DE102010040147A1

DE102010040147A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases

Info

Publication number: DE102010040147A1
Application number: DE201010040147
Authority: DE
Inventors: Dirk Liemersdorf; Benjamin Sillmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente des Gases. Dabei wird ein Sensorelement (114) mit mindestens einer ersten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) und mindestens einer zweiten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) verwendet, wobei die elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) jeweils für mindestens eine Zellfunktion eingesetzt werden. Die elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) weisen jeweils mindestens zwei Elektroden (132, 130, 138, 140, 144, 146) auf. Mindestens eine Elektrode (132, 130, 138, 140, 144, 146) der ersten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) ist mit mindestens einer Elektrode (132, 130, 138, 140, 144, 146) der zweiten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) über mindestens einen Festelektrolyten (136) verbunden und bildet mit dieser mindestens eine Temperaturmesszelle (166). Aus mindestens einem Innenwiderstand der Temperaturmesszelle (166) wird mindestens eine Temperatur des Sensorelements (114) bestimmt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung einer oder mehrerer Eigenschaften von Gasen in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens einer Gaskomponente in einem Messgasraum dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, und bei dem Messgasraum beispielsweise um einen Abgastrakt. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Eigenschaften des Gases erfasst werden, beispielsweise beliebige physikalische und/oder chemische Parameter des Gases, oder es kann sich um eine andere Art von Gas handeln.
Zahlreiche der bekannten Verfahren und Vorrichtungen basieren auf der Verwendung von elektrochemischen Sensorelementen. Insbesondere kann es sich dabei um elektrochemische Sensorelemente handeln, welche auf der Verwendung eines oder mehrerer Festelektrolyte basieren, also auf der Verwendung von Festkörpern, welche, zumindest oberhalb einer Mindesttemperatur, ionenleitende Eigenschaften, beispielsweise Sauerstoffionen-leitende Eigenschaften, aufweisen. Beispielsweise kann es sich hierbei um auf Zirkoniumdioxid-basierte Festelektrolyte handeln, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Derartige Sensoren können beispielsweise zur Bestimmung einer Luftzahl eines Abgases eingesetzt werden. Beispiele derartiger Sensoren, welche auch als Lambdasonden bezeichnet werden, sind aus Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 bekannt. Die dort dargestellten Sensoren können auch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und erfindungsgemäß modifiziert werden. Weiterhin können beispielsweise Sensoren zur Bestimmung eines Stickoxid(NO_x)-Anteils verwendet werden. Derartige Sensoren sind beispielsweise in EP 0 769 693 A1 , in DE 10 2008 040 314 A1 oder in WO 2010/003826 A1 beschrieben. Die in diesen Druckschriften dargestellten Vorrichtungen und Verfahren können auch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und erfindungsgemäß modifiziert bzw. verwendet werden.
In der Praxis hat sich dabei bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen gezeigt, dass die mittels dieser Verfahren und Vorrichtungen ermittelten Messwerte, beispielsweise Messwerte einer selektiven Detektion einer oder mehrerer Gaskomponenten, stark von den Umgebungsbedingungen abhängig sein können. Insbesondere können die Messwerte von Störgrößen und Querempfindlichkeiten abhängen, was insbesondere bei einer quantitativen, selektiven Detektion einer oder mehrerer Gaskomponenten, wie beispielsweise O₂ und/oder NO_x mit hoher Auflösung, insbesondere zum Einsatz als On-Board-Diagnose-Sensoren störend sein kann. Um eine geforderte Genauigkeit der Detektion (beispielsweise eine NO_x-Detektion im einstelligen ppm-Bereich) zu erreichen, ist es daher in vielen Fällen notwendig, neben der reinen Sensitivität des Sensors ebenfalls eine oder mehrere oder alle auftretende Störgrößen und Querempfindlichkeiten zu minimieren. Insbesondere ist hier eine Temperaturabhängigkeit der Sensorsignale zu berücksichtigen. Im Stand der Technik wird daher in der Regel die Temperatur innerhalb des Sensorelements bestimmt und in der Regel eine Temperaturregelung auf eine Solltemperatur vorgenommen. Nach wie vor besteht jedoch ein erhebliches Verbesserungspotenzial bezüglich der Minimierung bzw. Berücksichtigung von Störeinflüssen, insbesondere auch der Temperatureinflüsse im gesamten Sensorelement.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Wie oben dargestellt, kann es sich bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases grundsätzlich um eine beliebige physikalisch und/oder chemisch nachweisbare Eigenschaft handeln. Insbesondere kann es sich dabei um eine Erfassung mindestens einer Gaskomponente des Gases handeln, also um eine qualitative und/oder quantitative Erfassung dieser Gaskomponente, beispielsweise einen prozentualen Anteil und/oder einen Partialdruck dieser Gaskomponente.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Sensorelement mit mindestens einer ersten elektrochemischen Zelle und mindestens einer zweiten elektrochemischen Zelle verwendet. Unter einer elektrochemischen Zelle ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei Elektroden aufweist, die miteinander durch mindestens einen Festelektrolyten verbunden sind. Die Elektroden können beispielsweise nebeneinander in derselben Schichtebene auf derselben Seite des Festelektrolyten angeordnet sein, können auf einander gegenüber liegenden Seiten des Festelektrolyten angeordnet sein oder können auf andere Weise über den Festelektrolyten miteinander verbunden sein. Bei dem Festelektrolyten kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, Ionen leitenden Festelektrolyten handeln. Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten, wie beispielsweise auf Zirkoniumdioxid basierenden Festelektrolyten. Insbesondere können Yttrium-stabilisierte Zirkoniumdioxid-Festelektrolyte (YSZ-Festelektrolyte) und/oder Scandium-dotierte Zirkoniumdioxid-Festelektrolyte eingesetzt werden, beispielsweise in Form von Festelektrolyt-Schichten und/oder Festelektrolyt-Folien. Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau aufweisen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die elektrochemischen Zellen jeweils für mindestens eine Zellfunktion eingesetzt. Bei dieser Zellfunktion kann es sich insbesondere um eine von einer Temperaturmessung verschiedene Zellfunktion handeln. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Nernst-Spannungsmessung und/oder eine Pumpstrommessung handeln. Dementsprechend können die Zellen beispielsweise durch eine Steuerung des Sensorelements derart angesteuert werden, dass eine Nernst-Spannung der Zelle durch eine Messvorrichtung, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung, erfasst wird. Alternativ oder zusätzlich können eine oder beide der Zellen mit einer Pumpspannung und/oder einem Pumpstrom beaufschlagt werden, beispielsweise durch eine Beaufschlagungsvorrichtung in einer Steuerung, und es kann jeweils ein Pumpstrom gemessen werden. Auf diese Weise können die Zellen für die jeweils mindestens eine Zellfunktion eingesetzt werden. Die Zellfunktionen der unterschiedlichen elektrochemischen Zellen können sich dabei unterscheiden, können jedoch grundsätzlich auch gleich sein.
Wie oben ausgeführt, weisen die elektrochemischen Zellen jeweils mindestens zwei Elektroden auf, die miteinander durch den mindestens einen Festelektrolyten verbunden sind. Es wird vorgeschlagen, ein Sensorelement zu verwenden, bei dem auch mindestens eine Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle mit mindestens einer Elektrode der zweiten elektrochemischen Zelle über mindestens einen Festelektrolyten verbunden ist. Bei diesem mindestens einen Festelektrolyten kann es sich dabei um denselben Festelektrolyten handeln, welcher auch Bestandteil einer oder mehrerer der elektrochemischen Zellen ist, oder um einen unterschiedlichen Festelektrolyten. Diese mindestens eine Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle und die mindestens eine Elektrode der zweiten elektrochemischen Zelle bilden, gemeinsam mit dem Festelektrolyten, mindestens eine Temperaturmesszelle. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus mindestens einem Innenwiderstand der Temperaturmesszelle mindestens eine Temperatur des Sensorelements bestimmt.
Während gemäß dem Stand der Technik Temperaturmessung allgemein an einer Nernst-Zelle durchgeführt werden, wofür die eigentliche Nernst-Spannungsmessung unterbrochen wird und in der Nernst-Zelle durch eine Spannungs- oder Stromanregung der temperaturabhängige Elektrolytwiderstand bestimmt wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dementsprechend vorgeschlagen, Elektroden unterschiedlicher elektrochemischer Zellen zu einer Temperaturmesszelle zusammenzufassen und eine parallele Temperaturmessung durchzuführen. Dementsprechend kann insbesondere einerseits eine parallele Temperaturmessung an elektrochemischen Zellen erfolgen, welche bereits jeweils mindestens eine Zellfunktion aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei diesen Zellfunktionen, wie oben ausgeführt, um eine Sensorfunktion handeln. Insbesondere kann es sich um mindestens eine Pumpfunktion und/oder eine Messfunktion handeln. Ein Unterschied des vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren zur Temperaturmessung besteht somit darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine funktionelle oder auch zeitliche Überlagerung einer Temperaturmessung, insbesondere einer gleichzeitigen Temperaturmessung, zu den eigentlichen Zellfunktionen, beispielsweise zu Sensorfunktionen, beinhaltet. Beispielsweise kann in NO_x-Sensoren bekannter Bauart, beispielsweise der oben beschriebenen Bauart, parallel eine Temperaturmessung erfolgen, beispielsweise an einer NO-RE–Strecke parallel zur eigentlichen NO_x-Grenzstrommessung, oder eine Messung der Temperatur an einer Nernst-Zelle, ohne die eigentliche Nernst-Spannungsmessung zu unterbrechen. Letzteres kann beispielsweise durch Aufprägen eines Wechselstroms erfolgen. Dabei ist durch den hohen Innenwiderstand der Stromquelle in der Regel dennoch die Nernst-Spannungsmessung parallel möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ohne Störung beispielsweise der eigentlichen Zellfunktion, beispielsweise der eigentlichen Messfunktion einer NO_x-Zelle, somit eine Temperaturmessung, vorzugsweise exakt an der Stelle, an der die temperaturkritische NO_x-Messung stattfindet. Alternativ oder zusätzlich zum Einsatz in NO_x-Messzellen kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch grundsätzlich auf beliebige Sensorelemente, beispielsweise auf mehrzellige Breitband-Lambdasonden, angewandt werden. Die Temperaturmessung kann erfindungsgemäß zwischen mindestens zwei Elektroden im Sensorelement erfolgen, die in dieser Kombination nicht für die eigentliche Sensorfunktion des Sensorelements und/oder für Zellfunktionen, welche die Sensorfunktion des Sensorelements unterstützen können, benutzt werden. Somit können aus Elektroden unterschiedliche elektrochemische Zellen mindestens eine Temperaturmesszelle zusammengestellt werden. Insbesondere können alle elektrochemischen Zellen mit mindestens einem gemeinsamen Festelektrolyten ausgestaltet sein, beispielsweise in dem alle Elektroden der elektrochemischen Zellen auf einem gemeinsamen Festelektrolyten liegen. Die Temperaturmesszelle kann sich insbesondere quer durch das Sensorelement erstrecken. Beispielsweise kann das Sensorelement einen Schichtaufbau aufweisen, wobei die für die Temperaturmessung genutzten Elektroden der Temperaturmesszelle zueinander parallel in Richtung der Schichtebenen versetzt in dem Sensorelement angeordnet sein können. Auf diese Weise kann die Temperaturmesszelle einen größeren Bereich abdecken. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine mittlere Temperatur, insbesondere bezüglich des gesamten Funktionsteils des Sensorelements, bestimmen und beispielsweise als Kompromissregelwert verwenden.
Wie oben ausgeführt, lässt sich das Verfahren auf eine Vielzahl möglicher Sensorelemente einsetzen. Beispielsweise lässt sich das Verfahren auf herkömmliche NO_x-Sensoren und/oder auf NO_x-Sensoren mit mindestens einer Hohlkammer einsetzen, also auf NO_x-Sensoren vom integrativen Typ.
Die Zellfunktionen können, wie oben dargestellt, unterschiedlich oder gleichartig ausgestaltet sein. Bei den Zellfunktionen kann es sich insbesondere um Funktionen der elektrochemischen Zellen handeln, welche Bestandteil der eigentlichen Sensorfunktion des Sensorelements sind, also welche der Erfassung der mindestens einen Gaskomponente des Gases dienen. Die Zellfunktionen können insbesondere ausgewählt sein aus: einer Nernst- und/oder Potenzialmessung zur Bestimmung eines Elektrodenpotenzials und/oder einer Potenzialdifferenz; einer Nernst- und/oder Mischpotenzialmessung zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, insbesondere in einem Hohlraum; einer Pumpstrommessung zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, insbesondere in einem Hohlraum; einer Pumpfunktion zur Entfernung und/oder Einbringung mindestens einer Gaskomponente aus einer Kammer und/oder einem Hohlraum.
Das Sensorelement kann, wie oben ausgeführt, insbesondere einen Schichtaufbau aufweisen. Mindestens zwei der elektrochemischen Zellen können dabei in unterschiedlichen Schichtebenen des Schichtaufbaus angeordnet sein, also senkrecht zu dem Schichtaufbau zueinander versetzt angeordnet sein. Das Sensorelement kann insbesondere einen ebenen Schichtaufbau aufweisen, wobei die Elektroden der Temperaturmesszelle lateral zueinander versetzt entlang des Schichtaufbaus angeordnet sind. Wie oben ausgeführt, lässt sich auf diese Weise bei der Temperaturmessung ein größerer Bereich abdecken. Der laterale Versatz kann insbesondere mindestens 1 mm betragen, vorzugsweise mindestens 2 mm und besonders bevorzugt mindestens 5 mm. Unter einem lateralen Versatz können dabei beispielsweise Abstände der Mittelpunkte der Elektroden (beispielsweise der Flächenmittelpunkte) in einer Richtung parallel zu den Schichtebenen verstanden werden. Alternativ ist jedoch auch ein Aufbau der Temperaturmesszelle möglich, bei welchem kein Versatz auftritt, bei welchem beispielsweise Elektroden senkrecht übereinanderliegender elektrochemischer Zellen zur Temperaturmesszelle zusammengefasst werden.
Mittels der mindestens einen Temperatur des Sensorelements und mittels mindestens eines Heizelements des Sensorelements kann insbesondere eine Regelung auf mindestens eine Solltemperatur erfolgen. Weiterhin kann mittels des Sensorelements, insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer der oben genannten Zellfunktionen, mindestens eine Messgröße erfasst werden. Die mindestens eine Eigenschaft kann aus der Messgröße unter Berücksichtigung einer Korrektur bestimmt werden, wobei die Korrektur beispielsweise abhängig sein kann von der mittels der Temperaturmesszelle bestimmten Temperatur des Sensorelements. Diese Korrektur kann beispielsweise in Form einer oder mehrerer Korrekturfunktionen und/oder Korrekturfaktoren und/oder anderer Arten von Korrekturalgorithmen hinterlegt sein, beispielsweise in einer Steuerung und/oder einem Datenspeicher. Derartige Korrekturalgorithmen sind dem Fachmann grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt.
Zur Bestimmung der mindestens einen Temperatur des Sensorelements mittels der mindestens einen Temperaturmesszelle können grundsätzlich unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Temperatur dadurch erfasst werden, dass eine Strombeaufschlagung und/oder Spannungsbeaufschlagung der Temperaturmesszelle moduliert wird und aus einem Stromsignal und/oder einem Spannungssignal an der Temperaturmesszelle auf einen Innenwiderstand der Temperaturmesszelle geschlossen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperaturmesszelle auch

– mit einem Strom und/oder einer Spannung beaufschlagt werden und/oder
– es ergibt intrinsisch eine Spannung und/oder ein Strom ohne äußere Aufprägung, und aus einem Rauschen eines Stromsignals und/oder eines Spannungssignals der Temperaturmesszelle kann auf eine Temperatur am Ort der Temperaturmesszelle geschlossen werden.

Auch Kombinationen der genannten und/oder anderer Möglichkeiten sind denkbar. Wie oben ausgeführt, kann das Verfahren insbesondere zur Bestimmung eines Anteils an einer oder mehrerer der folgenden Gaskomponenten in dem Gas verwendet werden: Sauerstoff; Stickoxide; Kohlenwasserstoffe; Wasserstoff; Ammoniak. Das Verfahren kann insbesondere an Abgasen eingesetzt werden, beispielsweise an Abgasen in Brennkraftmaschinen, beispielsweise im Automobilbereich.
Die beiden oben genannten Varianten der aktiven Aufprägung eines Stroms und/oder einer Spannung zur Temperaturmessung und der Ausnutzung von Rauschsignalen lassen sich auf verschiedene Weisen weiter ausgestalten:
Ausführungsform I:
Die erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere darin bestehen, dass neben der Nutzung von (insbesondere bezüglich des Sensorsignals passiven) Zellen zur Messung der Temperatur des Sensorelements ebenfalls die Temperaturmessung (insbesondere über die Temperaturabhängigkeit des Festelektrolytwiderstandes R_i) an aktiven Pumpzellen möglich ist. Beispielsweise können dabei Impedanzmessungen eingesetzt werden, wie sie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind, beispielsweise aus EP 1 582 726 A2 oder aus DE 197 08 011 A1 . Beispielsweise kann eine Messung an einer NO-Pumpzelle durchgeführt werden. Dazu wird der zum Beispiel geregelten Pumpspannung bzw. dem insbesondere geregelten Pumpstrom (NO-Zersetzungsstrom) eine beispielsweise sinusförmige oder dreieckförmige Sequenz oder Pulse oder Kombinationen dieser überlagert (Spannungen und/oder Ströme), welche im charakteristischen Bereich der nur durch den Elektrolytwiderstand bestimmten Zellimpedanz liegen und somit nicht die eigentliche Gasmessfunktion stören. Die Frequenz der überlagerten Sequenz liegt vorzugsweise im Bereich der temperaturabhängigen Zellimpedanz des Festelektrolyten, beispielsweise von 100 Hz bis 1 MHz, bevorzugt von 500 Hz bis 500 kHz und besonders bevorzugt von 1 kHz bis 100 kHz. Die Amplitude des aufgeprägten Signales liegt je nach Signalart (Spannung oder Strom) vorzugsweise in folgenden Bereichen: von –3 bis 3 V bzw. von –100 mA bis 100 mA, bevorzugt von –2 V bis 2 V bzw. von –10 mA bis 10 mA und besonders bevorzugt von –1 V bis 1 V bzw. von –100 μA bis 100 μA. Das aufgeprägte Signal kann sowohl mittelwertfrei sein und damit die eigentliche Gasmessfunktion nicht beeinflussen als auch mit einem Mittelwert behaftet sein, der insbesondere durch den eigentlichen Regelungsprozess wieder kompensiert werden kann.
Um eine Ausregelung dieser überlagerten Signalanteile durch den Pumpspannungs- und/oder Pumpstromregler zu verhindern, kann die Regelgröße vor Eingang in einen Regler mittels mindestens eines Tiefpasses gefiltert werden. Die Bestimmung des Innenwiderstands bzw. der Temperatur kann aus dem ebenfalls vorzugsweise geeignet gefilterten Strom- bzw. Spannungssignal erfolgen, welches der gezielten Anregung zuzuordnen ist. Aufgrund der hohen Frequenz des überlagerten Temperaturmesssignals wird der eigentliche Pumpvorgang der Zelle in der Regel nicht relevant beeinflusst und läuft praktisch unabhängig weiter (diese Vorgehensweise der Temperaturermittlung ist ebenfalls bei Verwendung einer digitalen Betriebsweise der Pumpzelle möglich.
Ausführungsform II:
Neben einer aktiven Strom- und/oder Spannungsaufprägung zur Temperaturmessung kann, alternativ oder zusätzlich, ein Verfahren eingesetzt werden, bei welchem die Temperaturbestimmung der elektrochemischen Zelle durch eine Bestimmung, beispielsweise eine Schätzung, des Innenwiderstands des Festelektrolyten aufgrund von Rauschanteilen in der Pumpspannung und/oder dem zugehörigen Pumpstrom erfolgt. Die Bestimmung des Innenwiderstands R_i bzw. der Temperatur kann aus dem vorzugsweise geeignet frequenz-gefilterten Strom- und/oder Spannungssignal erfolgen, welches der temperaturabhängigen Impedanz beispielsweise des Festelektrolytwiderstands zuzuordnen ist. Das Filter kann sowohl in Hardware als auch in Software oder Kombinationen beider Möglichkeiten realisiert werden. Eine softwarebasierte Variante ermöglicht optional zusätzliche eine Anpassung des Filteralgorithmus entsprechend der jeweils verwendeten Zellen und/oder entsprechend beispielsweise einer Alterungs- und/oder Arbeitspunkt-optimierten Eigenschaft. Im Allgemeinen liegt der zu analysierende Frequenzbereich für die üblichen Sensorgeometrien wie folgt: insbesondere von 100 Hz bis 1 MHz, bevorzugt von 500 Hz bis 500 kHz und besonders bevorzugt von 1 kHz bis 100 kHz.
Diese Vorgehensweise der Bestimmung aus den Rauschanteilen beinhaltet den signifikanten Vorteil, dass beispielsweise die sehr empfindliche Messung eines NO-Zersetzungsstroms, welcher typischerweise im nA- bis μA-Bereich liegt, nicht zusätzlich durch Umpolarisierungsvorgänge gestört und somit die Signalqualität verschlechtert wird.
Unter anderem können für das erfindungsgemäße Verfahren Rauschanteile genutzt werden, welche auf einer oder mehreren der folgenden Ursachen basieren:

– Stellwertveränderung durch den Regler (z. B. bei O₂-Entfernungspumpzellen oder NO-Pumpzellen, sowohl durch absichtliche Änderung des Stellwertes als auch durch Schaltungsungenauigkeiten wie der Stabilität der Strom/Spannungsquellen),
– Sauerstoffschwankungen im Abgas,
– Einkopplungen auf die Stellwertsignale (Strom und/oder Spannung) der Pumpzellen,
– Einkopplungen auf die Spannungs-/Ladungsverschiebungsanteile bei passiven Zellen (z. B. zwischen den Hohlkammerelektroden (HKEs)),
– Schwankungen des Systems durch vorgelagerte Prozesse (z. B. O₂-Schwankung durch Rauschen in O₂-Entfernung erbringt für die Temperaturmessung an der NO-Zelle nutzbares Rauschen),
– Schwankungen des Systems durch parallele Prozesse (z. B. O₂-Entfernung oder andere Pumpprozesse koppeln auf die bzgl. ihrer Temperatur zu messenden Zelle ein),
– sonstige Rausch- und Störquellen.

Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren der Innenwiderstands-Bestimmung aus den Rauschanteilen, insbesondere der Innenwiderstands-Schätzung an einer, mehreren oder allen Zellen im Sensorelement angewendet werden. So kommen beispielsweise Nernstzellen und/oder Mischpotenzialzellen und/oder Pumpzellen in Betracht, beispielsweise O₂-Entfernungszellen in NOx-Sensoren, NO-Zersetzungszellen in NOx-Sensoren, Referenzzellen in NOx-Sensoren oder Lambdasonden, Mischpotenzialzellen in beliebigen Sensorelementen (beispielsweise in Lambdasonden oder NOx-Sensoren oder in kombinierten Sensorelementen), Nernstzellen in Lambdasonden oder andere Arten von Zellen, die mindestens zwei Elektrode und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten aufweisen. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Bestimmung der Temperatur bzw. Temperaturverteilung ist insbesondere bei Verwendung von integrativen keramischen NOx-Sensoren anwendbar, welche mindestens eine Akkumulationskammer aufweisen, wobei mindestens eine der Elektroden einer NOx-Zersetzungszelle in dieser Akkumulationskammer angeordnet ist. In Analogie zu den obigen Ausführungen ist sowohl eine Ri/Temperatur-Bestimmung mittels einer Signalaufprägung als auch, alternativ oder zusätzlich, eine Ermittlung der Ri/Temperatur aus dem Rauschen der Zellspannung und/oder des Zellstromes zwischen den in der geschlossenen Akkumulationskammer liegenden Hohlkammerelektroden möglich. Auch in derartigen Sensorelementen können jedoch, alternativ oder zusätzlich, grundsätzlich auch ein oder mehrere oder sämtliche andere Zellen zur Temperaturmessung verwendet werden. Aufgrund der Mehrphasigkeit des integrativen Messprinzips können diese Messungen je nach Eigenschaften und/oder Empfindlichkeit sowohl gezielt in einer Akkumulationsphase als auch in einer Initialisierungsphase (Kammerleerung der Akkumulationskammer) durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht idealerweise beispielsweise die Kenntnis der aktuellen Kammertemperatur der Akkumulationskammer, welche sowohl bei Abweichungen für eine Kompensationsrechnung als auch zur gezielten Regelung der Sensortemperatur in diesem Bereich verwendet werden kann.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren wird in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Diese umfasst mindestens ein Sensorelement gemäß der oben beschriebenen Bauart. Das Sensorelement weist somit mindestens eine erste elektrochemische Zelle und mindestens eine zweite elektrochemische Zelle auf, wobei die elektrochemischen Zellen jeweils mindestens zwei Elektroden aufweisen. Mindestens eine Elektrode der ersten elektrochemischen Zelle ist mindestens einer Elektrode der zweiten elektrochemischen Zelle über mindestens einen Festelektrolyten verbunden und bildet mit dieser mindestens eine Temperaturmesszelle. Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Steuerung, welche insbesondere eingerichtet sein kann, um ein Verfahren gemäß der obigen Beschreibung durchzuführen. Die Steuerung ist eingerichtet, um die elektrochemischen Zellen jeweils für mindestens eine Zellfunktion einzusetzen, insbesondere für mindestens eine von einer Temperaturmessung verschiedene Zellfunktion, beispielsweise eine Sensorfunktion, welche der Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Gases dient. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um aus mindestens einem Innenwiderstand der Temperaturmesszelle mindestens eine Temperatur des Sensorelements zu bestimmen.
Zur Realisierung der Zellfunktionen kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung zur Beaufschlagung einer oder mehrerer der elektrochemischen Zellen mit einer Spannung und/oder einem Strom aufweisen. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Pumpstromquelle und/oder eine Pumpspannungsquelle handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung auch mindestens eine Messvorrichtung aufweisen, um eine oder mehrere der elektrochemischen Zellen für eine Messfunktion einzusetzen, beispielsweise eine Nernst-Spannungsmessung. Weiterhin kann die Steuerung mindestens eine Temperaturmessvorrichtung zur Verbindung mit der Temperaturmesszelle aufweisen, welche zur Bestimmung der Temperatur des Sensorelements eingesetzt werden kann. Verschiedene Ausführungsbeispiele werden unten noch näher beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen insbesondere den Einsatz als On-Board-Diagnose-Sensor für die kommenden Abgasgesetzgebungen. Hierin können beispielsweise für Stickstoffoxide Grenzwerte vorgeschrieben sein, welche unterhalb der Auflösungsgrenze aktuell erhältlicher Festelektrolytgassensoren, beispielsweise bekannter NO_x-Sensoren, liegen.
Kurze Beschreibung der Figur
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ausführungsbeispiel
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Bei dem Messgasraum 112 kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln und bei dem Gas um ein Abgas der Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung 110 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sensorelement 114 sowie eine mit dem Sensorelement 114 über mindestens eine Schnittstelle 116 verbundene Steuerung 118. Die Steuerung 118 kann jedoch, abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel, alternativ oder zusätzlich auch vollständig oder teilweise in das Sensorelement 114 integriert sein.
Das Sensorelement 114 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere elektrochemische Zellen 134, 142, 168, die primär für jeweils mindestens eine Zellfunktion eingesetzt werden können, von denen Bestandteile jedoch zu mindestens einer Temperaturmesszelle 166 zusammengefasst werden und für eine Temperaturmessung einsetzbar sind. Das Sensorelement 114 eine erste Kammer 120 und eine zweite Kammer 122 sowie eine Luftreferenz 124. Die erste Kammer 120 ist mit dem Messgasraum 112 über eine erste Diffusionsbarriere 126 verbunden, und die zweite Kammer 122 mit der ersten Kammer 120 über eine zweite Diffusionsbarriere 128. Innerhalb der ersten Kammer 120 ist eine innere Sauerstoffpumpelektrode 130 angeordnet, welche aus einem Elektrodenmaterial mit geringer katalytischer Aktivität hergestellt ist, beispielsweise in Form eines Platin-Gold-Cermets. Die innere Sauerstoffpumpelektrode bildet mit einer auf der Außenseite des Sensorelements 114 angeordneten äußeren Sauerstoffpumpelektrode 132 sowie einem die Elektroden 130 und 132 verbindenden Festelektrolyten 136 eine Sauerstoffpumpzelle 134. Weiterhin ist innerhalb der ersten Kammer 120 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine weitere innere Elektrode 144 vorgesehen, welche mit einer in der Luftreferenz 124 angeordneten Referenzelektrode 146 zusammenwirkt und mit dieser und dem Festelektrolyten 136 eine Referenzzelle 168 bildet. Weiterhin weist das Sensorelement 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine NO-Pumpelektrode 138 in der zweiten Kammer 122 auf, welche gemeinsam mit einer in der Luftreferenz 124 angeordneten Referenzpumpelektrode und einem diese Elektroden 138, 140 verbindenden Festelektrolyten 136 eine NO-Pumpzelle 142 bildet. Die Elektroden 140 und 146 können beispielsweise auch als eine Elektrode ausgeführt werden, welche beide Funktionen abdeckt. Weiterhin weist das Sensorelement 114 bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 148 auf.
Das in 1 dargestellte Sensorelement 114 wird üblicherweise zur Messung kleiner Gaskonzentrationen von Nicht-Sauerstoffgasen, hauptsächlich NO_x, bei vorhandenem Sauerstoff im Hintergrund eingesetzt. Nach diesem Sensorprinzip, welches beispielsweise aus EP 0 769 693 A1 bekannt ist, wird Sauerstoff in der ersten Kammer 120 sowie gegebenenfalls weiteren Vorkammern zumindest weitgehend aus dem durch die erste Diffusionsbarriere 126 einströmenden Abgas durch Abpumpen über die Sauerstoffpumpzelle 134 sowie gegebenenfalls weitere Sauerstoffpumpzellen entfernt. Somit ist anschließend in der zweiten Kammer 122 Idealerweise kein Sauerstoff mehr vorhanden. Die NO-Pumpelektrode 138, welche vorzugsweise, im Gegensatz zu den Elektroden 130 und 144, aus einem katalytisch aktiven Material hergestellt ist (beispielsweise einem Platin-Rhodium-Cermet), zersetzt nun die Stickoxide und pumpt den daraus entstandenen Sauerstoff als Ionenstrom beispielsweise zur Referenzpumpelektrode 140. Der dazu korrespondierende sehr kleine elektrische Strom, dessen Stromstärke bei kleinen NOx-Konzentrationen typischerweise im Nanoampere- bis Mikroampere-Bereich liegt, wird gemessen und ist ein Maß für die NO- bzw. NO_x-Konzentration im Abgas. Für weitere Einzelheiten dieses Messprinzips kann auf die EP 0 769 693 A1 verwiesen werden.
Um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erreichen, muss das Sensorelement 114 in der Regel auf eine Temperatur zwischen 600°C und 900°C aufgeheizt werden. Dies erfolgt mittels des Heizelements 148. Da die Sensorsignale von der Temperatur abhängig sind, ist eine Regelung der Temperatur erforderlich. Herkömmlicherweise wird dies in der Regel durch eine Messung des frequenzabhängigen Widerstands (Elektrolytwiderstand) der durch die Elektroden 144, 146 und den Festelektrolyten 136 gebildeten Referenzzelle 168 realisiert. Dieser Bereich der Temperaturmessung gemäß dem Stand der Technik ist in 1 symbolisch mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet. Aufgrund einer bekannten Temperaturabhängigkeit des Elektrolytwiderstands kann somit auf die in diesem Bereich des Sensorelements 114 auftretende Temperatur geschlossen werden.
Aufgrund einer gegebenen Temperaturabhängigkeit der Sensorsignale ist die exakte Einstellung und/oder Regelung der Temperatur in vielen Fällen ein wichtiger Einflussfaktor. Im Stand der Technik wird die Temperatur gemäß 1 nur an einer Stelle im Sensorelement 114 bestimmt. Da die eigentliche Messung, beispielsweise die Stickoxid-Messung an der NO-Pumpelektrode 138, jedoch nicht in unmittelbarer Nähe des Messpunkts durchgeführt wird, tritt bei Veränderung der Wärmeabfuhr, beispielsweise durch Veränderung der lokalen Gasumströmung, bei Temperaturveränderung des Abgases, bei Temperaturveränderung der Rohrwand des Abgasstrangs oder ähnlichem, eine Verfälschung des Sensorsignals auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen werden die elektrochemischen Zellen 134, 162, 168 oder zumindest zwei dieser elektrochemischen Zellen 134, 162, 168, die ansonsten für andere Zwecke eingesetzt werden können, teilweise zusammengefasst, wobei die zusammengefassten Elemente bilden eine oder mehrere Temperaturmesszellen 166 bilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können beispielsweise eine der Elektroden 130, 132 der Sauerstoffpumpzelle 134 und eine der Elektroden 138, 140 der NO-Pumpzelle 142, die über den gemeinsamen Festelektrolyten 136 und/oder (was im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unterschieden wird) über elektrolytische miteinander verbundene Festelektrolyten 136 miteinander verbunden sind.
Die Steuerung 118 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine oder mehrere Beaufschlagungsvorrichtungen 170 zur Beaufschlagung einer oder mehrerer oder aller der elektrochemischen Zellen 134, 142 und 168 mit einer Spannung und/oder einem Strom und/oder eine oder mehrere Messvorrichtungen 176 zur Erfassung einer Spannung an und/oder einem Strom durch eine oder mehrere oder alle der elektrochemischen Zellen 134, 142 und 168 umfassen. In 1 ist eine derartige Beaufschlagungsvorrichtung 170 exemplarisch und symbolisch angedeutet, wobei jedoch in diesem und in anderen Ausführungsbeispielen auch eine andere Ausgestaltung und/oder Verschaltung dieser Beaufschlagungsvorrichtung 170 eingesetzt werden kann. Es sind mehrere Kombinationen möglich, je nach Zellfunktion für welche die elektrochemischen Zellen 134, 142 und 168 eingesetzt werden sollen. Dies ist in 1 exemplarisch dargestellt. So umfasst die Steuerung 118 beispielsweise eine Beaufschlagungsvorrichtung 170 in Form einer Pumpstromquelle 172 und/oder Pumpspannungsquelle, welche mit den Elektroden 130, 132 der Sauerstoffpumpzelle 134 verbindbar oder über die Schnittstelle 116 verbunden sind. Weiterhin umfasst die Steuerung 118 beispielsweise eine Beaufschlagungsvorrichtung 170 in Form einer Pumpstromquelle 174 und/oder einer Pumpspannungsquelle, welche mit den Elektroden 138, 140 der NO-Pumpzelle verbindbar oder über die Schnittstelle 116 verbunden sind. Weiterhin kann die Steuerung 118 beispielsweise eine Messvorrichtung 176, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung, umfassen, welche mit den Elektroden 144, 146 der Referenzzelle 168 verbindbar oder über die Schnittstelle 116 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 118, was in 1 nicht dargestellt ist, mindestens eine weitere Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, beispielsweise eine Pumpstromquelle und/oder eine Pumpspannungsquelle, welche mit den Elektroden 144, 146 der Referenzzelle 168 verbindbar oder über die Schnittstelle 116 verbunden ist. Mittels der Beaufschlagungsvorrichtungen 170 und/oder optional der Messvorrichtungen 176 kann die Steuerung 118 eingerichtet sein, um die elektrochemischen Zellen 134, 142 und 168 für jeweils die vorgesehene Zellfunktion einzusetzen. Weiterhin kann die Steuerung 118 jedoch mindestens eine Temperatur Messvorrichtung 178 umfassen, welche mit mindestens zwei Elektroden unterschiedlicher elektrochemischer Zellen 134, 142, 168 verbindbar oder über die Schnittstelle 116 verbunden ist, so dass diese Elektroden, gemeinsam mit einem diese Elektroden verbindenden Festelektrolyten 136 eine Temperaturmesszelle 166 bilden und für eine Temperaturmessung eingesetzt werden können. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt vorzugsweise aus der Messung des zugehörigen Strom und/oder Spannungswertes, welcher temperaturabhängig ist. Alternativ oder zusätzlich könnten auch ein oder mehrere andere Messgrößen zur Bestimmung der Temperatur herangezogen werden, aus welchen sich auf die Temperatur schließen lässt. So kann beispielsweise anstelle oder zusätzlich einer direkten Temperaturmessung ein Strom und/oder eine Spannung über mindestens einer Zelle erfasst werden und daraus auf ein temperaturabhängigen Zellwiderstand geschlossen werden, aus welchem wiederum auf die Temperatur geschlossen werden kann.
Die Temperaturmessung ist in 1 exemplarisch dargestellt. So können in diesem Fall beispielsweise eine der Elektroden 130, 132 der Sauerstoffpumpzelle 134 und eine der Elektroden 138, 140 der NO-Pumpzelle 142 mit der Temperaturmessvorrichtung 178 verbunden oder verbindbar sein. Die Temperaturmessvorrichtung 178 kann beispielsweise ihrerseits eine oder mehrere Strom- und/oder Spannungsquellen und/oder eine oder mehrere Strom- und/oder Spannungsmessvorrichtungen umfassen. So kann beispielsweise eine Strom- und/oder Spannungsbeaufschlagung der Temperaturmesszelle 166 erfolgen, begleitet von einer Strom- und/oder Spannungsmessung, um einen Innenwiderstand der Temperaturmesszelle 166 zu bestimmen und daraus eine Temperatur der Temperaturmesszelle 166. Diese Messung kann gleichzeitig oder auch zeitversetzt zur Durchführung der Zellfunktionen erfolgen. Beispielsweise kann eine derartige Messung eine dem Fachmann grundsätzlich bekannte Impedanzmessung umfassen, in welcher der Innenwiderstand und daraus die Temperatur der Temperaturmesszelle 166 bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch eine Beaufschlagung einer oder mehrerer der elektrochemischen Zellen mit einer Spannung und/oder einem Strom durch die Temperaturmessvorrichtung 178 auch unterbleiben, und es können beispielsweise Rauschsignale durch die Temperaturmessvorrichtung 178 erfasst und ausgewertet werden, um den Innenwiderstand und damit die Temperatur der Temperaturmesszelle 166 zu bestimmen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Es wird darauf hingewiesen, dass der dargestellte Aufbau der Vorrichtung 110 lediglich exemplarisch zu verstehen ist und insbesondere das Sensorelement 114 auf viele verschiedene Weisen ausgestaltet werden kann. Insbesondere können beispielsweise auch Sensorelemente 114 eingesetzt werden, bei welchen die zweite Elektrode 140 der NO-Pumpzelle 142 nicht in einer Luftreferenz 124 angeordnet ist, sondern in einer gasdichten Kammer, also einer Kammer, welche entweder vollständig gasdicht abgeschlossen ist oder welche lediglich ein Nachströmen oder Nachdiffundieren von Gas auf einer Zeitskala ermöglicht, die gegenüber Zeitskalen üblicher Messungen der Sensorelemente 114 vernachlässigbar sind. Beispiele derartiger Sensorelemente sind in WO 2010/003826 A1 oder in DE 10 2008 040 314 A1 beschrieben. Die dort dargestellten Sensorelemente 114 und Messverfahren können grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wobei beispielsweise wiederum eine Elektrode der NO-Pumpzelle (innerhalb der Kammer oder außerhalb der Kammer) mit einer Sauerstoffpumpelektrode zu einer Temperaturmesszelle 166 zusammengefasst werden kann. Beispielsweise kann das Sensorelement 114 beispielsweise eine gasdichte Kammer (beispielsweise einen Hohlraum oder eine mit einem porösen Material gefüllte Kammer) aufweisen, welche durch den Festelektrolyten 136, beispielsweise YSZ, vom Abgas separiert ist. Zwischen der NO-Pumpelektrode 138 und einer in dieser gasdichten Hohlkammer angeordneten ersten Elektrode kann Sauerstoff in die geschlossene Kammer gepumpt werden. Mindestens eine dritte Elektrode befindet sich in einem Referenzkanal oder einem anderen Referenzgasraum, welcher z. B. mit der äußeren Luftumgebung (mit ca. 21% Sauerstoff) in Verbindung steht. Je nach Ausführungsform befindet sich optional eine weitere Elektrode in der geschlossenen Kammer. Diese kann, je nach Ausgestaltung, mit der ersten Hohlkammerelektrode zusammengelegt werden bzw. die Funktionalität beider Elektroden kann durch eine einzige Hohlkammerelektrode ersetzt werden, wodurch sich die Elektrodenzahl minimieren lässt. Um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erreichen, wird das Sensorelement in der Regel durch einen internen Heizer auf die entsprechende Betriebstemperatur eingestellt. Die außenliegende NO-Pumpelektrode zersetzt katalytisch die zu detektierende Gasspezies (z. B. NO und/oder NO₂) und pumpt, korrespondierend dazu, den dabei entstehenden Sauerstoff in die gasdichte Kammer. Dies kann entweder durch einen aktiven Pumpprozess (beispielsweise durch Einprägen einer Spannungs- und/oder Stromfunktion) oder passiv durch Belastung der Pumpzelle über einen Ohmschen Widerstand (so genannte autonome Pumpzelle) realisiert werden. Für die quantitative Bestimmung der zu detektierenden Gasspezies (NO_x etc.) können auch selektiv pumpende Elektrodenmaterialien verwendet und/oder die Selektivität wird durch einen elektrochemisch unterstützenden Pumpprozess (z. B. charakteristische Zersetzungsspannung sauerstoffhaltiger Gase) unterstützt. Zusätzlich kann, analog zu 1, in mindestens einer vorgelagerten diffusionsbegrenzten Kammer der im Abgas enthaltene Sauerstoff mittels einer selektiven Sauerstoffpumpzelle (mit einer katalytisch geringeren Aktivität, beispielsweise Au-Pt-Elektroden) entfernt werden. Weiterhin kann optional beispielsweise eine kaskadierte Sauerstoffentfernung erfolgen. Die verschiedenen Kammern der Sensorelemente 114 können beispielsweise horizontal oder auch vertikal angeordnet sein. Des Weiteren kann auch die Elektrodenanzahl durch Zusammenlegen mehrerer Elektroden reduziert werden.
Bei dem oben beschriebenen, nicht dargestellten Sensorelement 114 mit einer zusätzlichen, gasdichten Kammer, in welcher mindestens eine der Elektroden der Messzelle 164 angeordnet ist, kann beispielsweise ein im Folgenden beschriebenes Messverfahren angewandt werden, welches grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise den oben beschriebenen Druckschriften WO 2010/003826 A1 oder DE 10 2008 040 314 A1 . So kann in der gasdichten, vom Abgas separierten Kammer durch einen Pumpprozess (beispielsweise aktiv mittels einer Pumpspannung und/oder passiv mittels einer autonomen Pumpzelle) eine beispielsweise mit der NO_x-Konzentration korrelierende Menge an Sauerstoff gesammelt werden. Vor jedem neuen Zyklus kann diese Kammer leergepumpt werden. Sobald nun ein Akkumulationsprozess beginnt, wird, korreliert mit der NO_x-Konzentration, Sauerstoff in diese gasdichte Kammer transportiert und in dieser gasdichten Kammer akkumuliert. Das Messprinzip kann sich beispielsweise in zwei Phasen unterteilen. In einer ersten Phase kann beispielsweise ein Leerpumpen der gasdichten Kammer, welche auch als Akkumulationskammer bezeichnet werden kann, durch einen beispielsweise spannungs- oder stromgeführten Pumpprozess über mindestens eine der Hohlkammerelektroden erfolgen, wobei beispielsweise das Abpumpen in einen Luftreferenzkanal hinein erfolgt. Auf diese Weise kann ein definierter Anfangszustand hergestellt werden. Eine zugehörige Messgröße des Kammerzustands kann beispielsweise eine Nernstspannung zwischen einer Hohlkammerelektrode und einer in der Luftreferenz angeordneten Elektrode sein. In einer zweiten Messphase kann dann durch Anlegen einer Pumpspannung und/oder eines Pumpstroms der aus der NO-Zersetzung gewonnene Sauerstoff, welcher mit der NO_x-Konzentration korreliert, in die Akkumulationskammer gepumpt werden. Folglich erhöht sich die Sauerstoffkonzentration in der Akkumulationskammer. Die Auswertung des Kammerzustands kann beispielsweise durch die Messung der Nernstspannung zwischen einer Hohlkammerelektrode und einer Referenzelektrode, beispielsweise einer Luftreferenzelektrode, erfolgen, welche mit dem Sauerstoffgehalt in der Akkumulationskammer korreliert ist. In diesem Fall wäre die Zelle, welche aus der Hohlkammerelektrode und der Referenzelektrode gebildet wird, die eigentliche Messzelle. Messgröße kann beispielsweise die Zeitdauer Δt sein, welche bis zum Erreichen eines definierten Schwellwerts der – mit steigender Sauerstoffkonzentration sinkenden – Nernstspannung notwendig ist. Mit steigender NO_x-Konzentration wird die Akkumulationskammer schneller gefüllt, und es resultiert ein schnellerer Abfall der Spannung zwischen Hohlkammerelektrode und Luftreferenzelektrode. Auch andere Auswerteverfahren zur Auswertung des Kammerzustands sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Verfahren, bei welchen die Nernstspannung oder deren Verlauf auf andere Weise ausgewertet wird. Des Weiteren kann bei dem derart ausgeführten Sensorelement mit beispielsweise zwei Elektroden in der Akkumulationkammer eine Zusammenfassung der beiden Kammerelektroden zu einer Temperaturmesszelle zur Ermittlung der Temperatur in diesem Bereich erfolgen.
Diese alternativen Messverfahren und alternativen Aufbauten möglicher Sensorelemente 114 sollen lediglich exemplarisch zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 auf zahlreiche bekannte Vorrichtungen und Verfahren übertragbar sind. Auch die in 1 dargestellte Anordnung des Sensorelements 114 ist auf verschiedene Weisen modifizierbar. Beispielsweise kann die äußere Sauerstoffpumpelektrode 132 von der Fläche her vergrößert werden, und die innere Elektrode 144 kann nach oben, auf die der äußeren Sauerstoffpumpelektrode 132 gegenüberliegende Seite des Festelektrolyten 136 verlegt werden, so dass die beiden Elektroden 130, 144 an der Decke der ersten Kammer 120 angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können weitere Elektroden innerhalb einer oder mehrerer der Kammern 120, 122 angeordnet werden. Wiederum alternativ oder zusätzlich können die Temperaturmesszellen 166, 168, wobei auch weitere Temperaturmesszellen vorgesehen sein können, auch auf andere Weise ausgestaltet werden, beispielsweise durch Zusammenfassen entfernt angeordneter Elektroden. Beispielsweise kann die innere Sauerstoffpumpelektrode 130 mit der Referenzpumpelektrode 140 zu einer Temperaturmesszelle zusammengefasst werden, da auch diese Elektroden 130, 140 über den Festelektrolyten 136 miteinander verbunden sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Bestandteile einer oder mehrerer der elektrochemischen Zellen in einer Doppelfunktion, neben der ursprünglich geplanten Zellfunktion, als Temperaturmesszelle 166 verwendet werden. Beispielsweise können hierfür eine oder mehrere elektrochemische Zellen des Sensorelements 114 herangezogen werden, welche bezüglich des Sensorsignals passiv sind, d. h. welche nicht aktiv durch einen Aufprägung von Strom und/oder Spannung betrieben werden, sondern nur passiv eine Messfunktion (z. B. eine passive Spannungsmessung) realisieren oder keine direkte Messfunktion alleinig darstellen. Beispielsweise kann eine Temperaturmessung auch über eine Temperaturabhängigkeit des Elektrolytwiderstands R_i an aktiven Pumpzellen erfolgen. Beispielsweise kann die eine Messung an einer der Sauerstoffpumpelektroden 130, 132 und/oder an der Sauerstoffpumpzelle 134 erfolgen. Hierzu kann beispielsweise entweder der geregelten Pumpspannung ein Signal zur Temperaturmessung überlagert werden. Beispielsweise können der geregelten Pumpspannung eine sinusförmige und/oder eine dreieckförmige und/oder eine auf andere Weise ausgestaltete Sequenz, beispielsweise eine periodische Sequenz, und/oder Pulse, überlagert werden, welche im charakteristischen Bereich der nur durch den Elektrolytwiderstand bestimmten Zellimpedanz oder anderer temperaturabhängiger Impedanzen der Zelle liegen. Dies kann beispielsweise an der Sauerstoffpumpzelle 134 erfolgen. Um eine Ausregelung dieser überlagerten Signalanteile durch den in der Regel eingesetzten Pumpspannungs- oder Pumpstromregler zu verhindern, kann die zugehörige Regelgröße vor Eingang in den Regler durch einen Tiefpass gefiltert werden. Die Bestimmung des Innenwiderstands R_i kann dann aus dem ebenfalls geeignet gefilterten (z. B. hochpassgefiltert) Stromsignal erfolgen, welches der gezielten Anregung zuzuordnen ist. Aufgrund der hohen Frequenz des überlagerten Kleinsignals wird der eigentliche Pumpvorgang der Zelle nicht relevant beeinflusst und läuft praktisch unabhängig weiter. Diese Vorgehensweise der Temperaturermittlung ist ebenfalls bei Verwendung einer digitalen Betriebsweise der Pumpzelle möglich, beispielsweise indem eine Pulsaufprägung einer digitalen Betriebsweise ausgenutzt wird. Weiterhin ist, alternativ oder zusätzlich beispielsweise zur Aufprägung eines Stroms und/oder einer Spannung zum Zweck einer Temperaturmessung, je nach Eigenschaften der Vorrichtung 110, eine Bestimmung des Innenwiderstands R_i ohne gezielte Aufprägung eines Signals alleinig aus den überlagerten Rauschanteilen der Pumpspannung und/oder des Pumpstromes, beispielsweise aufgrund Stellwertveränderungen durch den Regler, Sauerstoffschwankungen im Abgas oder sonstige Rauschquellen, und des zugehörigen Pumpstroms und/oder Pumpspannung bei geeigneter Filterung bzw. komplexeren Auswertemethoden möglich.
Mittels des beschriebenen Verfahrens können beispielsweise somit auch, alternativ oder zusätzlich zur Verwendung mindestens einer Nernstzelle zur Temperaturmessung, auch mindestens eine, mehrere oder sogar alle Pumpzellen und/oder Nernstzellen und/oder Kombinationen aus bisher nicht als eigenständige Zellen betrachtete Kombinationen aus zwei Elektroden und dem Festelektrolyt des Sensorelements 114 zur Temperaturermittlung als Temperaturmesszellen 166 verwendet werden. Beispielsweise kann im erfindungsgemäßen Verfahren durch eine kombinierte Messung der Temperatur an mehreren Pump- und/oder Nernstzellen und/oder Kombinationen aus bisher nicht als eigenständige Zellen betrachtete Kombinationen aus zwei Elektroden und dem Festelektrolyts, beispielsweise an der Temperaturmesszelle 166 in 1, die Temperaturverteilung über das Sensorelement 114 bestimmt werden. Durch unterschiedliche Zell- oder Elektrodenkombinationen lassen sich so auch mehrere Temperaturzellen 166 erzeugen und nutzen. Im Gegensatz hierzu erfolgt, wie oben dargestellt, im Stand der Technik in der Regel nur eine Temperaturmessung an einer einzelnen Nernstzelle, d. h. nur einem Temperaturmesspunkt im gesamten Sensorelement. So können die Temperaturen an zwei oder mehr Temperaturmesspunkten bestimmt und beispielsweise ausgehend vom idealen Verlauf des Temperaturgradienten, mittels der zwei oder mehr gemessenen Temperaturen der veränderte aktuelle, tatsächliche Temperaturgradient bzw. die ggf. komplexer verlaufende Temperaturverteilung bestimmt werden.
Die oben beschriebene Vorrichtung 110 und das beschriebene Verfahren lassen sich auf zahlreiche bereits bekannte oder auch neuartige Sensorkonzepte einsetzen. Beispielsweise lassen sich diese, wie ausgeführt, auf konventionelle Grenzstrom-NO_x-Sensoren gemäß 1 und/oder integrative NO_x-Sensoren anwenden. Auch eine Anwendung auf andere Arten von Gassensoren, beispielsweise Lambdasonden, ist möglich, sowohl auf Grenzstromsonden als auch auf Sprungsonden oder kombinierte Sonden. Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung 110 sind insbesondere zum Einsatz als On-Board-Diagnose-Sensor (OBD-Sensor) für die Funktionsüberprüfung und die Adaption eines auf selektiver katalytischer Reduktion basierenden Katalysators (SCR-Katalysator) geeignet. Des Weiteren können grundsätzlich auch andere Arten von Sensoren, beispielsweise Sensoren zur Erfassung anderer Arten von Gasspezies, erfindungsgemäß modifiziert werden oder erfindungsgemäß verwendet werden.
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

EP 0769693 A1 [0002, 0030, 0030]
DE 102008040314 A1 [0002, 0036, 0037]
WO 2010/003826 A1 [0002, 0036, 0037]
EP 1582726 A2 [0016]
DE 19708011 A1 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0002]

Claims

Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente des Gases, wobei ein Sensorelement (114) mit mindestens einer ersten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) und mindestens einer zweiten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) verwendet wird, wobei die elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) jeweils für mindestens eine Zellfunktion eingesetzt werden, wobei die elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) jeweils mindestens zwei Elektroden (132, 130, 138, 140, 144, 146) aufweisen, wobei mindestens eine Elektrode (132, 130, 138, 140, 144, 146) der ersten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) mit mindestens einer Elektrode (132, 130, 138, 140, 144, 146) der zweiten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) über mindestens einen Festelektrolyten (136) verbunden ist und mit dieser mindestens eine Temperaturmesszelle (166) bildet, wobei aus mindestens einem Innenwiderstand der Temperaturmesszelle (166) mindestens eine Temperatur des Sensorelements (114) bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Zellfunktionen ausgewählt sind aus: einer Nernstpotenzialmessung zur Bestimmung eines Elektrodenpotenzials und/oder einer Potenzialdifferenz; Mischpotenzialmessung zur Bestimmung eines Elektrodenpotenzials und/oder einer Potenzialdifferenz; einer Nernstpotenzialmessung zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, insbesondere in einem Hohlraum (120, 122); einer Mischpotenzialmessung zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, insbesondere in einem Hohlraum (120, 122); einer Pumpstrommessung zur Bestimmung eines Anteil einer Gaskomponente, insbesondere in einem Hohlraum (120, 122); einer Pumpfunktion zur Entfernung oder Einbringung mindestens einer Gaskomponente aus einer Kammer (120, 122) und/oder einem Hohlraum.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) einen Schichtaufbau aufweist, wobei mindestens zwei der elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) in unterschiedlichen Schichtebenen des Schichtaufbaus angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) einen ebenen Schichtaufbau aufweist, wobei die Elektroden (132, 130, 138, 140, 144, 146) der Temperaturmesszelle (166) lateral zueinander versetzt entlang des Schichtaufbaus angeordnet sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der laterale Versatz mindestens 1 mm beträgt, insbesondere mindestens 2 mm und besonders bevorzugt mindestens 5 mm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels mindestens eines Heizelements (148) und der Temperatur eine Regelung auf mindestens eine Solltemperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels des Sensorelements (114) mindestens eine Messgröße erfasst wird, wobei die mindestens eine Eigenschaft aus der Messgröße unter Berücksichtigung einer Korrektur bestimmt wird, wobei die Korrektur abhängig ist von der Temperatur des Sensorelements (114).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Sensorelements (114) mittels der mindestens einen Temperaturmesszelle (166) mittels eines oder mehrerer der folgenden Verfahren erfasst werden: – eine Strombeaufschlagung und/oder Spannungsbeaufschlagung der Temperaturmesszelle (166) wird moduliert und aus einem Stromsignal und/oder Spannungssignal an der Temperaturmesszelle (166) wird auf einen Innenwiderstand der Temperaturmesszelle (166) geschlossen; – die Temperaturmesszelle (166) wird mit Strom und/oder Spannung beaufschlagt und/oder es ergibt sich intrinsisch eine Spannung oder Strom ohne äußere Aufprägung, und aus einem Rauschen eines Stromsignals und/oder Spannungssignals der Temperaturmesszelle (166) wird auf eine Temperatur am Ort der Temperaturmesszelle (166) geschlossen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zur Bestimmung eines Anteils mindestens einer der folgenden Gaskomponenten in dem Gas verwendet wird: Sauerstoff; Stickoxide; Kohlenwasserstoffe; Wasserstoff; Ammoniak.
Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (114) mit mindestens einer ersten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) und mindestens einer zweiten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168), wobei die elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) jeweils mindestens zwei Elektroden (132, 130, 138, 140, 144, 146) aufweisen, wobei mindestens eine Elektrode (132, 130, 138, 140, 144, 146) der ersten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) mit mindestens einer Elektrode (132, 130, 138, 140, 144, 146) der zweiten elektrochemischen Zelle (134, 142, 168) über mindestens einen Festelektrolyten (136) verbunden ist und mit dieser mindestens eine Temperaturmesszelle (166) bildet, weiterhin umfassend mindestens eine mit dem Sensorelement (110) verbundene Steuerung (118), insbesondere eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (118) eingerichtet ist, um die elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) jeweils für mindestens eine Zellfunktion einzusetzen, wobei die Steuerung (118) weiterhin eingerichtet ist, um aus mindestens einem Innenwiderstand der Temperaturmesszelle (166) mindestens eine Temperatur des Sensorelements (114) zu bestimmen.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (118) jeweils mindestens eine Messvorrichtung (176) und/oder mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung (170) zur Verbindung mit den elektrochemischen Zellen (134, 142, 168) aufweist, wobei die Steuerung (118) weiterhin mindestens eine Temperaturmessvorrichtung (178) zur Verbindung mit der Temperaturmesszelle (166) aufweist.