DE102011013542A1

DE102011013542A1 - Sensorvorrichtung und Verfahren zum Erfassen einer Gaskonzentration und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes

Info

Publication number: DE102011013542A1
Application number: DE201110013542
Authority: DE
Inventors: Manfred Weigl; Dr. Wildgen Andreas
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2012-09-13
Also published as: WO2012120063A1

Abstract

Die Sensorvorrichtung (SV) zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal (EXH) einer Brennkraftmaschine umfasst ein Partikelsensorelement (PAR_S) zum Erfassen der Partikelkonzentration mit zumindest zwei Sensorelektroden (EL1, EL2), die auf einer Außenseite eines Trägersubstrats vorgegeben beabstandet zueinander angeordnet sind. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung (SV) ein Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) zum Erfassen der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sowie einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten (F). Die Sensorvorrichtung (SV) weist ein Heizelement (HEAT) auf, das thermisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolyten (F) zum Beheizen des Partikelsensorelements (PAR_S) und des Festkörperelektrolyten (F) und das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es jeweils mechanisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolytelement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes, sowie ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentrationen der zumindest einen Gaskomponente und der Partikelkonzentration.
Zunehmend strengere gesetzliche Vorschriften erfordern eine Reduzierung der von einem Kraftfahrzeug ausgehenden Verbrennungsabgase. In diesem Zusammenhang werden Kraftfahrzeuge zunehmend mit Abgasreinigungsanlagen ausgestattet. Für eine Überwachung und/oder Steuerung solch einer Abgasreinigungsvorrichtung sind eine Vielzahl von Sensoren erforderlich.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die beziehungsweise das eine zuverlässige Bestimmung von Bestandteilen eines Gasgemisches ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Die Sensorvorrichtung umfasst ein Partikelsensorelement zum Erfassen der Partikelkonzentration mit zumindest zwei Sensorelektroden, die auf einer Außenseite eines Trägersubstrats vorgegeben beabstandet zueinander angeordnet sind. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung ein Festkörperelektrolytsensorelement zum Erfassen der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sowie einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten. Die Sensorvorrichtung weist ein Heizelement auf, das thermisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement und dem Festkörperelektrolyten zum Beheizen des Partikelsensorelements und des Festkörperelektrolyten und das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es jeweils mechanisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement und dem Festkörperelektrolytelement.
Ein Messsignal des Partikelsensorelements ist hierbei vorzugsweise repräsentativ für die Partikelkonzentration, insbesondere eine Rußpartikelkonzentration, des Abgasstromes. Ein Messsignal des Festkörperelektrolytsensorelements ist hierbei vorzugsweise repräsentativ für die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente des Abgasstromes, z. B. für eine Sauerstoffkonzentration oder Stickstoffoxidkonzentration. Das Festkörperelektrolytsensorelement kann ausgebildet sein zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration und/oder die Konzentration einer weiteren Gaskomponente, beispielsweise eines Stickstoffoxids, eines Kohlenmonoxids, eines Kohlenwasserstoffes oder eines Ammoniaks. Vorteilhafterweise können mit der Sensorvorrichtung verschiedene Konzentrationen eines Gasgemisches erfasst werden und das Heizelement kann sowohl für das Partikelsensorelement als auch das Festkörperelektrolytsensorelement genutzt werden.
Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise für ein On-Board-Diagnose-System genutzt werden. Für eine On-Board-Diagnose kann es ausreichend sein, wenn beispielsweise ein Messsignal einer Lambda-Sonde nur zeitweise zur Verfügung steht und/oder ein Messsignal eines Rußpartikelsensors nur zeitweise zur Verfügung steht. Das Partikelsensorelement und das Festkörperelektrolytsensorelement können beispielsweise mittels einer geeignet ausgebildeten Steuereinheit derart angesteuert werden, dass während eines vorgegebenen Fahrzyklus jeweils zumindest einmal die Partikelkonzentration und zumindest einmal die Konzentration des Gasgemisches erfasst werden können. Der Fahrzyklus kann beispielsweise durch eine vorgegebene Zeitdauer, z. B. 500 s, und einen vorgegebenen Betriebszustand während der Zeitdauer, z. B. einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, charakterisiert werden.
Vorteilhafterweise können ein mechanischer Aufbau des Partikelsensorelements und des Festkörperelektrolytsensorelements sehr ähnlich sein. Auch die Werkstoffe und Materialien, die das Partikelsensorelement und das Festkörperelektrolytsensorelement aufweisen, können ähnlich sein, so dass eine Herstellung der Sensorvorrichtung im Vergleich zu einer Herstellung eines nur zur Erfassung einer Gaskonzentration ausgebildeten Festkörperelektrolytsensors mit nur geringen Mehrkosten möglich ist. Eine Anpassung einer spezifischen Lambda-Sonden-Heizung an eine für die Regeneration des Partikelsensorelements geeignete Heizung kann mit geringem Änderungsaufwand erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Festkörperelektrolytsensorelement zur Erfassung der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente als Sprung-Lambda-Sonde oder Breitband-Lambda-Sonde oder Proportional-Lambda-Sonde ausgebildet. Das Festkörperelektrolytsensorelement kann hierzu beispielsweise jeweils eine oder mehrere geeignet ausgebildete und angeordnete Pumpkammern, Referenzkanäle, Pumpelektroden, Referenzelektroden und/oder Diffusionsbarrieren aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest eine der beiden Elektroden des Festkörperelektrolytsensorelements als Mischpotentialelektrode ausgebildet. Die erste und zweite Elektrode des Festkörperelektrolytsensorelements können beispielsweise nach dem Mischpotentialprinzip ausgelegt sein.
Hierzu kann die erste Elektrode als eine mit Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Zink dotierte Platinelektrode ausgebildet sein. Anstelle des Platins können auch andere Materialien, wie z. B. Palladium, Iridium, Tantal oder einer Kombination dieser Materialien, genutzt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einer Sensorvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt. Hierbei wird zeitversetzt während einer ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration ermittelt abhängig von einer erfassten Widerstands- und/oder Impedanzänderung zwischen den zwei Sensorelektroden des Partikelsensors. Während einer zweiten Zeitdauer wird die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente ermittelt abhängig von einer erfassten an den Elektroden des Festköperelektrolytsensors anliegenden Spannung und/oder eines erfassten Pumpstromes, wobei während der zweiten Zeitdauer die Sensorvorrichtung auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, so dass Partikel, die sich im Wesentlichen während der ersten Zeitdauer zwischen und/oder auf den Sensorelektroden abgelagert haben, verbrannt werden.
Der Festkörperelektrolyt des Festkörperelektrolytsensorelements weist eine Ionenleitfähigkeit erst ab einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Festkörperelektrolyten auf. Beispielsweise weist Zirkoniumoxid die Ionenleitfähigkeit erst bei einer Betriebstemperatur von näherungsweise oberhalb 450°C auf. Bei einer Anordnung eines Festkörperelektrolytsensors in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine in einer Einbauposition, bei der das Abgas eine geringere Temperatur aufweist als die vorgegebene Betriebstemperatur, wird daher der Festkörperelektrolytsensor vorzugsweise beheizt. Die vorgegebene Betriebstemperatur des Festkörperelektrolyten kann höher sein als eine vorgegebene Grenztemperatur, bis zu der sich Partikel zwischen und/oder auf den Sensorelektroden des Partikelsensorelements und/oder den Elektroden des Festköperelektrolytsensorelements in ausreichender Menge für eine Erfassung der Widerstands- und/oder Impedanzänderung ablagern. Die Grenztemperatur kann beispielsweise abhängig sein von einer Abgastemperatur des Abgases, das die Sensorelektroden umströmt. Eine Abgastemperatur des Abgases kann stromabwärts nach einem Partikelfilter einen Wert im Bereich von 250°C aufweisen. Damit können die Partikelkonzentration und die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit der Sensorvorrichtung mit einer Einbauposition der Sensorvorrichtung stromabwärts nach dem Partikelfilter zeitlich versetzt ermittelt werden, und das Heizelement kann zumindest teilweise gleichzeitig für das Partikelsensorelement als auch das Festkörperelektrolytsensorelement genutzt werden. Beispielsweise kann das Heizelement genutzt werden, die Sensorvorrichtung auf die vorgegebene Temperatur aufzuheizen, so dass während des Erfassens der Konzentration der Gaskomponente, die erste und zweite Sensorelektrode des Partikelsensorelements gereinigt werden können. Die vorgegebene Temperatur kann beispielsweise einen Wert von näherungsweise 800°C aufweisen. Eine zeitliche Pause, bei der weder die Partikelkonzentration noch die Konzentration des Gases erfasst werden können, ist abgesehen von einer möglichen Sammelphase, nicht erforderlich. Nach dem Reinigen der ersten und zweiten Sensorelektrode durch das Abbrennen kann es eine gewisse Zeit dauern, bis sich ausreichend Partikel auf und/oder zwischen den zumindest zwei Sensorelektroden abgelagert haben und das Partikelsensorelement ein zuverlässig auswertbares Messsignal liefert. Diese Zeit kann als Sammelphase bezeichnet werden.
Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine stromabwärts nach dem Partikelfilter, insbesondere einem Rußpartikelfilter, angeordnet sein. Während des vorgegebenen Fahrzyklus kann während der ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration erfasst und ausgewertet werden, so zum Beispiel zum Überprüfen eines Wirkungsgrades des Partikelfilters. Während der zweiten Zeitdauer kann die Konzentration der Gaskomponente erfasst werden. Die Konzentration der Gaskomponente kann beispielsweise für eine Überprüfung einer Kraftstoffdosierung und/oder einer Abgasrückführungsvorrichtung genutzt werden.
Beispielsweise kann die so erfasste Konzentration der zumindest einen Gaskomponente für eine Steuerung einer Partikelfilterregeneration, insbesondere einer Rußpartikelfilterregeneration, genutzt werden. Um den Partikelfilter von angesammelten und/oder gespeicherten Partikeln zu säubern, werden diese Partikel in dem Partikelfilter vorzugsweise verbrannt. Ein zu schnelles Abbrennen der Partikel in dem Partikelfilter kann zu einer so starken Erwärmung des Partikelfilters führen, dass dieser beschädigt wird. Dieser Fall kann insbesondere eintreten, wenn eine Beladung des Partikelfilters eine vorgegebene Grenzbeladung übersteigt aufgrund eines oder mehreren vorgegebenen, für das Abrennen ungünstigen, Betriebszuständen der Brennkraftmaschine. Während der Partikelfilterregeneration kann das Abgas hohe Abgastemperaturen mit Temperaturwerten oberhalb 800° aufweisen, so dass während dieser Zeit keine Partikelkonzentration mit dem Partikelsensorelement erfasst werden kann. In dieser Zeit kann jedoch die Konzentration des zumindest einen Gasgemisches erfasst werden und an eine geeignete Motorsteuerung signalisiert werden, so dass die Motorsteuerung abhängig von der Konzentration des zumindest einen Gasgemisches durch ein Steuern oder Regeln der Kraftstoffdosierung und/oder der Abgasrückführung die Abgastemperatur und einen Sauerstoffgehalt des Abgases regeln kann. Vorteilhafterweise kann dies einen kontrollierten Rußabbrand ermöglichen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Partikelsensors.
In 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung SV dargestellt. Die Sensorvorrichtung SV ist zumindest teilweise in einem Abgaskanal EXH einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Beispielsweise ist die Sensorvorrichtung SV stromabwärts nach einem Partikelfilter des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Die Sensorvorrichtung SV umfasst ein Partikelsensorelement PAR_S. Das Partikelsensorelement PAR_S umfasst einen Sensorträger C, der vorzugsweise als Glas- oder Keramikträger ausgebildet ist. Auf dem Sensorträger C sind eine erste EL1 und eine zweite Sensorelektrode EL2 derart auf einer Seite angeordnet, dass sie dem Abgasstrom in dem Abgaskanal EXH ausgesetzt sind. Die Richtung des Abgasstroms ist zum besseren Verständnis durch einen Pfeil in dem Abgaskanal EXH in 1 gekennzeichnet. Der Sensorvorrichtung SV ist vorzugsweise derart in dem Abgaskanal EXH ausgerichtet, dass die erste EL1 und die zweite Sensorelektrode EL2 dem Abgasstrom zugewandt sind. Die Sensorelektroden EL1, EL2 sind vorzugsweise als Platinelektroden ausgebildet. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Ausrichtung der Sensorvorrichtung SV in dem Abgaskanal EXH und eine andere Ausführung der Sensorelektroden EL1, EL2 denkbar.
Ferner weist die Sensorvorrichtung SV ein Heizelement HEAT auf. Das Heizelement HEAT ist beispielsweise auf einer der Sensorelektroden EL1, EL2 abgewandten Seite des Sensorträgers C angeordnet. Grundsätzlich ist auch eine andere Anordnung des Heizelements HEAT möglich. Beispielsweise ist das Heizelement (HEAT) mäanderförmig ausgebildet.
Ferner weist die Sensorvorrichtung SV ein Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S auf. Das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S ist beispielsweise im Wesentlichen als Breitband-Lambda-Sonde ausgebildet. Hierzu umfasst das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S einen Festkörperelektrolyten F, der beispielsweise im Wesentlichen aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) besteht. In dem Festkörperelektrolyten F ist eine Pumpkammer P angeordnet. Die Pumpkammer P weist eine Diffusionsbarriere D auf, die die Pumpkammer P von einem Abgasraum trennt. Die Diffusionsbarriere D kann beispielsweise einen porösen keramischen Werkstoff aufweisen. Durch die Diffusionsbarriere D wird eine nachströmende Gasmenge in die Pumpkammer P begrenzt. Eine erste Pumpelektrode EL_P1 ist in der Pumpkammer P angeordnet. Eine zweite Pumpelektrode EL_P2 ist außen an dem Festkörperelektrolyten F angeordnet.
Ferner weist das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S eine Referenzelektrode EL_R und einen Luftreferenzkanal CH_R auf. Die Referenzelektrode EL_R ist in dem Luftreferenzkanal CH_R angeordnet. Der Luftreferenzkanal CH_R ist pneumatisch mit einer Umgebungsluft gekoppelt und weist daher einen im Wesentlichen konstanten Sauerstoffpartialdruck auf.
Das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S ist thermisch und mechanisch mit dem Heizelement HEAT gekoppelt. Hierbei ist beispielsweise der Festkörperelektrolyt F über eine elektrisch isolierende Schicht I mit dem Heizelement HEAT mechanisch und thermisch gekoppelt. Die elektrisch isolierende Schicht I kann beispielsweise einen keramischen Werkstoff, wie z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), aufweisen oder im Wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehen.
Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung SV, insbesondere das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S, ein streifenförmiges Multilager-Keramiksubstrat umfassen, das Zirkoniumoxid (ZrO₂) aufweist. In dem Multilager-Keramiksubstrat können geschützt oder isoliert durch Aluminiumoxid-Substratschichten Elektrodenstrukturen und Heizelementstrukturen angeordnet sein. Die zumindest zwei Sensorelektroden EL1, EL2 oder weitere Sensorelektroden des Partikelsensorelements PAR_S können beispielsweise in einem Dickschicht-Siebdruckverfahren auf eine oder beide Außenflächen des Multilager-Keramiksubstrats aufgebracht werden. Zuleitungen zu dem Partikelsensorelement PAR_S und/oder dem Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S und/oder dem Heizelement HEAT können auf den beiden Außenseiten des Multilayer-Keramiksubstrats verlaufen und können mittels einer Aluminiumoxid-Schicht oder eines Hochtemperatur-Dickschicht-Glases isoliert sein.

Claims

Sensorvorrichtung (SV) zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal (EXH) einer Brennkraftmaschine, aufweisend: – ein Partikelsensorelement (PAR_S) zum Erfassen der Partikelkonzentration mit zumindest zwei Sensorelektroden (EL1, EL2), die auf einer Außenseite eines Trägersubstrats vorgegeben beabstandet zueinander angeordnet sind, – ein Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) zum Erfassen der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, und einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten (F), – ein Heizelement (HEAT), das thermisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolyten (F) zum Beheizen des Partikelsensorelements (PAR_S) und des Festkörperelektrolyten (F) und das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es jeweils mechanisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S).
Sensorvorrichtung (SV) nach Anspruch 1, bei der das Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) zur Erfassung der zumindest einen Gaskomponente als Sprung-Lambda-Sonde oder Breitband-Lambda-Sonde oder Proportional-Lambda-Sonde ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (SV) nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest eine der beiden Elektroden des Festkörperelektrolytsensorelements (GAS_S) als Mischpotentialelektrode ausgebildet ist.
Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal (EXH) einer Brennkraftmaschine mit einer Sensorvorrichtung (SV) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zeitversetzt – während einer ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration ermittelt wird abhängig von einer erfassten Widerstands- und/oder Impedanzänderung zwischen den zwei Sensorelektroden (EL1, EL2) des Partikelsensorelements (PAR_S), und – während einer zweiten Zeitdauer die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente ermittelt wird abhängig von einer erfassten an den Elektroden des Festköperelektrolytsensorelements (GAS_S) anliegenden Spannung und/oder eines erfassten Pumpstromes, wobei während der zweiten Zeitdauer die Sensorvorrichtung (SV) auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, so dass Partikel, die sich im Wesentlichen während der ersten Zeitdauer zwischen und/oder auf den Sensorelektroden (EL1, EL2,) abgelagert haben, verbrannt werden.