DE102012216791A1 - Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum Download PDF

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DE102012216791A1
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Sven Boeffert
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements (112) zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases (114) in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Sensorelement (112) weist mindestens eine Zelle (116) mit mindestens zwei Elektroden (118) und mindestens einen die Elektroden (118) verbindenden Festelektrolyten (120) auf. Das Sensorelement (112) umfasst mindestens ein Heizelement (122). Während mindestens einer Einlaufphase des Betriebs wird eine Temperaturerhöhungsphase eingeleitet. Während der Temperaturerhöhungsphase heizt das Heizelement (122) die Zelle (116) auf mindestens eine erhöhte Temperatur auf. Die Einlaufphase wird nach Inbetriebnahme des Sensorelements (112) durchgeführt. In mindestens einem der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase zeitlich nachgelagerten Normalbetriebsmodus heizt das Heizelement (122) die Zelle (116) auf mindestens eine Betriebstemperatur auf. Die erhöhte Temperatur ist höher als die Betriebstemperatur.

Description

  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens einer Gaskomponente in einem Messgasraum dienen können. Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Abgassensor handeln. Bei dem Gas kann es sich beispielsweise um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, und bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere um eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Solche Lambdasonden sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 beschrieben. Breitband-Lambdasonden können beispielsweise in einem Dieselabgas zu einer Messung eines Sauerstoffgehalts eingesetzt werden. Das Sauerstoffsignal kann verschiedenen Systemfunktionen zur Verbesserung von Abgasemissionen bereitgestellt werden. Durch einen dauerhaften Magerbetrieb von Dieselmotoren werden erhöhte Anforderungen an das Sensorelement, insbesondere an die Sensorkeramik, gestellt, beispielsweise im Vergleich zu λ = 1-Benzinsystemen.
  • Die nachveröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2011 005966.0 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines elektrochemischen Energiewandlers. Während einer In-situ-Eigendiagnose des Sensorelements kann eine Impedanzmessung durchgeführt werden. Aus der Impedanzmessung werden Abweichungen eines elektrochemischen Energiewandlers von einem vorgegebenen Normverhalten erkannt. Bei Erkennen einer Abweichung wird mindestens eine der Abweichung entsprechende Maßnahme eingeleitet. Bei der Maßnahme kann es sich beispielsweise um eine Elektrodenregeneration handeln, wobei unter einer Elektrodenregeneration beispielsweise eine Pumpstromumkehr und/oder eine, insbesondere zeitweise, erhöhte Betriebstemperatur, wie beispielsweise in WO 2008/031673 A1 beschrieben, verstanden werden kann. WO 2008/031673 A1 beschreibt einen Gassensor, insbesondere eine Lambdasonde für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Durch eine Regel- und Auswerteschaltung kann eine Sondenheizung in vorgebbaren Betriebsphasen so ansteuerbar sein, dass eine Überhitzung des Gassensors erfolgt.
  • Bei aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelementen und Verfahren zum Betrieb von Sensorelementen kann es während einer Einlaufphase, beispielsweise während der Produktion oder direkt danach, insbesondere bei einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug, zu einer Beschädigung des Sensorelements kommen, beispielsweise durch Fremdstoffe, welche sich zumindest teilweise an das Sensorelement anlagern können. Beispielsweise kann in der Einlaufphase mindestens ein Einlaufeffekt auftreten. Beispielsweise können in einem neuen Motor (Grünmotor) und/oder in einem neuen Abgassystem Stoffe ausgasen. Diese Stoffe und/oder Fremdstoffe, insbesondere Rückstände der Ausgasung, können sich auf dem Sensorelement, beispielsweise auf Elektroden des Sensorelements, niederschlagen. Durch Kurzstarts und/oder Kaltstarts während der Produktion und/oder im Anschluss zu der Produktion kann es zu einer Wassererzeugung, beispielsweise einem Abgaskondensat, insbesondere einem sauren Abgaskonzentrat, kommen. Hierdurch können beispielsweise Stoffe aus dem Abgastrakt herausgelöst werden. Durch das Ausdampfen von Wasser und/oder durch die herausgelösten Stoffe, beispielsweise Giftstoffe, insbesondere Siloxane, kann das Sensorelement eine Belastung erfahren. Weiterhin können im Neuzustand bei Erzeugung hoher Temperaturen chemische Reaktionen in einem Diesel-Partikel-Filter (DPF) ablaufen, welche ebenfalls das Sensorelement beeinträchtigen können. Beispielsweise kann in Dieselapplikationen eine Kennlinienabsenkung bereits nach kurzer Laufleistung, insbesondere im Feld, beobachtet werden. Eine Ursache hierfür können beispielsweise Rückstände aus den Herstellungsprozessen des Motors und/oder von Komponenten und/oder des Sensorelements, insbesondere der Lambdasonde, selbst sein. Wünschenswert wäre daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, welche die Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest teilweise mildern oder verhindern, insbesondere hinsichtlich einer Genauigkeit der Erfassung und/oder einer Erhöhung der Robustheit des Sensorelements und/oder der Erfassung und/oder einer Heilung von Einlaufeffekten.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es werden dementsprechend ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum und eine Vorrichtung zum Betrieb des Sensorelements vorgeschlagen. Bei dem Verfahren zum Betrieb kann es sich insbesondere um einen Betrieb handeln, welcher zu einer Erhöhung einer Diesel-Mager-Dauerlauf-Stabilität und/oder einer Mager-Dauerlaufstabilität und/oder einer Diesel-Mager-Dauerlauf-Robustheit und/oder einer Mager-Dauerlauf-Robustheit beitragen kann. Bei dem Verfahren zum Betrieb kann es sich insbesondere um einen Betrieb handeln, bei welchem einer Beschädigung des Sensorelements vorgebeugt werden kann. Bei dem Sensorelement kann es sich prinzipiell um eine beliebige Vorrichtung handeln, welche eingerichtet ist, um den Anteil des Gases in dem Messgasraum zu erfassen. Bei dem Sensorelement kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung handeln, welche auf der Basis von Funktionskeramiken aufgebaut ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um eine Lambdasonde, bevorzugt um eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um eine Lambdasonde mit mindestens einer Zelle, bevorzugt mit einer oder zwei Zellen, handeln. Alternativ hierzu kann es sich bei dem Sensorelement beispielsweise auch um mindestens einen NOx-Sensor handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement um einen Sensor mit mindestens drei Elektroden handeln. Bei der Erfassung des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum kann es sich prinzipiell um eine quantitative und/oder qualitative Erfassung handeln. Bei dem Anteil kann es sich beispielsweise um einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck und/oder einen Volumenanteil handeln. Beispielsweise kann es sich dem Anteil des Gases in dem Messgasraum um einen Anteil eines Gases in einem Gasgemisch handeln, insbesondere um einen Sauerstoffgehalt, bevorzugt einen Sauerstoffpartialdruck. Insbesondere kann es sich bei dem Anteil um einen Anteil einer Gaskomponente des Gases handeln. Bei der Gaskomponente kann es sich beispielsweise um Sauerstoff und/oder Stickoxide und/oder Fettgase handeln. Bei dem Gas kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Gas und/oder Gasgemisch handeln. Bevorzugt kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug. Das Gas kann beispielsweise in einer Hauptströmungsrichtung durch ein Strömungsrohr strömen. Bei dem Strömungsrohr kann es sich insbesondere um einen Abgasstrang und/oder ein Abgasrohr handeln. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Gas um Dieselabgas, insbesondere von Dieselfahrzeugen, beispielsweise bei einer Dieselapplikation, handeln. Prinzipiell kann unter dem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das Gas und/oder das Gasgemisch befindet. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei dem Sensorelement kann es sich insbesondere um eine Vorrichtung handeln, welche zum Steuern und/oder Regeln einer Verbrennung in automativen, beispielsweise bei Benzin-Direkteinspritzern, und/oder nicht-automativen Anwendungen, beispielsweise in Heizungen aller Art, insbesondere in Holzpellet-Heizungen, und/oder in stationären Verbrennungskraftmaschinen und/oder Off-Road-Fahrzeugen und/oder Flugzeugantrieben und/oder Schiffsantrieben und/oder Gaskraftwerken und/oder Gasmotoren, beispielsweise unter Verwendung von CNG (Compressed Natural Gas) und/oder LPG (Low Pressure Gas), dienen kann.
  • Das Sensorelement weist mindestens eine Zelle mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einen die Elektroden verbindenden Festelektrolyten auf. Bei der Zelle kann es sich beispielsweise um eine Nernstzelle und/oder um eine Pumpzelle handeln. Bei der Pumpzelle kann es sich bei den Elektroden um Pumpelektroden handeln und bei der Nernstzelle kann es sich bei den Elektroden bevorzugt um Nernstelektroden handeln. Bei der Zelle kann es sich prinzipiell um eine beliebige elektrochemische Zelle handeln. Bei der Pumpzelle kann es sich um eine Zelle handeln, welche vorzugsweise in einem Pumpbetrieb betrieben wird. Bei der Nernstzelle kann es sich um eine Zelle handeln, an welcher ein Nernstpotenzial erfasst werden kann, insbesondere zur Erfassung von Konzentrationsunterschieden an den beiden Elektroden. Bei der Pumpzelle kann es sich insbesondere um eine Zelle handeln, durch welche ein Ionenstrom fließen kann und/oder getrieben werden kann. An den Pumpelektroden können durch Oxidation und/oder Reduktion Umwandlungen von einem Ionenstrom in einen Elektrodenstrom stattfinden. Die Elektroden können zumindest teilweise aus mindestens einem leitenden Material, beispielsweise mindestens einem metallischen Material, aufgebaut sein. An mindestens einer Oberfläche einer Elektrode kann eine Umwandlung eines Ionenstroms in einen Elektronenstrom stattfinden. Bei dem Festelektrolyten kann es sich beispielsweise um einen keramischen Festkörper handeln. Der Festelektrolyt kann bevorzugt ionenleitende, insbesondere sauerstoffionenleitende, Eigenschaften aufweisen. Beispiele derartiger Festelektrolyte sind auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Festelektrolyten um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Von den Elektroden kann mindestens eine erste Elektrode dem Gas aussetzbar sein und eine zweite Elektrode kann durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere von dem Gas getrennt in einem Hohlraum angeordnet sein. Die Elektroden können also beispielsweise mindestens eine erste Pumpelektrode und mindestens eine zweite Pumpelektrode umfassen. Die Bezeichnungen "erste" und "zweite" dienen als Bezeichnungen und geben keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob beispielsweise noch weitere Elektroden von dem Sensorelement umfasst werden, beispielsweise mindestens eine dritte Elektrode. Das Sensorelement kann demnach mindestens eine dritte Elektrode umfassen. Bei der ersten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine äußere Pumpelektrode handeln. Bei der zweiten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine innere Pumpelektrode handeln. Bei der dritten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Referenzelektrode handeln. Die Referenzelektrode kann beispielsweise zumindest teilweise in mindestens einem Referenzgasraum angeordnet sein.
  • Das Sensorelement kann mindestens ein Heizelement umfassen. Bei dem Heizelement kann es sich um eine Vorrichtung handeln, welche eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sensorelements aufzuheizen und/oder abzukühlen. Das Heizelement kann insbesondere eingerichtet sein, um zumindest einen Teil des Sensorelements auf eine Temperatur zu regeln.
  • Während mindestens einer Einlaufphase des Betriebs wird eine Temperaturerhöhungsphase eingeleitet. Bei der Einlaufphase kann es sich um eine bestimmte Betriebsphase des Sensorelements und/oder der Verbrennungskraftmaschine handeln. Bei der Einlaufphase kann es sich beispielsweise um die ersten Motorbetriebsstunden und/oder um die ersten Sensorelementbetriebsstunden handeln. Bei der Einlaufphase kann es sich insbesondere um eine Betriebsphase handeln, bei welcher Einlaufeffekte, wie oben beschrieben, auftreten können. Bei der Einlaufphase kann es sich insbesondere um eine Phase handeln, in welcher beispielsweise ein Grünmotor ausgast und/oder Kurz- und/oder Kaltstarts in der Produktion und/oder direkt danach durchgeführt werden, wobei beispielsweise Wassererzeugung und/oder Abgaskondensaterzeugung, beispielsweise verbunden mit einem Herauslösen von Stoffen aus dem Abgastrakt, welche das Sensorelement belasten können, stattfinden können. Bei der Einlaufphase kann es sich insbesondere um eine Phase handeln, bei welcher in einem Diesel-Partikel-Filter chemische Reaktionen ablaufen können, welche das Sensorelement beeinträchtigen können. Bei der Temperaturerhöhungsphase kann es sich insbesondere um eine Phase handeln, bei welcher das Heizelement mindestens einen Teil des Sensorelements auf eine höhere Temperatur aufheizt als üblicherweise zu einem optimalen Betrieb führen würde, insbesondere zu einem optimalen Betrieb ohne Berücksichtigung von Einlaufeffekten. Bei der Einleitung der Temperaturerhöhungsphase und/oder während der Temperaturerhöhungsphase kann beispielsweise das Heizelement mit einer höheren elektrischen Leistung beaufschlagt werden.
  • Während der Temperaturerhöhungsphase heizt das Heizelement die Zelle auf mindestens eine erhöhte Temperatur auf. Bei der erhöhten Temperatur kann es sich insbesondere um eine Temperatur handeln, welche über einer Temperatur liegt, bei welcher das Sensorelement üblicherweise optimal betrieben wird, wenn Einlaufeffekte nicht berücksichtigt werden. Bei der erhöhten Temperatur kann es sich beispielsweise auch um eine Temperatur handeln, bei welcher das Sensorelement, insbesondere in dauerhaftem Betrieb, zumindest teilweise beschädigt werden kann und/oder eine geringere Genauigkeit bei der Erfassung des mindestens einen Anteils aufweisen könnte. Die Zelle kann insbesondere die beiden Elektroden und zumindest den Teil des Festelektrolyten umfassen, welcher die beiden Elektroden verbindet und/oder durch welchen eine Ionenleitung während des Betriebs stattfindet. Während der Temperaturerhöhungsphase kann das Heizelement die Zelle bevorzugt selbstständig auf die erhöhte Temperatur aufheizen. Unter dem Ausdruck "selbstständig" kann verstanden werden, dass beispielsweise keine Steuerung durch einen Benutzer notwendig ist.
  • Die Einlaufphase wird nach Inbetriebnahme des Sensorelements durchgeführt. Bei der Einlaufphase kann es sich beispielsweise um eine anfängliche Einlaufphase handeln. Bei der Inbetriebnahme kann es sich beispielsweise um die Inbetriebnahme eines Neufahrzeugs und/oder eines neuen Motors und/oder eines neuen Sensorelements handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Inbetriebnahme auch um einen Betrieb nach einem Ersatzteilaustausch in dem Fahrzeug und/oder in dem Motor und/oder in dem Sensorelement handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Inbetriebnahme auch um eine Aufnahme des Betriebs nach einem Austausch des Motors und/oder des Sensorelements handeln.
  • Das Heizelement heizt die Zelle in mindestens einem der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase zeitlich nachgelagerten Normalbetriebsmodus auf mindestens eine Betriebstemperatur auf. Unter einem Aufheizen auf die Betriebstemperatur ist dabei allgemein zu verstehen, dass das Heizelement die Zelle in dem Normalbetriebsmodus auf der Betriebstemperatur hält, beispielsweise durch eine Regelung und/oder Steuerung der Betriebstemperatur. Unter einem Aufheizen ist dabei somit, da die Betriebstemperatur unter der erhöhten Temperatur liegt, nicht notwendigerweise eine Temperaturerhöhung beim Übergang in den Normalbetriebsmodus zu verstehen, sondern die Temperatur wird in der Regel beim Eintritt in den Normalbetriebsmodus sogar gesenkt.
  • Bei dem Normalbetriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Betriebsmodus handeln, welcher getrennt von der Temperaturerhöhungsphase und/oder der Einlaufphase stattfindet. Prinzipiell kann der Normalbetriebsmodus zumindest teilweise mit der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase überlappen. Beispielsweise kann zwischen der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase und dem Normalbetriebsmodus mindestens ein weiterer Betriebsmodus durchgeführt werden. Bei dem Normalbetriebsmodus kann es sich insbesondere um einen Betrieb des Sensorelements handeln, bei welchem, insbesondere unter Vernachlässigung von Einlaufeffekten, das Sensorelement optimal betrieben wird, insbesondere hinsichtlich Schädigungen des Sensorelements und/oder einer Messgenauigkeit bei der Erfassung des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum. Bei der Betriebstemperatur kann es sich beispielsweise um eine Temperatur für einen optimalen Betrieb, insbesondere für minimalen Verschleiß und/oder maximale Messgenauigkeit, handeln. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur und/oder die erhöhte Temperatur durch mindestens eine Ansteuerung und/oder mindestens eine Steuerung, beispielsweise mindestens eine Regelung, eingestellt und/oder eingeregelt werden.
  • Die erhöhte Temperatur ist höher als die Betriebstemperatur. Bei der erhöhten Temperatur kann es sich insbesondere um eine mittlere Temperatur gemittelt über die Temperaturerhöhungsphase und/oder über die Einlaufphase handeln. Bei der Betriebstemperatur kann es sich insbesondere um eine mittlere Temperatur gemittelt über den Normalbetriebsmodus handeln. Beispielsweise kann es sich bei der erhöhten Temperatur auch um eine während der Temperaturerhöhungsphase und/oder in der Einlaufphase konstant eingeregelte Temperatur handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Betriebstemperatur auch um eine während des Normalbetriebsmodus konstant eingeregelte Temperatur handeln. Bei der erhöhten Temperatur und/oder der Betriebstemperatur kann es sich um jeweils konstante Temperaturen und/oder um einen Mittelwert fluktuierende Temperaturen, beispielsweise um modulierte Temperaturen, handeln. Die erhöhte Temperatur kann insbesondere im Mittel höher sein als eine gemittelte Betriebstemperatur. Beispielsweise kann auch eine maximale Temperatur der erhöhten Temperatur höher sein als eine maximale Temperatur der Betriebstemperatur. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine minimale Temperatur der erhöhten Temperatur höher sein als eine minimale Temperatur der Betriebstemperatur.
  • Die Betriebstemperatur kann beispielsweise 700 °C bis 830 °C, insbesondere 760 °C bis 800 °C, bevorzugt 780 °C betragen. Prinzipiell sind aber auch andere Temperaturen und/oder Temperaturbereiche möglich. Die erhöhte Temperatur kann mindestens 20 °C über der Betriebstemperatur liegen, vorzugsweise mindestens 50 °C, besonders bevorzugt 70 °C. Die erhöhte Temperatur kann 800 °C bis 1100 °C, vorzugsweise 830 °C bis 890 °C, besonders bevorzugt 840 °C bis 880 °C betragen. Beispielsweise kann, insbesondere bei einer Regeneration, bevorzugt bei einer weiteren Temperaturerhöhungsphase, die erhöhte Temperatur, insbesondere als Keramiktemperatur, 860 °C betragen, entsprechend beispielsweise einem Innenwiderstand von 180 Ohm. Beispielsweise kann, insbesondere bei einem Motordauerlauf mit erhöhter Temperatur, bevorzugt während der Einlaufphase, die erhöhte Temperatur, insbesondere als Keramiktemperatur, 880 °C betragen, entsprechend beispielsweise einem Innenwiderstand von Ri = 160 Ohm. Die erhöhte Temperatur kann, insbesondere zeitlich beschränkt, auch Temperaturen bis zu 1100°C umfassen. Beispielsweise kann die erhöhte Temperatur, insbesondere eine Keramiktemperaturerhöhung, bis zu 110°C über der Betriebstemperatur, beispielsweise einer Solltemperatur von 780°C, liegen. Prinzipiell können die Abstände zwischen der Betriebstemperatur und der erhöhten Temperatur auch anders gewählt werden. Die Betriebstemperatur und/oder die erhöhte Temperatur und/oder der Unterschied zwischen der Betriebstemperatur und der erhöhten Temperatur kann beispielsweise vorgegeben sein, beispielsweise können die Betriebstemperatur und/oder die erhöhte Temperatur und/oder der Unterschied zwischen der Betriebstemperatur auch in einem von dem erfindungsgemäßen Verfahren umfassten Temperaturberechnungsschritt ermittelt werden, beispielsweise aus mindestens einem Signal des Sensorelements, beispielsweise aus mindestens einem Pumpstrom und/oder mindestens einer Pumpspannung und/oder mindestens einer Nernstspannung und/oder mindestens einer Impedanz und/oder mindestens einem Innenwiderstand, beispielsweise des Sensorelements. Die Temperaturerhöhungsphase und/oder die Einlaufphase und/oder der Normalbetriebsmodus können insbesondere zeitlich begrenzte Phasen, beispielsweise mit einem definierten Anfangspunkt und einem definierten Endpunkt, des Betriebs sein. Beispielsweise kann zwischen der Temperaturerhöhungsphase und/oder der Einlaufphase und/oder dem Normalbetriebsmodus ein kontinuierlicher Übergang und/oder ein diskreter Übergang stattfinden. Beispielsweise kann zwischen der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase und/oder dem Normalbetriebsmodus mindestens eine Übergangsphase durchgeführt werden, wobei in der Übergangsphase beispielsweise die Temperatur mindestens eines Teils des Heizelements verändert wird, beispielsweise durch Heizen oder Abkühlen.
  • In der Temperaturerhöhungsphase kann mindestens einmal mindestens ein Signal des Sensorelements mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Bei dem Signal kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Signal handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Signal um einen Pumpstrom und/oder eine Pumpspannung und/oder eine Nernstspannung und/oder einen Widerstand und/oder ein anderes Sensorsignal handeln. Bei dem Signal kann es sich beispielsweise um ein Signal während einer bestimmten Betriebsphase handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Signal um ein Signal in einem Schubbetrieb, beispielsweise bei Motorschubbedingungen, handeln. Bei dem Schwellwert kann es sich insbesondere um einen diskreten Wert und/oder um einen Wertebereich einer physikalischen und/oder chemischen Größe, insbesondere der chemischen Größe und/oder der physikalischen Größe des Signals, handeln. Bei Unterschreitung und/oder Überschreitung des Schwellwerts kann beispielsweise von der Temperaturerhöhungsphase in den Normalbetriebsmodus und/oder von dem Normalbetriebsmodus in die Temperaturerhöhungsphase umgeschaltet werden. Das Signal kann insbesondere Aufschluss darüber geben, ob die Einlaufphase beendet werden kann. Beispielsweise können durch Auswertungen des Signals Rückschlüsse auf ein Eintreten und/oder auf ein Vorhandensein und/oder auf ein Nichtmehrvorhandensein von Einlaufeffekten gezogen werden. Der Vergleich des Schwellwerts kann beispielsweise durch die Ansteuerung durchgeführt werden. Der Schwellwert kann beispielsweise bei der Produktion in einem Speicher gespeichert sein und/oder kann während des Betriebs berechnet werden, beispielsweise durch die Ansteuerung.
  • Nach einem Unterschreiten und/oder Überschreiten des Schwellwerts, bevorzugt von Diagnoseschwellwerten, beispielsweise während des Normalbetriebsmodus, kann mindestens eine weitere Temperaturerhöhungsphase erfolgen. Bei dem Unterschreiten und/oder Überschreiten kann es sich, insbesondere bei mindestens zwei weiteren Temperaturerhöhungsphasen und/oder mindestens zwei Temperaturerhöhungsphasen, um ein erneutes Unterschreiten und/oder um ein erneutes Unterschreiten von Schwellwerten, insbesondere Diagnoseschwellwerten, handeln. Bei dem Unterschreiten und/oder Überschreiten und/oder bei dem erneuten Unterschreiten und/oder erneuten Unterschreiten kann es sich bevorzugt um ein Unterschreiten und/oder Überschreiten nach der Einlaufphase handeln.
  • Die Einlaufphase und/oder die Temperaturerhöhungsphase können zumindest die ersten 50 Betriebsstunden des Sensorelements umfassen, vorzugsweise zumindest die ersten 100 Betriebsstunden. Bei den ersten Betriebsstunden kann es sich insbesondere um die Betriebsstunden nach der Herstellung des Sensorelements und/oder nach Austausch des Sensorelements und/oder nach Herstellung und/oder Austausch zumindest eines Teils der Verbrennungskraftmaschine und/oder des Abgastrakts und/oder des Sensorelements handeln. Beispielsweise kann es sich um die Betriebsstunden nach einer ersten Inbetriebnahme zumindest eines Teils des Sensorelements und/oder des Abgastrakts und/oder der Verbrennungskraftmaschine handeln. Die Temperaturerhöhungsphase kann während zumindest eines Teils der Einlaufphase durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Temperaturerhöhungsphase während der gesamten Einlaufphase durchgeführt werden. Beispielsweise können die Einlaufphase und die Temperaturerhöhungsphase zu einem gleichen Zeitpunkt gestartet werden und/oder die Einlaufphase und die Temperaturerhöhungsphase können zu einem gleichen Zeitpunkt beendet werden. Beispielsweise kann die Einlaufphase auch mehrere Temperaturerhöhungsphasen, beispielsweise zwei Temperaturerhöhungsphasen umfassen. Beispielsweise kann die Temperatur bei mehreren Temperaturerhöhungsphasen der Einlaufphase auf unterschiedlich hohen Temperaturen, beispielsweise über einen gewissen Zeitraum, insbesondere konstant, gehalten werden.
  • In der Temperaturerhöhungsphase und/oder der Einlaufphase kann mindestens ein Überwachungssystem des Sensorelements zumindest teilweise an die Temperaturerhöhungsphase und/oder an die Einlaufphase angepasst und/oder deaktiviert werden. Bei der Anpassung kann beispielsweise mindestens eine Diagnoseschwelle des Überwachungssystems und/oder eine Diagnoseschwelle zur Überwachung herabgesetzt und/oder erhöht werden. Beispielsweise kann das Auslösen einer weiteren Diagnose während der Temperaturerhöhungsphase und/oder der Einlaufphase unterdrückt und/oder verhindert werden. Beispielsweise kann das Einleiten einer Heizleistungsdiagnose während der Temperaturerhöhungsphase und/oder der Einlaufphase verhindert werden.
  • In der Temperaturerhöhungsphase und/oder in der Einlaufphase kann mindestens eine Heizleistungsdiagnose an die Temperaturerhöhungsphase und/oder an die Einlaufphase angepasst und/oder deaktiviert werden. Beispielsweise kann mindestens eine Diagnoseschwelle zur Überwachung, beispielsweise der Heizleistung, angepasst werden. Insbesondere kann beispielsweise ein Keramiktemperatursollwert angepasst werden, so dass keine Heizleistungsdiagnoseschwelle überschritten werden kann. Beispielsweise kann der Keramiktemperatursollwert erhöht werden. Beispielsweise kann die Diagnoseschwelle zur Überwachung der Heizleistung erhöht werden. Bei der Heizleistungsdiagnose kann es sich insbesondere um eine Diagnose handeln, bei welcher ein korrekter Betrieb des Heizelements, insbesondere die Regelung des Heizelements, überprüft werden kann. Bei dem Überwachungssystem kann es sich um einen Teil der Ansteuerung und/oder des Sensorelements handeln, welcher einen korrekten Betrieb zumindest eines Teils des Sensorelements überprüft und/oder Fehlfunktionen des Sensorelements diagnostiziert, beispielsweise eine Überhitzung zumindest eines Teils des Sensorelements.
  • Die erhöhte Temperatur kann derart gewählt werden, dass chemische Prozesse und/oder Diffusionsprozesse aktiviert und/oder verhindert werden, insbesondere an dem Sensorelement, und/oder Vergiftungen und/oder Schädigungen in der Einlaufphase ausgeheilt und/oder vermieden werden. Bei den zu aktivierenden chemischen Prozessen kann es sich beispielsweise um eine Abreaktion von Giften und/oder eine Aggregatszustandsänderung und/oder mindestens eine Oxidationsstufenänderung, beispielsweise zur Kompensation von Einlaufeffekten, handeln. Beispielsweise kann es sich bei den chemischen Prozessen und/oder bei den Diffusionsprozessen um ein Ausheilen von partiellen ZrO2-Reduktionen und/oder einen Abbau von Polarisationen und/oder einen Abtransport von Elementen aus Potenzialsenken handeln.
  • Das Verfahren kann mindestens eine weitere Temperaturerhöhungsphase umfassen. Bei der weiteren Temperaturerhöhungsphase kann die Zelle erneut auf die erhöhte Temperatur oder auf eine andere erhöhte Temperatur aufgeheizt werden, insbesondere durch das Heizelement. Beispielsweise kann sich die erhöhte Temperatur der weiteren Temperaturerhöhungsphase von der erhöhten Temperatur der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase der Einlaufphase unterscheiden, kann jedoch auch prinzipiell gleich sein. Beispielsweise kann die erhöhte Temperatur der weiteren Temperaturerhöhungsphase höher oder niedriger als die erhöhte Temperatur der Einlaufphase sein. Zwischen der Einlaufphase und der weiteren Temperaturerhöhungsphase kann mindestens einmal der Normalbetriebsmodus durchgeführt werden. Die weitere Temperaturerhöhungsphase kann beispielsweise wie die Temperaturerhöhungsphase durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Normalbetriebsmodus abwechselnd mit der Temperaturerhöhungsphase durchgeführt werden, beispielsweise beginnend mit der Temperaturerhöhungsphase der Einlaufphase.
  • Unter der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase und/oder der weiteren Temperaturerhöhungsphase können zeitlich begrenzte Phasen des Betriebs verstanden werden. Prinzipiell können unter der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase und/oder der weiteren Temperaturerhöhungsphase auch dauerhafte Phasen verstanden werden. Beispielsweise können die Einlaufphase und/oder die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase bis zum Ende der Lebensdauer des Sensorelements und/oder bis zum Austausch des Sensorelements durchgeführt werden. Beispielsweise können die Einlaufphase und/oder die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase dauerhaft durchgeführt werden.
  • In der Temperaturerhöhungsphase und/oder in der weiteren Temperaturerhöhungsphase und/oder in dem Normalbetriebsmodus und/oder in der Einlaufphase kann mindestens einmal mindestens ein Signal des Sensorelements mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. In der Temperaturerhöhungsphase und/oder in der weiteren Temperaturerhöhungsphase und/oder in dem Normalbetriebsmodus und/oder in der Einlaufphase kann insbesondere mindestens einmal, beispielsweise auch mehrmals, mindestens eine Diagnosebedingung überprüft werden. Beispielsweise kann die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase und/oder der Normalbetriebsmodus in Abhängigkeit von der Diagnosebedingung eingesetzt und/oder gestartet und/oder unterbrochen und/oder beendet werden. Bei Unterschreitung und/oder Überschreitung des Schwellwerts kann von der Temperaturerhöhungsphase in den Normalbetriebsmodus und/oder in eine weitere Temperaturerhöhungsphase umgeschaltet werden und/oder von dem Normalbetriebsmodus in die weitere Temperaturerhöhungsphase umgeschaltet werden und/oder von der weiteren Temperaturerhöhungsphase in den Normalbetriebsmodus umgeschaltet werden und/oder von der Einlaufphase in den Normalbetriebsmodus und/oder in die Temperaturerhöhungsphase und/oder in die weitere Temperaturerhöhungsphase umgeschaltet werden. Die Schwellwerte und/oder Signale können zumindest in einem Teil der Betriebsmodi gleich sein. Die Schwellwerte und/oder Signale können sich in den Betriebsmodi auch zumindest teilweise voneinander unterscheiden. Bei den Betriebsmodi kann es sich beispielsweise um die Einlaufphase und/oder um die Temperaturerhöhungsphase und/oder um die weitere Temperaturerhöhungsphase und/oder um den Normalbetriebsmodus handeln.
  • Bei dem Signal kann es sich beispielsweise um mindestens eine Kennlinie und/oder mindestens eine Kennlinienabsenkung handeln.
  • Bei der Temperaturerhöhungsphase und/oder bei der weiteren Temperaturerhöhungsphase kann es sich um eine temporäre Keramiktemperaturerhöhung handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei der Temperaturerhöhungsphase und/oder bei der weiteren Temperaturerhöhungsphase um eine dauerhafte Temperaturerhöhung handeln.
  • Beispielsweise kann bei Erkennung einer Kennlinienabsenkung, beispielsweise durch mindestens eine Überwachungsfunktion, eine Temperaturerhöhungsphase und/oder eine weitere Temperaturerhöhungsphase eingeleitet werden, insbesondere eine temporäre oder dauerhafte Keramiktemperaturerhöhung.
  • Beispielsweise kann nach Unterschreiten und/oder Überschreiten des Schwellwerts in einer Temperaturerhöhungsphase und/oder in einer weiteren Temperaturerhöhungsphase, beispielsweise einer Keramiktemperaturerhöhungsphase, in den Normalbetriebsmodus, beispielsweise wiederholt, umgeschaltet werden.
  • In mindestens einem der Einlaufphase nachfolgenden Betriebsmodus mit Normaltemperatur, insbesondere in dem Normalbetriebsmodus, kann nach Überschreiten und/oder Unterschreiten des Schwellwerts, beispielsweise eines Diagnoseschwellwerts, eine erneute Betriebsphase mit erhöhter Keramiktemperatur, beispielsweise die weitere Temperaturerhöhungsphase, folgen. Betriebsmodi, beispielsweise auch Betriebsphasen genannt, mit erhöhter Betriebstemperatur, insbesondere mit erhöhter Temperatur, beispielsweise die Einlaufphase und/oder die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase, können nach Überschreiten und/oder Unterschreiten von Schwellwerten in einen Betriebsmodus mit Betriebstemperatur, beispielsweise mit normaler Keramiktemperatur, insbesondere in den Normalbetriebsmodus, überführt werden.
  • Beispielsweise können die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase nach Überschreiten des Schwellwerts eingeleitet werden und der Normalbetriebsmodus kann nach Unterschreiten des Schwellwerts eingeleitet werden. Alternativ hierzu können die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase nach Unterschreiten des Schwellwerts eingeleitet werden und der Normalbetriebsmodus kann nach Überschreiten des Schwellwerts eingeleitet werden.
  • Optional kann während der Temperaturerhöhungsphase und/oder während der weiteren Temperaturerhöhungsphase und/oder während des Normalbetriebsmodus und/oder während der Einlaufphase, bevorzugt während der Temperaturerhöhungsphase, mindestens eine Pumpstromumkehr durchgeführt werden. Die Pumpstromumkehr und/oder die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase und/oder der Normalbetriebsmodus und/oder die Einlaufphase können in Abhängigkeit von Diagnoseereignissen, beispielsweise in Abhängigkeit eines Pumpstromsignals und/oder eines Signals und/oder des Überschreitens oder Unterschreitens des Diagnoseschwellwerts, durchgeführt werden. Bei der Pumpstromumkehr kann es sich bevorzugt um eine Betriebsphase handeln, in welcher ein Pumpstrom und/oder eine Pumpspannung umgepolt wird und/oder umgepolt ist, zumindest temporär. Beispielsweise kann während der Pumpstromumkehr eine Richtung eines Ladungsstromes, insbesondere eines Ionenstromes, umgekehrt werden. Die Pumpstromumkehr kann bevorzugt während der Temperaturerhöhungsphase und/oder während der weiteren Temperaturerhöhungsphase durchgeführt werden. Die Pumpstromumkehr kann zeitlich zumindest teilweise mit der Temperaturerhöhungsphase und/oder mit der weiteren Temperaturerhöhungsphase und/oder mit dem Normalbetriebsmodus und/oder mit der Einlaufphase überlappen. Die Pumpstromumkehr kann beispielsweise durchgeführt werden um eine Regeneration des Sensorelements, besonders bevorzugt der Elektroden, insbesondere unterstützend zu dem Betrieb bei der erhöhten Temperatur während der Temperaturerhöhungsphase und/oder während der weiteren Temperaturerhöhungsphase, durchzuführen.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Betrieb des Sensorelements zur Erfassung des Anteils des Gases in dem Messgasraum. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement wie oben beschrieben ausgestaltet sein kann. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Zelle, wie oben beschrieben, mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten. Das Sensorelement umfasst mindestens ein Heizelement. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Ansteuerung. Die Ansteuerung kann beispielsweise als Steuerung ausgeführt sein. Die Ansteuerung kann mindestens ein Softwareprogramm umfassen. Die Ansteuerung ist eingerichtet, um ein Verfahren zum Betrieb des Sensorelements, wie oben beschrieben, durchzuführen. Die Vorrichtung und/oder die Ansteuerung können insbesondere mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen, beispielsweise mindestens einen Prozessor. Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann beispielsweise in der Ansteuerung und/oder in dem Sensorelement integriert sein, kann beispielsweise jedoch auch zumindest teilweise separat von der Ansteuerung und/oder von dem Sensorelement angeordnet sein. Die Ansteuerung und/oder die Datenverarbeitungsvorrichtung können beispielsweise mit dem Sensorelement verbunden und/oder verbindbar sein. Unter der Ansteuerung kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Funktion der Vorrichtung, insbesondere des Sensorelements, zu unterstützen und/oder zu steuern. Unter "verbindbar" kann beispielsweise eine Eigenschaft verstanden werden, bei welcher eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann oder bereits besteht. Die Ansteuerung kann ganz oder teilweise getrennt von dem Sensorelement ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein, beispielsweise in mindestens einen Stecker des Sensorelements und/oder der Vorrichtung. Die Ansteuerung kann mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Pumpstroms und/oder mindestens einer Pumpspannung und/oder zur Regelung der Pumpspannung und/oder zur Regelung des Pumpstroms umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung und/oder das Sensorelement und/oder die Vorrichtung mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung aufweisen. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Spannungsquelle und/oder mindestens eine Stromquelle umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung eingerichtet sein, um das Sensorelement mit dem Pumpstrom und/oder mit der Pumpspannung zu beaufschlagen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen aufweisen. Beispielsweise können durch das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung Einlaufeffekte von neuen Motoren und/oder Sensorelementen, beispielsweise Sensoren, so modifiziert werden, dass wieder ein Neuzustand und/oder zumindest ein Signal, insbesondere ein Sensorsignal, innerhalb einer erlaubten Toleranz eines Abgassensorsignals vorliegen kann, und optional ein Abgassignal nach Eintritt einer unzulässigen Abweichung, z.B. durch Alterungseffekte, modifiziert werden kann, insbesondere derart, dass wieder der Neuzustand und/oder zumindest ein Signal, insbesondere ein Sensorsignal, innerhalb der erlaubten Toleranz des Abgassensorsignals vorliegt. Beispielsweise können durch eine Begrenzung der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase, beispielsweise auf die ersten 50 bis 100 Betriebsstunden, die größten Verschmutzungen abgereinigt werden. Weiterhin kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung eine übermäßig häufige und/oder lange Überhitzung, beispielsweise über die Dauer des Sensorelements, welche Schäden an dem Sensorelement verursachen könnten, vermieden werden. Eine übermäßig lange Erhitzung des Sensorelements könnte beispielsweise durch ein Überhitzen zu hohen Temperaturbelastungen und/oder zu einer Alterung des Sensorelements, z.B. der elektrischen Anschlüsse, führen und/oder ein Verspröden von Elastomeren, die den Kabelabgang abdichten, verursachen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Lebensdauer des Sensorelements, beispielsweise eines Sensors, erhöht werden. Eine Zeitdauer bis zu einem Überschreiten einer maximal erlaubten Signaltoleranz kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft verlängert werden. Durch die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase, beispielsweise durch eine temporäre oder dauerhafte Temperaturerhöhung, insbesondere eine Erhöhung einer Sensor-Keramiktemperatur, kann eine Robustheit gegen einige Giftstoffe, wie beispielsweise Phosphor, erhöht werden. Die erhöhte Temperatur, insbesondere eine höhere Betriebstemperatur der Sensorkeramik, kann auch vorteilhaft für eine Aktivierung von chemischen Reaktionen, insbesondere eine Abreaktion von Giften und/oder eine Aggregatszustandsänderung und/oder eine Oxidationsstufenänderung, und/oder von Diffusionsprozessen, beispielsweise ein Ausheilen von partiellen ZrO2-Reduktionen und/oder ein Abbau von Polarisation und/oder ein Abtransport von Elementen aus Potenzialsenken, sein. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eine Erhöhung einer Diesel-Mager-Dauerlauf-Robustheit und/oder einer Diesel-Mager-Dauerlauf-Stabilität erzielt werden. Ohne die Temperaturerhöhungsphase, insbesondere die Keramiktemperaturerhöhung, würde ein Sensorelement, insbesondere als Sensor ausgestaltet, sofort, beispielsweise direkt nach der Produktion und/oder in der Einlaufphase und/oder nach einer Diagnose, als defekt eingestuft werden. Durch eine Begrenzung der Temperaturerhöhungsphase auf Sensorelemente, bei denen die Kennlinie absinkt, erfahren bevorzugt nur potenziell ausfallgefährdete Sensorelemente eine erhöhte Temperatur, insbesondere eine Temperaturerhöhung. Hierdurch kann beispielsweise eine Begrenzung der Maßnahme, insbesondere der Temperaturerhöhungsphase, auf einen kleinen Populationsanteil von produzierten Sensorelementen, erzielt werden. Bei den Sensorelementen kann die Keramiktemperatur bereits durch eine Innenwiderstands (Ri)-Alterung und/oder eine Elektrodenalterung erhöht sein, mit einer temporären Keramiktemperaturerhöhung, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, sollte daher kein zusätzliches Risiko verbunden sein. Eine Abschätzung des Risikos der Temperaturerhöhungsphase und/oder der weiteren Temperaturerhöhungsphase, wie sie in dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden können, kann durch einen Vergleich mit Sensorelementen, beispielsweise Sensoren, welche während eines Betriebs altern und somit beispielsweise zu einer Betriebstemperaturerhöhung führen, beispielsweise einer Erhöhung einer Keramikbetriebstemperatur, durchgeführt werden. Eine Betriebstemperaturerhöhung kann auch durch Alterung auftreten. Ein zusätzliches Risiko für einen Ausfall des Sensorelements, bevorzugt des Sensors, durch die Temperaturerhöhungsphase, beispielsweise eine temporäre und/oder frühere Temperatur-Erhöhung, beispielsweise im Vergleich zu einer Betriebstemperaturerhöhung durch Alterung, kann deshalb vernachlässigbar sein. Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Durchführung der Temperaturerhöhungsphase und/oder der weiteren Temperaturerhöhungsphase, nur auf einen Anteil von Sensorelementen, insbesondere von Sensoren, begrenzt sein, welche eine Kennlinienabsenkung zeigen. Hierdurch kann beispielsweise eine Einschränkung eines möglichen Restrisikos auf Sensorelemente, insbesondere auf Sensoren, welche ohne Durchführung einer Maßnahme, beispielsweise ohne Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, zu 100 % beanstandet würden, beispielsweise ausgetauscht werden müssten, erfolgen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2A, 2B und 2C Exemplarische Einflüsse eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Sensorsignal;
  • 3 Einflüsse eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Kennlinienabweichung; und
  • 4 Einflüsse eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Pumpstromabweichung bei Phosphorvergiftung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 dargestellt. In den 2A, 2B, 2C, 3 und 4 sind Einflüsse von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens für verschiedene Parameter exemplarisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 zum Betrieb eines Sensorelements 112 zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases 114 in einem Messgasraum umfasst mindestens ein Sensorelement 112. Das Sensorelement 112 weist mindestens eine Zelle 116 mit mindestens zwei Elektroden 118 und mindestens einen die Elektroden 118 verbindenden Festelektrolyten 120 auf. Das Sensorelement 112 umfasst mindestens ein Heizelement 122. Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens eine Ansteuerung 124. Die Ansteuerung 124 ist eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Sensorelements 112 durchzuführen. Die Vorrichtung 110 und/oder die Ansteuerung 124 kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 126 umfassen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 kann mindestens eine poröse Diffusionsbarriere 128 und/oder mindestens einen Hohlraum 130 umfassen. Das Sensorelement 112 kann über mindestens eine Schnittstelle 134 mit der Ansteuerung 124 und/oder mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 126 verbunden sein.
  • In den 2A, 2B, 2C, 3 und 4 sind Auswirkungen und/oder Einflüsse von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Bei dem Verfahren handelt es sich um ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements 112, beispielsweise wie in 1 dargestellt, zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases 114 in einem Messgasraum. Das Sensorelement 112 weist mindestens eine Zelle 116 mit mindestens zwei Elektroden 118 und mindestens einen die Elektroden 118 verbindenden Festelektrolyten 120 auf. Das Sensorelement 112 umfasst mindestens ein Heizelement 122. Während mindestens einer Einlaufphase des Betriebs wird eine Temperaturerhöhungsphase eingeleitet. Während der Temperaturerhöhungsphase heizt das Heizelement 122 die Zelle 116 auf mindestens eine erhöhte Temperatur auf. Die Einlaufphase wird nach Inbetriebnahme des Sensorelements 112 durchgeführt. Das Heizelement 122 heizt die Zelle 116 in mindestens einem der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase zeitlich nachgelagerten Normalbetriebsmodus auf mindestens eine Betriebstemperatur auf. Die erhöhte Temperatur ist höher als die Betriebstemperatur.
  • Die Betriebstemperatur kann 700 °C bis 830 °C, bevorzugt 780 °C betragen. Die erhöhte Temperatur kann mindestens 20 °C über der Betriebstemperatur liegen, vorzugsweise mindestens 50 °C, besonders bevorzugt 70 °C. Die erhöhte Temperatur kann 800 °C bis 1100 °C betragen, vorzugsweise 830 °C bis 890 °C, besonders bevorzugt 840 °C bis 880 °C. Die erhöhte Temperatur kann beispielsweise, bevorzugt zeitlich begrenzt, bis zu 1100° C betragen. In der Temperaturerhöhungsphase kann mindestens einmal mindestens ein Signal 138 des Sensorelements 112 mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Bei Unterschreitung und/oder Überschreitung des Schwellwerts kann von der Temperaturerhöhungsphase in den Normalbetriebsmodus umgeschaltet werden. Vorzugsweise sollte ein Sensorsignal 140, beispielsweise eine Kennliniensteigung und/oder ein Pumpstrom 142, derart modifiziert werden, dass möglichst ein Neuzustand erreicht wird, insbesondere durch eine temporäre oder dauerhafte Erhöhung der Betriebstemperatur der Sensorkeramik, insbesondere des Sensorelements 112, beispielsweise in der Temperaturerhöhungsphase. Durch die Temperaturerhöhungsphase kann insbesondere eine Aktivität mindestens einer Elektrode 118, bevorzugt der Elektroden 118, und/oder chemischer Prozesse, beispielsweise einer Diffusion, erhöht werden, wobei beispielsweise ein Sensorsignal 140 regeneriert werden kann. Bei dem Sensorsignal 140 kann es sich beispielsweise um mindestens eine Kennlinie und/oder mindestens einen elektrischen Strom und/oder mindestens eine elektrische Spannung, beispielsweise mindestens einen Pumpstrom 142 und/oder mindestens eine Nernstspannung, handeln. Beispielsweise kann die Temperaturerhöhung der Sensorkeramik, beispielsweise die Temperaturerhöhungsphase, nach Überschreiten und/oder Unterschreiten einer wählbaren Diagnoseschwelle erfolgen. Bei der Diagnoseschwelle kann es sich beispielsweise um den Schwellwert handeln.
  • Die Einlaufphase kann zumindest die ersten 50 Betriebsstunden des Sensorelements 112 umfassen, vorzugsweise zumindest die ersten 100 Betriebsstunden. Nach Ablauf einer Zeitdauer, beispielsweise nach der Temperaturerhöhung der Sensorkeramik und/oder nach der Temperaturerhöhungsphase und/oder nach der Einlaufphase kann das Sensorelement 112, insbesondere die Sensorkeramik, wieder mit der Betriebstemperatur, insbesondere einer normalen Betriebstemperatur, betrieben werden. Bei erneutem Absinken des Signals 138, beispielsweise des Sensorsignals 140, insbesondere unter den Schwellwert und/oder unter die Diagnoseschwelle, kann die Betriebstemperatur erneut angehoben werden und/oder eine weitere Temperaturerhöhungsphase durchgeführt werden. Zur reinen Kompensation von Einlaufeffekten kann die Temperaturerhöhung, insbesondere die Temperaturerhöhungsphase und/oder die Einlaufphase, zeitlich begrenzt werden, beispielsweise auf die ersten 50 bis 100 Betriebsstunden. Die Sensorkeramiktemperatur kann zeitlich begrenzt oder auch dauerhaft erhöht sein. Beispielsweise kann die Temperaturerhöhungsphase zeitlich begrenzt oder dauerhaft durchgeführt werden. Zu einer reinen Kompensation von Einlaufeffekten kann die Temperaturerhöhung, insbesondere die Temperaturerhöhungsphase, zeitlich begrenzt sein, beispielsweise auf die ersten 50 bis 100 Betriebsstunden.
  • In der Temperaturerhöhungsphase kann mindestens ein Überwachungssystem des Sensorelements 112 zumindest teilweise an die Temperaturerhöhungsphase angepasst und/oder deaktiviert werden. In der Temperaturerhöhungsphase kann mindestens eine Heizleistungsdiagnose an die Temperaturerhöhungsphase angepasst und/oder deaktiviert werden. Während der Temperaturerhöhungsphase, beispielsweise während eines Betriebs bei der erhöhten Temperatur, insbesondere mit erhöhter Keramiktemperatur, können Diagnoseschwellen zur Überwachung, beispielsweise für die Heizleistungsdiagnose, angepasst und/oder deaktiviert werden. Eine Anpassung der Heizleistungsdiagnose kann beispielsweise im Falle einer erhöhten Temperatur, insbesondere einer Keramiktemperaturerhöhung, bei welcher eine Heizleistung nahe einer Diagnoseschwelle angefordert wird, erfolgen. Bei der Anpassung der Heizleistungsdiagnose kann die Heizleistungsdiagnose, beispielsweise eine Diagnose für eine Zeitdauer der Maßnahme, beispielsweise der Temperaturerhöhungsphase und/oder der Einlaufphase, deaktiviert werden und/oder ein Keramiktemperatursollwert kann angepasst werden, beispielsweise derart, dass keine Heizleistungsdiagnoseschwelle überschritten wird.
  • Die erhöhte Temperatur kann derart gewählt werden, dass chemische Prozesse und/oder Diffusionsprozesse aktiviert werden, insbesondere an dem Sensorelement 112, und/oder dass Vergiftungen und/oder Schädigungen in der Einlaufphase ausgeheilt und/oder vermieden werden.
  • Das Verfahren kann beispielsweise mindestens eine weitere Temperaturerhöhungsphase umfassen. Zwischen der Einlaufphase und der weiteren Temperaturerhöhungsphase kann mindestens einmal der Normalbetriebsmodus durchgeführt werden. In der Temperaturerhöhungsphase kann eine Sensorkeramiktemperatur zeitlich begrenzt erhöht werden, beispielsweise dann, wenn eine Kennlinienabsenkung erkannt wird, beispielsweise durch Bewerten eines Schubkorrekturfaktors. Die Temperaturerhöhungsphase und/oder die weitere Temperaturerhöhungsphase kann beispielsweise durchgeführt werden, insbesondere durch Erhöhung der Keramiktemperatur, wenn ein Schwellwert der Kennlinienabsenkung überschritten wird. Während der Temperaturerhöhungsphase und/oder der weiteren Temperaturerhöhungsphase, ist bevorzugt darauf zu achten, dass aufgrund der erhöhten Temperatur, insbesondere aufgrund der Temperaturerhöhung, keine anderen Diagnosen, beispielsweise die Heizleistungsdiagnose, ausgelöst werden. Eine Aktivierung und/oder Durchführung der Temperaturerhöhungsphase kann beispielsweise ohne Einschränkung auf bestimmte Betriebspunkte stattfinden.
  • In den 2A, 2B und 2C ist jeweils ein Innenwiderstand (Ri) 136 des Sensorelements 112, beispielsweise korrelierend mit der Temperatur 137, beispielsweise mit der Keramiktemperatur, und das Signal 138, beispielsweise ein Sensorsignal 140, bevorzugt ein Pumpstrom (Ip) 142, beispielsweise eine zu dem Pumpstrom 142 korrelierende physikalische Größe, jeweils in Abhängigkeit einer Zeit t in Sekunden dargestellt. Der Pumpstrom 142 ist in mA und der Innenwiderstand 136 in Ohm angegeben.
  • In den 2A, 2B und 2C ist insbesondere ein Einfluss des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der Temperaturerhöhungsphase dargestellt, beispielsweise als Keramiktemperatur-Erhöhung durchgeführt, an einer Feldbeanstandung mit Kennlinienabsenkung bei einem Sensorelement 112 im Einsatz bei Diesel-Abgas. 2A zeigt insbesondere eine Ausgangssituation, beispielsweise bei einer Vorrichtung 110 im Neuzustand oder nach Ersatzteilaustausch. Bei konstant niedrigem Innenwiderstand 136, verbunden mit einer konstant niedrigen Temperatur 137, sinkt das Signal 138, insbesondere das Sensorsignal 140, in den ersten tausend Betriebssekunden steil und danach flacher ab. Das Signal 138 kann insbesondere ein Sensorsignal 140 sein. Das Signal 138 kann beispielsweise mit der Kennlinie korrelieren. Das Signal 138, insbesondere das Sensorsignal 140 an Luft, beispielsweise die Kennlinie, sinkt in 2A um ungefähr 50 % ab, beispielsweise von einem Pumpstrom 142 im Neuzustand von 2,5 mA zu ungefähr 1,3 mA. 2B zeigt beispielsweise ein Verhalten bei Durchführung der Temperaturerhöhungsphase. 2B zeigt insbesondere eine Signalerholung bei Betrieb mit erhöhter Temperatur, insbesondere mit erhöhter Keramiktemperatur, beispielsweise an Luft. Bei der erhöhten Temperatur kann es sich beispielsweise um 830 °C, entsprechend 180 Ohm, handeln. 2C zeigt insbesondere eine Sensorsignalstabilität an Luft, insbesondere bei Betriebstemperatur von 780 °C, entsprechend 300 Ohm, beispielsweise bei normaler Keramiktemperatur, insbesondere nach Regeneration, beispielsweise nach der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase, bevorzugt nach Regeneration bei der erhöhten Temperatur, beispielsweise einer erhöhten Keramiktemperatur. Das Signal 138 sinkt lediglich geringfügig, insbesondere im Vergleich zu der Absenkung in 2A, ab. Die 2A, 2B und 2C zeigen insbesondere einen Einfluss zumindest eines Teils eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Signal 138, insbesondere das Sensorsignal 140, regeneriert bei Betrieb mit erhöhter Temperatur, insbesondere bei Betrieb mit erhöhter Temperatur an Luft. Nach einer Absenkung der Temperatur, beispielsweise von der erhöhten Temperatur zu der Betriebstemperatur, insbesondere einer Betriebstemperatur bei Standardbetrieb, beispielsweise von 780 °C, entsprechend 300 Ohm, sinkt das Signal 138 nicht wieder auf den Ausgangszustand vor der Regeneration, insbesondere vor der Temperaturerhöhungsphase, ab. Eine Zeitdauer der Temperaturerhöhungsphase kann beispielsweise von einem Vergiftungszustand und/oder von einer Intensität von Einlaufeffekten abhängen.
  • In den 3 und 4 sind Diagramme dargestellt, welche den Einfluss des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Phosphorvergiftung aufzeigen. In 3 und 4 sind insbesondere Tests für ein Langzeitverhalten von Motoren, insbesondere von Sensorelementen 112, bei Phosphorvergiftung dargestellt. 3 zeigt eine Abweichung A in %, beispielsweise eine Kennlinienabweichung, als Funktion einer Laufzeit in Stunden h, beispielsweise in Betriebsstunden. Die jeweils links angeordneten Balken bei der jeweiligen Laufzeit beziehen sich auf eine Vorrichtung 110 bei einem Innenwiderstand von 150 Ohm, entsprechend ungefähr 890 °C. Die zu dem Innenwiderstand gehörende Temperatur in °C bezieht sich hierbei insbesondere auf eine Breitbandlambdasonde, wie beispielweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 164–165 beschrieben. Die rechten Balken bei der jeweiligen Laufzeit entsprechen einer Abweichung bei einer tieferen Temperatur, beispielsweise bei der Betriebstemperatur, als die linken Balken. Der Innenwiderstand bei den rechten Balken beträgt 800 Ohm, entsprechend einer Temperatur von ungefähr 665°C. Bei der Abweichung A kann es sich beispielsweise auch um eine Abweichung des Pumpstroms 142, beispielsweise an Luft, handeln. 3 zeigt, dass eine Temperaturerhöhung, beispielsweise eine Temperaturerhöhungsphase, einer Phosphorvergiftung entgegenwirken kann, da bei höherer Temperatur, insbesondere niedrigerem Innenwiderstand, eine geringere Abweichung auftritt und die Abweichung bei steigender Laufzeit, insbesondere bei höheren Betriebsstunden, weniger stark zunimmt als bei tieferer Temperatur. Die erhöhte Temperatur kann also, wie in 3 dargestellt, eine Robustheit gegenüber einer Phosphorvergiftung erhöhen.
  • 4 zeigt insbesondere eine prozentuale Veränderung eines Pumpstroms ΔIp/Ip in Abhängigkeit einer Laufzeit t in Stunden h, insbesondere in Abhängigkeit von Betriebsstunden. Die erste Kurve 144 zeigt den Verlauf für eine Vorrichtung 110 in dem Normalbetriebsmodus. Die zweite Kurve 146 zeigt den Verlauf der Abweichung der Pumpspannung als Funktion der Betriebsstunden für ein Sensorelement 112 in einer Temperaturerhöhungsphase. Die dritte Kurve 148 zeigt den Verlauf der Abweichung des Pumpstroms in Abhängigkeit von Betriebsstunden für ein Sensorelement 112 bei einem Betrieb, bei welchem die Betriebstemperatur, insbesondere eine Solltemperatur, nicht erreicht wird, insbesondere welche in einem Kaltbereich betrieben wird, wobei in dem Kaltbereich zumindest ein Teil des Sensorelements 112 auf ungefähr 680 °C geregelt wird. Bei dem Betrieb des Sensorelements 112, wie in der zweiten Kurve 146 dargestellt, wird die Temperatur des Sensorelements 112 beispielsweise auf 830 °C geregelt und bei dem Betrieb des Sensorelements 112 im Normalbetriebsmodus, wie in der ersten Kurve 144 dargestellt, wird das Sensorelement 112 auf ungefähr 750 bis 780 °C geregelt. Bei der Signalabweichung, insbesondere der Abweichung des Pumpstroms, kann es sich insbesondere um eine Signalabweichung an Umgebungsluft handeln. 4 zeigt insbesondere eine Verbesserung einer Robustheit gegenüber Phosphorvergiftung bei der Temperaturerhöhungsphase und/oder bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei erhöhter Keramiktemperatur, insbesondere bei einer Keramiktemperatur von ungefähr 880 °C, entsprechend ungefähr 160 Ohm.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011005966 [0002]
    • WO 2008/031673 A1 [0002, 0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0001]
    • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 164–165 [0047]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements (112) zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases (114) in einem Messgasraum, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine Zelle (116) mit mindestens zwei Elektroden (118) und mindestens einen die Elektroden (118) verbindenden Festelektrolyten (120) aufweist, wobei das Sensorelement (112) mindestens ein Heizelement (122) umfasst, wobei während mindestens einer Einlaufphase des Betriebs eine Temperaturerhöhungsphase eingeleitet wird, wobei während der Temperaturerhöhungsphase das Heizelement (122) die Zelle (116) auf mindestens eine erhöhte Temperatur aufheizt, wobei die Einlaufphase nach Inbetriebnahme des Sensorelements (112) durchgeführt wird, wobei in mindestens einem der Einlaufphase und/oder der Temperaturerhöhungsphase zeitlich nachgelagerten Normalbetriebsmodus das Heizelement (122) die Zelle (116) auf mindestens eine Betriebstemperatur aufheizt, wobei die erhöhte Temperatur höher ist als die Betriebstemperatur.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Betriebstemperatur 700 C bis 830°C beträgt, bevorzugt 780°C.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erhöhte Temperatur mindestens 20 °C über der Betriebstemperatur liegt, vorzugsweise mindestens 50 °C, besonders bevorzugt 70 °C.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erhöhte Temperatur 800 °C bis 1100 °C beträgt, vorzugsweise 830 °C bis 890 °C.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Temperaturerhöhungsphase mindestens einmal mindestens ein Signal (138) des Sensorelements (112) mit mindestens einem Schwellwert vergleichen wird, wobei bei Unterschreitung und/oder Überschreitung des Schwellwerts von der Temperaturerhöhungsphase in den Normalbetriebsmodus umgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlaufphase zumindest die ersten 50 Betriebsstunden des Sensorelements (112) umfasst, vorzugsweise zumindest die ersten 100 Betriebsstunden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Temperaturerhöhungsphase mindestens ein Überwachungssystem des Sensorelements (112) zumindest teilweise an die Temperaturerhöhungsphase angepasst und/oder deaktiviert wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Temperaturerhöhungsphase mindestens eine Heizleistungsdiagnose an die Temperaturerhöhungsphase angepasst und/oder deaktiviert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erhöhte Temperatur derart gewählt wird, dass chemische Prozesse und/oder Diffusionsprozesse aktiviert werden, insbesondere an dem Sensorelement (112) und/oder Vergiftungen und/oder Schädigungen in der Einlaufphase ausgeheilt und/oder vermieden werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mindestens eine weitere Temperaturerhöhungsphase umfasst, wobei zwischen der Einlaufphase und der weiteren Temperaturerhöhungsphase mindestens einmal der Normalbetriebsmodus durchgeführt wird.
  11. Vorrichtung (110) zum Betrieb eines Sensorelements (112) zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases (114) in einem Messgasraum, wobei die Vorrichtung (110) mindestens ein Sensorelement (112) umfasst, wobei das Sensorelement (112) mindestens eine Zelle (116) mit mindestens zwei Elektroden (118) und mindestens einen die Elektroden (118) verbindenden Festelektrolyten (120) aufweist, wobei das Sensorelement (112) mindestens ein Heizelement (122) umfasst, wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine Ansteuerung (124) umfasst, wobei die Ansteuerung (124) eingerichtet ist, um ein Verfahren zum Betrieb des Sensorelements (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
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