DE102010063520A1

DE102010063520A1 - Verfahren und Sensorvorrichtung zur Diagnose eines Sensorelements

Info

Publication number: DE102010063520A1
Application number: DE201010063520
Authority: DE
Inventors: Dirk Liemersdorf; Torsten Handler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements (114) zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum (112), insbesondere eines Sensorelements (114) zum Nachweis von Stickoxiden in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen. Das Sensorelement (114) umfasst mindestens einen Festkörperelektrolyten (116) und weiterhin mindestens zwei Elektroden (118). Die Elektroden (118) umfassen mindestens zwei Diagnoseelektroden (120) und mindestens zwei Antwortelektroden (122). An den Diagnoseelektroden (120) wird mindestens eine definierte Signalsequenz (136) beaufschlagt. An den Antwortelektroden (122) wird mindestens ein Antwortsignal (138) erfasst.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus EP 0 769 693 A1 , sind Sensorelemente zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente, insbesondere von Stickoxiden (NO_x) in einem Messgasraum, bei vorhandenem Sauerstoffhintergrund bekannt. Solche Festkörperelektrolyt-Sensoren umfassen mindestens ein Sensorelement. Das Sensorelement umfasst einen Festkörperelektrolyten, beispielsweise auf ZrO₂-Basis. Ein Sensorelement, wie aus dem Stand der Technik bekannt, umfasst weiterhin typischerweise fünf Elektroden, beispielsweise eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode, eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode, eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode, eine NO-Pumpelektrode und eine Referenzelektrode. Ein solches Sensorelement umfasst weiterhin mehrere Abschnitte oder Kammern, beispielsweise eine Vorkammer und eine Nachweiskammer, welche durch mindestens eine Diffusionsbarriere getrennt sind. Das Sensorelement ist ebenfalls über eine Diffusionsbarriere von dem Messgasraum getrennt. An der ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode, welche sich an der Vorkammer befindet, und an der zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode kann Sauerstoff entfernt werden, sodass idealerweise im Bereich der NO-Pumpelektrode, in der Nachweiskammer, kein Sauerstoff mehr vorhanden ist. Die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode kann sowohl in der Vorkammer als auch in der Nachweiskammer angeordnet sein. Die NO-Pumpelektrode zersetzt selektiv NO und pumpt den entstehenden Sauerstoff über den Festkörperelektrolyten als Ionenstrom zu der Referenzelektrode, welche mit einem Referenzgasraum verbunden ist. Der zu dem Ionenstrom korrespondierende sehr kleine elektrische Strom, beispielsweise im nA- oder μA-Bereich, kann gemessen werden und kann als Maß für die NO- und/oder NO_x-Konzentration im Abgas, als NO_x-Signal, dienen. Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich zulässiger Schadstoffemissionen in Kraftfahrzeugen machen es erforderlich, Schadstoffemissionen bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine zu überwachen. Neben der Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente, beispielsweise ein Anteil an NO_x, in dem Messgasraum, ist es erforderlich, die Funktionsbereitschaft des Sensorelements zu testen. Ein Verfahren zur Diagnose des Sensorelements kann einen Test einer Funktionsbereitschaft (OBD(On Board Diagnostic)-Funktionen) des Sensorelements und/oder eine elektrische Überprüfung und/oder eine Überprüfung und Plausibilisierung von Sensorteilfunktionen, wie beispielsweise eine Pumpfunktion und/oder eine dynamische Eigenschaft, umfassen.
Eine geforderte Überwachung einer Kennliniendrift und eine Dynamik des NO_x-Signals sind nach einem NO_x-Reduktionskatalysator mit Harnstoffeinspritzung (Selective Catalytic Reduction (SCR)) bisher in Dieselsystemen in der Regel nicht möglich, da nach dem NO_x-Reduktionskatalysator im Testzyklus keine NO_x-Emissionen vorhanden sind und/oder es in solchen Dieselsystemen nahezu unmöglich ist, mittels motorischer Maßnahmen genaue und bekannte NO_x-Konzentrationen einzustellen. Ein Referenzwert für eine NO_x-Konzentration in dem Messgasraum ist somit in der Regel nicht einstellbar und somit zumeist nicht verfügbar. Eine Modellierung des Dieselsystems mit NO_x-Reduktionskatalysator ist ebenfalls äußerst schwierig und in der Praxis kaum realisierbar. Eine Plausibilisierung der Sensorelemente zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente, insbesondere NO_x, untereinander, ist ebenfalls kaum möglich.
Interne Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements, welche auch bei sehr niedrigen NO_x-Emissionen nach einem NO_x-Reduktionskatalysator die Kennliniendrift erkennen können, würden sich anbieten. Solch ein Verfahren wird beispielsweise in DE 10 2006 053 841 A1 beschrieben. Hierbei wird während eines Betriebes einer Brennkraftmaschine laufend die NO_x-Konzentration mittels eines NO_x-Messaufnehmers gemessen und überprüft, ob vorgegebene Diagnosebedingungen erfüllt sind. Bei Erfülltsein der Bedingungen wird vom Messbetrieb auf einen Diagnosebetrieb umgeschaltet, indem der Sollwert für einen Sauerstoffionen-Pumpstrom einer ersten Messzelle von einem vorgegebenen ersten Wert auf einen vorgegebenen zweiten Wert derart geändert wird, dass NO_x in der ersten Messzelle zerstört wird. Nach Erreichen eines stabilen Wertes für die NO_x-Konzentration wird dieser Wert mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen und in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches wird der NO_x-Messaufnehmer hinsichtlich seiner Funktionstüchtigkeit bewertet.
In DE 103 12 732 A1 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Messsonde zur Messung einer Gaskonzentration vorgeschlagen, wobei eine Überprüfung einer Messelektrode durch eine Bestimmung der effektiv für eine Sauerstoffdiffusion zur Verfügung stehenden Elektrodenfläche durchgeführt wird.
Aus DE 10 2008 024 177 B3 ist ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Diagnose eines NO_x-Sensors für Brennkraftmaschinen bekannt, wobei während eines homogenen Betriebs der Brennkraftmaschine in einem vorgegebenen Diagnosezeitraum eine Diagnose des NO_x-Sensors durchgeführt wird. Abhängig von einem in einem Neuzustand des NO_x-Sensors ermittelten Referenzwert eines Messsignals des NO_x-Sensors und einem aktuellen Wert des Messsignals des NO_x-Sensors wird in dem Diagnosezeitraum ein Basisdiagnosewert ermittelt. In dem Diagnosezeitraum wird mittels der Abgassonde eine zeitabhängige Messwertfolge des Sauerstoffgehalts des Abgases in dem Abgastrakt ermittelt. Abhängig von der Messwertfolge des Sauerstoffgehalts des Abgases und dem Basisdiagnosewert des NO_x-Sensors wird ein korrigierter Diagnosewert des NO_x-Sensors bestimmt.
US 2009/0173140 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Diagnose eines NO_x-Sensors. Ein Ausgabewert des NO_x-Sensors verändert sich als Reaktion auf eine Änderung einer Sprühcharakteristik für einen Zylinder. Die Diagnosevorrichtung zur Diagnose von Abnormalitäten des NO_x-Sensors basiert auf diesem Ausgabewert.
In JP 2009175013 (A) wird ebenfalls eine Vorrichtung zur Diagnose eines NO_x-Sensors vorgestellt. Ein Verschleiß des NO_x-Sensors wird auf Basis einer Veränderung einer Ausgabe einer Sensorzelle bei einem Umschalten einer Pumpspannung, welche an eine Pumpzelle angelegt wird, bestimmt.
Trotz der Vorteile, welche durch die aus dem oben genannten Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren realisiert werden konnten, besteht nach wie vor ein erhebliches Optimierungspotenzial. So sind die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren in der Regel sehr empfindlich auf kleine Veränderungen einer Sauerstoff-Konzentration im Abgas, insbesondere da sich in einem Abgas von Dieselsystemen im Vergleich zu Benzinsystemen die Sauerstoff-Konzentration ständig verändert. Ein stationärer Lambda-Betriebspunkt ist insbesondere in Fahrzeugen mit Dieselsystem nicht vorhanden. Eine dauerhafte exakte Messung der NO_x-Konzentration kann nur durch eine regelmäßige Überprüfung von relevanten Sensorfunktionen erfolgen. Aufgrund des kleinen Verhältnisses der geringen NO_x-Konzentration gegenüber einer hohen Konzentration der parasitären Spezies Sauerstoff, beispielsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine, ist insbesondere eine Überprüfung von Eigenschaften der Sauerstoffentfernung in Kombination mit dem Nachweis von Stickoxiden in dem Abgas erforderlich. Beispielsweise könnte ein unerkannter Durchbruch von Sauerstoff, z. B. aufgrund einer gealterten Sauerstoff-Pumpelektrode, zu einer signifikanten Verfälschung des NO_x-Signals führen. Überprüft werden sollten sowohl Selektivitätseigenschaften als auch dynamische Eigenschaften der Pumpzellen und/oder der Nachweiszelle. Aus dem Stand der Technik sind keine geeigneten Verfahren zur Durchführung solcher Überprüfungen in diesen Systemen gegeben.
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum, insbesondere eines Sensorelements zum Nachweis von Stickoxiden in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden.
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente, vorzugsweise mindestens einer sauerstoffhaltigen Verbindung, insbesondere mindestens einem Stickoxid, in einem Messgasraum, umfasst mindestens ein Sensorelement. Das Sensorelement umfasst mindestens einen Festkörperelektrolyten und mindestens zwei Elektroden. Die Elektroden umfassen mindestens zwei Diagnoseelektroden. Bei den mindestens zwei Diagnoseelektroden kann es sich beispielsweise um Kombinationen zweier Elektroden, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus folgenden Elektroden, handeln: mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode; mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode; mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode; mindestens eine NO-Pumpelektrode; mindestens eine Referenzelektrode. „Erste” und „zweite” werden hierbei als Bezeichnungen verwendet, ohne Hinweis darauf, dass gegebenenfalls noch weitere Elektroden existieren können und ohne Hinweis auf eine Reihenfolge. Besonders bevorzugt sind beispielsweise folgende Kombinationen zweier Elektroden: Die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode; die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode. Weiterhin umfassen die Elektroden mindestens zwei Antwortelektroden. Die Antwortelektroden können ganz oder teilweise getrennt von den Diagnoseelektroden ausgestaltet sein, können jedoch auch ganz oder teilweise identisch oder bauteilgleich mit den Diagnoseelektroden ausgestaltet sein. Bei den mindestens zwei Antwortelektroden kann es sich beispielsweise um Kombinationen zweier Elektroden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus folgenden Elektroden, handeln: die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode; die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode; die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode; die mindestens eine NO-Pumpelektrode; die mindestens eine Referenzelektrode. Besonders bevorzugt sind beispielsweise folgende Kombinationen zweier Elektroden: Die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode; die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode; die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode.
Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Steuerung. Die Steuerung kann beispielsweise über eine Schnittstelle mit dem Sensorelement verbunden sein. Die Steuerung kann aber auch ganz oder teilweise in dem Sensorelement oder in dem Gehäuse des Sensorelements integriert sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung. Die Steuerung ist eingerichtet, um das unten beschriebene Verfahren zur Diagnose des Sensorelements durchzuführen. Die Steuerung kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden, insbesondere die Diagnoseelektroden, mit mindestens einem elektrischem Strom und/oder mindestens einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen. Beispielsweise kann die Steuerung eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle umfassen. Die Steuerung kann weiterhin beispielsweise eine Messvorrichtung, bevorzugt eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung, umfassen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung eingerichtet sein, um mindestens einen Strom und/oder mindestens eine Spannung durch bzw. an den Antwortelektroden zu erfassen. Weiterhin kann die Steuerung eine Auswertevorrichtung, umfassen, beispielsweise eine Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Auswertevorrichtung kann beispielsweise eine Auswerteschaltung umfassen. Die Steuerung kann weiterhin mindestens einen Signalgenerator umfassen. Darüber hinaus kann die Steuerung mindestens einen Regler umfassen, welcher beispielsweise eine definierte Signalsequenz, beispielsweise auf ein Antwortsignal, regelt. Bei dem Regler kann es sich beispielsweise um einen Lock-In-Regler handeln.
Das Sensorelement kann mindestens eine mit dem Gas aus dem Messgasraum, insbesondere über eine Diffusionsbarriere, beaufschlagbare Vorkammer umfassen. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine der Vorkammer, bevorzugt in Richtung eines Gastransports von dem Messgasraum zu der Vorkammer, nachgeschaltete Nachweiskammer umfassen. In der Vorkammer und/oder der Nachweiskammer kann mindestens eine Pumpzelle zur zumindest teilweisen Entfernung mindestens einer ersten Gaskomponente vorgesehen sein. Vorzugsweise kann es sich bei dieser ersten Gaskomponente um molekularen Sauerstoff handeln. Bei dieser Pumpzelle kann es sich daher bevorzugt um eine Sauerstoffpumpzelle handeln. Weiterhin kann in der Nachweiskammer mindestens eine Nachweiszelle zum Nachweis mindestens einer zweiten Gaskomponente vorgesehen sein. Bei der zweiten Gaskomponente kann es sich vorzugsweise um mindestens eine sauerstoffhaltige Verbindung, insbesondere um mindestens ein Stickoxid, handeln. Bei der Nachweiszelle kann es sich daher insbesondere um eine NO_x-Pumpzelle handeln. Eine Pumpzelle kann prinzipiell eine Kombination zweier Elektroden, beispielsweise ausgewählt aus folgenden Kombinationen zweier Elektroden, umfassen: Die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode; die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode. Erstgenannte Kombination kann vorzugsweise eine Pumpzelle bilden, welche, abhängig von einer eventuell angelegten Spannung, Sauerstoff zwischen der Vorkammer und dem Messgasraum pumpt. Die zweitgenannte Kombination kann eine Pumpzelle bilden, welche abhängig von einer eventuell angelegten Spannung vorzugsweise Sauerstoff zwischen der Vorkammer und einem Referenzgasraum oder zwischen der Vorkammer und dem Messgasraum; oder zwischen Nachweiskammer und Referenzgasraum pumpt. Die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode kann je nach genannter Pumpfunktion an unterschiedlichen Stellen des Sensorelements angeordnet sein. Um zwischen Vorkammer und Referenzgasraum zu pumpen kann die innere Sauerstoff-Pumpelektrode derart an einem Bereich des Festkörperelektrolyten angebracht sein, so dass die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode zumindest teilweise Kontakt zu der Vorkammer und zumindest teilweise Kontakt zu einem Bereich des Festkörperelektrolyten hat, welcher mit dem Referenzgasraum verbunden ist. Um zwischen Vorkammer und Messgasraum zu pumpen kann die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode an einem Bereich des Festkörperelektrolyten angebracht sein, so dass die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode zumindest teilweise Kontakt zu der Vorkammer und zumindest teilweise Kontakt zu einem Bereich des Festkörperelektrolyten hat, welcher mit dem Messgasraum verbunden ist. Um zwischen Nachweiskammer und Referenzgasraum zu pumpen kann die innere Sauerstoff-Pumpelektrode an einem Bereich des Festkörperelektrolyten angebracht sein, so dass die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode zumindest teilweise Kontakt zu der Nachweiskammer und zumindest teilweise Kontakt zu einem Bereich des Festkörperelektrolyten hat, welcher mit dem Referenzgasraum verbunden ist. An einer Kombination zweier Elektroden kann eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom angelegt und/oder erfasst werden.
In dem vorgeschlagenen Verfahren zur Diagnose des Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum, wie oben beschrieben, werden die Diagnoseelektroden mit mindestens einer definierten Signalsequenz, insbesondere einer kontinuierlichen Signalsequenz, beispielsweise einem Diagnosesignal, insbesondere einem zeitlich kontinuierlich variierenden Diagnosesignal, beaufschlagt. Unter einer definierten Signalsequenz ist allgemein eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Abfolge von vorgegebenen oder bestimmbaren Signalen zu verstehen, beispielsweise in einer vorgegebenen oder bestimmbaren zeitlichen Reihenfolge. Insbesondere können die Signale der definierten Signalsequenz Spannungssignale und/oder Stromsignale umfassen. Insbesondere können mindestens zwei Diagnoseelektroden mit mindestens einem zeitlich kontinuierlich variierenden Diagnosesignal beaufschlagt werden. Unter einem zeitlich kontinuierlich variierenden Signal kann prinzipiell beispielsweise ein Signal verstanden werden, welches in Form einer stetigen Funktion der Zeit, d. h. ohne Sprünge und Lücken oder einer halbstetigen Funktion der Zeit, d. h. ohne Sprünge oder Lücken, beschrieben werden kann. Bei der definierten Signalsequenz kann es sich insbesondere um einen, insbesondere zeitlich kontinuierlich variierenden, elektrischen Strom oder um eine, insbesondere zeitlich kontinuierlich variierende, elektrische Spannung handeln, wobei beispielsweise der elektrische Strom derart beaufschlagt werden kann, dass dieser durch eine die Diagnoseelektroden umfassende Zelle fließt, und/oder wobei die elektrische Spannung beispielsweise an eine die Diagnoseelektroden umfassende Zelle angelegt wird. Bevorzugt kann es sich bei der definierten Signalsequenz um eine stufenförmige Anhebung und/oder Absenkung, insbesondere der elektrischen Spannung, handeln. Dabei kann beispielsweise nach einer Anhebung oder Absenkung jeweils ein Einschwingvorgang abgewartet werden. Insbesondere kann es sich um ein periodisches Signal, beispielsweise um ein sinusförmiges und/oder rechteckförmiges und/oder dreieckförmiges und/oder sägezahnförmiges und/oder stufenförmiges und/oder gepulstes Signal handeln, wobei die Frequenz der periodischen Signale konstant oder zeitlich variierend sein kann. Es kann sich auch um eine Kombination der genannten Pulsformen handeln. An den Antwortelektroden wird mindestens ein Antwortsignal erfasst, insbesondere mit Hilfe der Steuerung. Bei dem mindestens einen Antwortsignal kann es sich insbesondere um einen zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stroms und/oder um einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Spannung handeln. Erfasst wird beispielsweise mit dem Antwortsignal eine elektrische Spannungssequenz und/oder eine elektrische Stromsequenz, insbesondere eine zeitlich kontinuierlich variierende elektrische Spannung und/oder ein zeitlich kontinuierlich variierender elektrischer Strom. Das Antwortsignal kann insbesondere zeitlich kontinuierlich erfasst werden, insbesondere als Funktion der Zeit.
Aus dem Antwortsignal kann beispielsweise auf mindestens einen Alterungszustand des Sensorelements geschlossen werden. Insbesondere kann aus dem Antwortsignal beispielsweise auf den Alterungszustand mindestens einer Elektrode der Elektroden, beispielsweise mindestens einer Antwortelektrode und/oder mindestens einer Diagnoseelektrode, und/oder auf den Alterungszustand des Festkörperelektrolyten und/oder auf den Alterungszustand einer Diffusionsbarriere geschlossen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Diagnose der Selektivitäts- und/oder der Dynamikeigenschaften mindestens einer Sauerstoffpumpzelle und/oder mindestens einer Nachweiszelle und/oder mindestens einer Diffusionsbarriere, insbesondere mindestens einer NO_x-Pumpzelle ermöglichen. Diese Eigenschaften sind insbesondere entsprechend den zugehörigen elektrochemischen Prozessen, frequenz- und/oder spannungsabhängig. Eine Frequenz- und/oder Spannungsabhängigkeit der Selektivitäts- und Dynamikeigenschaften der Sauerstoffpumpzelle und/oder der Nachweiszelle, beispielsweise der NO_x-Pumpzelle, verändern sich über die Lebensdauer durch Alterung. Durch das vorgeschlagene Verfahren kann der Alterungszustand des Sensorelements regelmäßig, beispielsweise mindestens 1× pro Jahr, insbesondere mindestens 1× pro Monat, bevorzugt 1× pro Stunde, besonders bevorzugt 1× pro Minute, und/oder unregelmäßig überprüft werden. Durch das vorgeschlagene Verfahren können beispielsweise signifikante Messfehler, beispielsweise durch einen nicht erkennbaren Sauerstoff-Durchbruch in den Bereich der Nachweiszelle, beispielsweise der NO_x-Pumpzelle, durch Alterung einer Sauerstoff-Pumpzelle verhindert werden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere entsprechend des Antwortsignals mindestens ein Betrieb, insbesondere mindestens ein Betriebsparameter, des Sensorelements, an einen Alterungszustand des Sensorelements angepasst werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insbesondere durch Exemplarstreuung und/oder durch Alterungseffekte bedingte Messfehler erkannt werden. Diese können insbesondere beispielsweise durch Anpassung von Kompensationsdaten, welche beispielsweise bei einer Sauerstoff-Kompensations-Rechnung Verwendung finden, und/oder durch Anpassung von Regelparametern der Sauerstoffpumpzelle reduziert werden.
In dem vorgestellten Verfahren kann das Antwortsignal mit mindestens einem Auswerteverfahren ausgewertet werden. Das Auswerteverfahren kann insbesondere ausgewählt werden aus: einem Mustererkennungsverfahren, wobei in dem Mustererkennungsverfahren das Antwortsignal, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Antwortsignals, mit mindestens einem vorgegebenen Mustersignal verglichen werden kann; einem Auswerteverfahren, bei welchem mindestens ein charakteristischer Punkt des Sensorelements bestimmt kann, insbesondere mindestens eine Zersetzungsspannung mindestens einer Komponente des Gases und/oder mindestens eine Frequenz.
Das Antwortsignal und/oder die definierte Signalsequenz, insbesondere beispielsweise das Diagnosesignal, kann zur Erzeugung mindestens einer Fehlerinformation verwendet werden. Beispielsweise kann eine Abweichung von einem Grenzmusterverhalten bestimmt werden. Die Fehlerinformation kann durch Auswertung mindestens eines Parameters generiert werden. Der Parameter kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Amplitude; einer Phasenverschiebung; einer Frequenz; einem Oberwellenspektrum; einer Zeitverschiebung; einer Totzeit; einem Einschwingverhalten; einem Abklingverhalten. Zur Erzeugung der mindestens einen Fehlerinformation kann weiterhin die Durchführung von Rechenoperationen, beispielsweise zur Bestimmung mindestens einer Impedanz und/oder mindestens eines charakteristischen Punktes und oder mindestens eines Parameters dienen.
Mittels der Fehlerinformation kann beispielsweise mindestens eine Diagnoseentscheidung getroffen werden. Beispielsweise kann die Entscheidung getroffen werden, ob Alterungseffekte der Elektroden und/oder der Diffusionsbarrieren und/oder der Selektivitätseigenschaften einer Pumpzelle vorhanden sind. Alternativ oder zusätzlich können Daten zur Behebung eines Fehlers erzeugt werden. Beispielsweise können die Fehlerinformationen selbst als Daten zur Fehlerbehebung dienen. Alternativ oder zusätzlich können Daten zur Fehlerbehebung aus der Fehlerinformation abgeleitet werden. Bei den Daten zur Behebung eines Fehlers kann es sich beispielsweise um Daten zur Anpassung von Kompensationsdaten und/oder zur Anpassung von Regelparametern und/oder zu Neukalibrierungen handeln.
Das Diagnosesignal kann auf mindestens ein Sollsignal, insbesondere auf das mindestens eine Antwortsignal, geregelt sein.
Die Diagnoseelektroden können beispielsweise mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode umfassen. Die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode kann zumindest teilweise mit dem Festkörperelektrolyten verbunden sein und kann außerdem zumindest teilweise mit dem Messgasraum verbunden sein.
Nach dem vorgeschlagenen Verfahren können die Antwortelektroden beispielsweise mindestens ein Elektrodenpaar umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der mindestens einen zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode und der mindestens einen Referenzelektrode; der mindestens einen NO-Pumpelektrode und der mindestens einen Referenzelektrode. Hierbei kann die zweite innere Elektrode identisch oder verschieden zu der ersten inneren Elektrode sein. „Erste” und „zweite” werden als reine Bezeichnungen verwendet, ohne Hinweis darauf, dass ggf. noch weitere Elektroden existieren. D. h., der Begriff „erste” wird beispielsweise verwendet, ohne dass notwendigerweise eine zweite Elektrode existiert. Die Referenzelektrode kann mindestens teilweise mit dem Festkörperelektrolyten verbunden sein und kann mindestens teilweise mit einem Referenzgasraum verbunden sein.
An unterschiedlichen Antwortelektroden können beispielsweise mindestens zwei Antwortsignale, insbesondere an unterschiedlichen Antwortelektroden, erfasst werden. Es kann sich hierbei insbesondere um mindestens ein erstes Antwortsignal an der mindestens einen zweiten inneren Elektrode und der mindestens einen Referenzelektrode, und mindestens ein zweites Antwortsignal an der mindestens einen NO-Pumpelektrode und der mindestens einen Referenzelektrode handeln. Die definierte Signalsequenz kann insbesondere auf ein erstes Antwortsignal der mindestens zwei Antwortsignale geregelt werden. Ein zweites Antwortsignal der zwei Antwortsignale kann beispielsweise ein Messsignal sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch das erste Antwortsignal ein Messsignal sein.
Die definierte Signalsequenz kann ein Signal mit zeitlich ansteigender oder abfallender, insbesondere linear ansteigender oder abfallender, Frequenz sein. Die Diagnoseelektroden können hierbei insbesondere die äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode umfassen. Die Antwortelektroden können insbesondere folgende Kombinationen zweier Elektroden umfassen: die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode; die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode. Bei dem mindestens einen Antwortsignal kann es sich insbesondere um den zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms und/oder um den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung an einer Kombination zweier Antwortelektroden handeln.
Die definierte Signalsequenz kann ein Signal mit zeitlich ansteigendem oder abfallenden, insbesondere linear ansteigendem oder abfallendem, Betrag, beispielsweise dem Betrag der elektrischen Spannung oder dem Betrag des elektrischen Stroms, sein. Die Diagnoseelektroden können beispielsweise insbesondere die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode umfassen. Zwei Antwortelektroden können beispielsweise wie folgt kombiniert werden: die mindestens eine innere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode; die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode. An mindestens einer dieser Kombinationen zweier Elektroden kann das mindestens eine Antwortsignal, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des elektrischen Stroms und/oder ein zeitlicher Verlauf der elektrischen Spannung, erfasst werden.
Die Diagnoseelektroden können insbesondere folgende Kombination zweier Elektroden umfassen: die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode. Die definierte Signalsequenz kann insbesondere ein zeitlich kontinuierlich variierender elektrischen Strom oder eine zeitlich kontinuierlich variierende elektrische Spannung, bevorzugt eine stufenförmige Anhebung und/oder Absenkung der Spannung, sein, welche auf die Sollsequenz geregelt sein kann. Die Sollsequenz kann insbesondere das Antwortsignal einer ersten Antwortzelle, die insbesondere die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode umfassen kann, umfassen. Bei der Sollsequenz kann es sich insbesondere um einen zeitlich linear ansteigenden elektrischen Strom oder um eine zeitlich linear ansteigende elektrische Spannung oder um ein Wechselsignal, beispielsweise um eine Wechselspannung und/oder einen Wechselstrom, handeln. An einer zweiten Antwortzelle, welche beispielsweise die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode umfasst, kann ein zweites Antwortsignal, insbesondere ein zeitlicher Verlauf eines elektrischen Stroms und/oder ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Spannung erfasst werden.
Die Diagnoseelektroden können Kombinationen zweier Elektroden umfassen, insbesondere die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode. Die definierte Signalsequenz kann insbesondere ein periodischer elektrischer Strom und/oder eine periodische elektrische Spannung umfassen. Das Antwortsignal kann insbesondere mindestens eine Zellimpedanz mindestens einer die Antwortelektroden, oder zumindest zwei der Antwortelektroden, umfassenden Antwortzelle, welche in diesem oder auch in anderen Beispielen identisch oder auch verschieden von den Diagnoseelektroden sein können, umfassen.
Die Diagnoseelektroden können insbesondere eine Kombination zweier Elektroden, insbesondere die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode, umfassen. An dieser Kombination zweier Diagnoseelektroden kann eine definierte Signalsequenz, insbesondere ein periodisches Diagnosesignal mit zeitlich linear ansteigender Frequenz, insbesondere ein periodischer elektrische Strom mit zeitlich linear ansteigender Frequenz und/oder eine periodische elektrische Spannung mit zeitlich linear ansteigender Frequenz, beaufschlagt werden. An einer Kombination zweier Antwortelektroden, welche insbesondere identisch mit den Diagnoseelektroden sind, kann das Antwortsignal, insbesondere die Zellimpedanz, erfasst werden.
Eine Kombination zweier Elektroden, insbesondere zweier Diagnoseelektroden, kann die mindestens eine NO-Pumpelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode umfassen. An dieser Kombination zweier Diagnoseelektroden kann eine definierte Signalsequenz, insbesondere ein periodisches Diagnosesignal, insbesondere ein periodischer elektrischer Strom und/oder eine periodische elektrische Spannung, beaufschlagt werden. An den Antwortelektroden, welche insbesondere identisch mit den beiden Diagnoseelektroden sein können, kann das Antwortsignal, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des elektrischen Stroms und/oder ein zeitlicher Verlauf der elektrischen Spannung, erfasst werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements kann im Gegensatz zur aktiven Systemdiagnose, wie im Stand der Technik beschrieben, ohne Emissionseinfluss durchgeführt werden. Eine erhöhte Robustheit gegenüber Veränderungen der Sauerstoff-Konzentration im Abgas während der Diagnose des vorgeschlagenen Verfahrens bietet die Möglichkeit, das Verfahren beispielsweise mindestens einmal pro Fahrzyklus oder regelmäßig oder unregelmäßig nach mehreren Fahrzyklen durchzuführen. Die Häufigkeit der Durchführung der Diagnose kann beispielsweise auch von einer jeweiligen Gesetzgebung und/oder von einem Alterungsverhalten des Sensorelements abhängen. Beispielsweise kann ein Fahrzyklus je nach relevanter Gesetzgebung standardisiert sein. Eine Diagnose kann auch beispielsweise lediglich bei vorgegebenen Fahrzyklen durchgeführt werden, beispielsweise jedem n-ten Fahrzyklus.
Durch das vorgeschlagene Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements kann eine gezielte Diagnose und Ursachenanalyse des Sensorelements möglich sein, welches aufgrund einer Vielzahl möglicher Ursachen, welche bei dem Sensorelement zu einem Fehler führen können, ein deutlicher Vorteil darstellen kann. Das vorgestellte Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements kann beispielsweise zur geführten Fehlersuche in einer Werkstatt genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere als OBD-, bevorzugt als Eigen-OBD-Verfahren, ausgestaltet sein und kann insbesondere bei keramischen Sensoren, beispielsweise konventionellen und/oder integrativen NO_x-Sensoren, insbesondere zur Diagnose dynamischer Eigenschaften hinsichtlich eines NO_x-Signals und/oder zur Überwachung von Änderungen der NO_x-Kennlinie über die Lebenszeit eingesetzt werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum;
2A eine Darstellung einer definierten Signalsequenz als Funktion der Zeit;
2B eine Darstellung eines Antwortsignals als Funktion der Zeit;
2C eine weitere Darstellung eines Antwortsignals als Funktion der Zeit:
3A eine Darstellung einer definierten Signalsequenz als Funktion der Zeit eines zweiten Ausführungsbeispiels;
3B eine Darstellung eines Sollsignals als Funktion der Zeit des zweiten Ausführungsbeispiels;
3C eine Darstellung eines Antwortsignals als Funktion der Zeit des zweiten Ausführungsbeispiels;
4 eine Darstellung einer Frequenz einer definierten Signalsequenz als Funktion der Zeit eines dritten Ausführungsbeispiels;
5 Eine Darstellung eines Antwortsignals als Funktion der Zeit eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112, umfassend mindestens ein Sensorelement 114, dargestellt. Das Sensorelement 114 umfasst mindestens einen Festkörperelektrolyten 116. Das Sensorelement 114 umfasst weiterhin mindestens zwei Elektroden 118. Die Elektroden 118 umfassen mindestens zwei Diagnoseelektroden 120 und mindestens zwei Antwortelektroden 122. Bei den mindestens zwei Diagnoseelektroden 120 kann es sich beispielsweise um Kombinationen zweier Elektroden 118, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus folgenden Elektroden 118, handeln: mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126; mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128; mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130; mindestens eine NO-Pumpelektrode 132; mindestens eine Referenzelektrode 134. Die Namenszusätze „erste” und „zweite” werden als reine Bezeichnungen verwendet, ohne Hinweis darauf, dass ggf. noch weitere Elektroden 118 existieren. D. h., der Begriff „erste” wird beispielsweise verwendet, ohne dass notwendigerweise eine zweite Elektrode 118 existiert. Besonders bevorzugt als Diagnoseelektroden 120 sind beispielsweise folgende Kombinationen zweier Elektroden 118: die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128; die mindestens eine NO-Pumpelektrode 132 und die mindestens eine Referenzelektrode 134. Die Antwortelektroden 122 können ganz oder teilweise getrennt von den Diagnoseelektroden 120 ausgestaltet sein. Die Antwortelektroden 122 können jedoch auch ganz oder teilweise identisch oder bauteilgleich mit den Diagnoseelektroden 120 ausgestaltet sein. Bei den Antwortelektroden 122 kann es sich beispielsweise um Kombinationen zweier Elektroden 118, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus folgenden Elektroden 118, handeln: die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126; die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128; die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130; die mindestens eine NO-Pumpelektrode 132; die mindestens eine Referenzelektrode 134. Besonders bevorzugt als Antwortelektroden 122 sind folgende Kombinationen zweier Elektroden 118: die mindestens eine NO-Pumpelektrode 132 und die mindestens eine Referenzelektrode 134; die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und die mindestens eine Referenzelektrode 134; die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst weiterhin mindestens eine Steuerung 124. Die Steuerung 124 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 125 mit dem Sensorelement 114 verbunden sein. Die Steuerung 124 kann ganz oder teilweise in dem Sensorelement 114 oder in einem Gehäuse des Sensorelements 114 integriert sein. Die Steuerung 124 kann jedoch auch ganz oder teilweise in anderen Komponenten integriert sein, beispielsweise in einem Stecker und/oder einer Motorsteuerung. Die Steuerung 124 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Diagnose des Sensorelements 114 durchzuführen. Die Steuerung 124 kann beispielsweise eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden 118 mit elektrischem Strom und/oder mit elektrischer Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln. Die Steuerung 124 kann weiterhin ggf. eine Messvorrichtung, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung, umfassen. Außerdem kann die Steuerung 124 auch beispielsweise eine Auswertevorrichtung, beispielsweise eine Datenverarbeitungsvorrichtung, umfassen. Die Steuerung 124 kann weiterhin mindestens einen Signalgenerator umfassen. Weiterhin kann die Steuerung 124 optional mindestens einen Regler, beispielsweise einen Lock-In-Regler, umfassen. Das Sensorelement 114 kann insbesondere zum Nachweis von Stickoxiden in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine verwendet werden.
Das Sensorelement 114 kann weiterhin mindestens eine mit dem Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbare Vorkammer 140 umfassen. Das Sensorelement 114 umfasst weiterhin mindestens eine der Vorkammer 140 nachgeschaltete Nachweiskammer 142. „Nachgeschaltet” bedeutet hierbei in Richtung eines Gastransports vom Messgasraum 112 über die Vorkammer 140 zur Nachweiskammer 142. In der Vorkammer 140 und/oder in der Nachweiskammer 142 kann mindestens eine Pumpzelle 144 zur zumindest teilweisen Entfernung mindestens einer ersten Gaskomponente vorgesehen sein. Bei der mindestens einen ersten Gaskomponente kann es sich vorzugsweise um molekularen Sauerstoff handeln. Die Pumpzelle 144 kann eine Kombination zweier Elektroden 118 umfassen, wobei die zwei Elektroden 118 beispielsweise ausgewählt sein können aus folgenden Kombinationen zweier Elektroden 118: die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128; die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und die eine Referenzelektrode 134. Die erstgenannte Kombination kann vorzugsweise eine Pumpzelle 144 bilden, welche, abhängig von einer eventuell angelegten elektrischen Spannung, Sauerstoff zwischen der Vorkammer 140 und dem Messgasraum 112 pumpen kann. Die zweitgenannte Kombination kann beispielsweise eine Pumpzelle 144 bilden, bei welcher abhängig von einer eventuell angelegten Spannung vorzugsweise Sauerstoff zwischen der Vorkammer 140 und einem Referenzgasraum 146 gepumpt werden kann. Die äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 kann zumindest teilweise mit dem Festkörperelektrolyten 116 und zumindest teilweise mit dem Messgasraum 112 verbunden sein. Die erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128 kann zumindest teilweise mit dem Festkörperelektrolyten 116 und zumindest teilweise mit der Vorkammer 140 verbunden sein. Die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 kann beispielsweise zumindest teilweise mit dem Festkörperelektrolyten 116 und zumindest teilweise mit der Vorkammer 140 verbunden sein. Die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 kann dabei auf der dem Referenzgasraum 146 zugewandten Seite, insbesondere einer Bodenseite, angeordnet sein. Die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 kann in einer zweiten Variante der Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112 auf der dem Messgasraum 112 zugewandten Seite, insbesondere einer Deckenseite, angeordnet sein. In einer dritten Variante der Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung. mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112 kann die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 zumindest teilweise mit dem Festkörperelektrolyten 116 und zumindest teilweise mit der Nachweiskammer 142 verbunden sein. Die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 kann hierbei auf der dem Referenzgasraum 146 zugewandten Seite, insbesondere der Bodenseite, angeordnet sein. Hierbei kann Sauerstoff, insbesondere molekularer Sauerstoff, zwischen der Nachweiskammer 142 und dem Messgasraum 112 gepumpt werden. Prinzipiell kann eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 110 auch ein oder mehrere zweite innere Sauerstoff-Pumpelektroden 130 umfassen, welche an unterschiedlichen, auch hier nicht beschriebenen, Stellen innerhalb der Sensorvorrichtung 110 angebracht sein können. Prinzipiell können auch andere Ausgestaltungen des Sensorelements 114 möglich sein und eingesetzt werden. An einer Kombination zweier Elektroden 118 kann eine elektrische Spannung und/oder ein elektrischer Strom angelegt und/oder erfasst werden, insbesondere mit Hilfe der Steuerung 124.
In der Nachweiskammer 142 kann mindestens eine Nachweiszelle 148 zum Nachweis mindestens einer zweiten Gaskomponente vorgesehen sein. Bei der zweiten Gaskomponente kann es sich vorzugsweise um mindestens eine sauerstoffhaltige Verbindung, insbesondere mindestens eine stickoxidhaltige Verbindung, handeln. Der Messgasraum 112 und die Vorkammer 140 sowie die Vorkammer 140 und die Nachweiskammer 142 können insbesondere jeweils über eine Diffusionsbarriere, welche eine definierte Gasdiffusion ermöglichen kann, verbunden sein. Prinzipiell können die Elektroden 118 aus einem beliebigen leitenden Material gefertigt sein. Die erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128 und die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 können vorzugsweise aus einer PtAu-Legierung gefertigt sein, wohingegen die NO-Pumpelektrode 132 vorzugsweise aus einer PtRh-Legierung gefertigt sein kann. Das Sensorelement 114 kann weiterhin ein integriertes Heizelement 150, insbesondere ein Heizelement 150 mit Isolation, umfassen, wobei das Heizelement 150 das Sensorelement 114, oder mindestens einen Teil des Sensorelements 114, auf eine Temperatur, insbesondere auf eine konstante Temperatur, kontrolliert heizen kann. Das Heizelement 150 kann bei dem Verfahren zur Diagnose des Sensorelements 114 insbesondere zur Kontrolle und Einstellung unterschiedlicher Temperaturen verwendet werden.
Das Gas aus dem Messgasraum 112 kann über eine erste Diffusionsbarriere 152 in die Vorkammer 140 diffundieren. An mindestens einer Pumpzelle 144 kann ein Teil des Sauerstoffs aus dem Gas gepumpt werden. Über eine zweite Diffusionsbarriere 154 kann das Gas von der Vorkammer 140 zur Nachweiszelle 148 gelangen. An der Nachweiszelle 148 kann weiterer Sauerstoff durch mindestens eine Pumpzelle 144 abgepumpt werden und beispielsweise an der Nachweiszelle 148 kann ein Anteil eines Stickoxides gemessen werden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements 114, wie oben beschrieben und in 1 dargestellt, zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112, beschrieben. Prinzipiell können in dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl Sensorelemente 114 aus dem Stand der Technik als auch erfindungsgemäße Vorrichtungen verwendet werden. Die Diagnoseelektroden 120 werden mit mindestens einer definierten Signalsequenz 136 beaufschlagt. Bei der definierten Signalsequenz 136 kann es sich insbesondere um einen zeitlich kontinuierlich variierenden elektrischen Strom und/oder um eine zeitlich kontinuierlich variierende elektrische Spannung, bevorzugt um eine stufenförmige Anhebung und/oder Absenkung einer elektrischen Spannung, handeln. Bei der definierten Signalsequenz 136 kann es sich insbesondere um ein periodisches Signal, beispielsweise um ein sinusförmiges und/oder ein rechteckförmiges und/oder ein dreieckförmiges und/oder ein sägezahnförmiges Signal handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um ein stufenförmiges, beispielsweise stufenförmig an- oder absteigend, und/oder um ein gepulstes Signal handeln. Bei Verwendung periodischer Signale kann die Frequenz ggf. konstant oder zeitlich variierend sein. Prinzipiell kann es sich auch um Kombinationen der genannten Pulsformen handeln. Prinzipiell kann es sich beispielsweise um eine zeitlich kontinuierlich variierende elektrische Spannung oder um einen zeitlich kontinuierlich variierenden elektrischen Strom, bevorzugt um eine stufenförmige Anhebung und/oder Absenkung einer elektrischen Spannung und/oder eines elektrischen Stroms, handeln. An den Antwortelektroden 122 wird mindestens ein Antwortsignal 138 erfasst. Erfasst werden kann beispielsweise eine elektrische Spannungssequenz und/oder eine elektrische Stromsequenz, beispielsweise eine zeitlich kontinuierlich variierende elektrische Spannung und/oder ein zeitlich kontinuierlich variierender elektrischer Strom. Das Antwortsignal 138 kann insbesondere zeitlich kontinuierlich, insbesondere als Funktion der Zeit, erfasst werden. Das Antwortsignal 138 kann beispielsweise zeitversetzt oder bevorzugt zeitgleich zu der Beaufschlagung der definierten Signalsequenz 136 erfasst werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Diagnose eines Sensorelements 114, wobei das Sensorelement 114 beispielsweise wie oben beschrieben ausgestaltet ist, können die Diagnoseelektroden 120 bevorzugt die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128 umfassen. Die Elektroden 118 umfassen weiterhin mindestens zwei Antwortelektroden 122, wobei es sich bei den Antwortelektroden 122 dieses Ausführungsbeispiels insbesondere um die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und die mindestens eine Referenzelektrode 134 und/oder um die mindestens eine NO-Pumpelektrode 132 und die mindestens eine Referenzelektrode 134 handeln kann. Die Diagnoseelektroden 120 werden mit mindestens einer definierten Signalsequenz 136 beaufschlagt. Bei der definierten Signalsequenz 136 kann es sich insbesondere, wie in 2A als Funktion der Zeit t dargestellt, um ein sinusförmiges Diagnosesignal 156 handeln. Dieses sinusförmige Diagnosesignal 156 kann sowohl als Spannungs (U_p) – als auch als Stromsequenz (I_p) ausgelegt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann unregelmäßig oder regelmäßig, mit prinzipiell beliebig, insbesondere je nach Sensorelement 114 und/oder entsprechenden gesetzlichen Vorgaben, wählbaren Zeitabständen, ggf. auch situativ, beispielsweise in einer Autowerkstatt, durchgeführt werden.
2A zeigt das sinusförmige Diagnosesignal 156, insbesondere als elektrische Spannung U_p oder als elektrischen Strom I_p als Funktion der Zeit t. Resultierend kann sich entsprechend des sinusförmigen Diagnosesignals 156 ein Sauerstoffpartialdruck in der Vorkammer 140, wie oben beschrieben, und in der Nachweiskammer 142, ebenfalls wie oben beschrieben, in ähnlich dynamischer Form ändern. An den Antwortelektroden 122 wird mindestens ein Antwortsignal 138 erfasst. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Antwortsignal 138 insbesondere an der mindestens einen zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der mindestens einen Referenzelektrode 134 und/oder an der mindestens einen NO-Pumpelektrode 132 und der mindestens einen Referenzelektrode 134 erfasst werden.
2B zeigt das Antwortsignal 138, insbesondere eine elektrische Spannung U_p und einen elektrischer Strom I_p, als Funktion der Zeit t, welches beispielsweise an der zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der Referenzelektrode 134 gemessen werden kann.
2C zeigt ein Antwortsignal 138, insbesondere eine elektrischen Spannung U_p und/oder einen elektrischen Stroms I_p als Funktion der Zeit t, welches beispielsweise an der NO-Pumpelektrode 132 und der Referenzelektrode 134 erfasst werden kann. Ziel dieses Verfahrens zur Diagnose des Sensorelements 114 kann insbesondere eine Überprüfung dynamischer Funktionseigenschaften sein. Die dynamischen Funktionseigenschaften können insbesondere für eine ausreichende Reaktionszeit sowie für eine für den fehlerfreien Betrieb des Sensorelements 114 notwendige hohe Qualität der Sauerstoffentfernung, insbesondere bei schnellen Sauerstoffkonzentrationswechsel im Abgas, über die gesamte Lebensdauer des Sensorelements 114 notwendig sein. Beispielsweise könnte aufgrund eines extremen Verhältnisses der Störspezies Sauerstoff und der zu detektierenden Spezies Stickstoff schon bei kleinen nicht erkannten Sauerstoff-Durchbrüchen bei gealterten Elektroden 118 ein drastischer Messfehler auftreten. Bei der Durchführung des vorgestellten Verfahrens zur Diagnose des Sensorelements 114 kann beispielsweise aus dem Antwortsignal 138 auf mindestens einen Alterungszustand des Sensorelements 114 geschlossen werden. Beispielsweise können folgende, für den fehlerfreien Messbetrieb erforderliche, Dynamikeigenschaften überprüft werden: Reaktionszeit und/oder Reaktionsverlauf des Antwortsignals 138, insbesondere eine elektrische Spannung an der zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der Referenzelektrode 134, auf beispielsweise eine Änderung der definierten Signalsequenz 136; Reaktionsverlauf und/oder Reaktionszeit des Antwortsignals 138, beispielsweise eines elektrischen Stroms an der NO-Pumpelektrode 132 und der Referenzelektrode 134. Ersteres kann eine Überprüfung eines Alterungsverhaltens einer Übertragungsfunktion zwischen der definierten Signalsequenz 136 und dem Antwortsignal 138 beinhalten, welche relevant für die Regelung eines Sauerstoff-Entfernungssystems ist. Die zweitgenannte Dynamikeigenschaft kann beispielsweise das Alterungsverhalten eines Gasaustausches zwischen der Vorkammer 140 und der Nachweiskammer 142 überprüfen. Hierdurch kann beispielsweise auf den Alterungszustand der zwischen Vorkammer 140 und Nachweiskammer 142 befindlichen Diffusionsbarriere, insbesondere der zweiten Diffusionsbarriere 154, geschlossen werden. Geprüft werden kann beispielsweise auf ein Grenzverhalten des Sensorelements 114 bezüglich der obigen Dynamikeigenschaften. Aus einer Überschreitung des Grenzverhaltens bei der Durchführung des Verfahrens zur Diagnose des Sensorelements 114, z. B. ein langsameres bzw. verzögertes Antwortsignal 138, kann beispielsweise auf eine Fehlfunktion des Sensorelements 114 geschlossen werden, da beispielsweise ein langsameres Systemverhalten keine exakte Stickoxidmessung mehr zulässt. Die Auswertung des Antwortsignals 138 kann beispielsweise bevorzugt nach folgenden Parametern erfolgen: mindestens eine Amplitude; mindestens eine Phasenverschiebung, beispielsweise zu der definierten Signalsequenz 136; mindestens eine Frequenz und/oder mindestens ein Oberwellenspektrum; mindestens eine Zeitverschiebung; mindestens eine Totzeit; mindestens ein Einschwing- und/oder mindestens ein Abklingverhalten. Die Amplitude der definierten Signalsequenz 136 kann beispielsweise 0 V bis 3 V, bevorzugt 1 mV bis 2,5 V, besonders bevorzugt 10 mV bis 2 V betragen. Die Frequenz der definierten Signalsequenz 136 kann beispielsweise 0 bis 10 MHz, bevorzugt 0,1 Hz bis 1 MHz, besonders bevorzugt 1 Hz bis 10 kHz betragen. Die definierte Signalsequenz 136 kann weiterhin beispielsweise einen Offset von –3 V bis +3 Volt, bevorzugt –2,5 V bis + 2,5 V, besonders bevorzugt –1,5 V bis +1,5 V, umfassen. Mögliche Aufprägungsformen für definierte Signalsequenzen 136 sind in der Offenbarung der Erfindung offenbart. Prinzipiell können jedoch auch andere definierte Signalsequenzen 136 verwendet werden. Das Antwortsignal 138 kann mit mindestens einem Auswerteverfahren ausgewertet werden. Das Auswerteverfahren kann insbesondere ausgewählt werden aus: einem Mustererkennungsverfahren, wobei in dem Mustererkennungsverfahren das Antwortsignal 138, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Antwortsignals 138, mit mindestens einem vorgegebenen Mustersignal verglichen werden kann; einem Auswerteverfahren, bei welchem mindestens ein charakteristischer Punkt 164 des Sensorelements 114 bestimmt werden kann, insbesondere mindestens eine Zersetzungsspannung mindestens einer Komponente des Gases und/oder mindestens eine Frequenz. Das Antwortsignal 138 und/oder die definierte Signalsequenz 136 kann beispielsweise zur Erzeugung mindestens einer Fehlerinformation verwendet werden. Die Fehlerinformation kann beispielsweise durch Auswertung mindestens eines Parameters generiert werden. Der Parameter kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Amplitude; einer Phasenverschiebung; einer Frequenz; einem Oberwellenspektrum; einer Zeitverschiebung; einer Totzeit; einem Einschwingverhalten; einem Abklingverhalten. Mittels der Fehlerinformation kann mindestens eine Diagnoseentscheidung getroffen werden und/oder können Daten zur Behebung eines Fehlers erzeugt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie in den 3A, 3B, 3C veranschaulicht, kann die definierte Signalsequenz 136, wie in 3A als Funktion der Zeit t dargestellt, beispielsweise auf mindestens ein Sollsignal 158, wie in 3B ebenfalls als Funktion der Zeit t dargestellt, insbesondere auf eines der Antwortsignale 138, wie beispielsweise in 3B und 3C dargestellt, geregelt werden. In den 3A, 3B und 3C kann es sich jeweils sowohl um den zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stroms I_p als auch um den zeitlichen Verlauf einer elektrischen Spannung U_p handeln. Die Diagnoseelektroden 120 können hierbei bevorzugt die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128 umfassen. Die Antwortelektroden 122 können beispielsweise mindestens ein Elektrodenpaar umfassen. Das Elektrodenpaar kann vorzugsweise aus der Gruppe bestehend aus folgenden Elektroden ausgewählt werden: der mindestens einen zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der mindestens einen Referenzelektrode 134; der mindestens einen NO-Pumpelektrode 132 und der mindestens einen Referenzelektrode 134.
Ebenfalls können in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise mindestens zwei Antwortsignale 138 an unterschiedlichen Antwortelektroden 122 erfasst werden. Insbesondere kann mindestens ein erstes Antwortsignal 160 an der mindestens einen zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der mindestens einen Referenzelektrode 134 erfasst werden. Es kann weiterhin beispielsweise mindestens ein zweites Antwortsignal 162, beispielsweise an der mindestens einen NO-Pumpelektrode 132 und der mindestens einen Referenzelektrode 134, erfasst werden. Im Gegensatz zu dem anhand der 2A, 2B und 2C erläuterten Ausführungsbeispiel kann in diesem Ausführungsbeispiel die definierte Signalsequenz 136 auf das erste Antwortsignal 160 der mindestens zwei Antwortsignale 138 geregelt werden. Das zweite Antwortsignal 162 kann beispielsweise ein Messsignal sein, ggf. auch das erste Antwortsignal 160. Vorteil dieser Variante ist, dass unabhängig von dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas, entsprechend beispielsweise des Sollsignals 158, beispielsweise einer elektrischen Spannung, insbesondere einer Nernstspannung, der Sauerstoffpartialdruck bzw. ein Restsauerstoffpartialdruck kontrolliert eingestellt werden kann. Die zuerst beschriebene Variante kann hingegen zu einer definierten elektrischen Spannung bzw. einem definierten elektrischen Strom in der Pumpzelle 144 führen, welche die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128 umfassen kann. Dies kann jedoch in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung im Abgas nicht zwangsläufig zu einem definierten Sauerstoffpartialdruck in dem Sensorelement 114 führen. Der Begriff Sauerstoffpartialdruck kann prinzipiell eine Sauerstoffkonzentration und/oder eine Restsauerstoffkonzentration umfassen. Die vorgestellten Ausführungsbeispiele können auf Sensorelemente 114, wie in dargestellt, angewendet werden, wobei die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 an unterschiedlichen Positionen der Vorkammer 140, realisiert sein kann. In einer Variante des Sensorelements 114, bei welcher die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130, wie oben beschrieben, in der Nachweiszelle 148 lokalisiert ist, kann die Auswertung durch eine getrennte Analyse der Antwortsignale 138, beispielsweise an der NO-Pumpelektrode 132 und der Referenzelektrode 134 sowie an der zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der Referenzelektrode 134, erfolgen. Aufgrund unterschiedlicher Selektivitäten hinsichtlich einer Zersetzung von molekularem Sauerstoff und von Stickstoffdioxid-Verbindungen, kann somit eine Trennung des Antwortsignals 138 nach Stickstoffdioxidanteilen und nach Sauerstoffanteilen erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können hierzu auch Kombinationen anderer Elektroden 118, als die genannten, nutzbar sein. Neben einer Fehlerdiagnose kann durch das beschriebene Verfahren ebenfalls eine Behebung des Fehlers, z. B. durch eine Neukalibrierung auf Basis des im erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelnden abweichenden Verhaltens des Sensorelements 140, möglich sein. Beispielsweise kann entsprechend des Antwortsignals 138 mindestens ein Betrieb, beispielsweise ein Betriebsparameter, an einen Alterungszustand des Sensorelements 114 angepasst werden. Prinzipiell kann beispielsweise eine Anpassung von Kompensationsdaten, beispielsweise bei einer Sauerstoffkompensations-Rechnung, als auch eine Anpassung von Regelparametern der Pumpzellen 144 zur Entfernung von Sauerstoff erfolgen. Beispielsweise können die Antwortelektroden 122 auch identisch mit den Diagnoseelektroden 120 sein. Insbesondere kann das zu der definierten Signalsequenz 136, insbesondere einer elektrischen Spannung an der mindestens einen äußeren Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und der mindestens einen ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128, gehörende Antwortsignal 138, insbesondere die dynamische Stromantwort, bezüglich einer Auswertung einer dynamisch nachströmenden Sauerstoffmenge durch eine erste Diffusionsbarriere 152 genutzt werden. Dieses Antwortsignal 138, insbesondere der elektrische Strom, kann vorzugsweise bei einem dynamischen Verlauf der Spannung im Übergang von einer hohen Spannung, als einem niedrigen Sauerstoff-Partialdruck, auf eine niedrige Spannung, also einem hohen Sauerstoffpartialdruck, abhängig von einem durch die erste Diffusionsbarriere 152 nachströmenden Sauerstoffteilchenstrom sein. Somit ist der Verlauf des Antwortsignals 138, insbesondere der Stromantwort, korreliert mit jeweils aktuellen Diffusionseigenschaften der ersten Diffusionsbarriere 152. Diese Variante des Verfahrens zur Diagnose des Sensorelements 114 kann neben einer Funktionsprüfung der ersten Diffusionsbarriere 152 zu einer Neukalibrierung auf Basis der während der Durchführung des Verfahrens zur Diagnose ermittelten Parameter erfolgen. Aufgrund der über die Sensorlebensdauer driftenden Eigenschaften der Diffusionsbarrieren ermöglicht das vorgestellte Verfahren neben einer Funktionsprüfung. eine Verbesserung der Signalgenauigkeit über die Lebensdauer des Sensorelements 114. Wird die definierte Signalsequenz 136 beispielsweise als Einprägung eines definierten elektrischen Stromes angewendet, ist diese direkt proportional zu einem mittleren nachströmenden Sauerstoffteilchenstrom, welcher zur Analyse der ersten Diffusionsbarriere 152 dienen kann. Bei einer sehr langsamen Anregung einer definierten Signalsequenz 136, beispielsweise niederfrequent, bevorzugt 0,01 Hz bis 1 kH, besonders bevorzugt, 0,1 Hz bis 100 Hz, beispielsweise bei einem sinusförmigen Diagnosesignal 156 als definierte Signalsequenz, kann ebenfalls durch eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine Variation des Sauerstoffpartialdrucks in dem Sensorelement 114 aufgrund einer Ununterscheidbarkeit von molekularem Sauerstoff und Stickstoffmonoxid an der Nachweiszelle 148 langsam ein definierter zeitlicher Verlauf des, einem Stickstoffdioxid-Partialdruck äquivalenten, Sauerstoffpartialdrucks eingestellt werden. Dadurch kann beispielsweise in situ eine NO_x-Kennlinie des Sensorelements 114 abgeglichen werden. Insbesondere im Bereich einer Nernstspannung von beispielsweise 200 bis 700 mV, bevorzugt von 350 bis 550 mV, besonders bevorzugt von 400 mV bis 500 mV kann das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere bei der Einstellung eines definierten Sauerstoffpartialdrucks, beispielsweise eine wesentlich höhere Genauigkeit bieten, als beispielsweise eine strombasierte Kalibrierung, z. B. durch Einpumpen eines definierten Sauerstoffstromes an beispielsweise der ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128 und/oder der zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130.
Alternativ oder zusätzlich kann entsprechend des vorgestellten Verfahrens zur Diagnose des Sensorelements 114 eine Funktionsdiagnose bezüglich der Selektivität der Pumpzellen 144, insbesondere der Sauerstoff-Pumpzellen erfolgen. Die fehlerfreie Selektivität der Sauerstoff-Pumpzellen ist aufgrund der hohen Anteile an parasitärem Sauerstoff eine Grundvoraussetzung für eine exakte Messung von vergleichsweise geringen Stickstoffoxid-Anteilen. Mit fortschreitender Alterung der Elektroden 118 kann sich beispielsweise die Selektivität verändern, was zu einem Sauerstoff-Durchbruch, verbunden mit einer im Stand der Technik nicht erkennbaren Verfälschung des Stickoxid-Messsignals, führen kann. Ein im Folgenden beschriebenes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose des Sensorelements 114 basiert insbesondere darauf, dass die Selektivität entsprechend den zugehörigen elektrochemischen Prozessen von einer Frequenz einer elektrischen Spannung abhängt, wobei sich diese Abhängigkeit über die Lebensdauer durch Alterung verändern kann. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements 114 zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112, insbesondere eines Sensorelements 114 zum Nachweis von Stickoxiden in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine. Bei diesem, wie bei allen aufgeführten Ausführungsbeispielen, wird das Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements 114 anhand des oben vorgestellten Sensorelements 114 zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112 dargestellt. Prinzipiell kann das Verfahren zur Diagnose eines Sensorelement 114 jedoch auch auf andere Sensorvorrichtungen 110 angewandt werden. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Diagnoseelektroden 120 ebenfalls vorzugsweise um die mindestens eine äußere Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und die mindestens eine erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128. Weiterhin umfassen die Elektroden 118 mindestens zwei Antwortelektroden 122. In diesem Ausführungsbeispiel können die Antwortelektroden 122 vorzugsweise die mindestens eine zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und die mindestens eine Referenzelektrode 134 und/oder die mindestens eine NO-Pumpelektrode 132 und die mindestens eine Referenzelektrode 134 umfassen. Die Diagnoseelektroden 120 werden mit mindestens einer definierten Signalsequenz 136, beispielsweise einem zeitlich kontinuierlich variierenden Diagnosesignal, beaufschlagt. An den Antwortelektroden 122 wird mindestens ein Antwortsignal 138 erfasst. Die definierte Signalsequenz 136 kann in diesem Ausführungsbeispiel insbesondere ein Signal mit zeitlich ansteigender oder abfallender, insbesondere linear ansteigender oder abfallender, Frequenz sein. Alternativ kann auch ein Verfahren zu einer beschleunigten Untersuchung mit nur wenigen, insbesondere nur einem Frequenzpunkt, vorzugsweise bei einem charakteristischen Punkt 164, insbesondere bei einem Grenzmusterwert, durchgeführt werden. Das vorgeschlagene Verfahren kann beispielsweise die Detektion eines Grenzmusters durch eine Analyse der Selektivitätseigenschaften mittels einer frequenzabhängigen Analyse ermöglichen. An den Diagnoseelektroden 120 kann beispielsweise eine Wechselsignalanregung beaufschlagt werden, wobei gleichzeitig oder zeitversetzt das Antwortsignal 138 an der Nachweiszelle 148 erfasst werden kann. Die Frequenz der Wechselsignalanregung kann hierbei kontinuierlich und/oder in Stufen und/oder diskontinuierlich, beispielsweise punktuell, verändert werden. 4 zeigt eine mögliche definierte Signalsequenz 136. Dargestellt ist ein linearer Anstieg einer Frequenz einer Wechselspannung f_Up und/oder eines Wechselstromes f_Ip als Funktion der Zeit t. Ein nicht grafisch dargestelltes Antwortsignal 138 kann, an einem in 4 dargestellten charakteristischen Punkt 164, insbesondere einer charakteristischen Frequenz, einen erhöhten Sauerstoffdurchbruch signalisieren. Der erhöhte Sauerstoffdurchbruch kann an der definierten Signalsequenz 136 beispielsweise als erhöhter elektrischer Strom zwischen der NO-Pumpelektrode 132 und der Referenzelektrode 134 gemessen werden. Die ermittelte Frequenz des charakteristischen Punktes 164 kann beispielsweise mit einem zuvor theoretisch und/oder semiempirisch und/oder empirisch ermittelten Grenzmusterwert verglichen werden. Das Antwortsignal 138 und/oder die definierte Signalsequenz 136 kann dadurch insbesondere zur Erzeugung mindestens einer Fehlerinformation verwendet werden. Mittels der Fehlerinformation kann mindestens eine Diagnoseentscheidung getroffen werden und/oder Daten zur Behebung eines Fehlers erzeugt werden. Es kann beispielsweise entsprechend die Diagnoseentscheidung „i. O.” („in Ordnung”) oder „n. i. O.” (nicht in Ordnung) ausgegeben werden, beispielsweise optisch auf einem Display und/oder akustisch und/oder im Fehlerspeicher des Steuergerätes abgelegt werden. Der charakteristische Punkt 164, insbesondere der Grenzmusterwert, kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,01 Hz und 10 MHz, bevorzugt zwischen 0,1 Hz und 1 MHz, besonders bevorzugt zwischen 1 Hz und 10 kHz liegen. Vorteile dieser Variante können einen geringerer Zeitaufwand und/oder Hardwareaufwand und/oder Softwareaufwand umfassen. Analog kann bei geeigneten Rahmenbedingungen im Abgas ebenfalls eine unerwünschte Stickoxid-Zersetzung an der ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128 diagnostiziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise eine analoge Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose eines Sensorelements 114 durchgeführt werden, wobei im Gegensatz zur erläuterten Variante, bei welcher die Frequenz einer Wechselsignalanregung variiert werden kann, eine elektrische Spannung an der Pumpzelle 144, insbesondere an der mindestens einen ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128 und der mindestens einen äußeren Sauerstoff-Pumpelektrode, 126 variiert, vorzugsweise linear erhöht, werden kann.
Es kann beispielsweise ausgenutzt werden, dass sich eine notwendige Pumpspannung an der mindestens einen äußeren Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und der mindestens einen ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128, welche sich für einen definierten Sauerstoffpartialdruck bei bekanntem Sauerstoffgehalt im Abgas ergibt, beispielsweise im Schubbetrieb, und/oder für einen definierten Pumpstrombereich, über die Sensorlebensdauer durch Alterung ändern kann. Im Allgemeinen kann bei alternden Elektroden 118, welche zum Pumpen von Sauerstoff verwendet werden, eine erhöhte Spannung zu einem Erreichen eines vorgegebenen Sauerstoffpartialdrucks benötigt werden. Damit verbunden kann eine verfrühte unerwünschte Zersetzung von Stickstoffmonoxid an den Pumpzellen 144, beispielsweise zum Pumpen von Sauerstoff, sein. Dies kann zu einem Fehler in der NO_x-Messung führen. Analog zu den beiden ersten Ausführungsbeispielen kann die definierte Signalsequenz 136 als eine elektrische Spannung und/oder als ein elektrischer Strom beaufschlagt werden, oder beispielsweise auf ein Sollsignal 158, beispielsweise an der zweiten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 130 und der Referenzelektrode 134 oder an der NO-Pumpelektrode 132 und der Referenzelektrode 134, geregelt werden. Das Antwortsignal 138 kann beispielsweise mit mindestens einem Auswerteverfahren ausgewertet werden, insbesondere einem Auswerteverfahren ausgewählt aus: einem Mustererkennungsverfahren, wobei in dem Mustererkennungsverfahren das Antwortsignal 138, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Antwortsignals 138, mit mindestens einem vorgegebenen Mustersignal verglichen wird; einem Auswerteverfahren, bei welchem mindestens ein charakteristischer Punkt 164 des Sensorelements 114 bestimmt werden kann, insbesondere mindestens eine Zersetzungsspannung mindestens einer Komponente des Gases, insbesondere von einem Stickstoffoxid, und/oder mindestens eine Frequenz. Der ermittelte charakteristische Punkt 164 kann insbesondere mit einem zuvor theoretisch und/oder semiempirisch und/oder empirisch ermittelten Grenzmusterwert verglichen werden. Das Antwortsignal 138 und/oder die definierte Signalsequenz 136 kann zur Erzeugung mindestens einer Fehlerinformation verwendet werden. Mittels der Fehlerinformation kann beispielsweise mindestens eine Diagnoseentscheidung getroffen werden. Das Sensorelement 114 kann beispielsweise entweder die Diagnoseentscheidung „in Ordnung” („i. O.”) oder „nicht in Ordnung” („n. i. O.”) ausgeben.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Diagnose eines Sensorelements 114 die Diagnoseelektrode 120 und die Antwortelektrode 122 bauteilidentisch sein. Beispielsweise kann die Beaufschlagung der definierten Signalsequenz 136, beispielsweise eine Wechselsignalanregung an der mindestens einen äußeren Sauerstoff-Pumpelektrode 126 und der mindestens einen ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128, bei gleichzeitiger, also simultaner, Erfassung des zugehörigen Antwortsignals 138 erfolgen. Das Verfahren kann ebenfalls auf einer Frequenzabhängigkeit, wie bereits in einem anderen Ausführungsbeispiel beschrieben, basieren, jedoch wird hierbei eine Veränderung einer Impedanz, insbesondere einer Zellenimpedanz, bei mehreren oder ggf. einer Frequenz ausgenutzt. Dieses Verfahren basiert darauf, dass eine Alterung der Elektrode 118, beispielsweise verbunden mit einer Änderung mindestens einer Selektivitätseigenschaft, eine Änderung der Zellenimpedanz bewirkt. Analog zu dem zuvor erläuterten frequenzabhängigen Verfahren kann auch bei dieser Variante beispielsweise nur das Verhalten bei einer oder mehreren Frequenzen oder das Verhalten bei einer kontinuierlichen Variation der Frequenz untersucht werden. Das Antwortsignal 138 kann mindestens eine Zellimpedanz mindestens einer die Antwortelektroden 122 umfassenden Antwortzelle umfassen. Die mindestens eine Zellimpedanz kann mit einem Grenzmusterwert verglichen werden. Die dargestellten erfindungsgemäßen Varianten des Verfahrens zur Diagnose eines Sensorelements 114 können ggf. auch zu einer Analyse einer Umsetzung von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid an der ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128 genutzt werden und somit eine Diagnose eines Fehlers durch nicht umgesetzte Stickstoffdioxidanteile ermöglichen. Solch ein Fehler könnte zu einer fälschlichen Verdopplung des Signals im Vergleich zu einem fehlerfreien Betrieb führen, bei welchem die Umsetzung von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid störungsfrei erfolgt.
Analog hierzu kann bei geeigneten Rahmenbedingungen im Abgas ebenfalls eine unerwünschte Stickstoffmonoxid-Zersetzung an der ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128 diagnostiziert werden. Die erste innere Sauerstoff-Pumpelektrode 128, welche im Laufe des Alterungsprozesses insbesondere mehr Sauerstoff pumpt als die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130, zeigt vermutlich früher Alterungseffekte als die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130. Daher kann die zweite innere Sauerstoff-Pumpelektrode 130 beispielsweise zur Durchführung einer Referenzmessung dienen. Aus dem Antwortsignal 138 kann auf mindestens einen Alterungszustand des Sensorelements 114 geschlossen werden. Entsprechend des Antwortsignals 138 kann mindestens ein Betrieb, insbesondere ein Betriebsparameter des Sensorelements 114, an einen Alterungszustand des Sensorelements 114 angepasst werden. Beispielsweise kann eine Neukalibrierung auf Basis des im erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten abweichenden Verhaltens ermöglicht werden. Diese Neukalibrierung kann sowohl durch eine Anpassung von Kompensationsdaten, beispielsweise für eine Sauerstoff-Kompensationsrechnung, als auch durch eine Anpassung von Regelparametern der Pumpzellen 144, insbesondere der Pumpzellen 144 zur Entfernung von Sauerstoff, erfolgen.
Die bisher vorgestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements 114 befassen sich insbesondere mit einer Funktionsüberprüfung von Dynamikeigenschaften einer Pumpzelle 144 und/oder einer Nachweiszelle 148 sowie der Funktionsdiagnose einer Sauerstoffselektivität der Pumpzellen 144. Das folgende Ausführungsbeispiel befasst sich hingegen insbesondere mit der Stickstoffmonoxidselektivität einer Nachweiszelle 148. Hierzu kann ein Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements 114 zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum 112 dienen, wobei das Sensorelement 114 wie oben beschrieben ausgestaltet sein kann. Das Sensorelement 114 umfasst mindestens zwei Elektroden 118 und die Elektroden 118 umfassen mindestens zwei Diagnoseelektroden 120 und mindestens zwei Antwortelektroden 122. In den folgenden beiden Varianten dieses Ausführungsbeispiels können die Diagnoseelektroden 120 bevorzugt die mindestens eine NO-Pumpelektrode 132 und die mindestens eine Referenzelektrode 134 umfassen. Die Antwortelektroden 122 können hierbei bevorzugt identisch mit den Diagnoseelektroden 120 ausgestaltet sein. Die Diagnoseelektroden 120 werden mit mindestens einer definierten Signalsequenz 136, beispielsweise einem zeitlich kontinuierlich variierenden Diagnosesignal, beaufschlagt. In einer ersten im Folgenden beschriebenen Variante kann es sich hierbei bevorzugt um eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom, insbesondere ein Wechselsignal mit linear ansteigender Frequenz, handeln. Bei einer zweiten Variante kann es sich bei der definierten Signalsequenz 136 insbesondere um eine sinusförmige elektrische Spannung und/oder um einen sinusförmigen elektrischen Strom handeln. An den Antwortelektroden. 122 wird mindestens ein Antwortsignal 138 erfasst. Analog zu der Funktionsdiagnose bezüglich der mit der Alterung der ersten inneren Sauerstoff-Pumpelektrode 128 veränderlichen unerwünschten Stickstoffmonoxid-Zersetzung kann ebenfalls eine Funktionsdiagnose bezüglich einer veränderlichen Wasser-Zersetzung durchgeführt werden. Die veränderliche Wasser-Zersetzung kann zu Fehlern führen. Neben einer linear ansteigenden Frequenz der definierten Signalsequenz 136 kann in der ersten Variante ebenfalls, wie oben in einem anderen Ausführungsbeispiel beschrieben, nur eine Frequenz oder mehrere Frequenzen verwendet werden. Aus dem Antwortsignal 138, insbesondere einer Zellimpedanz, kann auf mindestens einen Alterungszustand des Sensorelements 114, insbesondere der NO-Pumpelektrode 132 geschlossen werden. Das Antwortsignal 138 kann mit mindestens einem Auswerteverfahren ausgewertet werden, insbesondere einem Auswerteverfahren ausgewählt aus: einem Mustererkennungsverfahren, wobei in dem Mustererkennungsverfahren das Antwortsignal 138, insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Antwortsignals 138, mit mindestens einem vorgegebenen Mustersignal verglichen werden kann; einem Auswerteverfahren, bei welchem mindestens ein charakteristischer Punkt 164 des Sensorelements 114 bestimmt werden kann, insbesondere mindestens eine Zersetzungsspannung mindestens einer Komponente des Gases und/oder mindestens eine Frequenz. Der charakteristische Punkt 164 kann sich hierbei dadurch auszeichnen, dass bei dieser Frequenz eine verstärkte Zersetzung von Wasser diagnostiziert werden kann, was sich beispielsweise bei Beaufschlagung einer elektrischen Spannung an der mindestens einen NO-Pumpelektrode 132 und der mindestens einen Referenzelektrode 134 durch einen Anstieg des zugehörigen elektrischen Stroms auszeichnet. Ein Vergleich des ermittelten charakteristischen Punktes 164 mit einem Grenzmusterwert kann erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Variante des Ausführungsbeispiels angewandt werden. Im Gegensatz zu der ersten Variante kann hierbei die definierte Signalsequenz 136 beispielsweise ein sinusförmiges Stromsignal und/oder ein sinusförmiges Spannungssignal mit beispielsweise fester Frequenz und/oder ein Gleichsignal sein. Auch beispielsweise eine kontinuierlich oder in Stufen veränderte Pumpspannung als definierte Signalsequenz 136 kann beaufschlagt werden. Hierbei kann beispielsweise als Grenzmustereigenschaft eine notwendige Zersetzungsspannung für zusätzliches Wasser analysiert werden. Oberhalb der Zersetzungsspannung für zusätzliches Wasser ergibt sich beispielsweise ein erhöhter elektrischer Strom durch zersetzte Wasseranteile. Diese Zersetzungsspannung für zusätzliches Wasser kann sich mit der Alterung der mindestens einen NO-Pumpelektrode 132 verändern, da neben der eigentlichen theoretischen Zersetzungsspannung zusätzliche, durch Alterung veränderliche, Spannungen auftreten können. Das Antwortsignal 138, insbesondere ein elektrischer Strom, kann untersucht werden und ein Wert für die notwendige Zersetzungsspannung kann ermittelt und beispielsweise mit einem Grenzmusterwert verglichen werden. Die notwendige Zersetzungsspannung kann beispielsweise den charakteristischen Punkt 164 für eine verstärkte Zersetzung von Wasser markieren. Der charakteristische Punkt 164 kann hierbei beispielsweise zwischen 0 V und 3 V, bevorzugt zwischen 0,1 V und 2 V, besonders bevorzugt zwischen 0,2 V und 1,5 V liegen. Diese Variante ist beispielsweise bei bekanntem oder langsam veränderlichem Stickoxid-Gehalt des Abgases für eine Diagnose einer unerwünschten Stickstoffmonoxid-Zersetzung an einer Pumpzelle 144 einsetzbar.
Merkmale der dargestellten Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Varianten können prinzipiell beliebig kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0769693 A1 [0001]
DE 102006053841 A1 [0003]
DE 10312732 A1 [0004]
DE 102008024177 B3 [0005]
US 2009/0173140 A1 [0006]
JP 2009175013 A [0007]

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Sensorelements (114) zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum (112), insbesondere eines Sensorelements (114) zum Nachweis von Stickoxiden in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, wobei das Sensorelement (114) mindestens einen Festkörperelektrolyten (116) umfasst, wobei das Sensorelement (114) mindestens zwei Elektroden (118) umfasst, wobei die Elektroden (118) mindestens zwei Diagnoseelektroden (120) und mindestens zwei Antwortelektroden (122) umfassen, wobei die Diagnoseelektroden (120) mit mindestens einer definierten Signalsequenz (136) beaufschlagt werden, wobei an den Antwortelektroden (122) mindestens ein Antwortsignal (138) erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Antwortsignal (138) mit mindestens einem Auswerteverfahren ausgewertet wird, insbesondere einem Auswerteverfahren ausgewählt aus: einem Mustererkennungsverfahren, wobei in dem Mustererkennungsverfahren das Antwortsignal (138), insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Antwortsignals (138), mit mindestens einem vorgegebenen Mustersignal verglichen wird; einem Auswerteverfahren, bei welchem mindestens ein charakteristischer Punkt (164) des Sensorelements (114) bestimmt wird, insbesondere mindestens eine Zersetzungsspannung mindestens einer Komponente des Gases und/oder mindestens eine Frequenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine mit dem Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbare Vorkammer (140) umfasst, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine der Vorkammer (140) nachgeschaltete Nachweiskammer (142) umfasst, wobei in der Vorkammer (140) und/oder der Nachweiskammer (142) mindestens eine Pumpzelle (144) zur zumindest teilweisen Entfernung mindestens einer ersten Gaskomponente vorgesehen ist, vorzugsweise molekularem Sauerstoff, wobei in der Nachweiskammer (142) mindestens eine Nachweiszelle (148) zum Nachweis mindestens einer zweiten Gaskomponente vorgesehen ist, vorzugsweise mindestens einer sauerstoffhaltigen Verbindung, insbesondere mindestens einem Stickoxid.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antwortsignal (138) und/oder die definierte Signalsequenz (136) zur Erzeugung mindestens einer Fehlerinformation verwendet wird, wobei die Fehlerinformation durch Auswertung mindestens eines Parameters generiert wird, wobei der Parameter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einer Amplitude; einer Phasenverschiebung; einer Frequenz; einem Oberwellenspektrum; einer Zeitverschiebung; einer Totzeit; einem Einschwingverhalten; einem Abklingverhalten.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mittels der Fehlerinformation mindestens eine Diagnoseentscheidung getroffen wird und/oder Daten zur Behebung eines Fehlers erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die definierte Signalsequenz (136) auf mindestens ein Sollsignal (158), insbesondere auf das mindestens eine Antwortsignal (138), geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die definierte Signalsequenz (136) ein Signal mit zeitlich ansteigender oder abfallender, insbesondere linear ansteigender oder abfallender, Frequenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die definierte Signalsequenz (136) ein Signal mit zeitlich ansteigendem oder abfallendem, insbesondere linear ansteigendem oder abfallendem, Betrag ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Antwortsignal (138) mindestens eine Zellimpedanz mindestens einer die Antwortelektroden (122) umfassenden Antwortzelle umfasst.
Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (114), wobei das Sensorelement (114) mindestens einen Festkörperelektrolyten (116) umfasst, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens zwei Elektroden (118) umfasst, wobei die Elektroden (118) mindestens zwei Diagnoseelektroden (120) und mindestens zwei Antwortelektroden (122) umfassen, wobei die Sensorvorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Steuerung (124) umfasst, wobei die Steuerung (124) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.