DE102010039392A1

DE102010039392A1 - Vorrichtung zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases

Info

Publication number: DE102010039392A1
Application number: DE201010039392
Authority: DE
Inventors: Frank Stanglmeier; Reinhard Hamann; Jens Schneider; Lothar Diehl; Michael Daetz; Annette Hanselmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Volkswagen AG
Priority date: 2010-08-17
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst mindestens ein Sensorelement (116), welches mindestens eine Nernstzelle (140) mit mindestens einer ersten Elektrode (118), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (132) aufweist. Die erste Elektrode (118) ist mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar. Die zweite Elektrode (124) ist in einem Referenzgasraum (126) angeordnet. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens eine Steuerung (114) auf, welche eingerichtet ist, um eine Spannung der Nernstzelle (140) zu erfassen. Die Steuerung (114) weist weiterhin eine Beaufschlagungsvorrichtung (150) zur Erzeugung eines Referenzpumpstroms durch die Nernstzelle (140) auf. Die Beaufschlagungsvorrichtung (150) ist derart eingerichtet, dass eine Differenz ΔIpref der Referenzpumpströme im fetten Luftzahlbereich und im mageren Luftzahlbereich nicht mehr als 50% eines über die Luftzahlbereiche gemittelten Referenzpumpstromsbeträgt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Im Folgenden wird insbesondere auf Vorrichtungen Bezug genommen, welche zur Erfassung eines Sauerstoffanteils, also beispielsweise eines Prozentsatzes an Sauerstoff und/oder eines Sauerstoffpartialdrucks, in dem Gas eingerichtet sind. Derartige Sensorelemente werden in der Regel als Lambdasonden bezeichnet. Grundsätzlich kann die Vorrichtung jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch zur Bestimmung anderer Eigenschaften des Gases in dem Messgasraum eingerichtet sein, beispielsweise zur Bestimmung des Anteils anderer Gasanteile in dem Gas. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln.
Vorrichtungen der genannten Art können insbesondere als so genannte Zweipunkt-Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–157 beschrieben werden. Derartige Zweipunkt-Lambdasonden, welche auch als Sprungsonden bezeichnet werden, werden insbesondere in Kraftfahrzeugen vor und/oder nach einem Katalysator eingesetzt. Sprungsonden weisen in der Regel eine erste Elektrode auf, welche dem Gas aus dem Messgasraum ausgesetzt ist, und eine zweite Elektrode, welche auch als Referenzelektrode bezeichnet wird, und welche in der Regel in einem Referenzgasraum, beispielsweise in einem Referenzluftkanal, angeordnet ist. Aus WO 2009/156007 A1 ist beispielsweise eine Lambdasonde zur Messung des Abgas-Lambdas in einem Abgasbereich eines Verbrennungsmotors bekannt. Die Lambdasonde weist eine erste Elektrode auf, die in einem mit dem Abgas verbundenen Messgas-Hohlraum angeordnet ist. Weiterhin enthält die Lambdasonde eine zweite Elektrode, die über einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten mit der ersten Elektrode verbunden ist und welche in einem Referenzgaskanal angeordnet ist. Die Lambdasonde zeichnet sich dadurch aus, dass im Referenzgaskanal ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher vorgesehen ist. Neben offenen Referenzluftkanälen, wie sie beispielsweise aus dem oben beschriebenen Stand der Technik bekannt sind, werden zunehmend Zweipunkt-Lambdasonden eingesetzt, welche eine so genannte gepumpte Referenz aufweisen. Bei Sprungsonden mit gepumpter Referenz wird die eigentliche Nernstzelle der Sprungsonde mit einem Referenzpumpstrom beaufschlagt, über welchen Sauerstoff zur Referenzelektrode gepumpt wird. Hierdurch kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Referenzpumpelektrode stets einer mageren Atmosphäre ausgesetzt ist.
Bei derartigen Sprungsonden mit gepumpter Referenz ergeben sich jedoch verschiedene technische Herausforderungen. So ergibt sich bei bekannten Sprungsonden mit gepumpter Referenz durch den an der Referenzelektrode entstehenden Überdruck in vielen Fällen ein Signal-Offset von 100 mV in der Ausgangsspannung des Sensorelements. Weiterhin ist in der Regel der durch die Gegenspannung induzierte Signal-Offset der Sprungsonde statisch abhängig vom Lambdawert, da bei einer hohen Ausgangsspannung, d. h. bei fettem Gasgemisch, nur ein kleiner Referenzpumpstrom von typischerweise ca. 15 μA fließt, und bei niedriger Ausgangsspannung, d. h. in einem mageren Gasgemisch, ein großer Referenzpumpstrom von typischerweise ca. 31 μA. Der Signal-Offset ändert sich daher dynamisch, beispielsweise um ca. 15 mV bis zum statischen Wert, da der Druck an der Referenzelektrode erst aufgebaut und/oder abgebaut werden muss, beispielsweise über einen Referenzluftkanal. Die durch diesen Aufbau und/oder Abbau bedingten Zeitkonstanten können mehrere Sekunden betragen, beispielsweise 10 Sekunden, was zu einer erheblichen Verfälschung des Sondensignals über viele Sekunden führen kann. Hinzu kommt in der Regel die Problematik, dass die statischen und dynamischen Fehler in der Regel nicht kompensiert oder in anderer Weise berücksichtigt werden können, beispielsweise bei einer Auswertung, da die beschriebenen Fehler in vielen Fällen von der baulichen Ausgestaltung der Referenzelektrode, beispielsweise von fertigungsbedingten Streuungen eines Referenzkanals, abhängig sein können. Hierdurch können erhebliche Streuungen des Sondensignals auftreten, beispielsweise 4 σ-Streuungen von mehr als 10 mV.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen der genannten Art zumindest weitgehend vermeidet. Hierzu werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, welche einzeln oder auch in beliebiger Kombination eingesetzt werden können. Alternativ oder zusätzlich zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases kann die Vorrichtung jedoch auch eingerichtet sein, um andere Eigenschaften physikalischer und/oder chemischer Art des Gases zu erfassen, beispielsweise Anteile anderer Gaskomponenten in dem Gas. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn diese Erfassung mindestens einer Eigenschaft des Gases direkt oder indirekt auf der Erfassung mindestens eines Sauerstoff-bedingten Stroms und/oder der Erfassung mindestens einer Sauerstoff-bedingten Nernstspannung basiert. Die Vorrichtung kann insbesondere als Sprungsonde betrieben werden und kann, wie oben beschrieben, vorzugsweise in Abgasen eingesetzt werden. Dementsprechend kann es sich bei dem Messgasraum beispielsweise um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln, beispielsweise im Automobilbereich. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement und mindestens eine Steuerung. Das Sensorelement kann beispielsweise einen keramischen Schichtaufbau umfassen, wie in dem oben beschriebenen Stand der Technik beschrieben. Das Sensorelement kann grundsätzlich mehrzellig aufgebaut sein, ist jedoch vorzugsweise als Einzeller ausgestaltet. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Nernstzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten.
Die erste Elektrode ist dabei direkt oder indirekt mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Zu diesem Zweck kann die erste Elektrode beispielsweise auf einer Oberfläche des Schichtaufbaus angeordnet sein und kann direkt oder beispielsweise über eine gasdurchlässige, poröse Schutzschicht mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Alternativ kann die erste Elektrode jedoch auch im Inneren des Schichtaufbaus, also in einer tieferliegenden Schichtebene, angeordnet sein und kann beispielsweise über mindestens eine Bohrung und/oder mindestens einen Kanal mit dem Messgasraum verbunden sein. Auch andere Ausgestaltungen oder Kombinationen der genannten Ausgestaltungen sind möglich.
Die zweite Elektrode ist in einem Referenzgasraum angeordnet, also einem Raum, welcher von dem Messgasraum getrennt ausgebildet ist und vorzugsweise gasdicht gegenüber dem Messgasraum abgeschirmt ist. Dementsprechend kann vorzugsweise, zumindest über für eine Messung relevante Zeiträume von mehreren Sekunden bis mehreren Minuten, Gas aus dem Messgasraum nicht unmittelbar zu dem Referenzgasraum gelangen. Der Referenzgasraum kann als offener Referenzgasraum ausgestaltet sein, kann jedoch auch vollständig oder teilweise mit einem porösen Medium gefüllt sein, welches einen Gasdurchtritt oder eine Gasdiffusion ermöglicht. Der Referenzgasraum und die zweite Elektrode, welche im Folgenden auch als Referenzelektrode bezeichnet wird, können auch ganz oder teilweise zusammengefasst werden, beispielsweise indem der Referenzgasraum mit einem gasdurchlässigen, elektrisch leitfähigen Elektrodenmaterial vollständig oder teilweise ausgefüllt wird. Der Referenzgasraum kann dabei als geschlossener Referenzgasraum ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Referenzgasraum als Referenzkanal, beispielsweise als Referenzluftkanal, ausgestaltet ist oder zumindest mit einem derartigen Referenzkanal in Verbindung steht. Beispielsweise kann der Referenzkanal den Referenzgasraum und/oder die zweite Elektrode mit einer Umgebung des Sensorelements, beispielsweise einer Umgebung des Motorraums, verbinden, so dass ein Luftaustausch zwischen dieser Umgebung und dem Referenzgasraum möglich ist. Auch der Referenzkanal kann wiederum offen ausgestaltet sein, kann jedoch auch optional wiederum ganz oder teilweise mit einem porösen, gasdurchlässigen Medium angefüllt sein. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung umfasst dabei einen offenen Referenzkanal, da ein derartiger offener Referenzkanal, beispielsweise ein offener Referenzluftkanal, keine Zusatznernstspannung aufbaut somit besonders bevorzugt ist. Der alternativ ebenfalls mögliche vollständig oder teilweise mit einem porösen Medium gefüllte Referenzkanal ist bei vielen Sensorelementen eher historisch bedingt, ist aber nach wie vor dennoch möglich.
Bei dem Festelektrolyten kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, zumindest ab einer Arbeitstemperatur ionenleitenden Festkörper handeln. Beispielsweise können sauerstoffionenleitende Festkörper verwendet werden. Derartige Festkörper, insbesondere keramische Festkörper, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Beispielsweise können Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder andere, auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte verwendet werden, beispielsweise Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid. Der Festelektrolyt kann beispielsweise eine oder mehrere Festelektrolytfolien und/oder Festelektrolytpasten umfassen, welche ausgehärtet sind.
Wie oben ausgeführt, weist die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Steuerung auf. Diese Steuerung kann zentral oder auch dezentral ausgestaltet sein und kann auch beispielsweise ganz oder teilweise in einem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs aufgenommen sein. Die Steuerung kann eine oder mehrere elektronische Komponenten umfassen, wie beispielsweise mindestens eine Spannungsquelle und/oder mindestens eine Stromquelle. Weiterhin kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Messvorrichtung zur Erfassung einer Spannung der Nernstzelle. Weiterhin kann die Steuerung zusätzliche elektronische Komponenten umfassen, wie Widerstände, Dioden, Operationsverstärker, integrierte Schaltkreise oder ähnliche passive und/oder aktive Komponenten. Darüber hinaus kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung, beispielsweise mindestens einen Mikrocomputer, umfassen. Die Steuerung kann beispielsweise über mindestens eine Schnittstelle, beispielsweise mindestens einen Steckverbinder, mit dem mindestens einen Sensorelement verbunden sein.
Die Steuerung ist eingerichtet, um eine Spannung der Nernstzelle zu erfassen. Diese Spannung wird im Folgenden auch als Sensorsignal oder Sondensignal bezeichnet. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung mindestens eine Spannungsmessvorrichtung umfassen, welche durch geeignete Verbindungen mit den Elektroden der Nernstzelle verbunden ist. In diese Verbindungen können auch eine oder mehrere zusätzliche Widerstände seriell und/oder parallel zur Nernstzelle geschaltet sein.
Die Steuerung weist weiterhin mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung zur Erzeugung eines Referenzpumpstroms durch die Nernstzelle auf. Diese Beaufschlagungsvorrichtung kann beispielsweise mindestens eine Spannungsquelle und/oder mindestens eine Stromquelle umfassen, welche durch eine oder mehrere geeignete Verbindungen mit der Nernstzelle verbunden werden kann. Unter einem Referenzpumpstrom ist dabei ein Pumpstrom zu verstehen, welcher, wie oben beschrieben, bewirkt, dass die zweite Elektrode als gepumpte Referenzelektrode betrieben werden kann. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Sauerstoffionenstrom handeln, über welchen Sauerstoff von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode gepumpt werden kann oder umgekehrt.
Wie oben dargestellt, ergeben sich im fetten Luftzahlbereich, also bei Lambda-Werten λ < 1, und im mageren Luftzahlbereich, also bei λ > 1, in der Regel unterschiedliche Referenzpumpströme. Dies ist dadurch bedingt, dass die durch die Beaufschlagungsvorrichtung bereitgestellte Spannung, welche im Folgenden auch als Gegenspannung bezeichnet wird, der durch die Nernstzelle erfassten Nernstspannung überlagert ist. Aus dieser Überlagerung ergibt sich eine effektive Spannung, welche den Referenzpumpstrom durch die Nernstzelle antreibt.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher zur Beseitigung der oben beschriebenen Nachteile eingesetzt werden kann, wird dementsprechend vorgeschlagen, die Beaufschlagungsvorrichtung derart einzurichten, dass die Differenz der Referenzpumpströme im fetten und im mageren Luftzahlbereich möglichst klein ist. Beispielsweise kann eine Differenz der Referenzpumpströme ΔI_pref der Referenzpumpströme im fetten Luftzahlbereich und im mageren Luftzahlbereich definiert werden als ΔI_pref = I_pref ^fett – I_pref ^mager. Dabei bezeichnen I_pref ^fett und I_pref ^mager jeweils die Referenzpumpströme im fetten bzw. im mageren Luftzahlbereich. Vorgeschlagen wird in dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Beaufschlagungsvorrichtung derart einzurichten, dass diese Differenz ΔI_pref nicht mehr als 50% eines über die Luftzahlbereiche gemittelten Referenzpumpstroms
beträgt. Dieser gemittelte fett mager Referenzpumpstrom
ist dabei definiert als
Besonders bevorzugt beträgt die Differenz ΔI_preff nicht mehr als 40% und insbesondere nicht mehr als 30% des gemittelten Referenzpumpstroms
Diese Ausgestaltung der Differenz ΔI_pref lässt sich durch eine entsprechende elektronische und/oder elektrotechnische Ausgestaltung der Beaufschlagungsvorrichtung und deren elektronischer Komponenten ohne weiteres realisieren. So lassen sich aus den bekannten Innenwiderständen und sonstigen Widerständen des Sensorelements und der Steuerung sowie den bekannten Nernstspannungen der Nernstzelle die elektronischen Komponenten der Beaufschlagungsvorrichtung derart berechnen und wählen, dass die oben genannte Bedingung des ersten Konzepts der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann. Beispielsweise lässt sich ein Schaltkreis ohne weiteres erfindungsgemäß ausgestalten, indem beispielsweise geeignete Vorschaltwiderstände und/oder geeignete Spannungen der Beaufschlagungsvorrichtung gewählt werden. Beispiele einer derartigen Ausgestaltung werden unten noch näher beschrieben.
So kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens eine Energiequelle und mindestens einen Vorwiderstand umfassen. Die Energiequelle kann eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle umfassen. Der mindestens eine Vorwiderstand, wobei auch mehrere seriell oder parallel geschaltete Vorwiderstände vorhanden sein können, und die Nernstzelle sind dabei in Reihe geschaltet. Darüber hinaus können ggf. ein oder mehrere weitere Widerstände vorgesehen sein. Der Vorwiderstand und die Energiequelle sind derart ausgestaltet, dass über die Luftzahlbereiche gemittelt an dem Vorwiderstand eine Spannung abfällt, welche mindestens das Doppelte der maximalen Nernstspannung der Nernstzelle beträgt. Vorzugsweise beträgt diese an dem Vorwiderstand abfallende Spannung mindestens das 2,5-fache und besonders bevorzugt mindestens das 3-fache der maximalen Nernstspannung.
Unter der maximalen Nernstspannung ist dabei das Maximum der über alle Luftzahlbereiche hinweg auftretenden Nernstspannung an der Nernstzelle zu verstehen. In der Regel wird dieses Maximum im fetten Luftzahlbereich auftreten und kann beispielsweise bei 600 mV bis 1000 mV liegen, wenn kein Offset vorliegt und wenn die Spannung im mageren Luftzahlbereich, beispielsweise bei 0 mV bis 200 mV liegt. Ein Innenwiderstand der Nernstzelle ist üblicherweise gegenüber dem Vorwiderstand vernachlässigbar, beispielsweise indem der Innenwiderstand der Nernstzelle maximal 1/10 des Vorwiderstands beträgt, vorzugsweise maximal 1/50 oder sogar maximal 1/100. Aus der durch die Energiequelle bereitgestellten Spannung lässt sich für den fetten und für den mageren Luftzahlbereich jeweils die effektive Spannung, die den Referenzpumpstrom bedingt, durch einfache Differenzbildung berechnen. Aus dieser effektiven Spannung kann dann durch die Ohmsche Gleichung berechnet werden, welche Spannung an dem Vorwiderstand abfällt, und die Energiequelle und/oder der Vorwiderstand können entsprechend dimensioniert werden, dass die oben beschriebene Bedingung bezüglich des Referenzpumpstroms erfüllt ist und/oder dass die beschriebene Bedingung der an dem Vorwiderstand abfallenden Spannung erfüllt ist.
Beispielsweise kann die Energiequelle eingerichtet sein, um eine im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen stark erhöhte Gegenspannung bereitzustellen. Beispielsweise kann die Energiequelle eingerichtet sein, um eine Gegenspannung von mindestens 2 V bereitzustellen, insbesondere von mindestens 3 V und besonders bevorzugt sogar von mindesten 5 V. Da übliche Analog-Digital-Wandler typischerweise einen Betriebsbereich zwischen 0 V und 3,3 V aufweisen, kann die Gegenspannung beispielsweise von 2 V bis 7 V, insbesondere von 3 V bis 6 V gewählt werden, beispielsweise bei 3,3 V oder bei 5 V.
Alternativ oder zusätzlich kann zur Erfüllung einer oder mehrerer der oben beschriebenen. Bedingungen der Vorwiderstand beispielsweise mindestens 100 kΩ betragen, beispielsweise mindestens 150 kΩ und besonders bevorzugt sogar mindestens 200 kΩ. Typische Referenzpumpstrome liegen, gemittelt über den fetten und den mageren Luftzahlbereich, zwischen 10 und 30 μA, beispielsweise bei 21 oder 22 μA.
Als zweite Maßnahme zur Beseitigung der Nachteile bekannter Vorrichtungen der genannten Art, welche alternativ oder zusätzlich zur oben beschriebenen ersten Maßnahme in einer oder mehreren der beschriebenen Ausgestaltungen eingesetzt werden kann, wird vorgeschlagen, den Grenzstrom der zweiten Elektrode zu optimieren. Unter einem Grenzstrom wird allgemein der durch die zweite Elektrode und deren Gasanbindung, also beispielsweise durch den Referenzgasraum, bedingte Sättigungspumpstrom verstanden, also die Sättigung einer Pumpstrom-Spannungs-Kennlinie. Beispielsweise kann, wenn der Referenzgasraum einen Referenzkanal umfasst oder an einen Referenzkanal angebunden ist, der Grenzstrom der zweiten Elektrode durch den maximal möglichen Sauerstoffabtransport von der zweiten Elektrode bedingt sein. Der Sättigungsstrom kann dementsprechend dem Sauerstoffionenpumpstrom durch die Nernstzelle zur zweiten Elektrode entsprechen, bei welchem der antransportierte Sauerstoff gerade noch durch den Referenzkanal abtransportiert werden kann, ohne dass ein Druckaufbau entsteht. Dieser Grenzstrom ist auf einfache Weise zu messen, beispielsweise durch Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie der Nernstzelle. Der Grenzstrom kann durch eine geeignete Dimensionierung und/oder sonstige Ausgestaltung der zweiten Elektrode und/oder des Referenzgasraums bzw. des Referenzkanals leicht beeinflusst werden. Sind beispielsweise der Referenzgasraum und/oder der Referenzkanal vollständig oder teilweise mit einem porösen Material gefüllt, so kann durch die typischerweise fertigungstechnisch vorgegebene Porosität dieses porösen Materials der Grenzstrom beeinflusst werden. Feinporöse Materialien führen in der Regel zu einem niedrigen Grenzstrom, wohingegen offenporige Materialien einen erhöhten Grenzstrom bewirken. Auch eine Erhöhung oder Erniedrigung eines Kanalquerschnitts und/oder einer Kanallänge des Referenzkanals beeinflusst den Grenzstrom.
Die vorgeschlagene zweite Maßnahme trägt der Tatsache Rechnung, dass ein hoher Grenzstrom den Nachteil bewirkt, dass durch den Referenzgasraum, insbesondere den Referenzkanal, eindringendes Fettgas zu einer Beeinflussung des Elektrodenpotenzials der Referenzelektrode führt, welche üblicherweise als continuous shift down, CSD, bezeichnet wird. Aus diesem Aspekt sind zweite Elektroden mit niedrigem Grenzstrom zu befürworten, da hierdurch die CSD-Gefahr gesenkt wird. Andererseits führen zweite Elektroden mit niedrigem Grenzstrom dazu, dass die oben beschriebenen dynamischen Effekte zunehmen, da bei kleinem Grenzstrom leicht ein Auf- und/oder Abpumpen des Referenzgasraums erfolgen kann, was zu einer starken Beeinflussung der Nernstspannung zumindest innerhalb eines zeitlichen Übergangsbereichs führen kann.
Erfindungsgemäß wird in dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung dementsprechend eine Optimierung des Grenzstroms der zweiten Elektrode vorgeschlagen, beispielsweise durch eine oder mehrere der oben beschriebenen Maßnahmen. Dementsprechend wird vorgeschlagen, dass die zweite Elektrode derart ausgestaltet ist, dass diese einen Grenzstrom von 0,2 μA bis 1,0 μA aufweist, vorzugsweise einen Grenzstrom von 0,3 μA bis 0,5 μA und besonders bevorzugt von 0,4 μA. Dies kann durch eine geeignete Dimensionierung des Referenzgasraums, insbesondere des Referenzkanals, und/oder durch eine geeignete Wahl eines porösen Materials, welches den Referenzgasraum vollständig oder teilweise ausfüllen kann, erfolgen.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher unabhängig realisiert werden kann oder welcher auch zusätzlich zu dem oben beschriebenen ersten Aspekt und/oder dem oben beschriebenen zweiten Aspekt realisiert werden kann, wird eine Kompensation der Signalabweichung durch die oben beschriebenen Effekte vorgeschlagen. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Steuerung eingerichtet ist, um aus einem zeitlichen Verlauf des Referenzpumpstroms auf einen aktuellen Sauerstoffanteil, insbesondere einen aktuellen Sauerstoffpartialdruck, an der zweiten Elektrode zu schließen. Mittels dieses aktuellen Sauerstoffanteils können beispielsweise fertigungsbedingte Exemplarstreuungen des Sensorelements ausgeglichen werden. Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um aus dem aktuellen Sauerstoffanteil eine Korrektur und/oder Kompensation der Signalabweichung vorzunehmen.
Die Steuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um aus einem erfassten Verlauf der Nernstspannung der Nernstzelle und einer durch die Beaufschlagungsvorrichtung bereitgestellten Gegenspannung auf den aktuellen Referenzpumpstrom zu schließen. Dies kann beispielsweise, wie oben beschrieben, auf einfache Weise durch Ermittlung der effektiven Spannung und Verwendung der Ohmschen Gleichung erfolgen. Die Steuerung kann dann weiter eingerichtet sein, um durch eine zeitliche Integration über den mittels des Referenzpumpstroms zur zweiten Elektrode transportierten Sauerstoffanteil und den durch den Referenzgasraum von der zweiten Elektrode entfernten Sauerstoffanteil auf den aktuellen Sauerstoffanteil zu schließen. Beispiele werden unten noch näher ausgeführt. Bei dem Abtransport des Sauerstoffanteils durch den Referenzgasraum kann beispielsweise eine empirisch bestimmte und/oder bekannte Diffusionskonstante verwendet werden, welche mit dem Grenzstrom zusammenhängt. Die Steuerung kann insbesondere mindestens eine Korrekturvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, um ein Sensorsignal des Sensorelements entsprechend dem ermittelten aktuellen Sauerstoffanteil zu korrigieren.
Zur Bestimmung der Diffusionskonstante und/oder des durch den Referenzgasraum von der zweiten Elektrode entfernten Sauerstoffanteils kann beispielsweise ein Verfahren verwendet werden, bei welchem empirisch der Grenzstrom bestimmt wird. So kann allgemein bei dieser oder auch bei anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung die Steuerung eingerichtet sein, um das Sensorelement in mindestens einem Kalibrationsmodus zu betreiben. In diesem Kalibrationsmodus kann der Referenzpumpstrom gegenüber dem gemittelten Referenzpumpstrom erhöht werden, insbesondere um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2,5 oder 3. Die Steuerung kann dann eingerichtet sein, um aus mindestens einer in dem Kalibrationsmodus erfassten Nernstspannung den Grenzstrom der zweiten Elektrode zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich können der Grenzstrom und/oder die Diffusionskonstante auch auf andere Weise bestimmt werden, beispielsweise durch Labormessungen oder ähnliches. Mittels des Grenzstroms und/oder der Diffusionskonstante kann dann die oben beschriebene Korrektur vorgenommen werden.
Die oben beschriebene Vorrichtung in einer oder mehreren der beschriebenen Ausgestaltungen weist gegenüber bekannten Vorrichtungen der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. So lassen sich sowohl statische als auch dynamische Fehler gemäß den oben dargestellten Nachteilen zuverlässig vermeiden oder zumindest reduzieren. Dies kann, wie oben dargestellt, durch eine einfache Änderung der Beschattung und/oder auch durch eine Berücksichtigung von Bauelement-bedingten Streuungen, welche einfach implementierbar ist, erfolgen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere mögliche Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in allgemeiner Form;
2A und 2B eine Gegenüberstellung einer bekannten Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß 1 (2A) und einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung (2B);
3 einen Zusammenhang zwischen einem Sondensignal U_a und einem Ist-Referenzpumpstrom I_pref; und
4 eine Darstellung eines dynamischen Verhaltens des Sondensignals herkömmlicher Vorrichtungen bei Luftwechseln.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Der Messgasraum 112 ist hierbei lediglich symbolisch angedeutet und kann beispielsweise einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine umfassen. Die Vorrichtung 110 umfasst eine Steuerung 114 und ein Sensorelement 116, welches in 1 symbolisch mit einem Schichtaufbau dargestellt ist. Das Sensorelement 116 umfasst eine dem Messgasraum 112 zuweisende erste Elektrode 118, welche beispielsweise in der Steuerung 114 mit einer elektrischen Masse 120 oder Erde verbunden sein kann. Die erste Elektrode 118 kann beispielsweise über eine gasdurchlässige Schutzschicht 122 mit dem Messgasraum 112 verbunden sein. Weiterhin umfasst das Sensorelement 116 eine zweite Elektrode 124, welche auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet wird. Diese ist in einem Referenzgasraum 126 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die zweite Elektrode 124 beispielsweise ganz oder teilweise mit dem Referenzgasraum 126 identisch sein, beispielsweise indem der Referenzgasraum 126 ganz oder teilweise mit einem elektrisch leitfähigen, porösen Material 128 gefüllt ist.
Dementsprechend kann die zweite Elektrode 124 beispielsweise als Speicherelektrode ausgestaltet sein, also als Elektrode, welche eingerichtet ist, um ein Gas, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, in gewissem Rahmen zu speichern. Beispielsweise kann in einem Normalbetrieb ein Sauerstoffpartialdruck p(O₂) in dem Referenzgasraum 126 herrschen, welcher typischerweise bei 20 bar liegen kann. Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung, bei welcher die zweite Elektrode 124 und der Referenzgasraum 126 vollständig oder teilweise zusammengefasst sind, wie in 1 gezeigt, sind auch Ausgestaltungen denkbar, bei welchen die zweite Elektrode 124 und der Referenzgasraum 126 als getrennte Elemente ausgebildet sind.
Der Referenzgasraum 126 kann beispielsweise als Referenzkanal 130 ausgestaltet sein und/oder mit einem Referenzkanal 130 verbunden sein. Auch dieser Referenzkanal 130 kann vollständig oder teilweise mit einem porösen Material 128 gefüllt sein. Der Referenzkanal 130 kann beispielsweise in einer Umgebung münden, welche nicht mit dem Messgasraum 112 verbunden ist, beispielsweise einer Umgebungsluft.
Die erste Elektrode 118 und die zweite Elektrode 124 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch mindestens einen Festelektrolyten 132 miteinander verbunden. Weiterhin ist in dem Sensorelement 116 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens ein Heizelement 134 vorgesehen, welches beispielsweise eingerichtet sein kann, um den Festelektrolyten 132 vollständig oder teilweise auf einer Arbeitstemperatur zu betreiben, beispielsweise einer Temperatur von 500°C bis 900°C. Das Heizelement 134 kann beispielsweise eine oder mehrere Heizleiter 136 aufweisen und durch mindestens eine Isolierung 138 gegenüber dem Festelektrolyten 132 und/oder den Elektroden 118, 124 getrennt sein.
Die erste Elektrode 118, die zweite Elektrode 124 und der Festelektrolyt 132 bilden eine Nernstzelle 140. Die Steuerung 114 kann beispielsweise mindestens eine Messvorrichtung 142 umfassen, um eine Nernstspannung U_a an der Nernstzelle 140 zu erfassen, welche auch als Sondensignal und/oder als Sensorsignal bezeichnet werden kann. Zu diesem Zweck kann die Messvorrichtung 142 direkt oder beispielsweise unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer mit R_M bezeichneter Messwiderstände 146 mit einer Zuleitung 144 zu der zweiten Elektrode 124 verbunden sein.
Die Steuerung 114 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Beaufschlagungsvorrichtung 150, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement 116 als Sensorelement mit gepumpter zweiter Elektrode 124 zu betreiben. Diese umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens eine Energiequelle 152 und mindestens einen Vorwiderstand 154, welcher mit der Nernstzelle 140 in Reihe geschaltet ist. Die Energiequelle 152 kann beispielsweise einen Masseanschluss 156 umfassen, welcher beispielsweise mit der ersten Elektrode 118 verbunden sein kann, und einen zweiten Anschluss 158, welcher beispielsweise unter Zwischenschaltung des Vorwiderstands 154 mit der zweiten Elektrode 124 verbunden sein kann und an welchem beispielsweise eine Gegenspannung U_G bereitgestellt werden kann. Zu diesem Zweck kann die Beaufschlagungsvorrichtung 150 beispielsweise eine Primärquelle 160 umfassen, beispielsweise eine Spannungsquelle zur Bereitstellung einer Spannung U₀. Weiterhin kann die Beaufschlagungsvorrichtung 150, wie in 1 exemplarisch dargestellt, zum Einstellen der Spannung U_G einen Spannungsteiler 162 mit den Widerständen R₁ und R₂ umfassen.
Darüber hinaus kann die Steuerung 114 ein oder mehrere weitere elektronische Bauelemente umfassen, beispielsweise eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen 164. Beispielsweise können diese Datenverarbeitungsvorrichtungen 164 einen oder mehrere Mikrocomputer umfassen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 164 kann beispielsweise als Korrekturvorrichtung 166 genutzt werden, um das Sensorsignal U_a entsprechend einem unten noch näher beschriebenen Verfahren auf einen ermittelten aktuellen Sauerstoffanteil p(O₂) an der zweiten Elektrode 124 zu korrigieren. Dies wird unten noch näher beschrieben.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, durch eine geeignete Auswahl der Steuerung 114 die Differenz ΔI_pref der Referenzpumpströme I_pref durch die Nernstzelle 140, also den Unterschied der Referenzpumpströme zwischen einem fetten Luftgemisch und einem mageren Luftgemisch im Referenzgasraum 112, gegenüber dem zwischen diesen Zuständen gemittelten Referenzpumpstrom
zu begrenzen. Der Effekt dieser Maßnahme ist in den 2A und 2B dargestellt, in welchen jeweils Ersatzschaltbilder einer herkömmlichen Vorrichtung 110 (2A) und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 (2B) dargestellt sind. Diese Ersatzschaltbilder sind exemplarisch mit Zahlenangaben versehen. In diesen Ersatzschaltbildern ist weiterhin auch exemplarisch eine Beschaltung des Heizelements 134 mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) gezeigt, ausgehend von einer Batteriespannung U_Bat zwischen 10 V und 17 V. Diese Ausgestaltung ist jedoch für die nachfolgende Beschreibung von untergeordneter Bedeutung.
In dem dem Stand der Technik entsprechenden Beispiel gemäß 2A wird durch den Spannungsteiler 162 die Spannung U₀ der Primärquelle 160 auf eine Gegenspannung U_G von ungefähr 1,8 V eingestellt. Der Vorwiderstand R_v hat einen Wert von ungefähr 56,2 kΩ. Weiterhin ist in den Figuren die Nernstspannung der Nernstzelle 140 mit U_N bezeichnet, und der Innenwiderstand der Nernstzelle mit R_IN. Der Innenwiderstand R_IN ist jedoch in der folgenden Berechnung mit ca. 200 Ω in der Regel vernachlässigbar gegenüber dem Vorwiderstand R_v. Bei dem in 2A dargestellten Beispiel überlagern sich die Gegenspannung U_G von 1,8 V und die Nernstspannung U_N der Nernstzelle 140 zu einer effektiven Spannung U_eff. Da im mageren Luftzahlbereich die Nernstspannung U_N typischerweise ca. 100 mV beträgt, beträgt die effektive Spannung U_eff im mageren Luftzahlbereich in diesem Ausführungsbeispiel ca. 1,7 V. Da im fetten Luftzahlbereich die Nernstspannung ca. 900 mV beträgt, beträgt hingegen im fetten Luftzahlbereich die effektive Spannung U_eff ca. 900 mV. Hieraus ergibt sich durch eine einfache Betrachtung mittels der Ohmschen Gleichung, dass der Referenzpumpstrom I_pref im mageren Luftzahlbereich ca. 30 μA beträgt, und im fetten Luftzahlbereich ca. 16 μA. Im Mittel beträgt der Referenzpumpstrom also
ungefähr 23 μA. Die Differenz zwischen den Referenzpumpströmen zwischen dem mageren Luftzahlbereich und dem fetten Luftzahlbereich beträgt jedoch 14 μA. Diese starke Schwankung des Referenzpumpstroms I_pref wirkt sich jedoch über das Potenzial der zweiten Elektrode 124 unmittelbar auf das Ausgangssignal U_a der Vorrichtung 110 aus. Dies ist anhand einer statischen Messung in 3 erkennbar. Aufgetragen ist hier ein Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal U_a in Volt und dem Referenzpumpstrom I_pref. Die dargestellte Kurve hat zwischen 13,8 μA und 18,2 μA eine mittlere Steigung von 2,3 mV/μA. Multipliziert mit der oben gemäß 2A bestimmten Differenz ΔI_pref ergibt dies eine Schwankung der Ausgangsspannung ΔU_a von 32 mV, also einen erheblichen, durch die Schwankung des Elektrodenpotenzials der zweiten Elektrode 124 bedingten Fehler.
In 2B ist hingegen eine Ausgestaltung der Vorrichtung 110 dargestellt, bei welcher die Steuerung 114 erfindungsgemäß modifiziert wurde, um diesen Fehler von ΔI_pref und ΔU_a zu verringern. Hierzu werden die Beaufschlagungsvorrichtung 150 und dort insbesondere die Primärquelle 160 und/oder der Vorwiderstand 154 entsprechend angepasst. Diese Anpassung kann derart erfolgen, dass ein mittlerer Referenzpumpstrom
im Wesentlichen gleich bleibt im Vergleich zum Stand der Technik gemäß 2A. Bevorzugte mittlere Referenzpumpströme liegen im Bereich zwischen 5 μA und 50 μA, beispielsweise zwischen 10 μA und 30 μA, beispielsweise zwischen 20 und 25 μA und besonders bevorzugt bei ca. 22 μA. Die Beaufschlagungsvorrichtung 150 kann derart eingestellt werden, dass die Differenz ΔI_pref nicht mehr als 50%, insbesondere nicht mehr als 40% oder sogar nicht mehr als 30% des gemittelten Referenzpumpstroms
beträgt.
Zu diesem Zweck wird zunächst die Gegenspannung U_G im Vergleich zu dem Beispiel gemäß 2A erhöht. Dies kann beispielsweise gemäß 2B auf einen Wert von 5 V erfolgen. Besonders bevorzugt sind Werte von mindestens 2 V, beispielsweise von mindestens 3,3 V. Weiterhin wird der Vorwiderstand 154 stark erhöht, beispielsweise auf einen Wert von mindestens 100 kΩ, insbesondere mindestens 150 kΩ oder, wie in 2B dargestellt, mindestens 200 kΩ. Beispielsweise ergibt sich mit einer Gegenspannung von 5 V und einem Vorwiderstand von 200 kΩ im mageren Luftzahlbereich eine effektive Spannung U_eff von 4,9 V, und im fetten Luftzahlbereich eine effektive Spannung von 4,1 V. Hieraus errechnen sich nach der Ohmschen Gleichung für den mageren Luftzahlbereich Referenzpumpströme von 26 μA und für den fetten Luftzahlbereich Referenzpumpströme von 21 μA, was einer Differenz ΔI_pref von 5 μA entspricht. Dies entspricht ca. 21% des mittleren Referenzpumpstroms von 23 μA. Mit der Darstellung gemäß 3 und der dort ermittelten Steigung von ca. 2,3 mV/μA ergeben sich hieraus lediglich Spannungsschwankungen von 12 mV, was im Rahmen üblicher Auswerteschaltungen noch tolerierbar ist.
Auch bei dynamischen Messungen macht sich die verbesserte Vorrichtung 110 positiv bemerkbar, wie exemplarisch anhand der 3 gezeigt werden soll. In 3 ist ein Sensorsignal U_a in Volt als Funktion der Zeit t in Sekunden bei einem Luftzahlwechsel-Experiment dargestellt. Dabei zeigt ein vergrößerter Ausschnitt 168 einen Übergangsbereich zwischen einem fetten Luftzahlbereich 170 und einem mageren Luftzahlbereich 172 in vergrößerter Darstellung. Der Gaswechsel wurde mit einer Frequenz von 0,00167 Hz an einer Anordnung gemäß 2A durchgeführt. Die Gegenspannung betrug dementsprechend 1,8 V.
In dem vergrößerten Ausschnitt 168 ist zu erkennen, dass das Ausgangssignal U_a beim Luftzahlwechsel ein Überschwingverhalten aufweist. Unmittelbar nach dem Luftzahlwechsel vom fetten Luftzahlbereich 170 in den mageren Luftzahlbereich 172 liegt noch der oben bezeichnete Referenzpumpstrom I_pref ^fett von ca. 16 μA vor, da die Atmosphäre an der zweiten Elektrode 124 noch derjenigen des fetten Luftzahlbereichs entspricht. Erst nach einer Zeitdauer von ungefähr 100 s stabilisieren sich die Verhältnisse an der zweiten Elektrode 124, indem der Referenzpumpstrom auf ca. 30 μA ansteigt, was ein stärkeres Aufpumpen des Referenzgasraums 126 bewirkt. Mit der oben beschriebenen Abhängigkeit des Sondensignals U_a vom Referenzpumpstrom ergibt sich hieraus ein Einschwingen des Spannungsverlaufs U_a. Das Überschwingen ΔU_a, welches in 4 mit der Bezugsziffer 174 gekennzeichnet ist, ergibt sich aus den durch diese Stromdifferenz dem sich anpassenden O₂-Partialdruck im Referenzgasraum 126, der die veränderte Nernstspannung bedingt.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Steuerung 114 und insbesondere der Beaufschlagungsvorrichtung 150, mittels derer die Referenzpumpstrom-Differenzen ΔI_pref im Vergleich zum mittleren Referenzpumpstrom
stark vermindert werden, lassen sich somit auch diese dynamischen Effekte gemäß 4 deutlich reduzieren.
Der Betrieb der Vorrichtung 110 erfolgt somit vorzugsweise gemäß der Ausgestaltung in 2B mit einer erhöhten Gegenspannung, beispielsweise U_G = 3,0 V oder mehr, beispielsweise 5,0 V. Damit verkleinert sich der Unterschied der Sondenspannung U_a zwischen Fett- und Magerpunkt. Die Gegenspannung U_G kann auch als Kompromiss nur so hoch gewählt werden, dass sie noch im Bereich eines Analog-Digital-Wandlers liegt, welcher beispielsweise Bestandteil der Messvorrichtung 142 sein kann. Beispielsweise kann dementsprechend die Spannung U_G bei ca. 3,3 V gewählt werden. Damit bleibt das Sondensignal auch bei noch kalter Sonde diagnosefähig.
Alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Maßnahme können zwei weitere Maßnahmen durchgeführt werden, wie oben beschrieben. So kann beispielsweise eine Optimierung eines Grenzstroms der zweiten Elektrode 124 erfolgen und/oder eine Fehlerkompensation. Insbesondere durch eine Kombination eines geeigneten Grenzstroms der zweiten Elektrode 124, beispielsweise durch eine Optimierung des Referenzkanals 130, mit einer geeigneten Ausgestaltung der Steuerung 114 gemäß der obigen Beschreibung lassen sich Fehlertoleranzen des Signals U_a von O₂-Sprungsonden optimieren.
Bei einer Fehlerkompensation gemäß dem oben beschriebenen dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Integration des zu erwartenden Fehlers durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der Einfluss der Fertigungsstreuung des Referenzkanals 130 kompensiert, indem in einem stationären Zustand, beispielsweise im Schub oder Nachlauf, ein höherer Referenzpumpstrom zeitweise eingeprägt wird. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines Kalibrationsmodus erfolgen. Dabei kann die Wirkung auf das Sondensignal gemessen werden. Es kann insbesondere der Wert vor und nach dem Umschalten in den Kalibrationsmodus verglichen werden. Der dabei ermittelte Effekt in der Nernstspannung aufgrund des angestiegenen Drucks im Referenzgasraum 126 wird beispielsweise in einen Grenzstrom des Referenzkanals 130 und/oder der zweiten Elektrode 124 umgerechnet und dann später im Normalbetrieb der beim verwendeten Referenzpumpstrom erwartete Effekt in der Nernstspannung kompensiert. Vorzugsweise wird dabei die Wirkung kleiner Ströme von ca. 20 μA verwendet, da hierbei aufgrund der logarithmischen Partialdruckabhängigkeit der größte Effekt auftritt. Vorzugsweise wird einfach der später zu verwendende Referenzpumpstrom mehrfach ein- und ausgeschaltet und damit der Effekt in der Nernstspannung bestimmt. Da dieser Effekt unabhängig von den auf der Abgasseite anliegenden Gasen ist, kann eine universelle Kompensation einfach durchgeführt werden, durch Subtraktion des an der individuellen Sonde bestimmten Werts vom Ausgangssignal.
Die Kompensation der Signalabweichung kann beispielsweise über ein einfaches, integrierendes Modell des Drucks im Referenzkanal 130 und dessen Umrechnung in eine Signalabweichung nach der Nernstgleichung realisiert werden. Da jeweils aus der gemessenen Sondenspannung U_a und der Gegenspannung U_G leicht die Spannung über den Widerstand R_v der Beaufschlagungsvorrichtung 150 zu errechnen ist, steht jederzeit der aktuelle Referenzpumpstrom I_pref zur Verfügung. Aus diesem kann die eingebrachte Ladung numerisch aufintegriert werden und damit der Partialdruck im Referenzgasraum 126 ermittelt werden. Zusätzlich lässt sich ein Verlustterm mit der Partialdruckdifferenz zur Außenatmosphäre und dem Diffusionskoeffizienten D des Referenzkanals 130 erstellen: I_pref = (U_G – U_N)/R_V Δp(O₂)^ref(t) = (RT/V)F¼⇐(I_pref – p(O₂)^ref(t)·D)dt
Dabei bezeichnet F die Faraday-Konstante, T die Temperatur in °K, R die universelle Gaskonstante, V das betrachtete Volumen und D den Diffusionskoeffizienten des Referenzkanals 130, welcher sich beispielsweise aus dem Grenzstrom ableiten lässt. Mittels dem derart bestimmten Partialdruck p(O₂) kann dann eine Kompensation des Sondensignals U_a erfolgen, da aus dem Partialdruck über die Nernstgleichung jederzeit das Potenzial der zweiten Elektrode 124 bestimmt werden kann.
Nach einem weiteren Konzept, welches oben als zweites Konzept bezeichnet wurde, kann die Auslegung des Referenzkanals 130 bezüglich des Grenzstroms so klein gewählt werden, dass durch Eindringen des Fettgases entstehende CSD-Effekte zumindest weitgehend vermieden werden. Gleichzeitig kann der Referenzkanal 130 groß genug gewählt werden, dass die Fertigungsstreuung des Referenzkanals nicht relevant wird. Ein erfindungsgemäßes Optimum für diese gegenläufige Anforderung liegt bei einem Grenzstrom von typischerweise 0,2 bis 0,6 μA. Hierbei wird beispielsweise die Gaseintrittsbarriere durch die Auslegung des Referenzkanalquerschnitts, der Referenzkanallänge und/oder der Porosität des Kanalfüllstoffs eingestellt. Eine geeignete Einstellung des Grenzstroms der zweiten Elektrode 124 kann durch geeignete Auswahl eines oder mehrerer der folgenden Parameter erfolgen: Querschnitt des Referenzkanals 130, Länge der Referenzkanals 130, Porosität des Referenzkanals 130 bzw. des porösen Materials 128, Gesamtgeometrie des Referenzkanals 130. Beispielsweise lässt sich der Einfluss des Grenzstroms auf die Eigenschaften der Vorrichtung 110 gemäß Tabelle 1 folgendermaßen verdeutlichen:

Grenzstrom dynamischer Einfluss CSD-Gefahr

< 0,2 μA sehr groß sehr klein

ca. 0,4 μA mittel mittel

> 1,0 μA klein zunehmend

200 μA sehr klein sehr groß

Tabelle 1: Tendenzieller Einfluss des Grenzstroms auf die Dynamik und die CSD-Gefahr.
Beispielsweise treten Grenzströme von 200 μA bei üblichen Zweipunkt-Lambdasonden mit offenem Referenzkanal 130 auf. Die in der Tabelle 1 dargestellten Tendenzen zeigen, dass bei ca. 0,4 μA Grenzstrom näherungsweise ein Optimum zu verzeichnen ist.
Die oben beschriebenen Maßnahmen sind in beliebiger Weise einzeln oder auch in Kombination realisierbar. Insbesondere durch die Kombination des optimierten Referenzgaskanals 130 mit einem optimierten Grenzstrom und der oben beschriebenen Optimierung der Steuerung 114, insbesondere durch eine Gegenspannung U_G von mindestens 3,0 V, werden entscheidende Merkmale zur Verkleinerung der Fehlertoleranzen des Signals von O₂-Sprungsonden optimiert. Ein wichtiger Aspekt hierbei kann insbesondere sein, dass mittels der oben beschriebenen Maßnahmen das Design und der Betrieb der O₂-Sprungsonde so ausgelegt sind, dass die durch die fertigungsbedingte Exemplarstreuung und durch die Lambdawert-Abhängigkeit des Referenzpumpstroms bedingten Signalfehler etwa in der gleichen Größenordnung liegen. Während die fertigungsbedingte Exemplarstreuung in der Regel beispielsweise zu einem ungenauen statischen Lambda-Signal führen kann, führt die Lambdawert-Abhängigkeit des Referenzpumpstroms in vielen Fällen zu einem ungenauen dynamischen Lambdasignal. Durch die genannte Kombination der Maßnahmen kann eine erhebliche Genauigkeitssteigerung der Sprungsondenfunktion erreicht werden. Dies ist insbesondere für Anwendungen stromabwärts eines Katalysators, für eine Innenwiderstandsregelung und für eine Lambdawert-Nachführung von erheblicher Bedeutung.
Bezugszeichenliste

110: Vorrichtung zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases in einem Messgasraum
112: Messgasraum
114: Steuerung
116: Sensorelement
118: erste Elektrode
120: Masse
122: Schutzschicht
124: zweite Elektrode
126: Referenzgasraum
128: poröses Material
130: Referenzkanal
132: Festelektrolyt
134: Heizelement
136: Heizleiter
138: Isolierung
140: Nernstzelle
142: Messvorrichtung
144: Zuleitung
146: Messwiderstand
150: Beaufschlagungsvorrichtung
152: Energiequelle
154: Vorwiderstand
156: Masseanschluss
158: zweiter Anschluss
160: Primärquelle
162: Spannungsteiler
164: Datenverarbeitungsvorrichtung
166: Korrekturvorrichtung
168: vergrößerter Ausschnitt
170: fetter Luftzahlbereich
172: magerer Luftzahlbereich
174: Überschwingen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2009/156007 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–157 [0002]

Claims

Vorrichtung (110) zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (116), wobei das Sensorelement (116) mindestens eine Nernstzelle (140) mit mindestens einer ersten Elektrode (118), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (132) aufweist, wobei die erste Elektrode (118) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die zweite Elektrode (124) in einem Referenzgasraum (126) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Steuerung (114) aufweist, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um eine Spannung der Nernstzelle (140) zu erfassen, wobei die Steuerung (114) weiterhin eine Beaufschlagungsvorrichtung (150) zur Erzeugung eines Referenzpumpstroms durch die Nernstzelle (140) aufweist, wobei die Beaufschlagungsvorrichtung (150) derart eingerichtet ist, dass eine Differenz ΔI_pref der Referenzpumpströme im fetten Luftzahlbereich und im mageren Luftzahlbereich nicht mehr als 50% eines über die Luftzahlbereiche gemittelten Referenzpumpstroms
beträgt.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Beaufschlagungsvorrichtung (150) mindestens eine Energiequelle (152) und mindestens einen Vorwiderstand (154) umfasst, wobei die Energiequelle (152) ausgewählt ist aus einer Spannungsquelle und einer Stromquelle, wobei der Vorwiderstand (154) und die Nernstzelle (140) in Reihe geschaltet sind, wobei der Vorwiderstand (154) und die Energiequelle (152) derart ausgestaltet sind, dass über die Luftzahlbereiche gemittelt an dem Vorwiderstand (154) eine Spannung abfällt, welche mindestens das Doppelte der maximalen Nernstspannung an der Nernstzelle (140) beträgt.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Energiequelle (152) eingerichtet ist, um eine Gegenspannung von mindestens 2 V bereitzustellen.
Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vorwiderstand (154) mindestens 100 kΩ beträgt.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzgasraum (126) und die zweite Elektrode (124) derart ausgestaltet sind, dass die zweite Elektrode (118) einen Grenzstrom von 0,2 μA bis 1,0 μA aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Referenzgasraum (126) zumindest teilweise mit einem porösen Medium (128) gefüllt ist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um das Sensorelement (116) in mindestens einem Kalibrationsmodus zu betreiben, wobei in dem Kalibrationsmodus der Referenzpumpstrom gegenüber dem gemittelten Referenzpumpstrom erhöht wird.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerichtet ist, um aus einem zeitlichen Verlauf des Referenzpumpstroms auf einen aktuellen Sauerstoffanteil an der zweiten Elektrode (118) zu schließen.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (114) eingerichtet ist, um aus einem erfassten Verlauf der Nernstspannung der Nernstzelle (140) und einer durch die Beaufschlagungsvorrichtung (150) bereitgestellten Gegenspannung auf den aktuellen Referenzpumpstrom zu schließen, wobei die Steuerung (114) weiterhin eingerichtet ist, um durch eine zeitliche Integration über den mittels des Referenzpumpstroms zur zweiten Elektrode (118) transportierten Sauerstoffanteil und einen durch den Referenzgasraum (126) von der zweiten Elektrode (118) entfernten Sauerstoffanteil auf den aktuellen Sauerstoffanteil zu schließen.
Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (114) mindestens eine Korrekturvorrichtung (166) aufweist, wobei die Korrekturvorrichtung (166) eingerichtet ist, um ein Sensorsignal des Sensorelements (116) entsprechend dem ermittelten aktuellen Sauerstoffanteil zu korrigieren.