DE102010040821A1

DE102010040821A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaften eines Gases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102010040821A1
Application number: DE102010040821A
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
Also published as: WO2012034761A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente in dem Gas. Mindestens ein Sensorelement (114) wird verwendet, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst. Aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) wird auf die Eigenschaft geschlossen. In mindestens einem Messschritt des Verfahrens wird die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert betrieben. In mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens wird die Führungsgröße (148) verändert und eine Veränderung des Pumpstroms erfasst.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften von Gasen in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf Vorrichtungen und Verfahren, welche mindestens ein Festelektrolytmaterial verwenden, also ein Material, welches ionenleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial. Beispiele derartiger keramischer Festelektrolytmaterialien sind Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Beispiele von Vorrichtungen der genannten Art sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases kann es sich insbesondere um einen Anteil einer Gaskomponente des Gases handeln, welcher qualitativ und/oder quantitativ bestimmt werden kann. Insbesondere kann ein Sauerstoffanteil bestimmt werden. Der Anteil kann beispielsweise in Form eines Prozentsatzes und/oder in Form eines Partialdrucks angegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Eigenschaften des Gases bestimmt werden, beispielsweise physikalische und/oder chemische Eigenschaften.
Bei Vorrichtungen gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik, welche zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in einem Gas eingesetzt werden, die üblicherweise auch als Lambdasonden bezeichnet werden, existieren neben so genannten Sprungsonden auch sogenannte Breitband-Lambdasonden. Derartige Breitband-Lambdasonden existieren in einzelliger Ausgestaltung oder auch in mehrzelliger Ausgestaltung. Bei einzelligen Lambdasonden wird in der Regel eine in einen Messhohlraum eindiffundierende Menge an O₂ und/oder Fettgas anhand eines Grenzstroms bestimmt, welcher sich durch die Zelle einstellt. Bei mehrzelligen Breitband-Lambdasonden, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben, wird der Sauerstoffanteil anhand des zur Regelung einer Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der Pumpstrom ist zumindest näherungsweise proportional zum O₂- oder Fettgas-Gehalt im Abgas. Die Messung der Hohlraumkonzentration erfolgt in der Regel anhand der Bestimmung einer Nernstspannung zwischen einer Nernstelektrode in dem Hohlraum und einer sauerstoffbespülten Referenzelektrode in einem Referenzraum. Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, die Soll-Nernstspannung zu beeinflussen, beispielsweise dauerhaft abzusenken oder eine höhere Nernstspannung einzustellen. Aus DE 10 2005 056 515 A1 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei welchem eine Gaszusammensetzung bzw. eine Gasart eines einer Lambdasonde zugeführten Gases mittels einer modulierten Messgasänderung erkannt wird. Dabei wird durch periodische Anpassung der Luftzahl im Hohlraum der Lambdasonde die Empfindlichkeit der Sonde für verschiedene Gase periodisch geändert.
Eine technische Herausforderung bekannter Vorrichtungen und Verfahren besteht jedoch grundsätzlich darin, dass es zu einer Passivierung der im Hohlraum angeordneten inneren Pumpelektrode kommen kann. Derartige Passivierungen können beispielsweise durch Chrom-Ablagerung und/oder durch Platin-Segregation hervorgerufen werden und/oder durch andere Prozesse, welche die Aktivität und/oder die Anzahl der Dreiphasenplätze an der Elektrode reduzieren können. In diesem Fall fällt bei einem bestimmten Pumpstrom I_p von der inneren Pumpelektrode (IPE) zur äußeren Pumpelektrode (APE) eine signifikante Durchtrittsüberspannung an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festelektrolyten ab. Dadurch kann die Soll-Nernstspannung, welche typischerweise bei 450 mV angesetzt wird, bereits bei kleineren Strömen erreicht sein als für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum nötig wäre. Die Folge ist ein zu kleiner Pumpstrom, d. h. ein Absinken der Kennlinie I_p(λ).
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Das Verfahren und die Sensorvorrichtung können insbesondere eingesetzt werden, um einen Anteil mindestens einer Gaskomponente in dem Gas qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen, beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck der Gaskomponente, bei welcher es sich insbesondere um Sauerstoff handeln kann.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Sensorelement verwendet, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können beispielsweise als Cermet-Elektroden ausgestaltet sein, beispielsweise als Platin-Cermet-Elektroden.
Der Festelektrolyt kann grundsätzlich ein beliebiger Körper mit ionenleitenden Eigenschaften sein. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Festkörper handeln. Grundsätzlich sind, alternativ oder zusätzlich zu einem Festkörper, jedoch auch Körper in einem anderen Aggregatzustand denkbar, beispielsweise flüssige Elektrolyte. insbesondere kann der Festelektrolyt ein keramischer Festelektrolyt sein oder einen keramischen Festelektrolyten umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Festelektrolyt jedoch auch ein oder mehrere andere Materialien mit ionenleitenden Eigenschaften umfassen, beispielsweise ein oder mehrere Polymere. Der Festelektrolyt kann beispielsweise ein auf eine Zirkoniumdioxid-Basis ausgestalteter Festelektrolyt sein, beispielsweise YSZ und/oder ScSZ.
Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle auf die Eigenschaft geschlossen wird, beispielsweise den Sauerstoffanteil in dem Messgasraum. Bei dem Messgasraum kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln, und bei dem Gas um ein Abgas der Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen und/oder Einsatzzwecke sind jedoch grundsätzlich möglich.
In mindestens einem Messschritt des Verfahrens wird die Pumpzelle unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße geregelt oder gesteuert betrieben. Insbesondere kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, die zweite Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Es kann beispielsweise eine Nernstspannung zwischen einer ebenfalls in dem Elektrodenhohlraum angeordneten Messelektrode, welche ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der zweiten Elektrode ausgestaltet sein kann oder welche als separate Messelektrode ausgestaltet sein kann, und einer in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzgaskanal, angeordneten Referenzelektrode erfasst und als Istwert verwendet werden. Dieser Istwert der Nernstspannung kann mit einem vorgegebenen Sollwert einer Nernstspannung als Führungsgröße verglichen werden, und der Pumpstrom durch die Pumpzelle kann derart eingestellt werden, dass eine Regeldifferenz zwischen dem Istwert und der Führungsgröße verschwindet. Für diese Verfahrensvariante kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 und die dort beschriebene Regelung einer Breitband-Lambdasonde verwiesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Pumpzelle jedoch auch unter Verwendung anderer Regelgrößen, Steuergrößen oder Führungsgrößen geregelt und/oder gesteuert betrieben werden. Beispielsweise kann ein Pumpstrom durch die Pumpzelle auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden.
Neben dem beschriebenen Messschritt, welcher einfach, mehrfach wiederholend oder auch über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden kann, umfasst das Verfahren weiterhin mindestens einen Kontrollschritt, welcher ebenfalls einfach, mehrfach oder auch über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann mindestens ein Kontrollschritt auf mindestens einen Messschritt folgen, woraufhin sich wieder ein zweiter Messschritt anschließen kann. Beispielsweise können Messschritt und Kontrollschritt abwechselnd durchgeführt werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
In dem Kontrollschritt wird die Führungsgröße verändert. Diese Veränderung kann beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag erfolgen, beispielsweise indem eine Soll-Nernstspannung U_N,Soll um beispielsweise einen vorgegebenen Betrag verändert, insbesondere erhöht, wird. Alternativ oder zusätzlich können auch eine Soll-Pumpspannung U_P,Soll und/oder ein Soll-Pumpstrom U_P,Soll verändert werden, beispielsweise ebenfalls um einen vorgegebenen Betrag, insbesondere erhöht werden.
Die Veränderung der Führungsgröße kann einmalig oder mehrmalig erfolgen. Die Veränderung kann insbesondere auch wiederholt erfolgen, mit derselben Veränderung oder einer angepassten Veränderung. Insbesondere kann die Veränderung der Führungsgröße auch oszillierend erfolgen, beispielsweise periodisch oszillierend. Die Anpassung kann dann beispielsweise derart erfolgen, dass der Mittelwert der Oszillation der Führungsgröße derart eingestellt wird, beispielsweise durch eine Regelungseinrichtung, dass die resultierende Veränderung des Pumpstroms, beispielsweise die resultierende Pumpstrom-Amplitude oder Amplitude der Veränderung des Pumpstroms, einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise 20 μA, nicht überschreitet.
Weiterhin wird in dem Kontrollschritt eine Veränderung des Pumpstroms I_p durch die Pumpzelle erfasst. In anderen Worten kann die Veränderung des Pumpstroms in Reaktion auf die Veränderung der Führungsgröße erfasst werden. Diese Veränderung kann als absolute Veränderung oder auch in Form einer zeitlichen Entwicklung des Pumpstroms erfasst werden. Auch andere Möglichkeiten der Quantifizierung der Veränderung sind möglich, beispielsweise eine Erfassung einer Änderung über einen bestimmten Zeitraum hinweg.
Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass die Führungsgröße in dem Messschritt angepasst wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt. Beispielsweise kann in diesem Kontrollschritt abgefragt werden, ob der Pumpstrom mindestens einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, überschreitet oder unterschreitet. Beispielsweise kann abgefragt werden, ob der Pumpstrom oder eine daraus abgeleitete charakteristische Größe bzw. die Änderung des Pumpstroms oder deren Betrag kleiner sind als ein vorgegebener Schwellwert, kleiner oder gleich einem vorgegebenen Schwellwert sind, oder es können ähnliche Schwellwertbedingungen gestellt werden. Die Schwellwertbedingung kann insbesondere derart angepasst werden, dass eine im Rahmen üblicher Veränderungen des Sensorelements noch tolerierbare Veränderung des Pumpstroms die Schwellwertbedingung noch erfüllt, wohingegen Veränderungen, die auf eine starke Elektrodenpolarisation und/oder eine Verschmutzung der Elektroden und/oder eine Passivierung der Elektroden schließen lassen, insbesondere der ersten Elektrode, die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllen.
Insbesondere kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass eine On-Board-Kompensation einer Elektrodenpolarisation durchgeführt wird, beispielsweise in den oben beschriebenen Breitband-Lambdasonden mit mehreren Zellen. Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass eine Soll-Nernstspannung in dem Kontrollschritt, welcher auch als Testphase bezeichnet wird, um einen definierten Betrag, beispielsweise um 20 bis 400 mV, insbesondere um 100 bis 300 mV und besonders bevorzugt um 200 mV, kurzzeitig erhöht wird, beispielsweise um eine Zeitdauer von 0,5 bis 10 s, insbesondere eine Zeitdauer von 0,8 bis 2 s und besonders bevorzugt für eine Zeitdauer von 1 s. Falls dabei der Pumpstrom I_P um mindestens einen Schwellwert oder um mehr als einen Schwellwert ansteigt, kann ein neuer Regel-Sollwert der Nernstspannung U_N,Soll in einer Regelelektronik hinterlegt werden. Beispielsweise kann der Schwellwert 50 μA bis 400 μA betragen, insbesondere 100 μA bis 300 μA und besonders bevorzugt 200 μA. Der Regel-Sollwert der Nernstspannung kann beispielsweise um 20 mV bis 400 mV, insbesondere um 100 mV bis 300 mV und besonders bevorzugt um 200 mV angehoben werden.
Allgemein kann die Anpassung der Führungsgröße einfach oder auch iterativ erfolgen. Erfolgt eine iterative Anpassung, so kann beispielsweise die Führungsgröße so oft um einen oder mehrere vorgegebene Beträge, welche auch der Anzahl der Schritte angepasst werden können und/oder beispielsweise zunehmend kleiner gewählt werden können, erhöht oder erniedrigt werden, bis die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung erfüllt.
Wenn in dem Kontrollschritt erkannt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, so können, alternativ oder zusätzlich zu einer Veränderung der Führungsgröße oder einer Anpassung der Führungsgröße, auch eine oder mehrere weitere Maßnahmen ergriffen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann beispielsweise, wenn festgestellt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, ein Regenerationsschritt eingeleitet werden. Derartige Regenerationsschritte können verschiedene Maßnahmen umfassen, welche die Veränderung einer oder mehrerer der Elektroden zumindest teilweise rückgängig machen. So kann ein Regenerationsschritt beispielsweise eine Pumpstromumkehr durch die Pumpzelle umfassen. Eine derartige Pumpstromumkehr kann beispielsweise für einen gewissen Zeitraum eingeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kommen auch beispielsweise Temperaturerhöhungen oder andere Maßnahmen zur Regeneration einer oder mehrerer der Elektroden in Betracht, beispielsweise auch, indem das Sensorelement zeitweise einem fetten Abgas ausgesetzt wird.
Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden oder beaufschlagbar sind. So kann das Sensorelement beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode unmittelbar oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Alternativ können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode jedoch auch durch mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum verbunden sein. So können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode beispielsweise auf einer Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein oder auch in einem Elektrodenhohlraum im Inneren des Sensorelements, welcher über die mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum in Verbindung steht. Die mindestens eine Diffusionsbarriere kann beispielsweise die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode vor Verunreinigungen schützen und/oder einen Grenzstrom der Pumpzelle einstellen.
Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder mehrere der Elektroden mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehen. So kann beispielsweise die zweite Elektrode eine mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehende Elektrode sein, während beispielsweise die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann. Dementsprechend kann die zweite Elektrode beispielsweise unmittelbar in dem Referenzgasraum angeordnet sein oder mit diesem Referenzgasraum auf eine andere Weise in Verbindung stehen. Der Referenzgasraum ist dabei ein Gasraum, in welchem sich eine definierte Gasatmosphäre einstellen kann. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen abgeschlossenen Hohlraum handeln, welcher durch ein Pumpverfahren mit einer definierten Atmosphäre beaufschlagt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzgasraum jedoch auch mindestens einen Referenzgaskanal umfassen, beispielsweise einen Luftreferenzkanal, welcher beispielsweise mit einer Umgebung des Sensorelements verbunden sein kann, die beispielsweise von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein kann. Auf diese Weise kann sich beispielsweise in dem Referenzgasraum eine definierte Luftatmosphäre einstellen. Die vorgeschlagene Ausgestaltung, bei welcher die zweite Elektrode mit mindestens einem Referenzgasraum in Verbindung steht, kann insbesondere bei einem einzelligen Sensoraufbau verwendet werden. Auch andere Sensoraufbauten sind jedoch grundsätzlich möglich.
Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung, bei welcher die zweite Elektrode in einem Referenzgasraum angeordnet ist, kann die zweite Elektrode oder mindestens eine der zweiten Elektroden (wenn mehrere zweite Elektroden vorgesehen sind) auch in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann beispielsweise durch den Festelektrolyten von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Elektrodenhohlraum als Hohlraum ausgestaltet sein, in welchem durch das oben beschriebene Steuer- oder Regelverfahren eine definierte Gasatmosphäre oder Gaszusammensetzung eingestellt werden soll, beispielsweise ein definierter Lambdawert. Zu diesem Zweck kann in dem Elektrodenhohlraum beispielsweise weiterhin mindestens eine Messelektrode angeordnet sein, beispielsweise mindestens eine Nernstelektrode. Diese mindestens eine Messelektrode kann ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der zweiten Elektrode sein oder elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden sein, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt ist und wie es beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben ist. Bei derartigen zweiten Elektroden, welche gleichzeitig als Pumpelektrode für eine Pumpzelle und als Nernstelektrode für eine Nernstspannungsmessung eingesetzt werden, macht sich die erfindungsgemäße Vermeidung bzw. der erfindungsgemäße Ausgleich der Elektrodenpolarisation besonders vorteilhaft bemerkbar. Alternativ kann die mindestens eine Messelektrode in dem Elektrodenhohlraum jedoch auch getrennt von der zweiten Elektrode ausgebildet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
Die Pumpzelle kann in dem Messschritt insbesondere in einem Grenzstrombetrieb betrieben werden. Unter einem Grenzstrom ist dabei der Sättigungsstrom bei einer bestimmten Zusammensetzung des Gases zu verstehen, welcher sich in der Pumpstrom-Spannungs-Kennlinie einstellt. Die Pumpspannung kann insbesondere derart gewählt werden, dass der Pumpstrom sich im Sättigungsbereich befindet, wie dies bei vielen Breitbandsonden üblich ist.
Die Führungsgröße kann, wie oben beschrieben, auf verschiedene Weisen ausgestaltet werden. Insbesondere kann die Führungsgröße mindestens einen Sollwert eines Potenzials und/oder einer Spannung an der zweiten Elektrode umfassen. Wie oben beschrieben, kann insbesondere eine Soll-Nernstspannung als Führungsgröße vorgegeben werden, welche beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode und einer Referenzelektrode, welche beispielsweise in einem Referenzgasraum an der oben beschriebenen Art angeordnet sein kann, gemessen wird.
Die erste Elektrode kann insbesondere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden, wie oben ausgeführt. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine Referenzelektrode in mindestens einem Referenzgasraum umfassen, wobei eine Nernstspannung U_N zwischen der zweiten Elektrode und der Referenzelektrode erfasst werden kann. In dem Messschritt kann, wie oben ausgeführt, insbesondere der Pumpstrom durch die Pumpzelle unter Verwendung einer Soll-Nernstspannung U_N,Soll als Führungsgröße geregelt werden. In dem Kontrollschritt kann dabei, wie oben ausgeführt, insbesondere die Soll-Nernstspannung U_N,Soll um einen Wert ΔU_N,Soll verändert werden, insbesondere erhöht werden, wobei die Änderung ΔI_P des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird. Die Soll-Nernststpannung kann beispielsweise verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderung ΔI_P den Schwellwert erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann die Soll-Nernstspannung U_N,Soll um einen oder mehrere vorgegebene Beträge verändert werden, wobei die Beträge fest vorgegeben werden können oder auch beispielsweise an die Iteration des Verfahrens angepasst werden können, beispielsweise iterativ kleiner gewählt werden können, wenn sich die Änderung ΔI_P des Pumpstroms dem Schwellwert nähert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsgröße auch eine Pumpspannung U_P umfassen, beispielsweise eine Soll-Pumpspannung. In dem Kontrollschritt kann diese Pumpspannung um einen Wert ΔU_P verändert werden, wobei die Änderung ΔI_P des Pumpstroms als Reaktion auf diese Änderung der Pumpspannung erfasst werden kann und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden kann. In dem Messschritt kann dann die Pumpspannung verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderung ΔI_P den Schwellwert mindestens erreicht oder überschreitet. Auf diese Weise können beispielsweise einzellige Sensorelemente mit dem vorgeschlagenen Verfahren betrieben werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsgröße auch einen Pumpstrom I_p umfassen. In dem Kontrollschritt kann der Pumpstrom um einen Wert ΔI_p verändert werden. Dabei können eine Änderung ΔU_p einer Pumpspannung und/oder eine Änderung ΔU_N einer Nernstspannung erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Für ein intaktes Sensorelement kann beispielsweise gefordert werden, dass das resultierende ΔU_p bzw. ΔU_N den Schwellwert überschreitet oder nicht unterschreitet. Beispielsweise kann in dem Messschritt der Pumpstrom verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderungen ΔU_p bzw. ΔU_N den Schwellwert überschreiten oder nicht unterschreiten.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche insbesondere eingerichtet sein kann, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung auf die obige Beschreibung des vorgeschlagenen Verfahrens verwiesen werden. Die Sensorvorrichtung kann entsprechende Vorrichtungen umfassen, um einen, mehrere oder alle der Teilschritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, insbesondere mindestens ein keramisches Sensorelement. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Für weitere mögliche Ausgestaltungen des Sensorelements kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene oder zumindest verbindbare Steuerung. Die Steuerung kann zentral oder auch dezentral eingerichtet sein und kann beispielsweise eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen. Die Steuerung kann auch ganz oder teilweise in eine zentrale Motorsteuerung integriert sein oder auch ganz oder teilweise in das Sensorelement und/oder einen Stecker integriert sein.
Die Steuerung ist eingerichtet, um aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle auf die Eigenschaft zu schließen. Beispielsweise kann die Steuerung zu diesem Zweck mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsquelle und/oder Stromquelle, um die Pumpzelle mit mindestens einer Pumpspannung und/oder mindestens einem Pumpstrom zu beaufschlagen. Beispielsweise kann aus dem Pumpstrom dann auf die Gaszusammensetzung, beispielsweise den Anteil des Gases der Gaskomponente in dem Messgasraum, geschlossen werden, beispielsweise einen Sauerstoffanteil. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise weiterhin mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Strommessvorrichtung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung, beispielsweise um den Pumpstrom durch die Pumpzelle zu messen. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße geregelt oder gesteuert zu betreiben. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine Spannungsregelung und/oder mindestens eine Stromregelung und/oder mindestens eine Spannungssteuerung und/oder mindestens eine Stromsteuerung umfassen, welche beispielsweise mit der Pumpzelle verbunden sein können. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um in mindestens einem Kontrollschritt die Führungsgröße zu verändern und eine Veränderung des Pumpstroms zu erfassen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung programmtechnisch eingerichtet sein, um den Kontrollschritt durchzuführen und die entsprechenden Veränderungen bzw. Messungen vorzunehmen. Zur Vornahme der Messungen kann die Steuerung beispielsweise, wie oben ausgeführt, mindestens eine Messvorrichtung umfassen.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. So können diese insbesondere für eine zuverlässige On-Board-Kompensation einer Veränderung einer oder mehrerer der Elektroden des Sensorelements eingesetzt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig eine Messwertveränderung und/oder eine Signalverfälschung, welche alterungsbedingt auftreten kann, verhindert oder zumindest vermindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren exemplarisch dargestellt sind, erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Im Einzelnen zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
2 Pumpstrom-Pumpspannungs-Kennlinien und Nernstspannungs-Pumpspannungs-Kennlinien für verschiedene Sensorelemente; und
3 Pumpstrom-Soll-Nernstspannungs-Kennlinien für ordnungsgemäße Sensorelemente und für Sensorelemente mit Elektrodenpolarisation.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Insbesondere kann ein Sauerstoffanteil in dem Messgasraum 112 bestimmt werden. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst ein Sensorelement 114 und eine mit dem Sensorelement 114 über eine Schnittstelle und/oder eine andere Verbindung 116 verbundene Steuerung 118.
Das Sensorelement 114 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Elektrode 120, welche im Folgenden auch als APE bezeichnet wird (äußere Pumpelektrode) und welche auf einer Außenseite des Sensorelements angeordnet sein kann. Die erste Elektrode 120 kann beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 122 von dem Messgasraum 112 getrennt sein. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 eine zweite Elektrode 124, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet ist und welche dementsprechend auch als innere Pumpelektrode (IPE) bezeichnet werden kann. Der Elektrodenhohlraum 126 steht über ein Gaszutrittsloch 128 und eine Diffusionsbarriere 130, welche eine Nachdiffusion von Sauerstoff und/oder Gas begrenzt, mit dem Messgasraum 112 in Verbindung und ist somit mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die zweite Elektrode 124 ist mit der ersten Elektrode 120 über einen Festelektrolyten 123 verbunden. Die erste Elektrode 120, der Festelektrolyt 123 und die zweite Elektrode 124 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 125. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine dritte Elektrode 132, welche auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet wird und welche in einem Referenzgasraum 134 angeordnet ist. Der Referenzgasraum 134, welcher offen ausgestaltet sein kann oder welcher auch ganz oder teilweise, wie in 1 dargestellt, mit einem gasdurchlässigen, porösen Material 136 gefüllt sein kann, kann beispielsweise als Referenzgaskanal 138 ausgestaltet sein, beispielsweise als Luftreferenzkanal. Die zweite Elektrode 124, der Festelektrolyt 123 und die dritte Elektrode 132 bilden gemeinsam eine Nernstzelle 139.
Die Schnittstelle 116 umfasst vorzugsweise Elektrodenzuleitungen 140, 142 und 144 zur ersten Elektrode 120, zur zweiten Elektrode 124 und zur dritten Elektrode 132. Die Steuerung 118 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Regelvorrichtung 146. Über die Regelvorrichtung 146 kann eine Nernstspannung zwischen der IPE 124 und der RE 132 auf eine Soll-Nernstspannung U_N,Soll als Führungsgröße 148 eingestellt oder eingeregelt werden. Beispielsweise kann die Steuerung 118 zu diesem Zweck eine einstellbare Spannungsquelle 150 zur Vorgabe der Soll-Nernstspannung umfassen. Beispielsweise können ein Ende der Spannungsquelle 150 und die Elektrodenzuleitung 142 der zweiten Elektrode 124 auf elektrische Masse 152 geschaltet sein, so dass die über die Elektrodenzuleitung 144 der dritten Elektrode 132 bereitgestellte Nernstspannung U_N (Istwert) und die Soll-Nernstspannung U_N,Soll (Sollwert) in einer Vergleichsvorrichtung 154 (beispielsweise einem Komparator) miteinander verglichen werden können, um aus einer Regeldifferenz eine Steuergröße und/oder Stellgröße 156 in Form einer Pumpspannung U_P und/oder eines Pumpstroms I_P zu generieren, mit welchen wiederum die APE 120 beaufschlagt wird, um eine der Führungsgröße 148 entsprechende Atmosphäre in dem Elektrodenhohlraum 126 einzustellen.
Die Vorgabe der Führungsgröße 148 kann beispielsweise durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung 158 in der Steuerung 118 erfolgen, welche beispielsweise die einstellbare Spannungsquelle 150 beeinflusst und/oder diese ganz oder teilweise beinhalten kann. Weiterhin kann die Steuerung 118 eine oder mehrere Messvorrichtungen 160 umfassen, welche beispielsweise den Pumpstrom I_P und/oder die Pumpspannung U_P erfassen können. Die Messwerte dieser Messvorrichtung 160 können beispielsweise an die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Messvorrichtung 160 auch ganz oder teilweise in die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 integriert sein. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Verfahrensvarianten durchzuführen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 118 auch ganz oder teilweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet sein. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind möglich.
Anhand der 2 und 3 soll die Problematik herkömmlicher Vorrichtungen 110 und Verfahren erläutert werden. Bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen 110 der beschriebenen Art, welche nicht eingerichtet sind, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wird der Regelsollwert der Nernstspannung U_N,Soll in der Regel fest vorgegeben. Dieser dient dazu, eine Hohlraum-Konzentration von λ = 1 in dem Elektrodenhohlraum 126 einzustellen bzw. einzuregeln. Bei typischen Sensorvorrichtungen beträgt der Regelsollwert über die gesamte Lebensdauer der Sensorvorrichtung 110 hinweg typischerweise 450 mV. Dies führt jedoch, wie anhand der 2 beschrieben werden soll, insbesondere in Sensorelementen 114, bei welchen die zweite Elektrode 124 gleichzeitig für eine Pumpstrommessung und für eine Nernstspannungsmessung verwendet wird, zu Alterungseffekten, die sich auf die Messung auswirken. So kann es über die Lebensdauer zu einer Passivierung der im Elektrodenhohlraum 126 angeordneten inneren Pumpelektrode 124 kommen, beispielsweise durch Chrom-Ablagerung oder durch Platin-Segregation oder durch andere Prozesse, die die Aktivität und/oder die Anzahl der Dreiphasenplätze an der Elektrode 124 reduzieren können. In diesem Fall fällt bei einem bestimmten Pumpstrom IP von der IPE 124 zur äußeren Pumpelektrode 120 eine signifikante Durchtrittsüberspannung an der Grenzfläche IPE 124/Festelektrolyt 123 ab. Dadurch kann die Soll-Nernstspannung U_N,Soll von beispielsweise 450 mV bereits bei kleineren Strömen erreicht sein als für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum 126 nötig wäre. Die Folge ist ein zu kleiner Pumpstrom I_P, d. h. ein Absinken der Kennlinie I_P(λ).
In 2 ist auf der horizontalen Achse die Pumpspannung U_P an der Pumpzelle 125 aufgetragen. Auf der linken vertikalen Achse ist der Pumpstrom I_P aufgetragen. Die Kurve 162, welche dieser linken vertikalen Achse zugeordnet ist, bezeichnet eine Pumpstrom-Pumpspannungs-Kennlinie eines intakten Sensorelements 114, bei welchem noch keine Elektrodenpolarisation an der zweiten Elektrode 124 aufgetreten ist. Die gestrichelt dargestellte Kurve 164 bezeichnet hingegen einen Pumpstrom eines polarisierenden Sensorelements 114, also eines Sensorelements 114, bei welchem an der zweiten Elektrode 124 die oben beschriebenen Polarisationseffekte aufgetreten sind. Es ist zu erkennen, dass diese Kurve erheblich flacher verläuft und sich später dem Sättigungspumpstrom I_S nähert.
Weiterhin sind in 2 auf der rechten vertikalen Achse die Nernstspannungen U_N als Funktion der Pumpspannung U_P aufgetragen. Wiederum bezeichnet die durchgezogene Kurve 166 eine Nernstspannung eines intakten Sensorelements 114, wohingegen die gestrichelt dargestellte Kurve 168 eine Nernstspannung eines polarisierenden Sensorelements 114 bezeichnet, also eines Sensorelements 114, bei welchem die zweite Elektrode 124 die oben beschriebenen Polarisationseffekte aufweist. Ausgehend von diesen Kurven 166, 168 lässt sich der oben skizzierte Effekt beschreiben. Typischerweise wird bei Sensorvorrichtungen 110 der in 1 beschriebenen Art die Nernstspannung auf einen Wert U_N,Soll von 450 mV eingestellt, was bei einem intakten Sensorelement 114 der Pumpspannung U_P,1 entspricht. Wie aus 2 erkennbar, ist die Pumpstrom-Kennlinie 162 eines derartigen intakten Sensorelements 114 bei dieser Pumpspannung U_P,1 bereits im Sättigungsbereich und weist zumindest näherungsweise den Wert I_S auf. Bei einem polarisierenden Sensorelement 114 hingegen fällt an der polarisierenden zweiten Elektrode 124, welche sowohl als Elektrode für die Pumpstrommessung durch die Pumpzelle 125 als auch als Nernstelektrode für die Nernstzelle 139 verwendet wird, eine hohe Spannung an dem Durchtrittswiderstand ab, welche sich zu der Nernstspannung addiert. Hierdurch erreicht die effektiv gemessene Spannung U_N an der Elektrodenzuleitung 144 in 1 bereits bei kleineren Pumpströmen I_P den Wert U_N,Soll von 450 mV. In 2 ist dies dadurch verdeutlicht, dass die Nernstspannungs-Kurve 168 des polarisierenden Sensorelements 114 erheblich früher ansteigt als die Nernstspannungskurve 166 des intakten Sensorelements 114. Dementsprechend erreicht die Kurve 168 bereits bei einer erheblich kleineren Pumpspannung U_P,2 den Wert von 450 mV. Bei dieser Pumpspannung U_P,2 ist die Pumpstrom-Kennlinie 164 des polarisierenden Sensorelements 114 jedoch noch nicht in Sättigung, sondern bei einem Wert I_P*, bei welchem die Pumpstrom-Kennlinie noch stark ansteigt. Während für ein intaktes Sensorelement 114 somit im Wesentlichen gilt:
gilt für ein polarisierendes Sensorelement 114 mit den Kurven 164, 168:
In anderen Worten hängt bei einem intakten Sensorelement 114 der sich einstellende Pumpstrom I_P kaum von der Führungsgröße U_N,Soll ab, während bei polarisierenden Sensorelementen 114 ein starker Anstieg des Pumpstroms I_P mit der Führungsgröße U_N,Soll zu verzeichnen ist. Dies ist in 3 gezeigt. Hier bezeichnet die Kurve 170 den Pumpstrom I_P eines intakten Sensorelements als Funktion der Führungsgröße U_N,Soll, wohingegen die Kurve 172 den Pumpstrom eines polarisierenden Sensorelements 114 bezeichnet.
Genau dieser Zusammenhang wird jedoch vorzugsweise bei einem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt. Bei einem derartigen Verfahren wird in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle 125 unter Verwendung der Führungsgröße U_N,Soll geregelt oder gesteuert betrieben und aus dem Pumpstrom auf die Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum 112, beispielsweise auf den Sauerstoffpartialdruck, geschlossen. In mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens wird hingegen die Führungsgröße U_N,Soll verändert, beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag ΔU_N,Soll. Dabei wird die Veränderung des Pumpstroms ΔI_P erfasst. In der Kurve 170 in 3 ist diese Änderung nahezu 0 oder sehr klein. In einem nicht-intakten Sensorelement 114 mit der Kurve 172 hingegen ist ein sehr steiler Anstieg von I_P mit der Führungsgröße U_N,Soll, zumindest im Betriebspunkt von 450 mV, zu verzeichnen. In anderen Worten ist ΔI_P dividiert durch ΔU_N,Soll größer als 0. Dieses ΔI_P (oder, was gleichbedeutend ist, ΔI_P dividiert durch ΔU_N,Soll oder, was ebenfalls gleichbedeutend ist, I'_P) kann mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Wenn dieser mindestens eine Schwellwert mindestens erreicht wird oder überschritten wird, so kann darauf geschlossen werden, dass das Sensorelement 114 nicht mehr intakt ist. In diesem Fall kann beispielsweise eine Warnung ausgegeben werden oder die Führungsgröße U_N,Soll kann angepasst werden. Beispielsweise kann die Führungsgröße I_N,Soll erhöht werden, beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag. Danach kann ein weiterer Kontrollschritt durchlaufen werden und gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung weiter erhöht werden, sofern die oben beschriebene Schwellwertbedingung nach wie vor nicht erfüllt ist und die Änderung ΔI_P nach wie vor zu groß ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass U_N in 2 derart erhöht wird, dass sich U_P,2 so weit nach rechts in 2 verschiebt, dass der Pumpstrom I_P* sich an den Sättigungspumpstrom I_S annähert.
Das Verfahren kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass in festen Zeitabständen, beispielsweise alle 5 Stunden und/oder vorzugsweise bei einem mageren Abgaszustand, vorzugsweise – aber nicht notwendig – im Schubbetrieb, die Änderung des Pumpstroms I_P bei einer Erhöhung von U_N,Soll detektiert und daraufhin gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung U_N,Soll erhöht wird. Dann kann ein weiterer Testzyklus, d. h. ein weiterer Kontrollschritt, durchlaufen und gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung U_N,Soll weiter erhöht werden. Optional können sich weitere Kontrollschritte anschließen. Vorzugsweise wird die Änderung ΔI_P bei einer U_N,Soll-Erhöhung und nachfolgender Absenkung gemessen, um eine Redundanz der Daten zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Soll-Nernstspannung U_N,Soll bei dieser oder auch bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie auch eine oder mehrere andere Führungsgrößen, permanent oszillieren, beispielsweise mit einer Amplitude von 10 mV und beispielsweise mit einer Frequenz von 100 Hz. Der Mittelwert dieser Oszillation kann durch eine Regelungseinrichtung so auf einen Minimalwert eingeregelt werden, dass eine resultierende Pumpstromamplitude einen bestimmten Schwellwert, beispielsweise 20 μA, nicht überschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde oben am Beispiel eines mehrzelligen Sensorelements 114 beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann das oben beschriebene Verfahren jedoch auch an einer einzelligen Lambdasonde angewandt werden, beispielsweise an einem Sensorelement 114, welches lediglich die Pumpzelle 125 aufweist. In diesem Fall kann beispielsweise die Soll-Nernstspannung U_N,Soll durch eine Soll-Pumpspannung U_P,Soll ersetzt werden. Da die Kurve 164 in 2 erheblich später die Sättigung I_S erreicht als die intakte Kurve 162, kann ebenfalls mittels eines Schwellwertverfahrens in dem Kontrollschritt detektiert werden, wenn die Pumpzelle 125 nicht mehr im Grenzstrombetrieb läuft. In diesem Fall kann beispielsweise die Soll-Pumpspannung U_P,Soll erhöht werden, was ebenfalls wiederum in einem oder mehreren Schritten, optional auch iterativ und/oder oszillierend, erfolgen kann.
Durch das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Sensorvorrichtung 110 kann eine hohe Robustheit gegen eine Elektrodenpolarisation erreicht werden. Zudem erlaubt das oben beschriebene Verfahren einen kontinuierlichen Betrieb des Sensorelements 114 bei einer abgesenkten Temperatur, welche beispielsweise mittels eines in 1 nicht dargestellten Heizelements eingestellt werden kann. Beispielsweise kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren in einer oder mehreren der oben dargestellten Varianten eine Temperatur der Pumpzelle 125 auf einen Wert von 500 bis 800°C eingestellt werden, insbesondere auf einen Wert von 600 bis 700°C. Durch diese abgesenkte Temperatur des Sensorelements 114 und insbesondere der Pumpzelle 125 kann ein Heizleistungsbedarf deutlich vermindert werden. Weiterhin lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der dadurch realisierbaren Robustheit gegenüber einer Elektrodenpolarisation auch die Menge an katalytisch aktivem Edelmetall in einer oder mehreren der Elektroden 120, 124 und 132, insbesondere in der IPE 124, deutlich reduzieren. Weiterhin kann die Detektion einer Elektrodenpolarisation in dem mindestens einen Kontrollschritt, beispielsweise durch Variation der Führungsgröße und insbesondere der Soll-Nernstspannung, auch in einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren als Auslöser für einen Regenerationsprozess, beispielsweise mittels einer zeitweisen Pumpstromumkehr und/oder einer zeitweisen oder permanenten Temperaturerhöhung und/oder einem zeitweisen Beaufschlagen mit Fettgas, verwendet werden. Derartige Maßnahmen haben im Allgemeinen einen regenerierenden Effekt.
Die Veränderung der Führungsgröße kann bei beliebigen erfindungsgemäßen Verfahren sowohl in positiver als auch in negativer Richtung erfolgen. So wurden oben im Wesentlichen Erhöhungen der Führungsgröße beschrieben. Wie in 2 erkennbar ist, sind jedoch grundsätzlich auch Erniedrigungen der Führungsgröße möglich, beispielsweise indem eine Soll-Nernstspannung nicht nur erhöht, sondern, alternativ oder zusätzlich, auch abgesenkt wird, um eine Polarisation zu detektieren.
Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Sensorvorrichtung 110 wurden am Beispiel von Sensorvorrichtungen 110 zur Detektion von Sauerstoff in dem Messgasraum 112 dargestellt. Auch für andere Anwendungen sind das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung 110 jedoch grundsätzlich geeignet. So kann das vorgeschlagene Verfahren grundsätzlich beispielsweise auch auf NOx-Sensoren angewandt werden, so dass die Sensorvorrichtung 110 beispielsweise zur Detektion eines NOx-Anteils in dem Messgasraum 112 einsetzbar sein kann. Derartige Sensorelemente sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich ebenfalls bekannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005056515 A1 [0002]

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 [0002]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0008]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0019]

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente in dem Gas, wobei mindestens ein Sensorelement (114) verwendet wird, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst, wobei aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) auf die Eigenschaft geschlossen wird, wobei in mindestens einem Messschritt des Verfahrens die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert betrieben wird, wobei in mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens die Führungsgröße (148) verändert wird und eine Veränderung des Pumpstroms erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Führungsgröße (148) in dem Messschritt angepasst wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Anpassung der Führungsgröße (148) iterativ erfolgt, so lange bis die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Regenerationsschritt eingeleitet wird, wenn in dem Kontrollschritt festgestellt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, insbesondere ein Regenerationsschritt mit mindestens einer Pumpstromumkehr in der Pumpzelle (125) und/oder einer zeitweisen oder permanenten Temperaturerhöhung und/oder mit einem zeitweisen Beaufschlagen mit Fettgas.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (124) ausgewählt ist aus: einer mit mindestens einem Referenzgasraum (134) in Verbindung stehenden Elektrode (124), insbesondere einer mit mindestens einem Referenzgaskanal (138) in Verbindung stehenden Elektrode (124); einer in einem Elektrodenhohlraum (126) angeordneten Elektrode (124).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (125) in dem Messschritt in einem Grenzstrombetrieb betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) mindestens einen Sollwert eines Potenzials und/oder einer Spannung an der zweiten Elektrode (124) umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Elektrode (124) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagt wird, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine Referenzelektrode (132) in mindestens einem Referenzgasraum (134) umfasst, wobei eine Nernstspannung U_N zwischen der zweiten Elektrode (124) und der Referenzelektrode (132) erfasst wird, wobei in dem Messschritt der Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) unter Verwendung einer Soll-Nernstspannung U_N,Soll als Führungsgröße (148) geregelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Kontrollschritt die Soll-Nernstspannung U_N,Soll um einen Wert ΔU_N,Soll verändert wird, wobei die Änderung ΔI_p des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird, wobei die Soll-Nernstspannung verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderung ΔI_p den Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) eine Pumpspannung U_p umfasst, wobei in dem Kontrollschritt die Pumpspannung um einen Wert ΔU_p verändert wird, wobei die Änderung ΔI_p des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird, wobei in dem Messschritt die Pumpspannung verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderung ΔI_p den Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) einen Pumpstrom I_p umfasst, wobei in dem Kontrollschritt der Pumpstrom um einen Wert ΔI_p verändert wird, wobei eine Änderung ΔU_p einer Pumpspannung und/oder eine Änderung ΔU_N einer Nernstspannung erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden, wobei in dem Messschritt der Pumpstrom verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderungen ΔU_p bzw. ΔU_N den Schwellwert überschreiten oder nicht unterschreiten.
Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein Sensorelement (114), wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst, wobei die Sensorvorrichtung (110) weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement (114) verbundene Steuerung (118) umfasst, wobei die Steuerung (118) eingerichtet ist, um aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) auf die Eigenschaft zu schließen, wobei die Steuerung (118) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert zu betreiben, wobei die Steuerung (118) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einem Kontrollschritt die Führungsgröße (148) zu verändern und eine Veränderung des Pumpstroms zu erfassen.