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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abgassensorvorrichtung, eine
Motorsteuervorrichtung und ein Motorsteuerverfahren.
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Obwohl
auf beliebige Abgassensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung und die ihr zugrundeliegende Problematik im Hinblick auf
einen Einsatz in Automobilen erläutert.
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Aufgrund
der sich stets weiter verschärfenden Abgasgesetzgebung
müssen die Grenzwerte für Schadstoffgase immer
weiter abgesenkt werden. Ein Hauptproblem dabei ist, dass ein Grossteil
der Rohemissionen (HC, CO, NOx ...) in der Kaltstartphase des Motors
erzeugt werden, also so lange der Motor noch relativ kalt ist. Um
die erforderlichen niedrigen Grenzwerte einzuhalten, ist eine frühe
Einsatzbereitschaft der Abgassensoren insbesondere der Lambdasonde
dringend notwendig. Dem entgegen wirkt das hohe Risiko eines Wasserschlages
der Sensoren (Thermoschock der Lambdasonde) während der Kaltstartphase
des Motors. Nach dem letzten Fahrzyklus nämlich sammelt
sich Wasser im Abgasstrang an, das sich beim erneuten Start aufgrund
des kalten Abgasstranges nicht als Wasserdampf, sondern als Wassertröpfchen
auf den Sensoren niederschlägt. Da eine voll einsatzbereite
Lambdasonde eine Betriebstemperatur oberhalb von 680°C
besitzt, treten Thermoschock-Erscheinungen (thermomechanische Belastungen
und Spannungen) im keramischen Sensorelement auf. Als Gegenmaßnahme
werden Lambdasonden beim Starten des Motors nicht oder nur langsam
aufgeheizt (beispielsweise mit einer Aufheizzeit von mehr als 30
s) bzw. in Schritten mit Halterampen. Diese verzögerten
Aufheizstrategien werden jedoch mindestens so lange angewendet,
bis das Taupunktende am Einbauort der Lambdasonde erreicht ist.
Dabei ist das Taupunktende der Zeitpunkt, ab dem kein Kondensatwasser
mehr vorhanden bzw. die Kondensatbildung des im Abgas enthaltenen
Wassers überwunden ist. Ist das Taupunktende am Einbauort
der Lambdasonde erreicht, wird die Lambdasonde schnellstmöglich auf
Betriebstemperatur aufgeheizt (ca. 680°C), da dann nur
noch ein vermindertes Risiko des Wasserschlages (Thermoschock) besteht.
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Bis
das Taupunktende im Abgas und die Betriebstemperatur der Lambdasonde
oberhalb von 680°C erreicht ist, befindet sich der Motor
in einem ungeregelten Zustand, in dem ein Großteil der
Rohemissionen erzeugt wird. Die erforderliche hohe Einsatztemperatur
der Lambdasonde liegt dabei im Sensormechanismus begründet.
Erst bei einer Temperatur von oberhalb 680°C tritt eine
ausreichend hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit im Yttrium
stabilisierten Zirkonoxid (Elektrolyt) auf, welche das Sensorsignal (Strom)
liefert.
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Zur
Zeit sind keine kostenrelevanten Sensorkonzepte bzw. Messstrategien
bekannt, wodurch Informationen über die im Abgas enthaltene
Sauerstoffkonzentration während der Kaltstartphase erhältlich
wären.
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Gassensitive
Feldeffekttransistoren auf Halbleiterbasis (ChemFETs) finden zunehmend
Verwendung in der Gassensorik. Insbesondere für den Einsatz
im Abgas eignen sich Halbleitermaterialien mit einer breiten Bandlücke,
wie z. B. Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Üblicherweise
führt dabei die Beaufschlagung mit detektierendem Gas zu
einer Veränderung des von der Sourceelektrode zur Drainelektrode
durch den Transistor fließenden Stroms (Kanalstrom). Ein
derartiger ChemFET auf der Basis von Siliziumcarbid als Hydrocarbon-Gaserfassungsvorrichtung
ist in der
U.S. 5,698,771 offenbart.
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Vorteile der Erfindung
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Die
in Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Abgassensorvorrichtung,
die Motorsteuervorrichtung nach Anspruch 7 und das Motorsteuerverfahren
nach Anspruch 11 weisen den Vorteil auf, dass Sauerstoff bei weitaus
niedrigeren Temperaturen vor Taupunktende erfasst werden kann als
bei einer Lambdasonde, vorzugsweise bereits oberhalb 100°C,
da das ChemFET-Messprinzip auf der Adsorbtion der betreffenden Gasspezies
an der gassensitiven Elektrode beruht, und somit eine Regelung zur Schadstoffausstoßminimierung
bei niedrigeren Temperaturen ermöglichen kann.
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Insbesondere
können ChemFETs bereits bei Sensortemperaturen ab 100°C
Sauerstoff in ausreichendem Maße detektieren. Dabei kann
die Abgastemperatur gleich oder geringer der Abgassensortemperatur
sein. Somit ist unmittelbar nach dem Starten des Motors im kalten
Zustand der ChemFET-Abgassensor innerhalb weniger Sekunden (typischerweise
im Millisekundenbereich, auf alle Fälle weniger als fünf
Sekunden) betriebsbereit. Bei den niedrigen Sensortemperaturen ist
ein Thermoschock auszuschließen. Somit kann sehr frühzeitig
ein Sauerstoffsignal zur Motorregelung genutzt werden. Dies garantiert
eine verbesserte Verbrennung des Motors und die Schadstoffemissionen
werden gemindert. Daraus kann auch eine kostenoptimierte Auslegung der
Abgasnachbehandlungssysteme, wie z. B. Dieseloxidationskatalysator,
Partikelfilter, DeNOx-System, NSC-Katalysator oder SCR-Katalysator
resultieren. Dies wirkt sich in kleinerer Baugröße,
geringerem Einsatz von katalytisch aktiven Komponenten, z. B. Tieftemperaturspeichermaterialien
für Stickoxide, NOx, usw., und im DeNOx-System aus.
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Da
ChemFETs in kleiner Baugröße und in hochparallelen
Halbleiterprozessen zu vergleichsweise geringen Kosten hergestellt
werden können, ist die Verwendung mehrerer gassensitiver
Feldeffekttransistoren auf ein Sensorsubstrat bevorzugt. Denkbar
sind zum Beispiel sowohl eine redundante Ausprägung in
Form mehrerer baugleicher sauerstoffsensitiver ChemFETs zur Erhöhung
der Ausfallsicherheit als auch die Kombination von gassensitiven
Feldeffekttransistoren mit unterschiedlichen Sensitivitäten
zur Erfassung unterschiedlicher Gase im Abgas (NOx,
HC, NH3, O2, ...),
beispielsweise zur Kontrolle von Querempfindlichkeiten, d. h. das
Ansprechen eines ChemFETs auf mehrere unterschiedliche Testgase.
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Die
in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen
sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes
der Erfindung.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Abgassensorvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Abgassensorvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3a,
b schematische Darstellung von Motorsteuervorrichtungen gemäß einer
dritten bzw. vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Flussdiagramm zum Illustrieren eines Motorsteuerverfahrens gemäß einer
fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
und
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5 eine
Darstellung eines ChemFET-Sensorsignals in Abhängigkeit
vom Sauerstoffgehalt im Abgas bzw. einer nach einem Kaltstart vergangenen
Zeit.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche
Elemente. 1 zeigt eine schematische Darstellung
einer Abgassensorvorrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet
Bezugszeichen 1 einen ChemFET-Sensor, welcher eine Sourceelektrode
S und eine Drainelektrode D aufweist, die an einem Substrat 2 angeschlossen
sind. Eine gasadsorbierende Schicht 3 ist zwischen der
Sourceelektrode S und der Drainelektrode D auf dem Substrat 2 angebracht,
welche vorzugsweise eine Siliziumcarbidschicht ist, die auch zusätzlich
mit einem katalytischen Material an ihrer Oberfläche O
beschichtet sein kann, an der die zu erfassenden Gasspezies adsorbiert
werden. Zum Aufheizen auf Betriebstemperatur von typischerweise
mindestens 100°C ist eine Heizeinrichtung THE, z. B. eine
elektrische Widerstandsheizeinrichtung, in den ChemFET-Sensor 1 integriert.
Weiterhin integriert ist eine Temperatur-Erfassungseinrichtung TSS,
z. B. ein Widerstandsmäander oder eine Temperaturmessstrecke.
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Zweckmäßigerweise
wird bei der Erfassung ein variierendes Potential an die Gateelektrode
G angelegt, wie ausführlich in der
U.S. 5,698,671 beschrieben.
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Die
Oberfläche O der Schicht 3 kann entweder sauerstoffsensitiv
oder sauerstoffselektiv gestaltet werden. Die sauerstoffsensitive
Elektrodenform ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Platin,
einem Platin enthaltendes Mischmetall bzw. Legierung oder jedem
anderen sauerstoffsensitiven abgasrobusten Material besteht. Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform lässt sich der Sauerstoffgehalt
im Abgas zwischen 0–21% messen. Dabei kann die Sauerstoffelektrode
eine (nano-)poröse Struktur, aber auch eine geschlossene
Elektrodenstruktur besitzen.
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Bei
niedrigen Sauerstoffkonzentrationen (0–100 ppm) wird eine
ausreichend hohe Empfindlichkeit mit einer resultierenden Genauigkeit
im Bereich zwischen ±20 ppm, insbesondere zwischen ±10 ppm,
erzielt. Sauerstoffkonzentrationen zwischen 100 und 1000 ppm werden
mit einer Genauigkeit von ±100 ppm, insbesondere zwischen ±50
ppm, gemessen. Sauerstoffkonzentrationen zwischen 1000 und 10000
ppm werden mit einer Genauigkeit von ±1000 ppm, insbesondere
zwischen ±100 ppm, gemessen. Sauerstoffkonzentrationen
zwischen 10000 und 210000 ppm werden mit einer Genauigkeit von ±50000
ppm, insbesondere zwischen ±1000 ppm, gemessen.
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Der
ChemFET Sensor 1 kann zwar bei einer beliebig niedrigen
Temperatur, gegebenenfalls bei Umgebungstemperatur, betrieben werden.
Ein zuverlässiges Sensorsignal ist allerdings erst ab ca.
100°C zu erwarten, da erst dann von einer wasserfreien Sensorelektrodenbelegung
auszugehen ist, d. h., kein flüssiges Wasser liegt auf
der Oberfläche O mehr vor. Der ChemFET Sensor 1 kann
dann über einen beliebigen Temperaturbereich bis zu 600°C
den Sauerstoffgehalt messen. Das ist in dieser Form sinnvoll, da
mit zunehmender Laufzeit des Motors das Abgas erwärmt wird
und die Umgebungstemperatur steigt. Da das Sauerstoff-Sensorsignal
von der Temperatur abhängig ist, wird das Signal über
den gesamten Temperaturbereich mit Kennlinien verglichen. Die Höhe
des ChemFET-Sensorsignals ist proportional zur Sauerstoffkonzentration
und für jede Temperatur als Kennlinie im Motorsteuergerät
hinterlegt. Zweckmäßigerweise wird der ChemFET
Sensor 1 so lange betrieben, bis die volle Betriebsbereitschaft
der Lambdasonde hergestellt ist, also zumindest während
der ersten dreißig Sekunden nach dem Kaltstart bzw. bis
der Taupunkt am Einbauort der Lambasonde überschritten
ist.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Abgassensorvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die
in 2 dargestellte ChemFET-Abgassensorvorrichtung 1' weist
eine Mehrzahl von ChemFET Sensoren 1a, 1b, 1c, 1d auf
einem gemeinsamen Substrat 5 auf, welche unterschiedliche
Sensorfunktionen innehaben. So ist der ChemFET Sensor 1a auf
Sauerstoff sensitiv, der ChemFET Sensor 1b auf NOx sensitiv, der ChemFET Sensor 1c auf
CO sensitiv und der ChemFET Sensor 1d auf HC sensitiv.
Zweckmäßigerweise werden die verschiedenen ChemFET
Sensoren 1a–1d mit einem Multiplexer 50 betrieben,
welcher ein Ausgangssignal OUT an ein Motorsteuergerät
liefert. Das reduziert die notwendige Anzahl von Kabeln für
den Betrieb eines derartigen ChemFET Arrays 1'. Der allgemeine
Aufbau der Sensoren 1a–1d entspricht
demjenigen des Sensors 1 gemäß 1.
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3a,
b zeigen eine schematische Darstellung von Motorsteuervorrichtungen
gemäß einer dritten bzw. vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der in 3a, b gezeigten Ausführungsformen
bezeichnet Bezugszeichen 200 eine Brennkraftmaschine mit
einem Abgasstrang 201. Der Abgasstrang 201 weist
einen Dieseloxidationskatalysator 20, einen Dieselpartikelfilter 22 und
einen DeNOx Katalysator 24 auf. Bezugszeichen 15 bezeichnet eine übliche
Lambdasonde und Bezugszeichen 10a bzw. 10b eine
ChemFET Sensorvorrichtung, wie beispielsweise in 1 und 2 beschrieben.
Die ChemFET Sensorvorrichtung 10a bzw. 10b sowie
die Lambdasonde 15 sind mit einem Motorsteuergerät ST
verbunden. Der allgemeine Aufbau der Sensoren 10a, 10b entspricht
demjenigen des Sensors 1 gemäß 1.
Weiterhin ist ein Temperatursensor 11 zum Erfassen der
Abgastemperatur T mit dem Motorsteuergerät ST verbunden.
Dabei kann als Temperatursensor 11 auch der zum Einbauort
der Lambdasonde nächstverbaute Temperatursensor im Abgasstrangsystem
genutzt werden.
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Während
bei der Ausführungsform gemäß 3a die
ChemFET Sensorvorrichtung 10a zwischen dem Dieselpartikelfilter 22 und
dem DeNOx-Katalysator 24 angeordnet ist, ist die ChemFET Sensorvorrichtung 10b gemäß der
Ausführungsform der 3b hinter
dem DeNOx-Katalysator 24 angeordnet.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 3a trägt
ein ChemFET-NOx-Sensor zur Regelung des DeNOx
Katalysators 24 eine zusätzliche Sauerstoffelektrode.
Bei der Ausführungsform gemäß 3b trägt
ein OBD-NOx-Sensor auf ChemFET Basis eine zusätzliche
Sauerstoffelektrode. Der Sensor 10b gemäß 3b befindet
sich hinter dem DeNOx-Katalysator 24 und wird zur Überwachung
der Funktion des DeNOx-Katalysators genutzt. Die Anordnung am Ende
des Abgasstranges 201 ist vorteilhaft, da die Temperaturbelastung
des ChemFET Sensors dort geringer ist als an anderen Einbauorten
im Abgasstrang.
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4 zeigt
ein Flussdiagramm zum Illustrieren eines Motorsteuerverfahrens gemäß einer
fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Motorsteuerverfahrens wird in Schritt S1 der Programmablauf durch
einen Kaltstart gestartet. Im Schritt S1a wird der ChemFET-Sensor
unmittelbar nach dem Kaltstart mit der maximal möglichen
Aufheizrampe auf die Mindestbetriebstemperatur TM aufgeheizt,
beispielsweise > 100°C.
Zum Aufheizen auf die Mindestbetriebstemperatur TM dient
die Heizeinrichtung THE (z. B. eine elektrische Widerstandsheizeinrichtung).
Zur Temperaturüberwachung ist die Temperatur-Erfassungseinrichtung
TSS auf dem ChemFET-Sensor integriert, die die ChemFET-Sensortemperatur
TS misst.
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Dieser
Schritt wird solange durchgeführt bis die ChemFET-Sensortemperatur
TS gleich oder größer
der Mindestbetriebstemperatur TM ist. Ist
dies der Fall, so wird im Schritt S2 der ChemFET-Sensor den Sauerstoffgehalt
im Abgas messen und die Motorsteuerung darüber geregelt.
Gleichzeitig wird im Schritt S2a erfasst, ob die Abgastemperatur
T unter dem Temperaturschwellwert T1, der für das Taupunktende
im Einbauort der Lambdasonde steht (beispielsweise 100°C),
liegt. Ist das der Fall, so wird im Schritt S2 die Motorregelung
basierend auf der durch den ChemFET Sensor 10a bzw. 10b erfassten
Sauerstoffgehalt im Abgas durchgeführt. Danach läuft das
Programm solange durch eine Schleife von Schritt S2a und Schritt
S2, bis Schritt S2a ergibt, dass die Temperatur T im Abgasstrang
größer oder gleich der Temperatur T1 von 100°C,
also das Taupunktende am Einbauort der Lambdasonde 15,
erreicht ist. Trifft dies zu, so verzweigt das Programm zu Schritt
S2b, und die Temperatur der Lambdasonde TL wird
mit maximaler Aufheizrampe bis zur ihrer Betriebstemperatur T2 geheizt,
beispielweise 680°C. Ist dies noch nicht der Fall, so wird
im Schritt S2 die Motorregelung basierend auf der durch den ChemFET Sensor 10a bzw. 10b erfassten
Sauerstoffgehalt im Abgas durchgeführt. Danach läuft
das Programm solange durch eine Schleife von Schritt S2a, Schritt
S2b und Schritt S2, bis Schritt S2b ergibt, dass die Lambdasonden-Temperatur
TL im Abgasstrang größer oder
gleich der Betriebstemperatur T2 von 680°C der Lambdasonde 15 ist.
Trifft dies zu, so verzweigt das Programm zu Schritt S3, gemäß dem
das Motorsteuergerät ST die Motorregelung basierend auf
der von der Lambdasonde 15 erfassten Sauerstoffkonzentration
im Abgas durchführt.
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5 zeigt
eine Darstellung eines ChemFET-Sensorsignals in willkürlichen
Einheiten in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt bzw. einer
nach einem Kaltstart vergangenen Zeit ebenfalls in willkürlichen
Einheiten. Insbesondere zeigt 5 zeigt
eine beispielhafte Messung des Sauerstoffgehalts von 0–18%
in Abhängigkeit von der Zeit. Auf der Abszisse ist das
Sensorsignal des sauerstoffempfindlichen ChemFET Abgassensors 10a bzw. 10b entsprechend
der Konzentration von 0 bis 18% aufgetragen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Obwohl
bei den oben beschriebenen Ausführungsformen von Anwendungen
im Automobilbereich die Rede war, ist die vorliegende Erfindung
darauf nicht beschränkt, sondern für beliebige
Brennkraftmaschinen anwendbar. Auch können andere bzw.
weitere Motorparameter für das Umschalten der Motorsteuerung
von dem einen zum anderen Sauerstoffsensor herangezogen werden.
Weiterhin müssen die Heizeinrichtung bzw. die Temperatur-Erfassungseinrichtung
nicht integriert sein, sondern können durch separate Komponenten
gebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5698771 [0006]
- - US 5698671 [0020]
