DE102010040817A1

DE102010040817A1 - Verfahren zum Abgleich eines Sensorelements zur Erfassung einer Gaseigenschaft

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Publication number: DE102010040817A1
Application number: DE201010040817
Authority: DE
Inventors: Lothar Diehl; Thomas Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-15

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abgleich eines Sensorelements (114) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum. Das Sensorelement (114) weist mindestens zwei Zellen (124, 140) mit jeweils mindestens zwei Elektroden (128, 134, 142) und mindestens einem die Elektroden (128, 134, 142) verbindenden Festelektrolyten (120) auf. Mindestens eine erste Elektrode (128) ist Bestandteil beider Zellen (124, 140) ist. Die erste Elektrode (128) ist über mindestens eine Diffusionsbarriere (138) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar. Die Zellen (124, 140) umfassen mindestens eine erste Zelle (124) und mindestens eine zweite Zelle (140). Mindestens eine von der ersten Elektrode (128) aus durch eine zweite Zelle (140) gepumpte Gaskomponente des Gases ist über die Diffusionsbarriere (138) zumindest teilweise zur ersten Elektrode (128) zurückführbar. Ein erster Pumpstrom durch die erste Zelle (124) und ein zweiter Pumpstrom durch die zweite Zelle (140) werden gemessen. Aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom wird auf mindestens eine Eigenschaft der Diffusionsbarriere (138) geschlossen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Hierbei kann es sich grundsätzlich um eine oder mehrere beliebige Eigenschaften des Gases handeln, beispielsweise chemische und/oder physikalische Eigenschaften. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente, insbesondere keramische Sensorelemente, welche auf der Verwendung eines oder mehrerer so genannter Festelektrolyte basieren, also Festkörpern, welche ionenleitende Eigenschaften aufweisen, insbesondere Sauerstoffionen-leitende Eigenschaften. Insbesondere wird die Erfindung beschrieben unter Bezugnahme auf Sensorelemente und Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung eines Anteils, beispielsweise einer Konzentration und/oder eines Partialdrucks, einer oder mehrerer Gaskomponenten des Gases in dem Messgasraum. Als Beispiele sind Sensorelemente zur Erfassung eines Sauerstoffanteils, Sensorelemente zur Erfassung eines Stickstoffanteils oder auch andere Arten von Sensorelementen zu nennen. Derartige Sensorelemente sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Insbesondere kann die Erfindung angewandt werden auf so genannte planare Breitband-Lambdasonden, beispielsweise von dem Typ, wie sie auf den Seiten 158–159 beschrieben werden. Auch andere Anwendungen der vorliegenden Erfindung sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Bisherige Sensorelemente, beispielsweise bisherige Breitband-Lambdasonden, werden typischerweise bei der Herstellung am Ende eines Herstellungsbands im Werk abgeglichen. Bei einem derartigen Abgleich werden Fertigungstoleranzen, insbesondere hinsichtlich des Diffusionswiderstands einer Diffusionsbarriere, über welche beispielsweise eine innere Pumpelektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt wird, ausgeglichen. Unter Umständen kann ein derartiger Abgleich jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch in einem Feldbetrieb erfolgen, beispielsweise in einem Schubzustand bei Diesel-Fahrzeugen. Hierdurch kann gegebenenfalls auf einen teuren Werksabgleich und ein erforderliches Kabel verzichtet werden. Auch eine Drift-Kompensation ist möglich.
Aus DE 10 2006 060 636 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem bei einer Lambdasonde bei einem Abgas am Punkt λ = 1 Sauerstoff von einer äußeren Pumpelektrode zu einer inneren Pumpelektrode gepumpt wird und aus einem Verhalten der Spannung zwischen äußerer Pumpelektrode und innerer Pumpelektrode während des Pumpens oder danach auf den Diffusionswiderstand geschlossen wird. Auch aus DE 10 2008 007 238 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem durch eine Sauerstoff-Erzeugung an einer äußeren Potenzialelektrode oder an einer inneren Potenzialelektrode eine reine Sauerstoffatmosphäre an der dem Abgas zugewandten Seite einer Diffusionsbarriere erzeugt wird. Hiernach wird Sauerstoff von der inneren Potenzialelektrode zur äußeren Potenzialelektrode gepumpt, um den Diffusionswiderstand zu ermitteln.
Die bekannten Verfahren basieren auf der Annahme sehr schneller Diffusions- und/oder Elektrodenprozesse, welche ihrerseits hohe Anforderungen an eine Messtechnik stellen. Darüber hinaus sind Störeinflüsse durch sich dem eigentlichen Messstrom überlagernde Umladeströme der Elektrodenkapazitäten zu erwarten. Insgesamt wäre daher, zur weiteren Verbesserung der bekannten Verfahren und Vorrichtungen, eine Ausgestaltung wünschenswert, bei welcher ein Abgleich eines Sensorelements mit hoher Signalgenauigkeit ermöglicht wird, ohne dass hierfür eine aufwändige Messelektronik erforderlich wäre. Insbesondere wären Vorrichtungen und Verfahren wünschenswert, welche ohne größeren technischen Aufwand sowohl werksseitig als auch im Feldbetrieb realisierbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Verfahren zum Abgleich eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum sowie eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden, welche einfach und kostengünstig zu realisieren sind und welche sowohl werksseitig als auch im Feldbetrieb realisierbar sind. Die Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere unter Verwendung von Sensorelementen in Form von Breitband-Lambdasonden gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik realisiert werden. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung anderer Arten von Sensorelementen möglich, insbesondere von Sensorelementen, welche, wie oben beschrieben, eingerichtet sind, um mindestens eine Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, eines Gases in einem Messgasraum qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abgleich eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Unter einem Abgleich wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Bestimmung mindestens einer Bauelementeigenschaft verstanden, welche Einfluss auf die Erfassung der mindestens einen Eigenschaft hat oder ein Ausgleich einer Schwankung oder einer zeitlichen Veränderung dieser mindestens einen Bauelementeigenschaft. Insbesondere kann es sich bei dieser Bauelementeigenschaft um eine Diffusionseigenschaft eines Diffusionswiderstands des Sensorelements handeln, also eine Proportionalitätskonstante zwischen einem Konzentrationsunterschied auf zwei gegenüberliegenden Seiten einer Diffusionsbarriere und einem durch diesen Konzentrationsunterschied bedingten Diffusionsstrom durch die Diffusionsbarriere. Auch aus dieser Proportionalitätskonstante abgeleitete Größen können erfasst werden und/oder andere Bauelementeigenschaften, welche Einfluss auf die Bestimmung der mindestens einen Eigenschaft haben. Bei dem Abgleich kann, alternativ oder zusätzlich zu einer quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung dieser mindestens einen Bauelementeigenschaft, ein direkter oder indirekter Ausgleich von Schwankungen und/oder zeitlichen Veränderungen dieser Bauelementgröße erfolgen. Insbesondere kann eine Fertigungs-bedingte und/oder eine Alterungs-bedingte Streuung und/oder zeitliche Veränderung eines Diffusionswiderstands einer Diffusionsbarriere des Sensorelements erfasst und gegebenenfalls durch geeignete Korrekturmaßnahmen, beispielsweise durch entsprechende Korrekturalgorithmen, ausgeglichen werden.
Das Sensorelement umfasst mindestens zwei Zellen mit jeweils mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten. Die mindestens zwei Zellen umfassen mindestens eine erste Zelle und mindestens eine zweite Zelle. Unter einer Zelle ist dabei jeweils eine Gruppe von mindestens zwei Elektroden zu verstehen, welche miteinander über mindestens einen Festelektrolyten verbunden ist. Die mindestens zwei Zellen des Sensorelements können dabei einen gemeinsamen Festelektrolyten oder auch unterschiedliche Festelektrolyte aufweisen.
Mindestens eine erste Elektrode ist dabei Bestandteil beider Zellen. Diese erste Elektrode kann einteilig ausgebildet sein, kann jedoch ihrerseits alternativ auch mehrere Teil-Elektroden umfassen, welche elektrisch miteinander verbunden sein können, welche jedoch auch elektrisch voneinander getrennt sein können. In jedem Fall sollten jedoch, wenn mehrere Teil-Elektroden der ersten Elektrode vorgesehen sind, diese Teil-Elektroden stets im Wesentlichen gleichzeitig und mit derselben Gasgemischszusammensetzung beaufschlagt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Teil-Elektroden der ersten Elektrode allesamt in einem gemeinsamen Elektrodenhohlraum angeordnet sind und/oder über eine gemeinsame Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum und/oder aus einem anderen Raum beaufschlagbar sind.
Die mindestens eine erste Elektrode ist über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Unter einer Diffusionsbarriere ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um ein direktes Zuströmen und/oder ein direktes Abströmen von Gas zu der mindestens einen ersten Elektrode bzw. von der mindestens einen ersten Elektrode im Wesentlichen zu verhindern und eine Versorgung mit Gas bzw. eine Entsorgung von Gas lediglich über einen oder mehrere Diffusionsprozesse zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Diffusionsbarriere mindestens ein poröses Element umfassen, beispielsweise mindestens ein poröses keramisches Element, welches für einen Gasstrom undurchlässig ist, welches jedoch ein Hindurchdiffundieren von Gas ermöglicht. Derartige Diffusionsbarrieren sind aus den oben beschriebenen Sensorelementen gemäß dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, beispielsweise den oben beschriebenen Breitband-Lambdasonden gemäß dem Stand der Technik, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung exemplarisch einsetzbar sind.
Bei dem vorgeschlagenen Abgleichsverfahren zum Abgleich des Sensorelements wird mindestens eine von der ersten Elektrode aus durch die zweite Zelle gepumpte Gaskomponente des Gases über die Diffusionsbarriere zumindest teilweise zur ersten Elektrode zurückgeführt. Beispielsweise kann ein Anteil von weniger als 20%, beispielsweise ein Anteil von maximal 15% oder sogar maximal 10% zu der ersten Elektrode zurückgeführt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Gasverbindung zwischen der zweiten Elektrode und der ersten Elektrode besteht, innerhalb derer die mindestens eine Diffusionsbarriere des Sensorelements angeordnet ist. Beispielsweise kann die zweite Elektrode in dem Messgasraum angeordnet sein, so dass beispielsweise direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht ein Gasaustausch zwischen der zweiten Elektrode und dem Messgasraum möglich ist. Zwischen dem Messgasraum und der ersten Elektrode kann beispielsweise eine Gasverbindung über ein Gaszutrittsloch und/oder eine andere Art von Gaskanal bestehen, so dass die Gaskomponente, welche an der zweiten Elektrode ausgebaut wird, zumindest teilweise über den Gaskanal zu der ersten Elektrode zurückgeführt werden kann. Beispielsweise kann es sich bei dieser ausgebauten Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Bei dem Festelektrolyten kann es sich somit insbesondere um einen Sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten handeln, beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Auch andere Ausgestaltungen des Festelektrolyten und/oder der Gasrückführung sind jedoch grundsätzlich möglich.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein erster Pumpstrom durch die erste Zelle gemessen, und ein zweiter Pumpstrom durch die zweite Zelle wird gemessen. Diese Messungen können gleichzeitig oder auch zeitversetzt ausgeführt werden, und der erste Pumpstrom und der zweite Pumpstrom können jeweils einfach oder auch mehrfach erfasst werden. Der erste Pumpstrom wird im Folgenden als I_p1 bezeichnet, und der zweite Pumpstrom wird als I_p2 bezeichnet. Aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom wird bei dem Abgleich auf mindestens eine Eigenschaft der Diffusionsbarriere geschlossen, insbesondere eine Eigenschaft, welche mit der abzugleichenden Eigenschaft korreliert oder identisch ist. Insbesondere kann es sich bei dieser mindestens einen Eigenschaft der Diffusionsbarriere um einen Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere handeln, also die oben genannte Proportionalitätskonstante zwischen Konzentrationsunterschied und Diffusions-bedingtem Teilchenstrom durch die Diffusionsbarriere.
Während mindestens eine von der ersten Elektrode aus durch die zweite Zelle gepumpte Gaskomponente des Gases über die Diffusionsbarriere zumindest teilweise zur ersten Elektrode zurückführbar ist, ist es besonders bevorzugt, wenn mindestens eine von der ersten Elektrode aus durch die erste Zelle gepumpte Gaskomponente, beispielsweise dieselbe Gaskomponente, welche auch durch die zweite Zelle gepumpt wird, beispielsweise Sauerstoff, nicht oder nur vermindert zur ersten Elektrode zurückgeführt wird. Beispielsweise kann eine Rückführung weniger als 10% der durch die erste Zelle gepumpten Gaskomponente betragen, insbesondere weniger als 5% oder sogar weniger als 1% oder weniger als 0,5%, besonders bevorzugt 0%. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass diese Gaskomponente abtransportiert wird, beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, über mindestens einen Referenzgasraum. In jedem Fall ist es jedoch besonders bevorzugt, wenn der erste Pumpstrom und der zweite Pumpstrom jeweils derart gerichtet sind, dass die Gaskomponente von der ersten Pumpelektrode wegtransportiert wird, beispielsweise zu einer zweiten Elektrode in der zweiten Zelle oder zu einer dritten Elektrode in der ersten Zelle. Beispielsweise kann in beiden Schaltungen die erste Elektrode mit einem negativen Potenzial beaufschlagt werden, beispielsweise indem diese mit einem Minuspol einer Spannungsquelle und/oder einer Stromquelle verbunden wird.
Bevorzugt ist es also, wenn mindestens eine von der ersten Elektrode aus durch die erste Zelle gepumpte Gaskomponente des Gases nicht, auch nicht teilweise, zur ersten Elektrode zurückgeführt wird. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen denkbar, welche auch eine Teilrückführung aus der ersten Zelle ermöglichen, vorzugsweise eine Teilrückführung von nicht mehr als 10%, insbesondere von nicht mehr als 5% und besonders bevorzugt von nicht mehr als 2%. Beispielsweise könnten Rückführungen aus der ersten Zelle und aus der zweiten Zelle in einem konstanten oder bekannten Verhältnis zueinander erfolgen, welche quantifizierbar sind und bei dem Abgleich berücksichtigt werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Differenz aus dem zweiten Pumpstrom und aus dem ersten Pumpstrom gebildet, also I_p2 – I_p1 oder I_p1 – I_p2 oder ein Betrag dieser Größen oder eine aus dieser Differenz abgeleitete Größe. Die Differenz kann insbesondere zu dem ersten Pumpstrom I_p1 und/oder dem zweiten Pumpstrom I_p2 ins Verhältnis gesetzt werden und aus dem Verhältnis auf die Eigenschaft der Diffusionsbarriere geschlossen werden.
Das Verfahren kann insbesondere in einem Zustand des Gases durchgeführt werden, bei welchem das Gas eine Luftzahl im mageren Luftzahlbereich aufweist. Dies kann beispielsweise aus einer vorangehenden Luftzahlmessung in einem stationären Zustand ermittelt werden. Das Verfahren kann insbesondere in einem Ruhezustand durchgeführt werden, in welchem das Gas im Wesentlichen ruht. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Brennkraftmaschine oder einer anderen Verbrennungsmaschine handeln, beispielsweise eines Dieselmotors oder eines Ottomotors. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Ruhezustand kann beispielsweise ein abgeschalteter Zustand der Verbrennungsmaschine sein, wobei beispielsweise ein Abschaltzeitpunkt einen definierten Beginn des Ruhezustands markieren kann. Bei dem Ruhezustand kann es sich alternativ oder zusätzlich beispielsweise auch um einen Schubbetrieb der Verbrennungsmaschine, beispielsweise des Dieselmotors, handeln. Das Verfahren zum Abgleich des Sensorelements kann beispielsweise zu einer vorgegebenen Zeit Δt nach Einstellung des Ruhezustands durchgeführt werden, beispielsweise nach 1 s nach Einstellung des Ruhezustands, beispielsweise nach 1 s nach Ausschalten der Verbrennungsmaschine und/oder nach Umschalten in den Schubbetrieb. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Unter einem Zustand, in welchem das Gas im Wesentlichen ruht, kann insbesondere ein Zustand verstanden werden, bei welchem das Gas eine Geschwindigkeit von weniger als 1 m/s aufweist, insbesondere von weniger als 0,5 m/s und besonders bevorzugt von weniger 0,2 m/s.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen betreffen die Ausgestaltung des verwendeten Sensorelements. So kann die zweite Zelle insbesondere mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweisen. Die zweite Elektrode kann mit dem Messgasraum in Verbindung stehen, so dass ein uni- oder bidirektionaler Gasaustausch zwischen der zweiten Elektrode und dem Messgasraum möglich ist. Die Verbindung kann direkt oder über mindestens ein gasdurchlässiges Material erfolgen, beispielsweise über eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht. Die zweite Elektrode kann insbesondere als äußere Pumpelektrode (APE) ausgestaltet sein. Die erste Elektrode kann insbesondere als innere Pumpelektrode (IPE) ausgestaltet sein und in einem Inneren eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in einem Elektrodenhohlraum des Sensorelements.
Die erste Zelle kann mindestens eine dritte Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die dritte Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweisen, welcher, wie oben beschrieben, getrennt oder zumindest teilweise bauteilidentisch mit dem Festelektrolyten der zweiten Zelle ausgestaltet sein kann. Die dritte Elektrode steht vorzugsweise nicht mit dem Messgasraum in Verbindung. Die dritte Elektrode kann insbesondere in einem Referenzgasraum angeordnet sein, insbesondere einem Referenzgaskanal, welcher, wie auch der optionale Elektrodenhohlraum der ersten Elektrode, leer ausgestaltet sein kann oder welcher auch ganz oder teilweise, wie auch der Elektrodenhohlraum, mit einem porösen, gasdurchlässigen Material gefüllt sein kann. insbesondere kann es sich bei diesem Referenzgasraum um einen Referenzgaskanal handeln, insbesondere einen Abluftkanal, welcher mit einer Umgebung in Verbindung steht, die ihrerseits in keinem unmittelbaren Gasaustausch mit dem Messgasraum steht. Unter einem Referenzgasraum ist dabei allgemein ein Gasraum zu verstehen, in welchem eine definierte Gasatmosphäre eingestellt ist oder einstellbar ist, beispielsweise indem dort Umgebungsluft eingeführt ist oder indem dort mittels eines geeigneten Pumpprozesses eine definierte Gasatmosphäre einstellbar ist. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Die dritte Elektrode ist dementsprechend beispielsweise als Referenzelektrode ausgestaltbar.
Gemäß den oben beschriebenen besonders bevorzugten Ausgestaltungen kann das Sensorelement somit insbesondere ausgestaltet sein wie die planare Breitband-Lambdasonde, die in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben ist, mit einer inneren Pumpelektrode als erster Elektrode, die über einen Gaskanal in Form eines Gaszutrittslochs und eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist und in einem Elektrodenhohlraum im Inneren des Sensorelements angeordnet ist. Weiterhin kann die zweite Elektrode der zweiten Pumpzelle als Außenpumpelektrode ausgestaltet sein, welche auf einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein kann und von diesem optional beispielsweise durch eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht getrennt sein kann. Die dritte Elektrode, welche Bestandteil der ersten Zelle ist, kann beispielsweise in einem Referenzgasraum, insbesondere einem Abluftkanal, angeordnet sein. Für weitere Ausgestaltungen kann beispielsweise auf den zitierten Stand der Technik verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen des Sensorelements sind jedoch grundsätzlich möglich.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum. Bei dem Verfahren kann insbesondere ein Sensorelement mit den zuvor beschriebenen Merkmalen verwendet werden. Das Verfahren weist mindestens zwei Verfahrensschritte auf, nämlich mindestens einen Messschritt und mindestens einen Abgleichschritt. Diese Verfahrensschritte, welche jeweils einzeln oder beide einfach oder auch mehrfach durchgeführt werden können, können nacheinander oder auch zumindest teilweise gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer oder mehrere der Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden, beispielsweise indem der Abgleichsschritt in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen den Messschritt unterbricht. Bei dem Messschritt wird die erste Zelle als Nernstzelle betrieben und eine Spannung an der ersten Zelle erfasst. Weiterhin wird in dem Messschritt die zweite Zelle, gleichzeitig oder zeitversetzt zur Erfassung der Spannung an der ersten Zelle, als Pumpzelle betrieben, insbesondere als eine durch die Spannung an der ersten Zelle gesteuerte oder geregelte Pumpzelle. Aus einem Pumpstrom durch die zweite Zelle kann auf die Eigenschaft des Gases geschlossen werden. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieses Verfahrens kann beispielsweise auf den Betrieb der oben genannten, aus der Literatur bekannten planaren Breitband-Lambdasonde verwiesen werden, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik. In dem Abgleichsschritt wird hingegen das Verfahren zum Abgleich des Sensorelements gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchgeführt, so dass bezüglich dieses Abgleichsschritts auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Anteils, beispielsweise eines Partialdrucks und/oder einer Konzentration, mindestens einer Gaskomponente in dem Messgasraum. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, welches seinerseits mindestens zwei Zellen mit jeweils mindestens zwei Elektroden und jeweils mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten aufweist. Die mindestens zwei Zellen umfassen mindestens eine erste Zelle und mindestens eine zweite Zelle. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements kann insbesondere auf die obige Beschreibung verwiesen werden, wobei jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich sind. Mindestens eine erste Elektrode ist Bestandteil beider Zellen. Die erste Elektrode ist über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Mindestens eine von der ersten Elektrode aus durch die zweite Zelle gepumpte Gaskomponente des Gases ist über die Diffusionsbarriere zumindest teilweise zur ersten Elektrode zurückführbar. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Steuerung auf, welche eingerichtet ist, um ein Verfahren zum Abgleich des Sensorelements gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Die Steuerung kann weiterhin auch eingerichtet sein, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum durchzuführen. Für mögliche Ausgestaltungen des Sensorelements und/oder der Verfahrens kann dementsprechend auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die Steuerung kann mit dem Sensorelement beispielsweise über mindestens eine Schnittstelle verbunden sein und/oder kann auch ganz oder teilweise in das Sensorelement, insbesondere dessen Steckergehäuse, integriert sein. Alternativ kann die Steuerung jedoch auch ganz oder teilweise in eine externe Steuerung integriert sein, beispielsweise eine Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs. Die Steuerung kann insbesondere ein oder mehrere Beaufschlagungsvorrichtungen umfassen, um eine oder mehrere der Zellen des Sensorelements mit mindestens einer Spannung und/oder mindestens einem Strom zu beaufschlagen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung auch ein oder mehrere Messvorrichtungen umfassen, beispielsweise um einen Pumpstrom durch die erste Zelle und/oder die zweite Zelle zu erfassen und/oder um eine Spannung beispielsweise an der ersten Zelle zu erfassen. Weiterhin kann die Steuerung auch ein oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, beispielsweise mindestens einen Mikrocontroller, welcher eingerichtet sein kann, um die verschiedenen Verfahrensschritte des oben beschriebenen Abgleichsverfahrens und/oder des oben beschriebenen Verfahrens zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum durchzuführen. Beispielsweise kann der Mikrocontroller entsprechend programmtechnisch eingerichtet sein.
Die zweite Zelle kann insbesondere mindestens eine mit dem Messgasraum in Verbindung stehende zweite Elektrode aufweisen, beispielsweise gemäß der obigen Beschreibung. Die erste Elektrode kann insbesondere über mindestens einen Gaskanal, beispielsweise einen mindestens ein Gaszutrittsloch in einem Schichtaufbau des Sensorelements umfassenden Gaskanal, mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Der Gaskanal und die zweite Elektrode können dabei durch eine gemeinsame, gasdurchlässige Abdeckung, insbesondere mindestens eine gemeinsame gasdurchlässige Schutzschicht, beispielsweise eine poröse keramische Schutzschicht, gegenüber dem Messgasraum abgeschirmt sein. Zwischen der Schutzschicht einerseits und der zweiten Elektrode und dem Gaskanal andererseits kann mindestens ein Hohlraum vorgesehen sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen gedruckten Hohlraum oder einen Spalt zwischen der Schutzschicht und der zweiten Elektrode bzw. dem Eingang des Gaskanals handeln, wobei über den Spalt die zweite Elektrode und der Eingang des Gaskanals fluidisch miteinander verbunden sind, um die Rückführung zu ermöglichen und/oder die Rückführung der Gaskomponente von der zweiten Elektrode durch den Gaskanal und die Diffusionsbarriere zu der ersten Elektrode zu begünstigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Im Einzelnen zeigen:
1 ein dem Stand der Technik entsprechendes Beispiel einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; und
2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst mindestens ein Sensorelement 114 und mindestens eine in 1 lediglich schematisch angedeutete Steuerung 116, welche mit dem Sensorelement 114 über mindestens eine Schnittstelle 118 verbunden ist. Bei dem Sensorelement 114 kann es sich beispielsweise um eine planare Breitband-Lambdasonde gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik handeln. Das Sensorelement 114 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen planaren Schichtaufbau mit einem oder mehreren Festelektrolyten 120, beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid. Das Sensorelement 114 ist vorzugsweise über mindestens ein Heizelement 122 beheizbar, welches beispielsweise über Heizerkontakte H^– bzw. H⁺ mit einem Strom bzw. einer Spannung beaufschlagbar ist. Weiterhin weist das Sensorelement 114 eine erste Zelle 124 auf. Diese umfasst eine in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise mehrteilig ausgestaltete, in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnete erste Elektrode 128. Weiterhin umfasst die erste Zelle 124 eine in einem Referenzgasraum 130, beispielsweise einem Abluftkanal 132, angeordnete Elektrode, welche auch als dritte Elektrode 134 bezeichnet wird und welche gemäß ihrer typischerweise eingesetzten Funktion auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet wird, wohingegen die erste Elektrode 128 typischerweise als IPN oder IPE (innere Pumpelektrode) bezeichnet wird. Der Referenzgasraum 130 kann, wie in 1 dargestellt, ganz oder teilweise mit einem porösen, gasdurchlässigen Material ausgefüllt sein. Alternativ kann der Referenzgasraum 130 jedoch auch vollständig oder teilweise als Hohlraum ausgestaltet sein. Auch die dritte Elektrode 134 kann, wie in 1 dargestellt, optional einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 128 und die dritte Elektrode 134 sind über den Festelektrolyten 120 miteinander verbunden. Der Elektrodenhohlraum 126 ist über mindestens einen Gaskanal 136, beispielsweise ein Gaszutrittsloch, mit dem Messgasraum 112 verbunden, so dass ein Gasaustausch besteht. Die Beaufschlagung des Elektrodenhohlraums 126 mit Gas aus dem Messgasraum in der dargestellten Richtung oder in umgekehrter Richtung erfolgt dabei über eine zwischen dem Messgasraum 112 und dem Elektrodenhohlraum 126 angeordnete Diffusionsbarriere 138. Die Diffusionsbarriere 138 kann beispielsweise ringförmig um den Gaskanal 136 angeordnet sein, wie in 1 dargestellt. Auch andere, nicht radialsymmetrische Ausgestaltungen des Sensorelements 114 sind jedoch grundsätzlich möglich. Neben der ersten Zelle 124 umfasst das Sensorelement 114 mindestens eine zweite Zelle 140. Die zweite Zelle 140 umfasst ihrerseits wiederum die erste Elektrode 128 oder eine Teilelektrode der ersten Elektrode 128, sowie weiterhin mindestens eine weitere Elektrode, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als zweite Elektrode 142 bezeichnet wird. Diese ist mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar und steht vorzugsweise direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht 144 mit dem Messgasraum 112 in Verbindung.
Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum 112 wird die zweite Zelle 140 in der Regel als Pumpzelle betrieben, wobei die zweite Elektrode 142 typischerweise auch als äußere Pumpelektrode (APE) bezeichnet wird. Die erste Zelle 124 wird hingegen in der Regel als Nernstzelle betrieben, mittels derer eine bekannte Gasgemischszusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 126 eingestellt wird. Der Pumpstrom durch die zweite Zelle 140 wird derart eingestellt, dass die Nernstspannung zwischen der ersten Elektrode 128 und der dritten Elektrode 134 einen vorgegebenen Wert einnimmt, beispielsweise einem der Luftzahl λ = 1 entsprechenden Wert. Der hierfür erforderliche Pumpstrom durch die zweite Zelle 140 kann gemessen werden und stellt ein Maß für die Luftzahl in dem Messgasraum 112 dar. Für mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden.
Auch für die Ausgestaltung der Steuerung 116 kann grundsätzlich auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden. So sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seite 158 die für den Betrieb der Sensorvorrichtung 110 erforderlichen Komponenten der Steuerung 116 schematisch dargestellt. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung 110 gemäß dem Stand der Technik, sei es als Bestandteil der Steuerung 116 oder als Bestandteil übriger Komponenten, mindestens einen Abgleichwiderstand 146 umfassen, welcher beispielsweise als einstellbarer oder veränderbarer Widerstand ausgestaltet sein kann und welcher beispielsweise zu der zweiten Zelle 140 in Reihe geschaltet werden kann. Mittels dieses Abgleichwiderstands 146 kann beispielsweise eine fertigungsbedingte Streuung eines Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere 138 ausgeglichen werden und/oder eine Drift dieses Diffusionswiderstands, beispielsweise durch eine Verschmutzung oder Versottung. Beispielsweise kann die Kennlinie einer Breitbandlambdasonde während oder nach einer Produktion oder auch im Feldbetrieb, beispielsweise in einem Schubbetrieb eines Dieselmotors, abgeglichen werden. Auch beispielsweise mittels einer Pumpstromumkehr und/oder einem Aufpumpen des Elektrodenhohlraums 126 können entsprechende Diagnoseverfahren und/oder Regenerationsverfahren durchgeführt werden.
In 2 ist hingegen eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sensorvorrichtung 110 dargestellt. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst wiederum mindestens ein Sensorelement 114 und mindestens eine Steuerung 116. Das Sensorelement 114 kann dabei im Wesentlichen ausgestaltet sein wie in dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß 1. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, wie unten noch näher beschrieben wird, beispielsweise Variationen hinsichtlich der gasdurchlässigen Schutzschicht 144. Die Steuerung 116 kann zunächst wiederum analog ausgestaltet sein gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Insbesondere kann die Steuerung eingerichtet sein, um ein Verfahren zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum 112 durchzuführen, welches mindestens einen Messschritt und mindestens einen Abgleichschritt aufweist. Zur Beschaltung des Messschritts kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden. Zur Beschaltung des Abgleichsschritts kann die Steuerung 116 eine alternativ mit dem Sensorelement 114 verbindbare Vorrichtung 148 umfassen. Bei dieser Beschaltung kann beispielsweise mindestens eine erste Beaufschlagungsvorrichtung zur Beaufschlagung der ersten Zelle 124 mit einem Pumpstrom vorgesehen sein, welcher beispielsweise zwischen die Anschlüsse IPN und RE geschaltet wird. Weiterhin kann eine Messvorrichtung zur Messung eines ersten Pumpstroms durch diese erste Zelle 124 vorgesehen sein, welche beispielsweise ebenfalls zwischen die Anschlüsse IPN und RE geschaltet werden kann. Weiterhin kann eine zweite Beaufschlagungsvorrichtung zur Beaufschlagung der zweiten Zelle 140 mit einem Pumpstrom vorgesehen sein, welche beispielsweise zwischen die Anschlüsse IPN und einen oder beide der Anschlüsse APE1 und APE2 geschaltet werden kann und welche ebenfalls, wie auch die erste Beaufschlagungsvorrichtung, eine Spannungsquelle und/oder eine Pumpstromquelle umfassen kann. Wiederum kann eine zweite Messvorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise wiederum eine Strommessvorrichtung, welche einen Pumpstrom durch die zweite Zelle 140 messen kann und welche ebenfalls zwischen die Anschlüsse IPN und einen der Anschlüsse APE1 und APE2 geschaltet sein kann. Weiterhin kann die Vorrichtung 148 auch eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, welche die Pumpströme I_p1 durch die erste Pumpzelle 124 und I_p2 durch die zweite Pumpzelle 140 verarbeiten und ein im Nachfolgenden noch näher beschriebenes Verfahren durchführen kann. Weiterhin kann die Steuerung 116, wie auch im Fall der 1, eine Beaufschlagungsvorrichtung zur Beaufschlagung der Heizerkontakte H^– und H⁺ mit einem Heizstrom umfassen.
Die bekannten Verfahren, welche beispielsweise gemäß 1 durchgeführt werden, basieren auf sehr schnellen Diffusions- und Elektrodenprozessen, die hohe Anforderungen an die Messtechnik stellen. Darüber hinaus sind Störeinflüsse durch sich dem eigentlichen Messstrom überlagernde Umladeströme der Elektrodenkapazitäten zu erwarten. Diese zu erwartenden Schwierigkeiten bei der Signalgenauigkeit werden bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abgleich des Sensorelements 114 vermieden, welches beispielsweise auf folgendem Prinzip basiert. In einem Abgleichschritt werden bei einem unbekannten mageren Abgas in dem Messgasraum 112 zuerst eine beispielsweise kontante Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode 128 (IPN, Minuspol) und der Referenzelektrode 134 (RE, Pluspol) der ersten Zelle 124 angelegt, um sämtlichen Sauerstoff, der durch die Diffusionsbarriere 138 (DB) nachdiffundieren kann, von der IPN 128 zur RE 134 zu pumpen. Dabei wird Sauerstoff (O₂) sowohl aus dem Elektrodenhohlraum 126 als auch aus der elektrochemischen Doppelschicht an einer oder mehreren der Elektroden 128, 133 entfernt. Dieser stationäre Diffusionsgrenzstrom liefert einen Untergrundbeitrag I_p1, der in der nachfolgenden Messung zu subtrahieren ist.
Nachdem die oben genannte Messung beendet ist oder gleichzeitig zu der oben genannten Messung, wird eine, beispielsweise ebenfalls wiederum konstante, Pumpspannung zwischen der IPN 128 (Minuspol) und der APE 142 (Pluspol) angelegt, um sämtlichen Sauerstoff, der durch die Diffusionsbarriere 138 nachdiffundieren kann, von der IPN 128 zur APE 142 zu pumpen. Da hierbei Sauerstoff an der APE 142 entwickelt wird, wird ein Teil dieses Sauerstoffs durch das Gaszutrittsloch bzw. den Gaskanal 136 erneut zur Diffusionsbarriere 138 gelangen und dort zur IPN 128 in den Elektrodenhohlraum 126 diffundieren. Dieser zusätzliche Sauerstoff ist die Ursache dafür, dass der Pumpstrom I_p2 durch die zweite Zelle 140 in dem genannten zweiten Messschritt größer ist als I_p1 durch die erste Pumpzelle 124. Die Differenz zwischen I_p2 und I_p1 hängt zum einen vom Betrag des ersten Pumpstroms I_p1 und/oder des zweiten Pumpstroms I_p2 ab. Zum anderen hängt die Differenz jedoch auch vom Diffusionskoeffizienten der Diffusionsbarriere ab, der auf diese Weise ermittelt werden kann. Dies kann beispielsweise auf folgende Weise erfolgen: So ist der Pumpstrom I_p2 um einen Betrag ΔI_p größer als der erste Pumpstrom I_p1, aufgrund der teilweisen Rückführung des Sauerstoffs durch den Gaskanal 136 zur Diffusionsbarriere 138 und in den Elektrodenhohlraum 126: I_p2 = I_p1 + ΔI_p (1)
Gleichzeitig stellt sich auf der Gaskanal-Seite der Diffusionsbarriere 138, also auf der dem Elektrodenhohlraum 126 abgewandten Seite der Diffusionsbarriere 138, durch die teilweise Gasrückführung von der zweiten Elektrode 142 durch den Gaskanal 136 zur Diffusionsbarriere 138 eine Erhöhung der Konzentration des Sauerstoffs ein, welche linear vom Pumpstrom I_p1 abhängt: Δc(O₂) = I_p1·a (2)
Dabei bezeichnet Δc(O₂) den Konzentrationsunterschied auf der Eingangsseite der Diffusionsbarriere 138, und a bezeichnet eine Proportionalitätskonstante, welche beispielsweise einen Rückführungsanteil beinhaltet, also einen Anteil an Sauerstoff, welcher an der zweiten Elektrode 142 ausgebaut und durch den Gaskanal 136 zurück zur Diffusionsbarriere 138 geführt wird. Diese Erhöhung der Konzentration um Δc(O₂) bewirkt wiederum eine Erhöhung des Pumpstroms durch die zweite Zelle 140 um einen Betrag ΔI_p von ΔI_p = D·Δc(O₂) (3)
Dabei bezeichnet D einen Diffusionswiderstand der Diffusionsbarriere 138. Durch einfaches Einsetzen der Gleichung (2) in die Gleichung (3) lässt sich zeigen: ΔI_p = D·I_p1·a (3')
Durch Einsetzen der Gleichung (3') in die Gleichung (1) oben ergibt sich somit für die Diffusionskonstante folgender Wert:
Anstelle der Gleichung (4), in welcher eine Referenzierung auf den Pumpstrom I_p1 durch die erste Zelle 124 vorgenommen wird, kann auch, alternativ oder zusätzlich, eine Referenzierung auf den Pumpstrom I_p2 durch die zweite Zelle 140 vorgenommen werden. Der Proportionalitätsfaktor a kann beispielsweise in einer Kalibriermessung bei bekannter Sauerstoffkonzentration (d. h. beispielsweise einem bekannten Sauerstoffprozentsatz und/oder einem bekannten Sauerstoffpartialdruck) und/oder bei einem bekannten Diffusionskoeffizienten D separat bestimmt werden und ist grundsätzlich in der Regel bei Sensorelementen 114 mit gleicher Geometrie identisch. Aus bekannten a und den gemessenen Pumpströmen I_p2 und I_p1 lässt sich somit der Diffusionskoeffizient D bestimmen, entweder während oder nach einer Produktion oder auch im Feldbetrieb, und es lässt sich, beispielsweise wiederum über einen optionalen Abgleichwiderstand 146 gemäß 2, mittels der in dem Abgleichschritt gewonnenen Erkenntnisse ein Abgleich der Sensorvorrichtung 110 und des Sensorelements 114 vornehmen.
Der erfindungsgemäße Abgleich kann vorzugsweise und am sinnvollsten bei ruhendem Abgas und/oder im Leerlauf durchgeführt werden, d. h. beispielsweise bei einem Nachlauf des Sensorelements 114 nach einem Ausschalten des Motors. Je langsamer der Gasfluss in dem Sensorelement 114 ist, desto weniger Sauerstoff kann von der APE 142 weggeblasen werden und desto größer ist die Differenz ΔI_p = I_p2 – I_p1. Gegebenenfalls stellt sich bei einem ruhenden Abgas der stationäre Zustand erst spät ein, da sich die Sauerstoffkonzentrationsverteilung in einem optionalen Schutzrohr um den Schichtaufbau des Sensorelements 114 in 2 herum aufgrund der Sauerstofferzeugung an der APE 142 langsam verändert. Dann kann es vorteilhaft sein, I_p2 erst nach einer definierten Messzeit zu verwerten, beispielsweise nach einer Zeitdauer Δt = 1 s.
Das Verfahren kann prinzipiell auch bei beliebigem Fettgas anstelle von Magergas angewandt werden. Dazu sollte dann vorzugsweise bei der Messung von I_p1 und/oder der Messung von I_p2 die angelegte Spannung erhöht werden, um anstelle von Sauerstoff Wasser bzw., bei der Messung von I_p2, Wasser einschließlich Sauerstoff, im Grenzstrom zu zersetzen. Das Verfahren eignet sich grundsätzlich für alle Arten von Sensorelementen 114 mit einer APE 142, einer IPN 128 und einer RE 134, da die RE 134 auch ohne einen speziellen Referenzluftkanal ausreichend in der Lage ist, den zugeführten Sauerstoff über beispielsweise poröse Zuleitungen abzuführen. Das Verfahren eignet sich auch zur Diagnose einer Diffusionsbarriere von Lambdasonden in einer Werkstatt, beispielsweise mit einem Lambdasonden-Prüfgerät. Das Verfahren ermöglicht es, beispielsweise ohne das Sensorelement 114 aus einem Abgasstrang auszubauen und ohne die Stillstands-Abgaskonzentration zu kennen, den aktuellen Diffusionskoeffizienten einer im Feld eingesetzten Sensorvorrichtung 110 bzw. eines im Feld eingesetzten Sensorelements 114 mit ihrem Diffusionskoeffizienten im Neuzustand zu vergleichen, der beispielsweise von einem Prüfgerät aus dem Abgleichwiderstand 146 ermittelt werden kann. So können beispielsweise versottete Diffusionsbarrieren 138 einfach erkannt und Fehldiagnosen verhindert werden. Beispielsweise können als fehlerhaft erkannte Sensorelemente 114 ausgetauscht und/oder regeneriert werden.
Vorteilhafterweise wird, wie in 2 angedeutet, die Schutzschicht 144 derart ausgestaltet, dass diese sowohl die zweite Elektrode 142 als auch den Gaskanal 136, beispielsweise einen Eingang des Gaszutrittslochs, überdeckt. Beispielsweise kann die Schutzschicht 144 über die dem Abgas ausgesetzte APE 142 hinaus über das Gaszutrittsloch hinausgezogen werden. Dabei kann optional zwischen der Schutzschicht 144 einerseits und der zweiten Elektrode 142 bzw. dem Eingang des Gaskanals 136 mindestens ein zusätzlicher Hohlraum 150 vorgesehen sein, welcher beispielsweise als gedruckter Hohlraum ausgestaltet werden kann. Hierdurch kann die Menge der rückgeführten Gaskomponente, beispielsweise die Menge des Sauerstoffs, der zurück zur Diffusionsbarriere 138 gelangt, deutlich erhöht werden, wodurch ΔI_p und somit das Signal deutlich verbessert werden kann. Gleichzeitig wird dieses Design die Kennlinie des Sensorelements 114 jedoch nicht massiv beeinflussen, denn ein Abgleich in dem Abgleichschritt wird in der Regel an ruhendem Abgas vorgenommen, eine Messung in dem Messschritt hingegen an bewegtem Abgas. Der an der APE 142 entwickelte Sauerstoff sollte bei bewegtem Abgas größtenteils weggeblasen werden, bevor dieser zur Diffusionsbarriere 138 diffundieren kann.
Die oben beschriebene Sensorvorrichtung 110, das Sensorelement 114 sowie die beschriebenen Verfahren können grundsätzlich an zwei- oder mehrzelligen Sensorelementen 114 eingesetzt werden, beispielsweise an zweizelligen Lambdasonden, beispielsweise zweizelligen Breitband-Lambdasonden, oder, alternativ oder zusätzlich, auch an NOx-Sensoren oder Sonden zum Nachweis anderer Eigenschaften des Gases in dem Messgasraum 112, beispielsweise zum Nachweis anderer Gaskomponenten.
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

DE 102006060636 A1 [0003]
DE 102008007238 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0018]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seite 158 [0028]

Claims

Verfahren zum Abgleich eines Sensorelements (114) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente, wobei das Sensorelement (114) mindestens zwei Zellen (124, 140) mit jeweils mindestens zwei Elektroden (128, 134, 142) und mindestens einem die Elektroden (128, 134, 142) verbindenden Festelektrolyten (120) aufweist, wobei mindestens eine erste Elektrode (128) Bestandteil beider Zellen (124, 140) ist, wobei die erste Elektrode (128) über mindestens eine Diffusionsbarriere (138) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die Zellen (124, 140) mindestens eine erste Zelle (124) und mindestens eine zweite Zelle (140) umfassen, wobei mindestens eine von der ersten Elektrode (128) aus durch eine zweite Zelle (140) gepumpte Gaskomponente des Gases über die Diffusionsbarriere (138) zumindest teilweise zur ersten Elektrode (128) zurückführbar ist, wobei ein erster Pumpstrom durch die erste Zelle (124) gemessen wird, wobei ein zweiter Pumpstrom durch die zweite Zelle (140) gemessen wird, wobei aus dem ersten Pumpstrom und dem zweiten Pumpstrom auf mindestens eine Eigenschaft der Diffusionsbarriere (138) geschlossen wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mindestens eine von der ersten Elektrode (128) aus durch die erste Zelle (124) gepumpte Gaskomponente des Gases nicht oder nur vermindert zur ersten Elektrode (128) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Differenz aus dem zweiten Pumpstrom und dem ersten Pumpstrom gebildet wird, wobei die Differenz zu dem ersten Pumpstrom und/oder dem zweiten Pumpstrom ins Verhältnis gesetzt wird und wobei aus dem Verhältnis auf die Eigenschaft der Diffusionsbarriere (138) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einem Zustand des Gases durchgeführt wird, bei welchem das Gas eine Luftzahl im mageren Luftzahlbereich aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren in einem Ruhezustand durchgeführt wird, in welchem das Gas im Wesentlichen ruht.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahren zu einer vorgegebenen Zeit nach Einstellung des Ruhezustands durchgeführt wird.
Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (112), wobei mindestens ein Sensorelement (114) verwendet wird, wobei das Sensorelement mindestens zwei Zellen (124, 140) mit jeweils mindestens zwei Elektroden (128, 134, 142) und mindestens einem die Elektroden (128, 134, 142) verbindenden Festelektrolyten (120) aufweist, wobei mindestens eine erste Elektrode (128) Bestandteil beider Zellen (124, 140) ist, wobei die erste Elektrode (128) über mindestens eine Diffusionsbarriere (138) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die Zellen (124, 140) mindestens eine erste Zelle (124) und mindestens eine zweite Zelle (140) umfassen, wobei mindestens eine von der ersten Elektrode (128) aus durch eine zweite Zelle (140) gepumpte Gaskomponente des Gases über die Diffusionsbarriere (138) zumindest teilweise zur ersten Elektrode (128) zurückführbar ist, wobei das Verfahren mindestens einen Messschritt aufweist, wobei in dem Messschritt die erste Zelle (124) als Nernstzelle betrieben wird und eine Spannung an der ersten Zelle (124) erfasst wird, wobei in dem Messschritt die zweite Zelle (140) als Pumpzelle betrieben wird, insbesondere als eine durch die Spannung an der ersten Zelle (124) gesteuerte oder geregelte Pumpzelle, wobei aus einem Pumpstrom durch die zweite Zelle (140) auf die Eigenschaft des Gases geschlossen wird, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Abgleichschritt umfasst, wobei in dem Abgleichschritt das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.
Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgasraum (112), wobei die Sensorvorrichtung (110) mindestens ein Sensorelement (114) umfasst, wobei das Sensorelement (114) mindestens zwei Zellen (124, 140) mit jeweils mindestens zwei Elektroden (128, 134, 142) und mindestens einem die Elektroden (128, 134, 142) verbindenden Festelektrolyten (120) aufweist, wobei mindestens eine erste Elektrode (128) Bestandteil beider Zellen (124, 140) ist, wobei die erste Elektrode (128) über mindestens eine Diffusionsbarriere (138) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die Zellen (124, 140) mindestens eine erste Zelle (124) und mindestens eine zweite Zelle (140) umfassen, wobei mindestens eine von der ersten Elektrode (128) aus durch die zweite Zelle (140) gepumpte Gaskomponente des Gases über die Diffusionsbarriere (138) zumindest teilweise zur ersten Elektrode (128) zurückführbar ist, wobei die Sensorvorrichtung (110) weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement (114) verbundene Steuerung (116) aufweist, wobei die Steuerung (116) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Zelle (140) mindestens eine mit dem Messgasraum (112) in Verbindung stehende zweite Elektrode (142) aufweist, wobei die erste Elektrode (128) über mindestens einen Gaskanal (136) mit dem Messgasraum (112) in Verbindung steht, wobei der Gaskanal (136) und die zweite Elektrode (142) durch eine gemeinsame gasdurchlässige Abdeckung, insbesondere mindestens eine gemeinsame gasdurchlässige Schutzschicht (144), gegenüber dem Messgasraum (112) abgeschirmt sind.
Sensorvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen der Abdeckung und der zweiten Elektrode (142) und dem Gaskanal (136) mindestens ein Hohlraum (150) vorgesehen ist.