyten 127 um Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) handeln. Die Elektroden 120, 124 sind über Elektrodenzuleitungen 128, welche in 1 lediglich schematisch angedeutet sind, mit einer Spannungsmessvorrichtung verbindbar und/oder mit einem Strom (hier als IB bezeichnet) und/oder einer Spannung beaufschlagbar.
  • In dem Konditionierungsraum 114 ist die Messzelle 118 mit einem Konditionierungsstrom IB beaufschlagt, beispielsweise mittels einer entsprechenden Stromquelle. Der Konditionierungsstrom, welcher in 1 mit IB bezeichnet ist, ist vorzugsweise gesteuert und/oder geregelt und kann vorzugsweise wechselnde Vorzeichen annehmen. Die Steuerung 134 ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass diese den Konditionierungsstrom IB, insbesondere dessen Richtung und/oder dessen Betrag und/oder dessen Zeitdauer, beeinflussen kann. Beispielsweise kann der gesamte Brennerprüfstand 110 computergesteuert ausgestaltet sein.
  • Weiterhin umfasst der Brennerprüfstand 110 in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Heizer 130. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Brennerprüfstand 110 vorzugsweise eine Gaszufuhr 132, über welche der Konditionierungsraum 114 mit einer genau definierten Gasatmosphäre beaufschlagt werden kann. Auch andere Ausgestaltungen sind, wie unten näher ausgeführt wird, möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, in welchen auf das Gehäuse 112 und/oder die Gaszufuhr 132 verzichtet wird. Weiterhin kann der Brennerprüfstand 110 eine Steuerung 134 umfassen, über welche beispielsweise der Brennerprüfstand 110 vollständig oder teilweise gesteuert werden kann, beispielsweise eine Stromzufuhr zu den Elektroden 120, 124 und/oder eine Funktion des Heizers 130 und/oder eine Gaszufuhr 132.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Konditionierungsprozess durchgeführt, bei welchem Verfahrensschritte des Ausheizens und der Strombeaufschlagung in Kombination, durchgeführt werden:
    • • Ausheizen der Messzelle 118 und/oder weiterer Bestandteile des Sensorelements 116 bei Temperaturen von mehr als 1000 °C in fetter Gasatmosphäre vor Durchführung der eigentlichen Niedertemperatur-Messung, also vor Inbetriebnahme des Sensorelements 116;
    • • Ausheizen der Messzelle 118 und/oder weiterer Komponenten des Sensorelements 116 bei Temperaturen von mehr als 1000 °C in wechselnder Gasatmosphäre, insbesondere vor Durchführung der Niedertemperatur-Messung, also vor Inbetriebnahme des Sensorelements 116,
    • • Strombeaufschlagung der Messzelle 118 und/oder weiterer Bestandteile des Sensorelements 116 im Temperaturbereich von mehr als 1000 °C an der ersten Elektrode 120;
    • • Strombeaufschlagung der Messzelle 118 und/oder weiterer Bestandteile des Sensorelements 116 im Temperaturbereich oberhalb von 1000 °C an der ersten Elektrode 120.
  • Das Ausheizen wird erfindungsgemäß durch eine Strombeaufschlagung mit einem Konditionierungsstrom, welcher auch als Prüfstromeinspeisung bezeichnet werden kann, verstärkt. Dies führt zu einer gewollten Änderung in der Elektrodenstruktur der ersten Elektrode 120 und/oder der zweiten Elektrode 124. Notwendige Voraussetzung hierfür kann eine Fettgasatmosphäre im Konditionierungsraum 114 sein, damit der Sauerstoffabtransport verstärkt an der Grenzschicht zur Elektrode 120 beziehungsweise 124 angreift und es nicht lediglich zu einem Sauerstoffabtransport aus dem Gas kommt. Wesentlich ist hierbei in vielen Fällen die Belastung der Außenelektrode 120. Dies bedeutet, dass die Stromrichtung vorzugsweise derart zu wählen ist, dass die Außenelektrode 120 zunächst auf niedrigem Potenzial und die Innenelektrode 124 auf hohem Potential liegt und der Sauerstoff vom Abgas beziehungsweise aus dem Konditionierungsraum 114 in den Referenzkanal 126 gepumpt werden sollte. Die Außenelektrode 120 sollte also zunächst auf einem niedrigeren Potenzial liegen als die Innenelektrode 124. Hierdurch kann es durch Sauerstoffverarmung zu Materialzersetzungen im Grenzbereich von Elektrode und Elektrolyt kommen. Im zweiten Schritt wird dieser Bereich durch Umkehrung der Stromrichtung regeneriert. Die Messzelle 118 wird bei dem Konditionierungsprozess zusätzlich mit einem Konditionierungsstrom beaufschlagt, wobei in einem ersten Teilschritt die Messzelle 118 mit einem Konditionierungsstrom zwischen 1 mA und 30 mA beaufschlagt wird und wobei in einem zweiten Teilschritt die Messzelle (118) mit einem Konditionierungsstrom zwischen 0 µA und -30 mA beaufschlagt wird, wobei jeder Teilschritt des Konditionierungsprozesses eine Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden aufweist. Der wesentliche Parameter für die Sensorelement-Temperatur bei einer Strombeaufschlagung ist in der Regel der Innenwiderstand der Messzelle 118. Ein Innenwiderstand von 17 Ω während der Strombeaufschlagung erlaubt in der Regel eine hohe Verbesserung. Dies entspricht typischerweise einer Abgastemperatur beziehungsweise einer Temperatur des Gases im Konditionierungsraum 114 von circa 1097 °C und einer Elektrodentemperatur von circa 908 °C. Dementsprechend ist es sinnvoll, Elektrodentemperaturen von mindestens 1000°C zu verwenden.
  • In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zur Durchführung des Verfahrens ein eigens hierfür eingerichteter Brennerprüfstand 110 eingesetzt.

Claims (2)

  1. Verfahren zur Konditionierung eines Sensorelements (116) in einem Brennerprüferstand, wobei das Sensorelement (116) eine unbeheizte Zweipunkt-Lambdasonde ist, mit genau einer Messzelle (118), wobei die Messzelle (118) eine erste Elektrode (120) aufweist, wobei die erste Elektrode (120) mit einem Messgas beaufschlagt wird, wobei die Messzelle (118) weiterhin eine zweite Elektrode (124) und einen die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (127) aufweist, wobei die Messzelle (118) vor Inbetriebnahme des Sensorelements (116) einem Konditionierungsprozess unterworfen wird, wobei die Messzelle (118) bei dem Konditionierungsprozess einerKonditionierungstemperatur von mindestens 1000°C ausgesetzt wird, wobei die Messzelle (118) bei dem Konditionierungsprozess zusätzlich mit einem Konditionierungsstrom beaufschlagt wird, wobei in einem ersten Teilschritt die Messzelle (118) mit einem Konditionierungsstrom zwischen 1 mA und 30 mA beaufschlagt wird und wobei in einem zweiten Teilschritt die Messzelle (118) mit einem Konditionierungsstrom zwischen 0 µA und -30 mA beaufschlagt wird, wobei jeder Teilschritt des Konditionierungsprozesses eine Zeitdauer von mindestens 30 Sekunden aufweist.
  2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Konditionierungsprozess in einer definierten Gasatmosphäre durchgeführt wird, insbesondere in einer fetten Gasatmosphäre, vorzugsweise in abgebranntem Luft/Gasgemisch, und/oder in einer wechselnden Gasatmosphäre.
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