DE102009029690A1 - Method for determining component concentration of gas in measuring gas chamber of motor vehicle, involves completing evaluation of parameter of gas from measured current and measured voltage change that occurs due to current change - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde” bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie, spielen.The The invention is based on known sensor elements, which are based on electrolytic Properties of certain solids based, so the ability this solid to conduct certain ions. such Sensor elements are used in particular in motor vehicles, to measure air-fuel gas mixture compositions in which Case these sensor elements also known as "lambda probe" are and have an essential role in reducing pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology, play.
Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ) wird
dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis
zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer
für die Verbrennung theoretisch benötigten (d.
h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl
wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an
einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors
gemessen. Entsprechend weisen „fette” Gasgemische
(d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine
Luftzahl λ < 1
auf, wohingegen „magere” Gasgemische (d. h. Gasgemische
mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
Ausführungsbeispiele und Funktionsprinzipien derartiger
Sensorelemente sind beispielsweise in
Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsvariante ist die so genannte „Sprungsonde”, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Fest elektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2, YSZ) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden.Such sensor elements are now known in numerous different embodiments. One embodiment variant is the so-called "jump probe" whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured. Reference electrode and measuring electrode are connected to one another via the solid electrolyte, wherein doped zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized ZrO 2 , YSZ) or similar ceramics are generally used as the solid electrolyte due to its oxygen-ion-conducting properties.
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte Pumpzellen zum Einsatz, bei denen eine elektrische Pumpspannung an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei ein Pumpstrom durch die Pumpzelle gemessen wird. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass ein durch eine Diffusionsbarriere eintretender Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen. In vielen Breitbandsensoren werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen”) und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lasst sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers” durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.alternative or in addition to jump probes also come so-called Pump cells are used in which an electrical pumping voltage applied to two electrodes connected across the solid electrolyte is, with a pumping current is measured by the pumping cell. The Sensor elements are usually in the so-called limit current operation operated, that is, in an operation in which the pumping voltage is chosen such that a through a diffusion barrier incoming oxygen completely to the counter electrode is pumped. In this mode, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, see above that such sensor elements often as proportional sensors be designated. In contrast to jump sensors can be such Proportionalsensoren as so-called broadband sensors about a comparatively wide range for the air ratio lambda deploy. In many broadband sensors, the sensor principles described above become also combined so that the sensor elements one or more after sensors operating on the jump sensor principle ("cells") and one or more proportional sensors. So let yourself For example, the principle described above, according to the pump cell principle working "single cell" by adding expand a jump cell (Nernst cell) into a "double cell".
Charakteristisches Merkmal der Breitband-Lambdasonden ist, dass sie zumindest theoretisch eine eindeutige, monotone Kennlinie über dem Lambdawert aufweisen, welche idealerweise linear verläuft. Auf diese Weise ermöglichen diese Sensorelemente eine Bestimmung des Sauerstoffgehalts über einen breiten Bereich. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass Breitband-Lambdasonden um den λ = 1-Punkt herum nicht sehr genau arbeiten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass mehrzellige Breitband-Lambdasonden eine Vielzahl von Elektrodenzuleitungen benötigen. So benötigen beispielsweise Breitband-Lambdasonden mit einer Pumpzelle und einer Referenzelektrode sowie einem Heizelement in der Regel fünf oder vier Zuleitungen. Da Elektrodenzuleitungen einen erheblichen Kostenfaktor bei der Herstellung der Sensorelemente darstellen, stellt dies einen erheblichen Nachteil dar.characteristic Feature of the broadband lambda probes is that they at least theoretically a unique, monotone characteristic over the lambda value which is ideally linear. To this Way, these sensor elements allow a determination the oxygen content over a wide range. In the In practice, however, it has been shown that broadband lambda probes are around the λ = 1-point does not work very well around. Another disadvantage is in that multicellular broadband lambda probes use a variety of Need electrode leads. So need For example, broadband lambda probes with a pumping cell and a Reference electrode and a heating element usually five or four leads. Since electrode leads a considerable Represent cost factor in the production of the sensor elements, this represents a significant disadvantage.
Grundsätzlich
sind also, aus Sicht der verminderten Elektroden – und
somit Zuleitungszahl – einzellige Sensorelemente gegenüber
mehrzelligen Sensorelementen zu bevorzugen. Beispielsweise lassen
sich einzellige Sensorelemente derart aufbauen, dass beide Elektroden
einer Pumpzelle jeweils in eigenen Hohlräumen angeordnet
sind, welche jeweils über eine eigene Diffusionsbarriere
vom Abgas getrennt sind. Eine Verbindung zu einem Referenz luftkanal
entfällt somit bei einem derartigen Sensorelement. Ein
so konstruiertes Sensorelement erlaubt eine Messung des Sauerstoffgehalts
sowohl im mageren wie auch im fetten Abgas, d. h. sowohl bei einem
Restsauerstoffgehalt bzw. bei einem Sauerstoffdefizit. Allerdings
ist die Kennlinie eines solchen Sauerstoffsensors für sich
genommen nicht eindeutig, sondern weist zum Beispiel bei Beaufschlagung
des Sensorelements mit einer Konstantspannung oder einem Konstantstrom
eine Kennlinie mit einem V-förmigen Verlauf auf, also eine
Doppeldeutigkeit. Dies wird beispielsweise in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren und eine Sensoranordnung bereit, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere ist das Sensorelement vergleichsweise einfach aufgebaut und weist vorzugsweise lediglich einen Einzeller-Aufbau auf.The The present invention therefore provides a sensor element and a method and a sensor arrangement which overcomes the disadvantages of known methods and avoid devices at least largely. In particular the sensor element constructed comparatively simple and preferably has only a single cell structure on.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Sensorelement mit zwei Diffusionsbarrieren und zwei Elektroden baulich so gestaltet werden kann und elektrisch so angesteuert werden kann, dass insgesamt eine eindeutige, im Lambda-Wert monotone Gesamtkennlinie erzeugt werden kann und so die Funktion beispielsweise einer Breitband-Lambdasonde erfüllt werden kann. Dabei kann sowohl die beschriebene V-Kennlinie gemessen werden, als auch eine zusätzliche eindeutige Aussage darüber getroffen werden, ob das Abgas fett oder mager ist, d. h. ob Lambda größer oder kleiner ist als 1. In anderen Worten beruht die vorliegende Erfindung auf dem Gedanken, dass ermittelt wird, auf welchem „Ast” der V-förmigen Kennlinie der aktuelle Arbeitspunkt liegt. Dabei lässt sich, da sich diese zusätzliche Aussage erfindungsgemäß sehr schnell gewinnen lasst, eine Messgeschwindigkeit, insbesondere eine Sample Rate, gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich erhöhen und eine Messtotzeit zur Gewinnung dieser zusätzlichen Aussage deutlich reduzieren. Die Gesamtzeit, welche für die eigentliche Messung und für die Gewinnung der zusätzlichen Aussage über den Luftzahlbereich benötigt wird, ist somit sehr gering. Ferner lässt sich die Auflösung der Mehrdeutigkeit durch Gewinnung der zusätzlichen Aussage auch bei einem gestörten Hintergrund jederzeit und eindeutig durchführen. Weiterhin führt die erfindungsgemäße zusätzliche Aussage dazu, dass sich auch die Auflösung im Bereich um λ = 1, d. h. in einem Bereich mit einem Sauerstoffgehalt im Abgas von ungefähr 0 Prozent, zusätzlich verbessern.The The present invention is based on the recognition that a sensor element structurally designed with two diffusion barriers and two electrodes can be and electrically controlled so that overall generates a unique, monotone in the lambda value overall characteristic can be and so the function, for example, a broadband lambda probe can be fulfilled. It can both the described V characteristic can be measured, as well as an additional clear statement about whether the exhaust fat or lean, d. H. Lambda bigger or bigger smaller than 1. In other words, the present invention is based on the idea that it is determined on which "branch" the V-shaped characteristic of the current operating point lies. there can be, since this additional statement let win very quickly according to the invention, a Measuring speed, especially a sample rate, compared significantly increase conventional processes and one Measuring dead time to obtain this additional statement clearly to reduce. The total time required for the actual measurement and for obtaining the additional statement about The air range is needed, is thus very low. Furthermore, the resolution of the ambiguity can be by obtaining the additional statement even at a Disturbed background at any time and clearly perform. Furthermore, the inventive leads additional statement that also the resolution in the range around λ = 1, d. H. in an area with an oxygen content in the exhaust of about 0 percent, in addition to improve.
Das vorgeschlagene Verfahren, das vorgeschlagene Sensorelement und die vorgeschlagene Sensoranordnung mit mindestens einem der erfindungsgemäßen Sensorelemente können allgemein zur Bestimmung mindestens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters eines Gases in einem Messgasraum eingesetzt werden. Unter einem Parameter ist dabei grundsätzlich jede messbare physikalische und/oder chemische Eigenschaft zu verstehen. Insbesondere können die Verfahren und Vorrichtungen jedoch zur Bestimmung einer Konzentration bzw. eines Partialdrucks einer Gaskomponente des Gases in dem Messgasraum eingesetzt werden, insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffpartialdruckes in einem Abgas. Das vorgeschlagene Verfahren kann ein erfindungsgemäßes Sensorelement verwenden, und die Sensoranordnung ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Insofern kann für mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens jeweils auf die Vorrichtungen verwiesen werden, und für mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtungen auf das Verfahren.The proposed methods, the proposed sensor element and the proposed sensor arrangement with at least one of the invention Sensor elements can generally be used to determine at least a physical and / or chemical parameter of a gas be used in a sample gas space. Below a parameter is basically any measurable physical and / or to understand chemical property. In particular, you can however, the methods and apparatus for determining a concentration or a partial pressure of a gas component of the gas in the sample gas space are used, in particular for the determination of an oxygen partial pressure in an exhaust. The proposed method can be an inventive Use sensor element, and the sensor arrangement is set up, to perform a method according to the invention. In this respect, for possible embodiments of the Each case referred to the devices, and for possible embodiments of the devices on the process.
Es wird ein Sensorelement verwendet, welches mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist. Diese erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt bilden Bestandteile einer Pumpzelle. Vorzugsweise ist, wie oben beschrieben, das Sensorelement als Einzeller aufgebaut, d. h. es weist außer dieser Pumpzelle keine weiteren kontaktierten Elektroden auf. Unter einem Einzeller sind dabei jedoch grundsätzlich auch Sensorelemente umfasst, bei denen weitere, unkontaktierte Elektroden vorliegen und/oder bei denen vorhandene Elektroden zwei- oder mehrteilig mit mehreren miteinander verbundenen Teilelektroden ausgestaltet sind. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind dabei jeweils in mindestens einem ersten Hohlraum bzw. in mindestens einem zweiten Hohlraum angeordnet, wobei die Hohlräume voneinander getrennt ausgestaltet sein sollen. Über eine erste Diffusionsbarriere soll der erste Hohlraum bzw. die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein und über eine zweite Diffusionsbarriere der zweite Hohlraum bzw. die zweite Elektrode. Die Hohlräume können ganz oder teilweise ungefüllt ausgestaltet sein, können jedoch auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen Medium ausgefüllt sein, beispielsweise einem hochporösen keramischen Medium, wie beispielsweise hochporösem Al2O3. Erfindungsgemäß weisen die beiden Hohlräume unterschiedliche Volumina auf, was, wie unten näher ausgeführt wird, eine Auflösung einer Mehrdeutigkeit der Kennlinien ermöglicht. Insbesondere ist das Volumen des ersten Hohlraums kleiner als das des zweiten Hohlraums.A sensor element is used which has at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. This first electrode, the second electrode and the solid electrolyte form components of a pumping cell. Preferably, as described above, the sensor element is constructed as a single cell, ie it has no further contacted electrodes except this pump cell. In principle, however, a single cell also includes sensor elements in which further, non-contacted electrodes are present and / or in which existing electrodes are designed in two or more parts with a plurality of interconnected partial electrodes. The first electrode and the second electrode are in each case arranged in at least one first cavity or in at least one second cavity, wherein the cavities are to be configured separated from one another. Via a first diffusion barrier, the first cavity or the first electrode should be acted upon with gas from the measurement gas space and the second cavity or the second electrode via a second diffusion barrier. The cavities may be wholly or partially unfilled, but may also be completely or partially filled with a gas-permeable medium, such as a highly porous ceramic medium, such as highly porous Al 2 O 3 . According to the invention, the two cavities have different volumes, which, as will be explained in greater detail below, enables a resolution of an ambiguity of the characteristic curves. In particular, the volume of the first cavity is smaller than that of the second cavity.
Alternativ, insbesondere aber zusätzlich, kann die Auflösung der Mehrdeutigkeit der Kennlinien dadurch ermöglicht bzw. verbessert werden, dass die erste Diffusionsbarriere dichter ausgeführt ist als die zweite Diffusionsbarriere, wobei unter der Dichtigkeit der Diffusionsbarriere insbesondere das Maß zu verstehen ist, mit dem ein Einströmen und/oder Eindiffundieren von Gasen, insbesondere von Sauerstoff und/oder von Kohlenwasserstoffen und/oder von CO und/oder CO2 und/oder von H2 und/oder von H2O, in die erste beziehungsweise zweite Kammer beeinträchtigt wird.Alternatively, but in particular additionally, the resolution of the ambiguity of the characteristic curves can be made possible or improved by the fact that the first diffusion barrier is made denser than the second diffusion barrier, wherein below the density the diffusion barrier is to be understood in particular the measure with which an influx and / or diffusion of gases, in particular oxygen and / or hydrocarbons and / or CO and / or CO 2 and / or H 2 and / or H 2 O, is affected in the first and second chamber.
Die Elektroden können zu diesem Zweck auch so ausgelegt sein, dass diese unterschiedliche Flächen aufweisen, insbesondere dass die Elektrode in einem größeren der beiden Hohlräume und/oder in dem Hohlraum, der sich hinter der offeneren der beiden Diffusionsbarrieren befindet, eine größere Fläche aufweist als die Elektrode in dem jeweils anderen Hohlraum oder für sich alleine und/oder zusammen mit der ihr zugeordneten Hohlkammer eine größere Kapazität aufweist als die andere Elektrode, bzw. die andere Elektrode zusammen mit der anderen Hohlkammer.The Electrodes may also be designed for this purpose that they have different areas, in particular that the electrode is in a larger of the two Cavities and / or in the cavity that is behind the more open of the two diffusion barriers, a larger one Surface than the electrode in the other cavity or on her own and / or together with her assigned Hollow chamber has a larger capacity as the other electrode, or the other electrode together with the other hollow chamber.
Das Verfahren weist erfindungsgemäß eine Zweiteilung des Betriebsmodus auf, wobei mindestens zwei Messphasen vorgesehen sind. Die im Folgenden dargestellten Messphasen müssen jedoch nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden, und es können auch zusätzliche, nicht aufgeführte Messphasen durchgeführt werden. Auch können einzelne Messphasen ganz oder teilweise wiederholt durchgeführt werden.The Method according to the invention has a bipartition the operating mode, with at least two measuring phases provided are. The measuring phases described below must however, not necessarily performed in the order shown and it can be additional, not listed measuring phases are performed. Also Individual measuring phases can be completely or partially repeated be performed.
In einer ersten Messphase wird eine Spannung Up an die Pumpzelle angelegt und ein Strom Ip durch die Pumpzelle gemessen. Vorzugsweise erfolgt diese Messung im Grenzstrombetrieb der Pumpzelle.In a first measurement phase, a voltage U p is applied to the pump cell and a current I p measured by the pump cell. This measurement is preferably carried out in the limiting current operation of the pumping cell.
In einer zweiten Messphase wird dann der Strom Ip kurzfristig um einen vorgegebenen Wert ΔIp geändert. Dabei wird eine bei dieser Stromänderung auftretende Spannungsänderung ΔUp gemessen. Diese zweite Messphase dient der Gewinnung einer zusätzlichen Aussage, welche die Herstellung einer Eindeutigkeit der ersten Messphase ermöglicht. In einem Auswerteschritt wird dann aus dem Strom Ip und aus der Spannungsänderung ΔUp auf den zu ermittelnden Parameter des Gases geschlossen.In a second measurement phase, the current I p is then briefly changed by a predetermined value ΔI p . In this case, a voltage change ΔU p occurring in the case of this current change is measured. This second measuring phase serves to obtain an additional statement which makes it possible to produce a uniqueness of the first measuring phase. In an evaluation step, it is then concluded from the current I p and from the voltage change ΔU p to the parameter of the gas to be determined.
Alternativ ist es auch möglich, den Strom nicht kurzfristig um einen vorgegebenen Wert ΔIp zu ändern, sondern auf einen vorgegebenen Wert, insbesondere auf den Wert dessen Betrag nicht weniger als 500 μA und/oder nicht mehr als 50 mA beträgt, oder dessen Wert 0 mA ist.Alternatively, it is also possible not to change the current in the short term by a predetermined value ΔI p , but to a predetermined value, in particular to the value whose amount is not less than 500 uA and / or not more than 50 mA, or its value 0 mA is.
Wie oben beschrieben, kann der Parameter insbesondere eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer Gaskomponente in dem Gas, insbesondere eines Sauerstoff-Partialdrucks, umfassen. Dabei tritt häufig bei einzelligen Breitband-Sensorelementen zumindest teilweise ein nicht-eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Strom Ip und der Konzentration bzw. dem Partialdruck auf, beispielsweise in Form einer zumindest näherungsweise V-förmigen Ip(λ)-Kennlinie und/oder einer ebenfalls zumindest näherungsweise V-fömigen Ip(pO2)-Kennlinie, wobei pO2 beispielsweise der Partialdruck von Sauerstoff in dem Messgas ist. Dabei kann die gemessene Spannungsänderung ΔUp verwendet werden, um aus mehreren möglichen Konzentrationen, beispielsweise bei einer V-förmigen Kennlinie zwei mögliche Konzentrationen bzw. Partialdrücken, eine bestimmte Konzentration und/oder einen bestimmten Partialdruck auszuwählen, welcher dann dem zu messenden Parameter entspricht. In anderen Worten kann beispielsweise mit Hilfe der in der zweiten Messphase gewonnenen zusätzlichen Information über ΔUp bestimmt werden, ob sich das Gas in einem fetten Luftzahlbereich oder in einem mageren Luftzahlbereich befindet.As described above, the parameter may in particular comprise a concentration and / or a partial pressure of a gas component in the gas, in particular an oxygen partial pressure. Frequently, a unambiguous relationship between the current I p and the concentration or the partial pressure often occurs in unicellular broadband sensor elements, for example in the form of an at least approximately V-shaped I p (λ) characteristic curve and / or one likewise at least approximately V-shaped I p (pO 2) characteristic curve, wherein pO 2 is, for example, the partial pressure of oxygen in the measurement gas. In this case, the measured voltage change .DELTA.U p can be used to select from two possible concentrations, for example, in a V-shaped characteristic two possible concentrations or partial pressures, a certain concentration and / or a certain partial pressure, which then corresponds to the parameter to be measured. In other words, it can be determined, for example with the aid of the additional information about ΔU p obtained in the second measuring phase, whether the gas is in a rich air range or in a lean air range.
Zur Auflösung der Uneindeutigkeit, beispielsweise zur Bestimmung eines aktuellen Luftzahlbereichs (fett/mager), kann beispielsweise ein Schwellwertverfahren verwendet werden. Bei diesem Schwellwertverfahren kann beispielsweise die gemessene Spannungsänderung ΔUp mit einer oder mehreren Schwellwerten verglichen werden. Entsprechend dieses Vergleichs kann aus zwei oder mehr in Frage kommenden Konzentrationen und/oder Partialdrücken bzw. Bereichen der Konzentrationen und/oder des Partialdrucks ein bestimmter Partialdruck ausgewählt werden. Beispielsweise kann eine einfache Schwelle gesetzt werden, und es kann beispielsweise, wenn ΔUp diese Schwelle unterschreitet oder überschreitet, darauf geschlossen werden, dass ein bestimmter Luftzahlbereich vorliegt. Entsprechend kann dann aus beispielsweise einer V-förmigen Kennlinie der korrekte Wert ausgewählt werden, also dem gemessenen Pumpstrom Ip die korrekte Luftzahl λ zugeordnet werden.To resolve the ambiguity, for example, to determine a current air range (fat / lean), for example, a threshold value method can be used. In this threshold value method, for example, the measured voltage change ΔU p can be compared with one or more threshold values. According to this comparison, a specific partial pressure can be selected from two or more suitable concentrations and / or partial pressures or ranges of the concentrations and / or the partial pressure. For example, a simple threshold can be set, and it can, for example, when ΔU p falls below or exceeds this threshold, it can be concluded that there is a certain air range. Accordingly, the correct value can then be selected, for example, from a V-shaped characteristic curve, that is, the correct air ratio λ can be assigned to the measured pumping current I p .
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht also in der Zweiteilung des Betriebsmodus in die mindestens zwei Messphasen. Diese können beispielsweise, wie unten näher aufgeführt wird, zeitlich abwechselnd durchgeführt werden, oder intermittierend, in dem Sinne, dass lediglich zu vorgegebenen Zeiten oder in einem Bedarfsfall die zweite Messphase durchgeführt wird. In der ersten Messphase wird, beispielsweise in einem Konstantspannungs- oder Konstantstrommodus, der gegebenenfalls noch mehrdeutige Parameter, beispielsweise ein noch doppeldeutiger Lambdawert entsprechend einer V-förmigen Kennlinie, ermittelt. Alternierend oder zusätzlich dazu wird in der zweiten Messphase, beispielsweise im Rahmen einer sehr kurzfristigen Messung, durch die zusätzliche Information ΔUp die Mehrdeutigkeit durch eine zusätzliche Information aufgelöst. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob das gegenwärtig vorliegende Abgas fett oder mager ist, d. h. ob die V-förmige Kennlinie Ip-Lambda sich auf dem „mageren Ast” oder „fetten Ast” befindet.A basic idea of the present invention therefore lies in the division of the operating mode into the at least two measuring phases. These can, for example, as described in more detail below, be carried out alternating in time, or intermittently, in the sense that the second measuring phase is carried out only at given times or in a case of need. In the first measurement phase, for example in a constant voltage or constant current mode, the possibly ambiguous parameter, for example a still ambiguous lambda value corresponding to a V-shaped characteristic curve, is determined. Alternately or additionally, in the second measuring phase, for example in the context of a very short-term measurement, the additional information ΔU p resolves the ambiguity with additional information. For example, it can be stated Whether the present exhaust gas is rich or lean, ie, whether the V-shaped characteristic I p -Lambda is on the "lean branch" or "fat branch".
Diese Auflösung der Mehrdeutigkeit erfolgt dadurch, dass künstlich eine Asymmetrie zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode herbeigeführt wird, durch die unterschiedlichen Volumina der Hohlräume und/oder durch die oben beschriebenen Maßnahmen. Dies wird im Folgenden am Beispiel eines Sauerstoffnachweises beschrieben, wobei die Erläuterung jedoch auf andere nachzuweisende Parameter oder Gaskomponenten entsprechend zu übertragen ist. Da, bei konstanter Stromrichtung bzw. konstanter Richtung der aufgegebenen Pumpspannung Up, im fetten und im mageren Luftzahlbereich einmal die eine Seite (Diffusionsbarriere) und ein anders mal die andere Seite (Diffusionsbarriere) limitierend wirkt (obwohl beide Diffusionsbarrieren, insbesondere im Fall unterschiedlich großer Hohlräume, gleich ausgestaltet sein können), führt die Asymmetrie der Anordnung dazu, dass sich im fetten bzw. mageren Luftzahlbereich die kurzfristige Änderung des Pumpstroms um ΔIp unterschiedlich in Konzentrationsänderungen in den Hohlräumen auswirkt. Aufgrund der stark nicht-linearen Kennlinie der Nernstspannung zwischen den beiden Elektroden wirkt sich diese Asymmetrie jedoch in einer starken Änderung der Pumpspannung aus, d. h. die Pumpspannungsänderungen ΔUp unterscheiden sich im fetten Luftzahlbereich und im mageren Luftzahlbereich stark. Hierdurch kann messtechnisch ermittelt werden, in welchem der beiden Hohlräume momentan eine Diffusionsbegrenzung vorliegt. Besteht die Diffusionsbegrenzung in der Kammer, aus welcher die Sauerstoffionen durch den Pumpstrom entfernt werden, so ist das Abgas mager. Besteht die Diffusionsbegrenzung hingegen in der Kammer, der durch den Pumpvorgang Sauerstoff zugeführt wird, so ist das Abgas fett. Die Geometrie des Sensorelements, kann dahingehend optimiert werden, dass diese Unterscheidung in vergleichsweise kurzer Zeit, beispielsweise deutlich unterhalb von 50 ms, mittels eines Strom- und/oder Spannungssignals erfolgen kann.This ambiguity is resolved by artificially inducing an asymmetry between the first electrode and the second electrode, by the different volumes of the cavities and / or by the measures described above. This will be described below using the example of oxygen detection, but the explanation has to be correspondingly transferred to other parameters or gas components to be detected. Since, with a constant current direction or constant direction of the applied pump voltage U p , in the rich and in the lean air range once the one side (diffusion barrier) and another times the other side (diffusion barrier) limiting (though both diffusion barriers, especially in the case of different sizes Cavities, can be configured the same), the asymmetry of the arrangement causes the short-term change in the pumping current by ΔI p in the rich or lean air-fuel range has different effects in changes in concentration in the cavities. Due to the strongly non-linear characteristic of the Nernst voltage between the two electrodes, this asymmetry, however, results in a marked change in the pump voltage, ie the pump voltage changes .DELTA.U p differ greatly in the rich air range and in the lean air range. In this way it can be determined metrologically, in which of the two cavities currently present a diffusion limitation. If the diffusion restriction in the chamber, from which the oxygen ions are removed by the pumping current, the exhaust gas is lean. On the other hand, if the diffusion limitation exists in the chamber to which oxygen is supplied by the pumping process, then the exhaust gas is rich. The geometry of the sensor element can be optimized so that this distinction can be made in a comparatively short time, for example well below 50 ms, by means of a current and / or voltage signal.
Ferner kann die Ansteuerung daraufhin optimiert werden, dass das erhaltene Signal in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts des Abgases einen charakteristischen Verlauf um λ = 1 (0% Sauerstoff im Abgas) erhält. Die Kennlinie dieses Signals ähnelt in der Regel dem Signal einer Sprungsonde. Damit vereinigt das vorgeschlagene Verfahren in sich die Kennlinien einer vereinfachten Breitbandsonde und einer Sprungsonde. So kann bei einem Abgas um λ = 1 herum gezielt nur das Signal der zweiten Messphase ausgewertet werden, da dieses um λ = 1 herum genauer ist als das Breitbandsignal Ip. Insgesamt lassen sich damit eine vereinfachte Breitbandsonde und eine Sprungsonde in einem Sensorelement kombinieren, auf einem Komplexitätslevel, welcher lediglich knapp über demjenigen einer einfachen Sprungsonde liegt.Furthermore, the activation can then be optimized so that the obtained signal as a function of the oxygen content of the exhaust gas a characteristic curve by λ = 1 (0% oxygen in the exhaust gas) receives. The characteristic of this signal is usually similar to the signal of a jump probe. Thus, the proposed method combines in itself the characteristics of a simplified broadband probe and a jump probe. Thus, with an exhaust gas around λ = 1 targeted only the signal of the second measurement phase can be evaluated, since this is around λ = 1 is more accurate than the broadband signal I p . Overall, this allows a simplified broadband probe and a jump probe in a sensor element combine, at a complexity level, which is only slightly above that of a simple jump probe.
Die zweite Messphase, welche beispielsweise lediglich zur Auflösung der Mehrdeutigkeit verwendet werden kann (welche, wie oben beschrieben, jedoch auch zusätzlich ausgewertet werden kann), kann vorzugsweise lediglich kurzfristig eingeschaltet werden, beispielsweise als kurzfristige Unterbrechung der ersten Messphase. So kann insbesondere während eines überwiegenden ersten Anteils einer gesamten Messzeit das Sensorelement in der ersten Messphase betrieben werden, wobei das Sensorelement für einen zweiten Anteil der gesamten Messzeit, welcher beispielsweise maximal ein Drittel des ersten Anteils beträgt, in der zweiten Messphase betrieben wird. Beispielsweise kann die zweite Messphase auch lediglich dazu genutzt werden, um Kontrollmessungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass sich das Gasgemisch noch in dem in Frage kommenden Konzentrationsbereich und/oder Partialdruckbereich, beispielsweise einem fetten oder mageren Luftzahlbereich, befindet. So kann beispielsweise das Verfahren derart durchgeführt werden, dass entsprechend einer jeweils letzten durchgeführten zweiten Messphase eine Annahme über einen in Frage kommenden Konzentrationsbereich und/oder Partialdruckbereich, beispielsweise über einen Luftzahlbereich (fett/mager) gespeichert wird. In dem mindestens einen Auswerteschritt kann dann die gespeicherte Annahme verwendet werden. In regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, beispielsweise in einem Bedarfsfall (zum Beispiel nach einem Lastwechsel der Brennkraftmaschine) kann dann eine zweite Messphase als Kontrollschritt durchgeführt werden, wobei aufgrund der in der zweiten Messphase gemessenen Spannungsänderung ΔUp die Annahme überprüft und gegebenenfalls aktualisiert werden kann. Beispielsweise kann die Annahme in Form eines „Flags” oder einer anderen Art von Variablenbelegung in einem Datenspeicher, beispielsweise einem flüchtigen oder nicht-flüchtigen Speicher, abgelegt werden, wobei bei der Auswertung des Pumpstroms Ip der ersten Messphase auf diesen gespeicherten Wert mit der Annahme über den Luftzahlbereich zurückgegriffen wird.The second measurement phase, which can be used for example only to resolve the ambiguity (which, as described above, but also can be additionally evaluated), preferably can only be switched on briefly, for example as a short-term interruption of the first measurement phase. Thus, the sensor element can be operated in the first measurement phase in particular during a predominant first portion of an entire measurement time, the sensor element being operated in the second measurement phase for a second portion of the total measurement time, which is for example a maximum of one third of the first component. For example, the second measurement phase can also only be used to carry out control measurements in order to ensure that the gas mixture is still in the concentration range and / or partial pressure range in question, for example a rich or lean air range. Thus, for example, the method can be carried out in such a way that an assumption about a candidate concentration range and / or partial pressure range, for example over an air-fuel ratio range (rich / lean), is stored in accordance with a respective last performed second measurement phase. The stored assumption can then be used in the at least one evaluation step. At regular or irregular intervals, for example in a case of need (for example, after a load change of the internal combustion engine) then a second measurement phase can be performed as a control step, which can be checked and optionally updated due to the voltage change ΔU p measured in the second measurement phase. For example, the assumption in the form of a "flag" or another type of variable assignment in a data memory, such as a volatile or non-volatile memory, stored, wherein in the evaluation of the pumping current I p the first measurement phase to this stored value with the assumption resorted to over the air range.
Der zweite Anteil kann dabei beispielsweise eine Dauer aufweisen, welche 30 ms, vorzugsweise 10 ms und besonders bevorzugt 5 ms oder 1 ms nicht übersteigt. Alternativ oder zusätzlich können die erste Messphase und die zweite Messphase auch getaktet durchgeführt werden, d. h. in einem in vorgegebenen Zeitabständen durchgeführten Wechsel zwischen der ersten Messphase und der zweiten Messphase.Of the The second portion may, for example, have a duration which 30 ms, preferably 10 ms and more preferably 5 ms or 1 ms does not exceed. Alternatively or additionally the first measurement phase and the second measurement phase also performed clocked be, d. H. in one at predetermined intervals performed Change between the first measurement phase and the second measurement phase.
Die Messung der Spannungsänderung ΔUp kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass nach einer vorgegebenen Zeit nach Umschalten in die zweite Messphase die Pumpspannung Up gemessen wird und diese mit der zuvor in der ersten Messphase angelegten Pumpspannung Up verglichen wird. Diese Messung der Pumpspannung nach einer vorgegebenen Zeit t* nach Umschalten in die zweite Messphase bedeutet de facto eine Messung der Pumpspannungsänderung ΔUp, welche zumindest näherungsweise proportional zu einer zusätzlichen geflossenen Ladungsmenge ΔQ = ΔUp·t* ist.The measurement of the voltage change .DELTA.U p can be done, for example, that after ei After a switchover to the second measuring phase, the pumping voltage U p is measured at a predetermined time and this is compared with the pumping voltage U p previously applied in the first measuring phase. This measurement of the pumping voltage after a predetermined time t * after switching to the second measuring phase de facto means a measurement of the pumping voltage change .DELTA.U p , which is at least approximately proportional to an additional amount of charge flowed .DELTA.Q = .DELTA.U p * t *.
Insgesamt kann das Sensorelement in der ersten Messphase beispielsweise in einem Konstantspannungsmodus betrieben werden. In der zweiten Messphase kann das Sensorelement in einem Konstantstrommodus betrieben werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar, wie unten noch näher erläutert wird.All in all can the sensor element in the first measurement phase, for example in operated in a constant voltage mode. In the second measurement phase For example, the sensor element can be operated in a constant current mode. However, other embodiments are conceivable, as below is explained in more detail.
Wie oben beschrieben, kann in einem Luftzahlbereich um λ = 1 herum die Kennlinie der Pumpspannungsänderung, also die ΔUp-Lambda-Kennlinie, als zusätzliche Information zur exakten Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdrucks verwendet werden. In diesem Bereich, in welchem ΔUp, ähnlich zur Nernstspannungs-Kennlinie, einen steilen Verlauf zeigt, kann bei kleinen Lambda-Werten bzw. Lambda-Werten um λ = 1 herum, in welchen die V-förmige Ip-Kennlinie fehlerbehaftet sein kann, exaktere Werte liefern als diese Ip-Kennlinie.As described above, in an air number range around λ = 1, the characteristic of the pump voltage change, that is, the ΔU p lambda characteristic, can be used as additional information for accurately determining the concentration and / or the partial pressure. In this area, in which ΔU p , similar to the Nernst voltage characteristic, shows a steep course, can at λ Lamb 1 small lambda values or lambda values in which the V-shaped I p characteristic can be faulty , provide more exact values than this I p characteristic.
Der Zustand, bei dem λ = 1 ist, kann auch bei gealtertem Sensorelement noch zuverlässig durch ein Minimum des Pumpstromes erkannt werden, ohne dass die genaue Kenntnis des Absolutwertes des Pumpstromes (nahe 0 mA) entscheidend wäre. Es ist ferner möglich, im Betrieb des Sensorelements diese Kenntnis, dass ein Zustand, bei dem λ = 1 ist, vorliegt, dazu zu nutzen, die Kennlinie der Pumpspannungsänderung, also die ΔUp-Lambda-Kennlinie, an einen Alterungszustand des Sensorelements anzupassen. Beispielsweise können gesetzte Schwellen angepasst werden, aus deren Unter- bzw. Überschreitung auf den Luftzahlbereich geschlossen wird, angepasst werden.The condition in which λ = 1, even with aged sensor element can still be reliably detected by a minimum of the pumping current, without the accurate knowledge of the absolute value of the pumping current (near 0 mA) would be crucial. It is also possible, during operation of the sensor element, to know that a state in which λ = 1 exists is to be used to adapt the characteristic of the pump voltage change, that is to say the ΔU p lambda characteristic, to an aging state of the sensor element. For example, set thresholds can be adjusted, from the undershoot or overshoot is closed to the air range, be adjusted.
Es ist auch möglich, im Anschluss an einen Durchgang des Pumpstroms durch ein Minimum, also im Anschluss an einen Übergang des Abgases zwischen „Fett” und „Mager”, aus der zeitlichen Ableitung von ΔUp festzustellen, in welche Richtung der Gaswechsel stattfand, also welches Abgas momentan vorliegt beziehungsweise wie hoch dessen Sauerstoffpartialdruck ist. Mit dieser Information kann ebenfalls die ΔUp-Lambda-Kennlinie aktualisiert werden.It is also possible, following a passage of the pumping current through a minimum, ie following a transition of the exhaust gas between "rich" and "lean", from the time derivative of ΔU p determine in which direction the gas exchange took place, ie which exhaust gas is currently present or what its oxygen partial pressure is. With this information, the ΔU p lambda characteristic can also be updated.
Wie oben beschrieben, beruht das Messprinzip darauf, dass, insbesondere durch die unterschiedlichen Volumina der Hohlräume, und/oder durch andere, oben beschriebene Maßnahmen, eine Asymmetrie in der Pumpzelle geschaffen wird, da sich die Zufuhr bzw. Abfuhr bestimmter Gaskomponenten aus den Hohlräumen in unterschiedlichen Konzentrationsänderungen niederschlagen. Auf diese Weise kann die jeweils gerade begrenzende Diffusionsbarriere ermittelt werden. Aufgrund der stark nicht-linearen Nernstspannungs-Kennlinie machen sich dabei bereits kleine Veränderungen im Verhältnis der Volumina in einer deutlichen Änderung der Steilheit des ΔUp-Kennlinienverlaufs bemerkbar.As described above, the measuring principle is based on the fact that, in particular by the different volumes of the cavities, and / or by other measures described above, an asymmetry in the pump cell is created because the supply or discharge of certain gas components from the cavities in precipitate different concentration changes. In this way, the currently limiting diffusion barrier can be determined. Due to the strongly non-linear Nernst voltage characteristic curve, even small changes in the ratio of the volumes make themselves noticeable in a significant change in the steepness of the ΔU p characteristic curve.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der zweite Hohlraum ein um einen Faktor 1,1 bis 50, vorzugsweise um einen Faktor 1,2 bis 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 1,5 bis 3 größeres Volumen aufweist als der erste Hohlraum. Der kleinere der beiden Hohlräume, also nach der hier verwendeten Nomenklatur der erste Hohlraum, kann grundsätzlich auch ein sehr kleines Volumen aufweisen, bis hin zu dem Extremfall, in welchem dieses Volumen zumindest nahezu ganz verschwindet, also Null wird. Der Begriff des Hohlraums ist somit zwar bevorzugt dahingehend zu verstehen, dass dieser einen Raum endlichen Volumens beinhaltet, ist jedoch weit zu fassen, so dass auch der beschriebene Grenzfall, in welchem das Volumen eines Hohlraums zumindest näherungsweise verschwindet, umfasst sein soll. In letzterem Fall kann beispielsweise die erste Diffusionsbarriere unmittelbar an die erste Elektrode angrenzen. Auch dieser Fall, in welchem der erste Hohlraum ein Volumen Null aufweist, soll somit von Gegenstand der Erfindung umfasst sein. Insgesamt sind die Verhältnisse der Hohlraumvolumina und diese Volumina selbst über die Lebensdauer der Sensorelemente hinweg, im Gegensatz beispielsweise zu den Eigenschaften der Diffusionsbarrieren, vergleichsweise geringen Änderungen unterworfen, so dass das erfindungsgemäße Messprinzip eine hohe Langzeitstabilität aufweist.Especially it is preferred if the second cavity is a factor of 1.1 to 50, preferably by a factor of 1.2 to 5 and more preferably by a factor of 1.5 to 3 larger volume as the first cavity. The smaller of the two cavities, So according to the nomenclature used here, the first cavity can basically also have a very small volume, up to the extreme case, in which this volume is at least almost completely disappears, so it becomes zero. The concept of the cavity is Thus, although preferred to understand that this one Space of finite volume, but is to be construed broadly, so that also the described borderline case, in which the volume of a Cavity at least approximately disappears includes should be. In the latter case, for example, the first diffusion barrier immediately adjacent to the first electrode. Again, this case in which the first cavity has a zero volume, so should to be covered by the subject invention. Overall, the conditions the void volumes and these volumes themselves over the Life of the sensor elements away, in contrast, for example on the properties of the diffusion barriers, comparatively minor changes subjected, so that the measuring principle of the invention has a high long-term stability.
Besonders bevorzugt ist es ferner, wenn sich die Dichtheit der ersten Diffusionsbarriere von der Dichtheit der zweiten Diffusionsbarriere deutlich unterscheidet, insbesondere wenn bei einer gegebenen Differenz des Sauerstoffpartialdrucks der entlang beider Diffusionsbarrieren anliege, bei einer Betriebstemperatur des Sensors, insbesondere bei 750°C, die Rate des Sauerstofftransports durch die erste Diffusionsbarriere um mindestens 15%, insbesondere um mindestens 30%, besonders bevorzugt um mindestens 50%, kleiner ist als Rate des Sauerstofftransports durch die zweite Diffusionsbarriere.Especially It is further preferred if the tightness of the first diffusion barrier clearly different from the tightness of the second diffusion barrier, especially if at a given difference in oxygen partial pressure which abuts along both diffusion barriers, at an operating temperature of the sensor, especially at 750 ° C, the rate of oxygen transport through the first diffusion barrier by at least 15%, in particular to at least 30%, more preferably at least 50%, is smaller as rate of oxygen transport through the second diffusion barrier.
Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau umfassen. Dabei können der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum in unterschiedlichen Schichtebenen angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Hohlraum auf einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasdichte Abdeckung und die erste Diffusionsbarriere getrennt sein, wohingegen der zweite Hohlraum in einer tiefer gelegenen Schicht des Sensorelements angeordnet sein kann und beispielsweise über ein Gaszutrittsloch mit Gas beaufschlagt werden kann. Alternativ können die beiden Hohlräume jedoch auch in tiefer gelegenen Schichtebenen des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in derselben oder in verschiedenen tiefer gelegenen Schichtebenen, und können beispielsweise beide über ein Gaszutrittsloch, über eine Stirnfläche des Sensorelements oder über verschiedene, einander gegenüberliegende Flächen bzw. Seiten des Sensorelements mit Gas beaufschlagt werden. Wiederum alternativ können die beiden Sensorelemente auch in derselben Schichtebene angeordnet sein, beispielsweise wiederum in einer Schichtebene auf der Oberfläche des Sensorelements und/oder in tiefer gelegenen Schichtebenen des Schichtaufbaus. In letzterem Fall ist beispielsweise wiederum eine Beaufschlagung mit Gas aus dem Messgasraum über Gaszutrittslöcher möglich.The sensor element may in particular comprise a layer structure. In this case, the first cavity and the second cavity may be arranged in different layer planes. For example, the first cavity may be located on a surface of the sensor element facing the measurement gas space be arranged and separated from the measuring gas space, for example, by a gas-tight cover and the first diffusion barrier, whereas the second cavity may be disposed in a lower layer of the sensor element and may be acted upon, for example via a gas inlet hole with gas. Alternatively, however, the two cavities can also be arranged in deeper layer planes of the sensor element, for example in the same or in different deeper layer planes, and for example, both via a gas inlet hole, over an end face of the sensor element or on different, opposing surfaces or sides of the Sensor element are exposed to gas. Again alternatively, the two sensor elements can also be arranged in the same layer plane, for example once again in a layer plane on the surface of the sensor element and / or in deeper layer planes of the layer structure. In the latter case, for example, it is again possible to apply gas from the measuring gas space via gas inlet holes.
Die vorgeschlagene Sensoranordnung weist neben mindestens einem erfindungsgemäßen Sensorelement weiterhin mindestens eine Steuerung auf. Diese Steuerung kann beispielsweise ganz oder teilweise in einer Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine integriert sein oder kann auch ganz oder teilweise als separate Steuerung ausgebildet sein. Die Steuerung kann eine oder mehrere elektronische Komponenten umfassen sowie, alternativ oder zusätzlich, einen oder mehrere Mikroprozessoren. Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise programmtechnisch zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sein, beispielsweise durch Ausstattung mit einem entsprechenden Computerprogramm.The proposed sensor arrangement has in addition to at least one inventive Sensor element further at least one controller. This control For example, all or part of a motor control be integrated into an internal combustion engine or may also be wholly or partially be designed as a separate control. The controller can be a or more electronic components as well as, alternatively or additionally, one or more microprocessors. The control is particularly adapted for carrying out the inventive Process. For this purpose, the controller can, for example programmatically be set up to carry out the method, for example by equipping with a corresponding computer program.
Die Steuerung kann insbesondere eine elektrische Energiequelle umfassen. Diese mindestens eine elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine Spannungsquelle, beispielsweise eine Konstantspannungsquelle und/oder eine einstellbare bzw. regelbare Konstantspannungsquelle, und/oder eine Stromquelle, beispielsweise eine Konstantstromquelle und/oder eine regelbare bzw. einstellbare Konstantstromquelle umfassen.The Control may in particular comprise an electrical energy source. This at least one electrical energy source can, for example, a Voltage source, for example, a constant voltage source and / or an adjustable constant-voltage source, and / or a Power source, such as a constant current source and / or a comprise adjustable or adjustable constant current source.
Wie oben dargelegt, werden die Messphasen 1 und 2 vorzugsweise in unterschiedlichen Messmodi durchgeführt. So kann insbesondere die erste Messphase in einem Konstantspannungsmodus durchgeführt werden, und die zweite Messphase in einem Konstantstrommodus. Messtechnisch wäre hierfür also eine Umschaltung beispielsweise von einer Konstantspannungsquelle auf eine Konstantstromquelle erforderlich. Da dies apparativ einen vergleichsweise hohen Aufwand bedeuten würde, ist es besonders bevorzugt, lediglich entweder eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle vorzuhalten. Um dennoch in der jeweils anderen Messphase den erforderlichen Betriebsmodus bereitstellen zu können, kann dann eine Stromquelle bzw. eine Spannungsquelle simuliert werden.As As stated above, the measurement phases 1 and 2 are preferably in different Measurement modes performed. Thus, in particular, the first measurement phase be performed in a constant voltage mode, and the second measurement phase in a constant current mode. Metrologically So this would be a switch, for example from a constant voltage source to a constant current source required. Since this would mean a relatively high outlay in terms of apparatus, it is particularly preferred to use only either a voltage source or to provide a power source. Nevertheless, in each other Measuring phase to provide the required operating mode can then a current source or a voltage source can be simulated.
So kann die Energiequelle beispielsweise lediglich eine Spannungsquelle umfassen, mittels derer in der ersten Messphase die Spannung Up erzeugt wird. Die Steuerung kann dann eingerichtet sein, um in der zweiten Messphase mittels der Spannungsquelle eine Stromquelle zu simulieren und auf diese Weise die Stromänderung ΔIp zu erzeugen. Alternativ kann die Energiequelle eine Stromquelle umfassen, mittels derer in der ersten Messphase eine Spannungsquelle simuliert werden kann, um die Spannung Up zu erzeugen, wobei in der zweiten Messphase mittels dieser Stromquelle die Stromänderung ΔIp erzeugt werden kann.For example, the energy source may comprise only one voltage source, by means of which the voltage U p is generated in the first measurement phase. The controller can then be set up to simulate a current source in the second measuring phase by means of the voltage source and in this way to generate the current change ΔI p . Alternatively, the energy source may comprise a current source by means of which in the first measurement phase a voltage source can be simulated in order to generate the voltage U p , wherein in the second measurement phase the current change ΔI p can be generated by means of this current source.
Unter einer ”Simulierten Energiequelle” ist ein Modus zu verstehen, in dem durch eine geeignete Regelung der vorhandenen Energiequelle eine andere Art einer Energiequelle ”simuliert” wird. Dies kann durch einen geeigneten Regler, z. B. einen kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen, bzw. einen Werte- und/oder Zeit-diskreten Regler erfolgen. So kann beispielsweise eine Spannungsquelle dadurch simuliert werden, dass ein Strom derart eingeprägt wird, dass sich eine einzustellende Sollspannung ausbildet. Die Simulation einer Stromquelle mittels einer Spannungsquelle kann auf entsprechende Weise erfolgen. Die vorhandene Energiequelle kann moduliert betrieben werden, z. B. durch eine zeit- oder amplitudenmodulierte Pulsweitenmodulation (PWM). In einer derartigen Betriebsweise kann auf unterschiedliche Messgrößen geregelt werden, z. B. auf die Spannung in der Aus-Phase einer amplitudenmodulierten PWM, um beispielsweise eine Strom-Widerstands-Kompensation (IR-Kompensation) durchzuführen. Durch Messung von weiteren Spannungen der PWM lässt sich in einer solchen Betriebsweise z. B. auch der betroffene ohmsche Innenwiderstand messen, aus dem sich die Sensortemperatur ermitteln lässt.Under a "simulated energy source" is a mode to be understood by an appropriate regulation of existing ones Energy source another type of energy source is "simulated". This can be done by a suitable controller, for. B. a continuous or quasi-continuous, or a value and / or time discrete Controller done. For example, a voltage source can thereby be simulated that a current is impressed such that to form a set target voltage. The simulation a power source by means of a voltage source can be at appropriate Done way. The existing energy source can be operated modulated be, for. B. by a time or amplitude modulated pulse width modulation (PWM). In such a mode of operation can be different Measured variables are regulated, for. B. on the voltage in the off phase of an amplitude modulated PWM, for example perform a current-resistance compensation (IR compensation). By measuring further voltages of the PWM can be in such an operation z. B. also the affected ohmic Measure the internal resistance from which the sensor temperature is determined leaves.
Unter einer „Simulation” kann also beispielsweise ein Messmodus verstanden werden, bei welchem zwar de facto die jeweils andere der Größen U, I als die tatsächlich eigentlich zu regelnde und/oder steuernde Größe ermittelt wird, wobei jedoch in beispielsweise regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen durch Kontrollmessungen ermittelt wird, ob die tatsächlich zu regelnde Größe dem Sollwert entspricht. So kann beispielsweise eine Spannungsquelle dadurch simuliert werden, dass ein Strom derart eingestellt wird, dass sich die einzustellende Sollspannung ausbildet. In regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen kann beispielsweise dann durch eine Spannungsmessung überprüft werden, ob die Spannung noch dem Sollwert entspricht, und der Strom kann entsprechend nachgeregelt werden. Die Simulation einer Stromquelle mittels einer Spannungsquelle kann auf entsprechende Weise erfolgen. Auf diese Weise lässt sich die elektrische Steuerung der Sensoranordnung vergleichsweise einfach ausgestalten, so dass auch das erfindungsgemäße Verfahren, welches auf der genannten Umschaltung zwischen den Betriebsphasen beruht, messtechnisch einfach realisiert werden kann.Thus, a "simulation" can be understood, for example, as a measurement mode in which, in fact, the respective other of the variables U, I is determined as the actual quantity and / or variable to be actually controlled, but at regular or irregular intervals, for example, by control measurements it is determined whether the actually controlled variable corresponds to the setpoint. Thus, for example, a voltage source can be simulated by adjusting a current such that the setpoint voltage to be set is formed. In regular or irregular moderate intervals, for example, then be checked by a voltage measurement, if the voltage is still the setpoint, and the current can be readjusted accordingly. The simulation of a current source by means of a voltage source can be carried out in a corresponding manner. In this way, the electrical control of the sensor arrangement can be made comparatively simple, so that also the method according to the invention, which is based on the mentioned switching between the operating phases, can be easily realized metrologically.
Mit anderen Worten basiert die Wirkung der vorliegenden Erfindung darauf, durch gezielten Transport von Sauerstoffionen an einer der beiden Elektroden eine Referenzgasumgebung einzustellen (zum Beispiel sauerstoffreich, wie nachfolgend erläutert), ähnlich einer gepumpten Referenz. Dies geschieht, indem in der zweiten Messphase zunächst gezielt Sauerstoffionen zu dieser Elektrode transportiert werden. Des weiteren wird in der zweiten Messphase, nachdem sich ein gewisser Zustand eingestellt hat, eine Messung der Nernstspannung der anderen Elektrode gegen diese erzeugte Referenz vorgenommen. Ist das Abgas fett, wird eine betragsmäßig große Nernstspannung gemessen, ist es mager, so wird eine betragsmäßig kleine Nernstspannung gemessen. Analog dazu kann eine sauerstoffarme Referenz erzeugt werden, bei der sich Stromrichtungen und relative Potentiale umkehren.With in other words, the effect of the present invention is based on by targeted transport of oxygen ions to one of the two electrodes to set a reference gas environment (for example oxygen rich, as explained below), similar to a pumped one Reference. This is done by first targeted in the second measurement phase Oxygen ions are transported to this electrode. Furthermore will be in the second measurement phase after getting a certain state has set a measurement of the Nernst voltage of the other electrode made against this generated reference. If the exhaust gas is fat, will a magnitude large Nernst tension measured, it is lean, so is an amount measured small Nernst voltage. Similarly, a low-oxygen reference be generated at the current directions and relative potentials turning back.
In der vorliegenden Erfindung kommt jedoch noch ein weiterer Effekt zur Unterscheidung von fettem und magerem Abgas zum tragen: Im mageren Fall wird an der ersten Elektrode molekularer Sauerstoff zersetzt und gegen ein Gas mit hohem Sauerstoffgehalt (λ > 1) gepumpt. Bei der Variation des Pumpstroms ändert sich dies (gegenüber dem nachfolgenden Fall) höchstens geringfügig und der Hub von ΔUp ist klein. Im fetten Fall (λ < 1) hingegen wird an der ersten Elektrode CO2 und H2O zersetzt, was bei den anliegenden Pumpspannungen (beispielsweise bei 450 mV) nur möglich ist, weil sich durch die Gaszusammensetzung an der zweiten Elektrode (λ = 1) eine ausreichende effektive Pumpspannung ergibt (geringe Gegenspannung). Da sich bei einer kurzzeitigen Änderung des Pumpstroms die Gaszusammensetzung aufgrund der dichteren Diffusionsbarriere und/oder dem kleineren Hohlraum rasch ändert (λ << 1 oder λ >> 1), ändert sich auch die Nernstgegenspannung erheblich, und es ergibt sich zur Aufrechterhaltung des geänderten Pumpstroms ein erheblicher Hub von ΔUp.In the present invention, however, another effect for distinguishing between rich and lean exhaust gas comes into play: in the lean case, molecular oxygen is decomposed at the first electrode and pumped against a gas with a high oxygen content (λ> 1). In the case of the variation of the pumping current, this changes at most slightly (compared with the following case) and the stroke of ΔU p is small. In the rich case (λ <1), however, CO 2 and H 2 O are decomposed at the first electrode, which is only possible with the applied pump voltages (for example at 450 mV) because the gas composition at the second electrode (λ = 1 ) gives a sufficient effective pumping voltage (low reverse voltage). Since, in the case of a brief change in the pumping current, the gas composition changes rapidly due to the denser diffusion barrier and / or the smaller cavity (λ << 1 or λ >> 1), the Nernst countervoltage also changes considerably, and the changed pumping current is maintained a significant stroke of ΔU p .
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.
Es zeigenIt demonstrate
In
den
Dabei bezeichnet R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur, F die Faraday-Konstante und und die Partialdrücke des Sauerstoffs im Abgas (Messgasraum) bzw. dem Referenzluftraum. Die Nernstspannung ist hier als Funktion der Konzentration des Sauerstoffs c (O2) aufgetragen und zeigt einen charakteristischen Sprungverlauf bei 0% Sauerstoff (λ = 1).Here R denotes the universal gas constant, T the temperature, F the Faraday constant and and the partial pressures of the oxygen in the exhaust gas (sample gas space) or the reference air space. The Nernst voltage is plotted here as a function of the concentration of the oxygen c (O 2 ) and shows a characteristic jump course at 0% oxygen (λ = 1).
In
Im
Gegensatz zu dem mit einer Sprungsonde gemessenen Signal gemäß
Der
Festelektrolyt
Die
Ausführungsbeispiele gemäß den
Weiterhin
können die Hohlräume
Wird
bei den Sensorelementen
Zur
Erläuterung des V-förmigen Verlaufs wird im Folgenden
beispielhaft davon ausgegangen, dass die Pumpspannung Up als
Festspannung in ihrem Vorzeichen derart gewählt ist, dass
Sauerstoffionen in dem keramischen Festelektrolyten
Im
fetten Abgas (Bereich
Die
in der
In
Mit
der in
Zur
Auflösung dieser Mehrdeutigkeit wird eine zweite Messphase
vorgeschlagen, bei welcher durch eine kurzfristig gezielte Erhöhung
oder Verminderung des Pumpstroms um einen Betrag ΔIp ermittelt wird, in welcher Kammer gerade
eine Begrenzung vorliegt. Fällt das Antwortsignal, d. h.
die Spannungsänderung zwischen den Elektroden
Der
Schwellwert
Zur
Erläuterung des Messprinzips der zwei Messphasen sei nochmals
auf die Nernstspannungskurve in
Wird
nun in der ersten Messphase eine konstante Pumpspannung Up zwischen die Elektroden
Nun folgt die zweite Messphase, in welcher von einer Konstantspannungsmessung kurzfristig auf eine Konstantstrommessung umgeschaltet wird. Dabei wird der Pumpstrom Ip kurzfristig um einen fest vorgegebenen ΔIp erhöht oder alternativ, da ΔIp auch negativ gewählt werden kann, erniedrigt. Alternativ kann der Pumpstrom Ip in dieser Phase auch auf einen festen Wert eingestellt oder eingeregelt werden.Now follows the second measuring phase in which a constant voltage measurement switches over to a constant current measurement. In this case, the pump current I p is temporarily increased by a fixed ΔI p or alternatively, since ΔI p can also be selected negative, decreased. Alternatively, the pumping current I p in this phase can also be set or adjusted to a fixed value.
Da
die Pumpzelle
Analog
wird im Folgenden die Situation im fetten Luftzahlbereich
Nun
wird wiederum zunächst die erste Messphase durchgeführt,
in welcher, mit gleicher Polung wie im oben beschriebenen Fall des
mageren Gasgemischs, eine Pumpspannung Up an
die Pumpzelle
Im
Gegensatz dazu reagieren jedoch alle durch den Festelektrolyten
Nun
wird wiederum auf die zweite Messphase umgeschaltet, und der Pumpstrom
Ip wird um einen konstanten Wert ΔIp erhöht (bzw. erniedrigt), und zwar
um den gleichen Wert ΔIp wie im
oben beschriebenen mageren Fall. Beispielsweise kann dies wiederum
eine Stromerhöhung um ΔIp =
300 μA sein. Insgesamt fließen also jetzt kurzfristig
in der zweiten Messphase 460 μA. Nun macht es sich bemerkbar, dass,
im Gegensatz zum oben beschriebenen mageren Fall, im fetten Luftzahlbereich
der Arbeitspunkt der mit dem kleineren Hohlraum
Im
vorliegenden Verfahren werden also durch die starke Nicht-Linearität
der Nernstspannungskurve gemäß
In
Wie
oben beschrieben, wird aus der zweiten Messphase
Alternativ
kann, wie in
Anhand
der in
Die
Stromquelle
Ist der Zustand eines gleich bleibenden Pumpstromes Ip erreicht, wird dieser Stromwert beispielsweise zwischengespeichert. Ist dieser Zustand eines gleich bleibenden Stromes erreicht, so kann die erste Messphase prinzipiell beendet werden. Nun wird für eine festgelegte Zeit dieser Strom Ip zuzüglich (wahlweise abzüglich) des Feststromwertes ΔIp eingeprägt.If the state of a constant pumping current I p is reached, this current value is temporarily stored, for example. If this state of a constant current is reached, the first measurement phase can be terminated in principle. Now, for a fixed time, this current I p plus (optionally minus) the fixed current value ΔI p is impressed.
Waren
zuvor beispielsweise 310 μA notwendig, um die 450 mV aufrechtzuerhalten,
so wird nun der Strom beispielsweise auf 410 μA erhöht.
Bei einer Erniedrigung kann der Strom dabei auch insgesamt negativ
werden. Nach einer definierten Zeit (beispielsweise 10 ms oder auch
nur 100 μs) wird die erreichte Spannung gemessen und diese
Spannung bzw. die Differenz ΔUp zu
einer zuvor benötigten Spannung, mit einem Referenzwert
(Schwellwert
Wie
oben beschrieben und wie in
In
einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
der Strom nicht um einen bestimmten Wert ΔIp erhöht
oder erniedrigt, sondern für eine gewisse Zeit auf einen
festen Wert, z. B. auf 0 gesetzt. Auch dies entspricht jedoch einer Änderung des
Stromes Ip um einen Wert ΔIp(Ip), wobei jedoch
in diesem Fall der Wert ΔIp gerade
dem zuvor in Messphase 1 gemessenen Strom Ip entspricht
und ein negatives Vorzeichen aufweist. Dadurch wird der eindringende
Nachstrom durch die erste Diffusionsbarriere
In
verschiedenen Ausprägungsformen können initiale
Spannungssprünge oder Stromsprünge direkt auch
nach Änderung des Stromes bzw. der Spannung als Maß für
den Innenwiderstand des Sensorelements
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102005054144 A1 [0006] DE 102005054144 A1 [0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- - Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, Seiten 116 bis 117 [0052] - Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2001, pages 116 to 117 [0052]
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