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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zum qualitativen und/oder quantitativen Nachweis mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf einen quantitativen Nachweis eines Sauerstoffanteils in einem Gas, also beispielsweise eines Sauerstoffpartialdrucks und/oder einer Sauerstoffkonzentration in dem Gas. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln. Bei dem Messgasraum, welcher beispielsweise geschlossen oder auch offen ausgestaltet sein kann, kann es sich somit insbesondere um einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere so genannte Breitband-Sonden bekannt, beispielsweise so genannte Breitband-Lambdasonden, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben sind. Breitbandsonden zeichnen sich, im Gegensatz beispielsweise zu Sprungsonden, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–157 beschrieben sind, durch eine in der Regel eindeutige, monotone Kennlinie über eine Luftzahl λ (im Folgenden auch als Lambdawert bezeichnet) aus. Diese Kennlinie ist idealerweise linear. Breitbandsonden erlauben die Bestimmung des Sauerstoffgehalts oder des Sauerstoffdefizits über einen breiten Bereich. Aufgrund ihres Funktionsprinzips weisen jedoch übliche Breitband-Lambdasonden in vielen Fallen um den Punkt λ = 1 herum eine Ungenauigkeit auf. Weitere Probleme bei vielen bekannten Breitband-Lambdasonden liegen in einer Alterungsdrift sowie in einer in vielen Fällen auftretenden Fertigungsstreuung. Letztere lassen sich durch einen kostenintensiven Abgleich kompensieren, welcher üblicherweise unmittelbar an ein Herstellungsverfahren angeschlossen ist.
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Wünschenswert wäre jedoch für zukünftige Generationen von Breitband-Lambdasonden eine Kalibrierung im Betrieb, also beispielsweise im Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Eine derartige Kalibrierung wird im Folgenden auch als in-situ-Kalibrierung bezeichnet. Eine derartige Kalibrierung würde zum einen eine erhebliche Kosteneinsparung beinhalten, da durch einen Verzicht auf Abgleichverfahren Fertigungsschritte eingespart werden können. Zum anderen lassen sich durch eine derartige Kalibrierung im Betrieb auch beispielsweise Alterungseffekte kompensieren, da die Kalibrierung im Betrieb während der gesamten Lebensdauer durchgeführt werden kann. Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren, beispielsweise der so genannte Schubabgleich, bei welchem in einem Schubbetrieb ein Mager-Messwert der Breitbandsonden erfasst wird, genügen diesen Anforderungen nicht in vollem Umfang. Zudem ist ein derartiger Schubabgleich in heutigen Benzinsystemen in der Regel ohnehin nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Verfahren zur in-situ-Kalibrierung eines Sensorelements zum Nachweis mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Wie oben ausgeführt, kann es sich bei der Gaskomponente insbesondere um Sauerstoff handeln, und/oder bei dem Gas insbesondere um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Das Sensorelement kann insbesondere ein keramisches Sensorelement umfassen, beispielsweise ein keramisches Sensorelement mit mindestens einem Festelektrolyten, insbesondere einem auf Zirkoniumdioxid basierenden Festelektrolyten, beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertem Zirkoniumdioxid (ScSZ). Für mögliche Ausgestaltungen des Sensorelements kann insbesondere auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden, wobei die dort beschriebenen Breitbandsonden auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Sensorelement einsetzbar sind. Auch andere Arten von Sensorelementen sind jedoch grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendbar.
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Das Sensorelement weist mindestens eine Pumpzelle und mindestens eine Nernstzelle auf. Unter einer Pumpzelle ist dabei ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei Pumpelektroden und mindestens einen die Pumpelektroden verbindenden Festelektrolyten aufweist. Analog ist unter einer Nernstzelle ein Element zu verstehen, welches mindestens zwei Elektroden aufweist, nämlich mindestens eine Messelektrode und mindestens eine Referenzelektrode, wobei die Elektroden durch mindestens einen Festelektrolyten verbunden sind. Bei dem Festelektrolyten kann es sich um einen mit dem Festelektrolyten der Pumpzelle ganz oder teilweise identischen Festelektrolyten handeln oder auch um einen von diesem getrennt ausgebildeten Festelektrolyten. Die Pumpzelle kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass eine innere Pumpelektrode in einem Elektrodenhohlraum vorgesehen ist, welcher mit dem Messgasraum über mindestens eine Diffusionsbarriere, die einen Nachstrom an Gasmolekülen in den Elektrodenhohlraum begrenzt, verbunden ist. Die Diffusionsbarriere kann beispielsweise ein poröses keramisches Element umfassen, welches diffusiv von dem Gas oder mindestens einer Gaskomponente durchdrungen werden kann. Weiterhin kann die Pumpzelle mindestens eine weitere Pumpelektrode umfassen, beispielsweise eine Außenpumpelektrode, welche beispielsweise in dem Messgasraum angeordnet sein kann und/oder welche von dem Messgasraum durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht getrennt sein kann. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen die Pumpzelle zwei Innenpumpelektroden oder zwei Außenpumpelektroden aufweist.
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Die Nernstzelle kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die Messelektrode der Nernstzelle ebenfalls in dem genannten Elektrodenhohlraum der Innenpumpelektrode angeordnet ist. Die Messelektrode kann getrennt von der Innenpumpelektrode ausgebildet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der Innenpumpelektrode ausgestaltet sein. Die Referenzelektrode kann beispielsweise in einem Referenzgasraum angeordnet sein, also einem vorzugsweise von dem Messgasraum getrennt ausgebildeten Raum, welcher offen oder auch geschlossen ausgestaltet sein kann und in welchem eine definierte Gasatmosphäre einstellbar ist. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Referenzgaskanal und besonders bevorzugt um einen Referenzluftkanal handeln.
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Bei dem Verfahren wird in einem Messbetrieb ein Pumpstrom durch die Pumpzelle durch mindestens eine mittels der Nernstzelle erfasste Spannung geregelt. Bezüglich dieses Messbetriebs und mögliche Ausgestaltungen dieses Messbetriebs kann insbesondere auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Weiterhin wird bei dem Verfahren der Messbetrieb zumindest einmal unterbrochen und mindestens ein Kalibrierbetrieb durchgeführt. In dem Kalibrierbetrieb wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle als Funktion einer Zeit erfasst. Dies kann kontinuierlich oder auch diskontinuierlich geschehen. Beispielsweise kann die Pumpzelle mit einer Pumpspannung beaufschlagt werden, und der Pumpstrom bei dieser Pumpspannungsbeaufschlagung kann als Funktion der Zeit diskontinuierlich oder kontinuierlich erfasst werden. Weiterhin wird in dem Kalibrierbetrieb erkannt, wenn der Pumpstrom als Funktion der Zeit ein Extremum erreicht, insbesondere durchläuft, beispielsweise ein Minimum. Aus dem Extremum, beispielsweise einem Pumpstrom in dem Extremum, wird mindestens eine Kalibrierinformation bestimmt und für eine Kalibrierung des Sensorelements verwendet, beispielsweise in einem nachfolgenden Messbetrieb und/oder zur Auswertung eines zeitlich vorangehenden Messbetriebs.
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Der Messbetrieb kann insbesondere vor und nach dem Kalibrierbetrieb durchgeführt werden. Mittels des Messbetriebs kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, beispielsweise validiert werden, dass ein Luftzahlwechsel in dem Gas stattgefunden hat und vorzugsweise dass das Extremum durch ein Durchschreiten des λ = 1-Punktes bedingt war.
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Beispielsweise kann erwartet werden, dass ein Extremum in der Regel immer durch einen Wechsel der Luftzahl begründet ist. Jedoch kann durch vorheriges und nachheriges Messen validiert werden, dass ein λ = 1-Durchgang stattgefunden hat und dass nicht beispielsweise lediglich ein Minimum des Betrags der Abweichung der Luftzahl von λ = 1 vorlag.
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Als Beispiel kann folgende Messabfolge der Luftzahl angeführt werden:
| – Gültige Kalibierung: | Wechsel von Mager1 -> Fett1 |
| – Ungültige kalibrierung: | Wechsel von Mager1 -> Mager2 -> Mager1 |
| | mit Fett1 < 1, 1 < Mager2 < Mager1 |
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Der Signalverlauf kann dann im erfindungsgemäßen Kalibrierbetrieb nahezu identisch aussehen. Jedoch kann die Messung validiert werden, indem nach der Kalibrierung Fettgas gemessen wird, und vor der Kalibrierung Magergas vorlag So kann beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, ein Extremum des Pumpstroms, beispielsweise ein Minimum des Pumpstroms, welches durch einen Luftzahlwechsel bedingt ist, von anderen Arten von Extrema unterschieden werden. Beispielsweise können Extrema, welche auf andere Ursachen als einen Luftzahlwechsel zurückzuführen sind, verworfen und nicht für die Kalibrierung herangezogen werden.
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Die Kalibrierinformation kann insbesondere den Pumpstrom oder einen Betrag des Pumpstroms in dem Extremum, insbesondere dem Minimum, umfassen. Dieser Betrag des Pumpstroms in dem Extremum kann beispielsweise als Offset erfasst werden, da beispielsweise bei kalibrierten Sensorelementen der Pumpstrom in einem durch einen Luftzahlwechsel bedingten Extremum den Betrag 0 annehmen kann. Die Kalibrierung des Sensorelements kann insbesondere in dieser Weise erfolgen, dass ein kalibriertes Sensorelement diese Bedingung erfüllt.
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Aus der Kalibrierinformation kann insbesondere auf ein Ausmaß mindestens eines Offsetfehlers, wie beispielsweise mindestens eines elektrischen Nebenschlusses, geschlossen werden und in einem nachfolgenden Messbetrieb Offsetfehler korrigiert werden. Unter einem Nebenschluss ist dabei ein Stromfluss elektronischer und/oder ionischer Art zu verstehen, welcher bei dem Betrieb der Pumpzelle auftritt und welcher nicht durch den eigentlichen Ionenstrom durch den Festelektrolyten der Pumpzelle bedingt ist. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen parasitären Strompfad an der Pumpzelle vorbei handeln, welcher beispielsweise zu der Pumpzelle oder einem Teil der Pumpzelle parallelgeschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um andere Arten von Offsetfehlern und/oder elektrischen Nebenschlüssen handeln, beispielsweise um eine Stromsenke und/oder eine Stromquelle, bei welcher ein Teil eines elektrischen und/oder ionischen Stroms auf andere Weise als über den Festelektrolyten abfließt. Beispielsweise liegt typischerweise ein Heizelement des Sensorelements fest auf einer positiven Spannung, beispielsweise +UBat, und kann somit als Stromquelle wirken.
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Eine Korrektur des Nebenschlusses, insbesondere eines zu der Pumpzelle parallelgeschalteten Nebenschlusses, kann insbesondere dadurch erfolgen, dass in dem Messbetrieb eine Leitfähigkeit des Nebenschlusses mit einer Pumpspannung, die in dem Messbetrieb erfasst wird, erfolgt. Beispielsweise kann aus dem Pumpstrom oder dem Betrag des Pumpstroms in dem oben genannten Extremum auf diese Leitfähigkeit geschlossen werden. Insbesondere kann der Pumpstrom in dem Extremum oder ein Betrag dieses Pumpstroms unmittelbar als Maß für die Leitfähigkeit verwendet werden und direkt oder unter Verwendung von Korrekturfaktoren oder Korrekturfunktionen als Leitfähigkeit in die Kalibrierung einfließen.
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In dem Kalibrierbetrieb kann die Erfassung des Pumpstroms bei einer Pumpspannung erfolgen, kann jedoch auch in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens bei mindestens zwei unterschiedlichen Pumpspannungen erfolgen. Beispielsweise können zu verschiedenen Messzeitpunkten jeweils Pumpströme bei unterschiedlichen Pumpspannungen aufgenommen werden und so beispielsweise zeitliche Verläufe der Pumpströme bei unterschiedlichen Pumpspannungen aufgenommen werden. Werden mindestens zwei unterschiedliche Pumpspannungen verwendet, so können insbesondere mindestens zwei Kalibrierinformationen bei den mindestens zwei verschiedenen Pumpspannungen bestimmt werden. Aus den mindestens zwei Kalibrierinformationen kann insbesondere auf eine Nichtlinearität eines Offsetfehlers, beispielsweise eines Nebenschlusses, geschlossen werden, beispielsweise eines zu der Pumpzelle parallelgeschalteten Nebenschlusses. Weiterhin können aus den mindestens zwei bei den unterschiedlichen Pumpspannungen erfassten Kalibrierinformationen parallel zu der Pumpzelle angeordnete Nebenschlüsse von anderen Offsetfehlern, insbesondere anderen Nebenschlüssen, unterschieden werden, da in der Regel andere Nebenschlüsse, welche nicht parallel zu der Pumpzelle angeordnet sind, unabhängig von der Pumpspannung sind. Nebenschlüsse, welche nicht parallel zu der Pumpzelle angeordnet sind, können insbesondere bei der Kalibrierung separat berücksichtigt werden. Beispiele werden unten noch näher erläutert.
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Für die Kalibrierung des Sensorelements kann die Kalibrierinformation insbesondere über eine Korrektur mittels mindestens einer Kennlinie und/oder mittels mindestens eines Kennfeldes in dem Messbetrieb berücksichtigt werden. Diese Berücksichtigung kann beispielsweise mittels mindestens einer Datenverarbeitungsvorrichtung erfolgen und/oder unter Verwendung anderer elektronischer Kalibriermittel.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Nachweis mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer Pumpzelle und mindestens einer Nernstzelle. Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Ansteuerung. Diese Ansteuerung kann ganz oder teilweise separat von dem Sensorelement ausgestaltet sein und kann beispielsweise auch ganz oder teilweise in eine Motorsteuerung integriert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung jedoch auch ganz oder teilweise in das Sensorelement und/oder eine das Sensorelement umfassende Anordnung (häufig auch als „Sensor” bezeichnet) integriert werden. Die Ansteuerung ist eingerichtet, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf. So ist nunmehr erstmalig eine Kalibrierung im Betrieb des Sensorelements, also beispielsweise nach Verbau des Sensorelements in einem Kraftfahrzeug und/oder einer anderen Vorrichtung, möglich, welche neben einer Fertigungsstreuung auch beispielsweise eine Alterungsdrift erkennen und auf einfache und kostengünstige Weise kompensieren kann. Hierdurch ist eine erhebliche Kosteneinsparung möglich, da beispielsweise im Rahmen der Fertigung auf Abgleichverfahren vollständig oder teilweise verzichtet werden kann. Weiterhin kann die Kalibrierung während der gesamten Lebensdauer der Vorrichtung durchgeführt werden. Bei dem Verfahren kann der Messbetrieb, welcher im Folgenden auch als LSU-Betrieb (in Anlehnung an die Namensgebung der Breitband-Lambdasonden im oben genannten Stand der Technik als ”LSU”) bezeichnet wird, temporär für den Kalibrierbetrieb unterbrochen werden, und das Sensorelement in diesem Kalibrierbetrieb in einem abweichenden Modus betrieben werden, um die mindestens eine Kalibrierinformation, welche im Folgenden auch als Kalibrierwert bezeichnet wird, zu erfassen. Anschließend kann wieder in den LSU-Betrieb zurückgekehrt werden, und der aus dem Kalibrierbetrieb ermittelte Kalibrierwert kann für die Korrektur beispielsweise von Messwerten des LSU-Betriebs verwendet werden.
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Auf diese Weise lassen sich mittels des vorgeschlagenen Verfahrens auch Fehler kompensieren, die beispielsweise durch parasitäre Leitfähigkeiten verursacht werden können. Diese parasitären Leitfähigkeiten können insbesondere parallel zu der mindestens einen Pumpzelle oder auch beispielsweise von einer Elektrode der mindestens einen Pumpzelle zu einem anderen Potenzial, beispielsweise einem Anschluss eines Heizelements, vorliegen. Gründe für derartige parasitäre Leitfähigkeiten können beispielsweise im Sensorelement selbst liegen, beispielsweise in einer Zuleitungsisolation, einer Isolation einer Kontaktierung und/oder einer Isolation einer Durchkontaktierung, einer elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten oder in anderen Ursachen. Weitere Ursachen können im Bereich einer Kontaktierung liegen, beispielsweise aufgrund einer vorhandenen Feuchtigkeit, oder im Bereich einer Zuleitung zu der Ansteuerung und/oder innerhalb der Ansteuerung, beispielsweise einer Auswerteschaltung und/oder einem Motorsteuergerät. Bei der Erfassung eines Pumpstroms führt ein derartiger Nebenschluss in der Regel zu einem Messfehler, welcher sich als Stromfehler äußert, der im Fall einer Leitfähigkeit parallel zur Pumpzelle sich beispielsweise in einem Produkt aus Leitwert und Pumpspannung äußert. Auch andere Arten von Nebenschlüssen sind jedoch, wie oben beschrieben, bekannt. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens können derartige Nebenschlüsse unterschiedlicher Art erkannt und kompensiert werden.
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Als weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist zu verzeichnen, dass für die Kalibrierung die Einstellung eines definierten Gases nicht erforderlich ist. Stattdessen kann eine sich ändernde Gaszusammensetzung genutzt werden, welche im Betrieb des Sensorelements in der Regel häufig auftritt, beispielsweise in Form einer sich ändernden Abgaszusammensetzung im Rahmen verschiedener Betriebszustände einer Verbrennungskraftmaschine. Als einzige Bedingung für die Funktionsfähigkeit der oben beschriebenen Kalibrierung ist zu vermerken, dass während des Kalibrierbetriebs die Luftzahl λ = 1 durchschritten wird, beispielsweise von einem fetten Luftzahlbereich hin zu einem mageren Luftzahlbereich oder umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Es zeigen:
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1 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Kalibrierbetrieb;
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2 eine schematische Darstellung einer prinzipiellen Betriebsweise eines Sensorelements im Messbetrieb im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3A und 3B verschiedene Ausgestaltungen eines Kalibrierbetriebs eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 Kennlinien einer Pumpzelle eines Sensorelements im Kalibrierbetrieb mit unterschiedlichen H2O-Konzentrationen;
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5 Pumpstromverläufe in einem Kalibrierbetrieb während eines Gaswechsels von Fettgas nach Magergas für verschiedene Sensorelemente; und
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6A bis 6C verschiedene Kennlinien eines Sensorelements mit und ohne Kalibrierung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 2 ist in stark schematisierter Darstellung eine Vorrichtung zum Nachweis einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt, wie sie auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Die Vorrichtung 110 umfasst ein Sensorelement 114, beispielsweise ein keramisches Sensorelement, und eine mit dem Sensorelement 114 verbundene Ansteuerung 116. Die Ansteuerung 116 ist in 2 lediglich ansatzweise dargestellt, wobei in 2 lediglich Komponenten angedeutet sind, welche für einen Messbetrieb der Vorrichtung 110 eingesetzt werden können.
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Das Sensorelement 114 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel grundsätzlich analog zu den in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschriebenen Breitband-Lambdasonden vom Typ LSU ausgestaltet, so dass das Sensorelement 114 im Folgenden auch als LSU bezeichnet wird. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Das Sensorelement 114 umfasst eine innere Pumpelektrode 118, welche in 2 auch mit IPN bezeichnet ist und welche in einem Elektrodenhohlraum 120 angeordnet sein kann. Der Elektrodenhohlraum 120 kann ungefüllt ausgestaltet sein oder ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen porösen Medium ausgefüllt sein und kann beispielsweise über eine Gaszutrittsbohrung 122 und eine Diffusionsbarriere 124 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar sein. Die innere Pumpelektrode 118 kann beispielsweise, wie in 2 gezeigt, geerdet oder mit einer Masse und/oder mit einer virtuellen Masse verbunden sein. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 eine äußere Pumpelektrode 126, welche beispielsweise lediglich über eine gasdurchlässige, poröse Schutzschicht 128 von dem Messgasraum 112 getrennt ist und welche in 2 auch mit APE bezeichnet wird. Die IPN 118 und die APE 126 sind über einen Festelektrolyten 130 miteinander verbunden. Die IPN 118, die APE 126 und der Festelektrolyt 130 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 132.
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Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Nernstzelle, welche mit der Bezugsziffer 134 bezeichnet ist. Diese Nernstzelle 134 umfasst eine in dem Elektrodenhohlraum 120 angeordnete Elektrode, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 exemplarisch die IPN 118 gleichzeitig als Elektrode der Nernstzelle 134 fungiert. Weiterhin umfasst die Nernstzelle 134 eine in einem Referenzgasraum 136 angeordnete Referenzelektrode 138, in 2 auch als RE bezeichnet, welche mit der IPN 118 ebenfalls über den Festelektrolyten 130 verbunden ist. Die IPN 118 kann jedoch auch mehrteilig ausgestaltet sein, so dass beispielsweise eine Elektrode als Pumpelektrode der Pumpzelle 132 fungiert, und eine von dieser getrennt ausgebildete Elektrode in dem Elektrodenhohlraum 120 als Messelektrode der Nernstzelle 134. Der Elektrodenhohlraum 136 ist exemplarisch in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Referenzkanal ausgestaltet, beispielsweise als Luftreferenzkanal. Der Referenzgasraum 136 kann unausgefüllt sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise mit einem porösen, gasdurchlässigen Material angefüllt sein. Weiterhin kann das Sensorelement 114 mindestens ein Heizelement 140 umfassen, welches in 2 lediglich angedeutet ist.
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Eine LSU 114 wird typischerweise in einem im Wesentlichen in 2 schematisch dargestellten Messbetrieb betrieben, wobei typischerweise mindestens ein Regler 142 verwendet wird. Dabei wird an der Nernstzelle 134 die Nernstspannung UN zwischen der Referenzelektrode 138 und der IPN 118 auf einen konstanten Wert, beispielsweise 450 mV, geregelt, indem ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 132 entsprechend vorgegeben wird. Dieser Pumpstrom kann beispielsweise über die äußere Pumpelektrode 126 aufgeprägt werden. Die Vorgabe des Pumpstroms kann beispielsweise durch eine kontinuierliche Pumpstrombeaufschlagung erfolgen oder auch durch eine gepulste Pumpstrombeaufschlagung, wobei beispielsweise durch eine Pulsformmodulation und/oder durch eine Pulsweitenmodulation der mittlere Pumpstrom beeinflusst werden kann. Sofern im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Pumpströmen und/oder Pumpspannungen die Rede ist, so kann sich dies somit entweder auf nicht-gepulste, kontinuierliche Werte oder, falls gepulste Pumpspannungen und/oder Pumpströme verwendet werden, auf einen Mittelwert dieser Pumpspannungen bzw. Pumpströme, beispielsweise über eine, zwei oder mehr Pulsperioden, beziehen. Durch das dargestellte Regelverfahren kann ein Sauerstoffpartialdruck in dem als Messkammer fungierenden Elektrodenhohlraum 120 näherungsweise konstant und vorzugsweise sehr gering gehalten werden. Bei einer mageren Gaszusammensetzung (Luftzahl λ > 1) müssen durch die Diffusionsbarriere 124 nachströmende Sauerstoffmoleküle als Sauerstoffanionen aus dem Elektrodenhohlraum 120 heraustransportiert werden, um die vorgegebene Nernstspannung aufrechtzuerhalten, was einem positiven technischen Strom IP durch die Pumpzelle 132 in die APE 126 entspricht. Bei einem Fettgas (λ < 1) diffundieren hingegen Fettgasmoleküle durch die Diffusionsbarriere 124. Für die Reaktion mit diesen Fettgasmolekülen müssen Sauerstoffmoleküle in Form von Sauerstoffanionen in den Elektrodenhohlraum 120 transportiert werden, um die vorgegebene Nernstspannung aufrechtzuerhalten. Dies entspricht einem negativen IP. Der Pumpstrom kehrt sich also abhängig davon, ob das Abgas einen Sauerstoffgehalt λ > 1 (mager) oder ein Sauerstoffdefizit λ < 1 (fett) aufweist, um. Es existieren zahlreiche Variationen dieses in 2 dargestellten Betriebs, die grundsätzlich zu diesem Abgleich gemäß 2 kompatibel sind. Insbesondere ist, wie oben ausgeführt, ein gepulster Betrieb möglich.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren zusätzlich zu dem in 2 dargestellten Messbetrieb ein Kalibrierbetrieb. Beispielsweise kann der Messbetrieb unterbrochen werden, um den Kalibrierbetrieb durchzuführen. Zwei Beispiele eines Kalibrierbetriebs sind in den 3A und 3B dargestellt. In diesem Kalibrierbetrieb wird die Pumpzelle 132 in dem Aufbau gemäß 2 mit einer Pumpspannung beaufschlagt, und ein Pumpstrom IP durch die Pumpzelle 132 wird erfasst, beispielsweise mit einer in den 3A und 3B nicht dargestellten Messvorrichtung, beispielsweise einer Strommessvorrichtung in einer Zuleitung zur APE 126. Die Ausführungsbeispiele gemäß den 3A und 3B unterscheiden sich dadurch, dass in der Ausführungsform gemäß 3A eine Konstantspannung UP als Pumpspannung an der Pumpzelle 132 vorgegeben wird, wohingegen in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3B die Pumpspannung UP auf einen konstanten Wert (hier exemplarisch den Wert UP,Soll von exemplarisch 450 mV) geregelt wird, beispielsweise wiederum unter Verwendung eines Reglers 142 in der Ansteuerung 130. Bei einem gepulsten Betrieb kann auch die unbelastete Pumpspannung UP0 auf einem konstanten Wert von beispielsweise 450 mV geregelt werden. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
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In 4 ist eine typische Kennlinie des Pumpstroms IP bei einer derartigen Betriebsweise dargestellt. Wie diese schematische Kennlinie ergibt, ist diese Kennlinie IP als Funktion der Luftzahl λ V-förmig, mit einem Minimum bei λ = 1. Im mageren Messbereich (λ > 1) entspricht das Sensorsignal IP im Wesentlichen dem Sensorsignal aus dem LSU-Messbetrieb gemäß 2. Im Fettgas hingegen (λ < 1) kehrt sich die Pumprichtung des Pumpstroms IP nicht um, sondern der Strom steigt in positiver Richtung steil an. Dieser steile Anstieg lässt sich dadurch begründen, dass in dem Messbereich λ < 1 nicht mehr, wie im LSU-Betrieb, die Diffusionsbarriere 124 als das limitierende Element für den Nachstrom für Fettgasmoleküle darstellt, sondern die Schutzschicht 128 der APE 126. Dies ist für einen gewissen Bereich gültig, bis an der IPN 118 keine ausreichende Menge an Fettgasmolekülen zur Gewinnung von Sauerstoff mehr vorhanden ist. Insbesondere kann durch die Diffusionsbarriere 124 und einen begrenzten Wasser-Gehalt im Gas im Messgasraum 112 ein limitierter Vorrat an H2O an der IPN 118 zur Verfügung stehen.
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Grundsätzlich kann die Pumpzelle 132 auch mit einer in ihrer Polarität umgekehrten Pumpspannung betrieben werden.
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Der charakteristische Verlauf des Pumpstroms während des Kalibrierbetriebs, währenddessen die Nernstzelle 134 vorzugsweise nicht benutzt wird, wird für das hier beschriebene Kalibrierverfahren benutzt. Für den Fall, dass eine Abgaszusammensetzung sich von einem Sauerstoffüberschuss (λ > 1) zu einem Sauerstoffdefizit (λ < 1), bzw. umgekehrt, ändert, wird der Pumpstrom IP bei diesem Übergang ein Minimum erreichen. Dies ist in 5 exemplarisch dargestellt. Aufgetragen ist hier der Pumpstrom IP als Funktion der Zeit t. Dargestellt sind die Kennlinien eines idealen Sensorelements 114 (Kennlinie 144), und eine Kennlinie 146 eines Sensorelements 114 mit einer parasitären Leitfähigkeit. Beide Kennlinien 144, 146 durchlaufen, bedingt durch einen Luftzahlwechsel, charakteristische Minima 148, welche jedoch gegeneinander um einen Betrag ΔIP verschoben sein können.
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Dieses Minimum 148 in den Kennlinien 144, 146 kann für die Kalibrierung als Kalibrierinformation verwendet werden, insbesondere für die Erfassung einer parasitären Leitfähigkeit. Dabei ist es unwichtig, den genauen Wert für λ zu kennen. Voraussetzung für eine gültige Kalibrierung ist lediglich, dass ein Wechsel von einem Sauerstoffüberschuss zu einem Sauerstoffdefizit oder umgekehrt stattgefunden hat. Dass dies der Fall ist, kann beispielsweise validiert werden, indem unmittelbar nach dem Zurückschalten in einen Messbetrieb (LSU-Betrieb) und nach Erreichen einer Messbereitschaft ein in diesem Fall fettes Abgas erfasst wird, so dass ein Wechsel von einem mageren Abgas zu einem fetten Abgas bestätigt wird, oder indem nach einem zuvor fetten Abgas nach dem erneuten Umschalten in einen LSU-Betrieb ein mageres Abgas erfasst wird. Auf diese Weise kann nach dem erneuten Umschalten in den Messbetrieb validiert werden, dass ein Luftzahlwechsel in dem Gas stattgefunden hat und dass vorzugsweise das Erreichen des Minimums 148 durch den Luftzahlwechsel bedingt war.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs exemplarisch gezeigt. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Messbetrieb (LSU-Betrieb 150) durchgeführt, beispielsweise analog zu dem anhand der 2 beschriebenen Verfahren. Anschließend wird in einen Kalibrierbetrieb 152 umgeschaltet, und es erfolgt optional ein Warten auf Messbereitschaft (Bezugsziffer 154) im Kalibrierbetrieb 152. Erfolgt ein Gaswechsel (Bezugsziffer 156), festgestellt durch Auftreten eines Extremums (beispielsweise eines Minimums 148 gemäß 5 in einem IP-t-Diagramm), so kann ein entsprechender Kalibrierwert erfasst werden (Bezugsziffer 158), beispielsweise in Form des Pumpstroms IP im Minimum 148 und/oder in Form eines Betrags dieses Pumpstroms IP. Anschließend kann wieder in den Messbetrieb umgeschaltet werden (LSU-Betrieb, Bezugsziffer 160), es kann erneut auf Messbereitschaft gewartet werden (Bezugsziffer 162), und es kann anschließend in Schritt 164 durch eine Luftzahlmessung eine Validierung der Kalibrierung stattfinden, wie oben beschrieben. Anschließend kann der LSU-Betrieb regulär fortgesetzt werden (Bezugsziffer 166).
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Der Gaswechsel bzw. Luftzahlwechsel erfolgt im günstigsten Fall sehr langsam, beispielsweise unterhalb der Dynamik des Sensorelements 114. Es kann jedoch unter bestimmten Umständen auch die am λ = 1-Punkt üblicherweise geringe Dynamik des Sensorelements genutzt werden. Dabei ist in der Regel wichtig, dass der in diesem Fall zweite Lambdawert (beispielsweise ein fetter Lambdawert) eine gewisse Grenze, welche üblicherweise abhängig vom Sensorelement 114 ist, nicht übersteigt.
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Als Variante kann die Messung im Kalibrierbetrieb mehrfach bei unterschiedlichen Pumpspannungen UP durchgeführt werden, um die Genauigkeit zu erhöhen und um gegebenenfalls eine Nichtlinearität der parasitären Leitfähigkeit zu erfassen. Auf diese Weise können auch beispielsweise die parallel zur Pumpzelle 132 liegenden Nebenschlüsse von anderen Nebenschüssen separiert werden, da in der Regel nur bei den parallel zur Pumpzelle 132 liegenden Nebenschlüssen ein Einfluss der Pumpspannung auf den beobachteten Effekt vorhanden ist.
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Die erfasste Kalibrierinformation, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Kalibrierwerte, kann nun im Messbetrieb zur Korrektur des Pumpstroms verwendet werden. Eine parallel zur Pumpzelle 132 liegende Leitfähigkeit kann beispielsweise für die Korrektur zur Erhöhung der Genauigkeit mit der aktuellen Pumpspannung multipliziert werden. Eine derartige Korrektur im Rahmen einer Kalibrierung des Sensorelements 114 ist in den 6A bis 6C dargestellt. Dabei zeigt 6A eine Pumpspannung UP als Funktion der Luftzahl λ während des Messbetriebs. 6B zeigt einen Pumpstromverlauf IP eines idealen Sensorelements 114 (Kurve 168) sowie einen Pumpstromverlauf 170 eines Sensorelements mit einer parasitären Leitfähigkeit parallel zur Pumpzelle 132. 6C zeigt nochmals in gestrichelter Darstellung den Pumpstromverlauf 170 eines Sensorelements 114 mit einer parasitären Leitfähigkeit parallel zur Pumpzelle 132 als unkalibriertes Signal, sowie als durchgezogene Linie 172 einen kalibrierten Pumpstromverlauf in Form korrigierter Messwerte, korrigiert mit der Kalibrationsinformation, welche gemäß dem oben beschriebenen Kalibrierbetrieb gewonnen wurde, beispielsweise durch Multiplikation der parasitären Leitfähigkeit parallel zur Pumpzelle 132 mit der aktuellen Pumpspannung UP.
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Bei einem gepulsten Betrieb kann der zeitliche Verlauf der Pumpspannung UP auch für die Korrektur verwendet werden und/oder bei messtechnisch bedingter Unkenntnis des exakten Pumpstromverlaufs kann eine mittlere Pumpspannung geschätzt werden oder als Kennlinie hinterlegt werden.
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Nebenschlüsse, die nicht parallel zur Pumpzelle 132 liegen, können entweder als konstanter Stromfehler angenommen werden und/oder bei Kenntnis der Energiequelle bzw. Energiesenke mittels dieser korrigiert werden. Auf diese Weise können beispielsweise Energiequellen oder Energiesenken in Form einer Heizspannung oder einer virtuellen Masse rechnerisch, empirisch oder semiempirisch bei der Auswertung berücksichtigt werden. Es besteht prinzipiell im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein auch die Möglichkeit, eine oder mehrere Kennlinien und/oder ein oder mehrere Kennfelder für die Korrektur zu hinterlegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0002]
- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–157 [0002]
- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0030]
