DE102013212288A1

DE102013212288A1 - Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements und Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102013212288A1
Application number: DE201310212288
Authority: DE
Inventors: Rainer Ginzel; Marco Niemietz; Thomas Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements und eine Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Messgasraum (112). Das Sensorelement umfasst hierbei mindestens eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode (110), einer inneren Elektrode (116) und einem die äußere Elektrode (110) und die innere Elektrode (116) verbindenden Festkörperelektrolyten (128), wobei die äußere Elektrode (110) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagt ist, wobei die innere Elektrode (116) in einem Elektrodenhohlraum (118) angeordnet ist und wobei der Elektrodenhohlraum (118) über eine Diffusionsbarriere (120) mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt ist. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine Nernstzelle, welche mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum (118) angeordnete Nernstelektrode (116), mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode (124) und mindestens einen die Nernstelektrode (116) und die Referenzelektrode (124) verbindenden Festkörperelektrolyten (128) umfasst. Die Pumpzelle wird mit einem Pumpstrom beaufschlagt, welcher derart geregelt wird, dass sich an der mindestens einen Nernstzelle eine Soll-Nernstspannung einstellt, wobei die Soll-Nernstspannung eine Summe eines vorgegebenen Regelsollwerts und eines Produkts ist, wobei das Produkt aus dem Pumpstrom multipliziert mit einem Wert für einen Zusatzwiderstand (136) an oder nahe der inneren Elektrode (116) erhalten wird.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente 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. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, und bei dem Messgasraum beispielsweise um einen Abgastrakt.
Bei der Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Lambdasonde. Lambdasonden sind beispielsweise in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, Springer Vieweg, 2. Aufl., 2012, Seiten 160–165, beschrieben. Lambdasonden, insbesondere universelle Lambdasonden, stellen zwei Stoffströme, insbesondere Sauerstoffströme, zwischen einem Elektrodenhohlraum der Vorrichtung und dem Messgasraum ins Gleichgewicht. Einer der Stoffströme wird hierbei durch Konzentrationsunterschiede über eine Diffusionsbarriere getrieben. Ein weiterer Stoffstrom wird über einen Festkörperelektrolyten und zwei Elektroden, insbesondere zwei Pumpelektroden, gesteuert durch einen angelegten Pumpstrom, getrieben. Der Pumpstrom kann dabei so eingeregelt werden, dass sich in dem Elektrodenhohlraum eine konstante und sehr geringe Sauerstoffkonzentration einstellt. Ein Konzentrationsprofil über die Diffusionsbarriere ist durch einen konstanten Regelpunkt in dem Elektrodenhohlraum, insbesondere eine konstante Sollspannung resultierend in einer Sauerstoffkonzentration, und durch eine abgasseitige Sauerstoffkonzentration eindeutig bestimmt. Ein Zustrom von Sauerstoffmolekülen aus dem Messgasraum zum Elektrodenhohlraum stellt sich entsprechend diesem eindeutigen Konzentrationsprofil ein und entspricht dem eingeregelten Pumpstrom. Daher kann der Pumpstrom als Messwert für die Sauerstoffkonzentration im Messgasraum, insbesondere für die abgasseitig anliegende Sauerstoffkonzentration, dienen.
Aus dem Stand der Technik sind weiterhin Lambdasonden mit zwei Zellen bekannt, beispielsweise aus der DE 44 100 16 C2 . Darin wird eine Sauerstoffnachweisvorrichtung zum Nachweis einer Sauerstoffkonzentration eines Messgases beschrieben, umfassend eine erste elektrochemische Zelle mit einer Referenzelektrode und einer Messelektrode sowie eine zweite elektrochemische Zelle mit einem Elektrodenpaar. Hierbei ist die erste elektrochemische Zelle als Messzelle mit Elektroden jeweils in einem Elektrodenhohlraum und an einem Referenzgasraum mit definierter, meist hoher, Sauerstoffkonzentration angeordnet. Diese Messzelle zeigt typischerweise eine resultierende Nernstspannungscharakteristik, welche sich durch einen scharfen Potenzialanstieg, sobald die Sauerstoffkonzentration in dem Elektrodenhohlraum auf Null sinkt, auszeichnet. Ein Pumpstrom wird auf einen Regelsollwert geregelt, damit sich ein entsprechendes Potenzial innerhalb des Potenzialanstiegs an der Messzelle einstellt. Der Regelsollwert umfasst eine Nernstspannung, typischerweise in der Höhe von 450 mV, welche dazu dient, eine Sauerstoffkonzentration in dem Elektrodenhohlraum von λ = 1 einzuregeln. Dieser Regelsollwert sollte typischerweise über die gesamte Lebensdauer der Lambdasonde konstant bleiben und 450 mV betragen. Wird der Regelsollwert der Messzelle innerhalb des scharfen Potenzialanstiegs verändert, beispielsweise auf einen Wert im Bereich von 300 mV bis 600 mV, so ändert sich die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer nicht maßgeblich. Der Sauerstoffzustrom und der Pumpstrom werden dadurch kaum beeinflusst.
Aus der DE 10 2008 044 048 A1 ist bekannt, den Sollwert für die Nernstspannung dauerhaft auf 200 mV abzusenken oder eine höhere Nernstspannung einzustellen.
Die DE 10 2005 056 515 A1 offenbart ein Verfahren zur Erkennung der Gaszusammensetzung eines einer Lambdasonde zugeführten, aus wenigstens zwei verschiedenen Gasen mit vorzugsweise unterschiedlichem Diffusionsverhalten bestehenden Gasgemisches, insbesondere eines Abgases einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Zur Detektion beider Gase wird die Luftzahl im Messgasraum der Pumpzelle vorzugsweise periodisch verändert, wodurch sich die Empfindlichkeit der Lambdasonde für die zwei Gase ebenfalls periodisch ändert. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierbei die Nernstspannung bevorzugt sinusförmig zeitlich moduliert, wobei die Modulation der Nernstspannung so durchgeführt wird, dass sich der zeitliche Mittelwert der Luftzahl λ = 1 im Messgasraum einstellt. Die Amplitude des modulierten Signals wird aus einem Wert zwischen 25 mV und 450 mV, vorzugsweise 100 mV, gewählt.
Die DE 10 2010 040 821 A1 schlägt vor, den Zustand der inneren Elektrode, welche an dem Elektrodenhohlraum angeordnet ist, durch Variation des Pumpstroms bei einer Variation des Sollwerts der Nernstspannung zu diagnostizieren und auf dieser Basis einen festen neuen Sollwert für die Nernstspannung einzurichten.
Bei Lambdasonden mit zwei Zellen kann es über die Lebensdauer der Sonde zu einer Schädigung an oder nahe der inneren Elektrode der Pumpzelle kommen. Diese Schädigung äußert sich in einem Auftreten eines Zusatzwiderstands an der inneren Elektrode, wodurch der Transport von Sauerstoffionen von der inneren Elektrode durch den Festkörperelektrolyten zur äußeren Elektrode behindert wird. Im Falle einer Schädigung an oder nahe der inneren Elektrode fällt bei einem Pumpstrom von der inneren Elektrode zur äußeren Elektrode aufgrund des dadurch vorhandenen Zusatzwiderstandes eine signifikante Pumpspannung nahe oder an der inneren Elektrode ab. Der Betrag der Spannung, welcher aufgrund dieses Zusatzwiderstandes an der inneren Elektrode abgefallen ist, geht zum größten Teil mit in die Messung der Nernstspannung zwischen der inneren Elektrode und der Referenzelektrode ein. Aufgrund des Zusatzwiderstandes kann daher der Sollwert für die Nernstspannung, beispielsweise in Höhe von 450 mV, bereits bei niedrigeren Strömen erreicht werden, als es ohne Vorhandensein eines Zusatzwiderstandes für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum erforderlich ist. Als Resultat dieser veränderten Einregelung wird ein höherer O₂-Partialdruck im Messhohlraum erzeugt und deshalb der O₂-Konzentrationsgradient zwischen Abgas und Hohlraum verringert und deshalb ein zu geringer Pumpstrom erhalten. Dies führt zu einem Absinken der Kennlinie des Pumpstroms in einem Diagramm, in welchem der Wert des Pumpstroms gegenüber der O₂-Konzentration im Abgas aufgetragen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements und eine Sensorvorrichtung vorzuschlagen, mit denen die sich aus dem Stand der Technik genannten Probleme lösen lassen. Das Verfahren und die Sensorvorrichtung sollen insbesondere eine Diagnose und eine Kompensation eines durch eine Degradation an oder nahe der inneren Elektrode entstandenen Zusatzwiderstands ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe wird in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Messgasraum vorgeschlagen. Bei dem Gasgemisch handelt es sich insbesondere um ein Abgas einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise im Kraftfahrzeugsbereich, und bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt. Bei dem Sensorelement handelt es sich insbesondere um eine Lambdasonde mit mindestens zwei Zellen. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Pumpzelle, welche eine äußere Elektrode, eine innere Elektrode und einen Festkörperelektrolyten aufweist, welcher die innere Elektrode mit der äußeren Elektrode verbindet. Die äußere Elektrode ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar, während die innere Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet ist, welcher über eine Diffusionsbarriere ebenfalls mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt ist. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine Nernstzelle, welche mindestens eine Nernstelektrode und mindestens eine Referenzelektrode aufweist. Die mindestens eine Nernstelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode sind über einen Festkörperelektrolyten miteinander verbunden. Der Festkörperelektrolyt, welcher die Elektroden der Nernstzelle miteinander verbindet, kann vollständig oder teilweise identisch mit dem Festkörperelektrolyt sein, welcher die Elektroden der mindestens einen Pumpzelle miteinander verbindet, aber auch vollständig getrennt hiervon ausgestaltet sein. Die mindestens eine Nernstelektrode ist ebenfalls in dem Elektrodenhohlraum angeordnet und kann vollständig oder teilweise identisch mit der inneren Elektrode der Pumpzelle sein. Die mindestens eine Referenzelektrode ist an einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzgaskanal, insbesondere einem Referenzluftkanal, angeordnet. Zum Betrieb des Sensorelements wird die Pumpzelle mit einem Pumpstrom beaufschlagt, wobei sowohl ein stromgetriebener als auch ein spannungsgetriebener Betrieb möglich ist. Hierbei wird der Pumpstrom derart geregelt, dass sich an der mindestens einen Nernstzelle ein Sollwert für die Nernstspannung (Soll-Nernstspannung) einstellt.
Erfindungsgemäß wird zunächst ein Wert für einen insbesondere aufgrund von Degradation an der oder nahe der inneren Elektrode auftretenden Zusatzwiderstand ermittelt und auf dieser Basis ein Wert für die Soll-Nernstspannung eingestellt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier vorgeschlagen, die Soll-Nernstspannung in Abhängigkeit vom Pumpstrom an der mindestens einen Pumpzelle einzustellen. Die Festlegung der Soll-Nernstspannung erfolgt hierbei derart, dass eine Summe eines vorgegebenen Regelsollwerts, insbesondere in Höhe von 450 mV für λ = 1 und eines für λ = 1, und eines pumpstromabhängigen Produktes eingesetzt wird. Das pumpstromabhängige Produkt ergibt sich aus der Multiplikation des Wertes für den an der Pumpzelle anliegenden Pumpstrom mit dem Wert für den Zusatzwiderstand, welcher an oder nahe der inneren Elektrode auftritt. Auf diese Weise wird erreicht, dass immer genau diejenige Soll-Nernstspannung eingestellt wird, bei der eine Einregelung von λ = 1 in dem Elektrodenhohlraum auftritt. Als Folge dieser Regelung entspricht die Kennlinie des Pumpstroms in Abhängigkeit von der hieran angelegten Pumpspannung nunmehr wieder einer Lambdasonde, welche keine Degradation oder Schädigung an oder nahe der inneren Elektrode aufweist.
In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wert für den Zusatzwiderstand an oder nahe der inneren Elektrode ermittelt, indem der Pumpstrom mittels eines Stromabbruchs kurzfristig auf Null gesetzt wird, wodurch sich eine Änderung der Nernstspannung unmittelbar nach dem Abbruch des Pumpstroms erfassen lässt. Die beobachtete Änderung der Nernstspannung ist in diesem Falle nahezu ausschließlich auf das schlagartige Verschwinden des Spannungsabfalls aufgrund des ohmschen Zusatzwiderstands an oder in der Nähe der inneren Elektrode zurückzuführen. Auf diese Weise lässt sich der Wert für den Zusatzwiderstand aus dem Quotienten der Differenz der Nernstspannung vor und nach dem Stromabbruch geteilt durch die Höhe des Pumpstroms vor dem Stromabbruch ermitteln. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Pumpstrom mittels einer Mehrzahl von Stromabbrüchen, welche insbesondere mit hoher Frequenz über jeweils einen sehr kurzen Zeitraum erfolgen, jeweils kurzfristig auf Null gesetzt. In diesem Falle wird der Pumpstrom, welcher zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromabbrüchen eingestellt wird, jeweils auf einen Wert geregelt, welcher sich aus einer Differenzbildung zwischen der auf diese Weise ermittelten Soll-Nernstspannung und dem Regelsollwert für die Nernstspannung, anschließend dividiert durch den Wert für den Zusatzwiderstand ergibt.
In einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des insbesondere mittels Degradation an oder nahe der inneren Elektrode auftretenden Zusatzwiderstands wird ein erster komplexer Innenwiderstand zwischen der inneren Elektrode und der mindestens einen Referenzelektrode sowie ein zweiter komplexer Innenwiderstand zwischen der äußeren Elektrode und der mindestens einen Referenzelektrode erfasst. Beide Widerstände ändern sich bei einer nicht geschädigten Sonde durch Alterung auf etwa dieselbe Weise. Das bedeutet jedoch, dass der Wert eines Quotienten zwischen dem ersten komplexen Innenwiderstand und dem zweiten komplexen Innenwiderstand bei einem nicht degradierten Sensorelement im Wesentlichen identisch bleibt. Tritt jedoch an oder nahe der inneren Elektrode eine Degradation auf, so nimmt der Wert für den ersten komplexen Innenwiderstand zwischen der inneren Elektrode und der mindestens einen Referenzelektrode um einen höheren Betrag zu als der Wert für den zweiten komplexen Innenwiderstand zwischen der äußeren Elektrode und der mindestens einen Referenzelektrode, wodurch sich der Quotient zwischen dem ersten komplexen Innenwiderstand und dem zweiten komplexen Innenwiderstand ändert. Aus einem Vergleich dieser Änderung anhand einer in einer Tabelle hinterlegten Kennlinie für den Zusatzwiderstand lässt sich der in dem betreffenden Sensorelement auftretende Zusatzwiderstand bestimmen.
In einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des an oder nahe der inneren Elektrode auftretenden Zusatzwiderstands wird davon ausgegangen, dass sich ein bestimmter Degradationsmechanismus auf einen einzelnen Ladungstransportmechanismus auswirkt. Auf diese Weise steigt der komplexe Widerstand des Sensorelements in einem für den auftretenden Transportmechanismus charakteristischen Frequenzband an. Das in diesem charakteristischen Frequenzband als Funktion der Frequenz beobachtbare Intensitätsmuster, welches kurz auch als "Fingerabdruck" bezeichnet wird, kann zur Diagnose und zur Kompensation des Degradationsmechanismus herangezogen werden. Hierzu wird der komplexe Widerstand in den entsprechenden Frequenzbändern in zeitlichen Abständen erfasst und mit dem Neuzustand des Sensorelements verglichen, wodurch sich der Wert für den Zusatzwiderstand aus einer Analyse des komplexen Widerstands des Sensorelements zu jedem Zeitpunkt ermitteln lässt. Auf diese Weise ist eine Erfassung des Zusatzwiderstands im laufenden Betrieb und an jedem Betriebspunkt des Sensorelements möglich.
In einer vierten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des an oder nahe der inneren Elektrode auftretenden Zusatzwiderstands wird ein Wert für ein Grenzstromplateau bestimmt. Hierzu wird die an der Pumpzelle anliegende Pumpspannung so lange inkrementell angehoben, bis ein hierdurch resultierender Anstieg des Pumpstroms einen festgelegten Wert unterschreitet, wobei die hierbei eingestellte Pumpspannung das Grenzstromplateau der gealterten Sonde festlegt. Die an diesem Punkt erfasste Nernstspannung wird nun zur Ermittlung des durch Degradation verursachten Zusatzwiderstandes herangezogen. Aus einer Differenzbildung zwischen dem in dem Grenzstromplateau ermittelten Wert für die Nernstspannung abzüglich des Regelsollwerts für die Nernstspannung, welcher anschließend durch den Wert des Pumpstroms im Grenzstromplateau dividiert wird, lässt sich der Wert für den Zusatzwiderstand ermitteln. Diese Art der Feststellung des Zusatzwiderstands kann insbesondere dynamisch erfolgen und erfordert hierfür keinen statischen Betriebspunkt. Um sicherzustellen, dass das Grenzstromplateau über einen längeren Zeitraum sicher erreicht wird, wird der in dem Grenzstromplateau ermittelte Wert für die Pumpspannung vorzugsweise zusätzlich um einen festgelegten Wert weiter angehoben.
In einer fünften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des an oder nahe der inneren Elektrode auftretenden Zusatzwiderstands wird davon ausgegangen, dass, wie etwa in einem Schubbetrieb bei Dieselfahrzeugen, der Sollwert des Pumpstroms bekannt ist. Bei dieser Betriebsweise des Sensorelements wird dadurch ein Schubabgleich erzielt, dass der gemessene Pumpstrom an Luft durch eine Anpassung der Kalibrierung auf den Sollwert gesetzt wird. Ist jedoch das Sensorelement durch Alterung degeneriert und weist in einem Diagramm, in welchem der Wert des Pumpstroms gegenüber der Pumpspannung aufgetragen ist, eine negativ gekrümmte (nach rechts gekrümmte) Kennlinie auf, liefert die Sonde bei einem kleineren Lambda einen zu hohen Pumpstrom, was zu einer Anfettung des Gasgemischs führt. Um dieses Problem zu vermeiden, wird vorgeschlagen, im Schubbetrieb den erfassten Wert für den Pumpstrom mit dem Sollwert zu vergleichen. Zeigt sich eine Absenkung des Wertes für den Pumpstrom, wird dieser nicht durch eine Veränderung der Kalibrierung, sondern durch ein gezieltes Anheben der Pumpspannung kompensiert. Hierzu wird die Pumpspannung so lange erhöht, bis der erfasste Wert des Pumpstroms mit dem bekannten Sollwert übereinstimmt.
In einer sechsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des an oder nahe der inneren Elektrode auftretenden Zusatzwiderstands wird mittels einer Gleichstrommessung ein erster Wert für den gesamten Widerstand der Pumpzelle im Neuzustand und ebenfalls mittels einer Gleichstrommessung ein zweiter Wert für den gesamten Widerstand der Pumpzelle in einem zeitlichen Abstand davon ermittelt. Der Wert für den Zusatzwiderstand ergibt sich in diesem Falle aus einer Differenzbildung zwischen dem zweiten Wert für den gesamten Widerstand der Pumpzelle abzüglich dem ersten Wert für den gesamten Widerstand der Pumpzelle.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Sensorelements wird ein Verfahren vorgeschlagen, welches mindestens zwei Betriebsmodi umfasst, und zwar

– einen ersten, geregelten Betriebsmodus und
– einen hiervon verschiedenen, zweiten, ungeregelten Betriebsmodus.

Während im ersten, geregelten Betriebsmodus der Pumpstrom derart geregelt wird, dass sich an der Nernstzelle die Soll-Nernstspannung einstellt, wird im zweiten, ungeregelten Betriebsmodus die Pumpzelle ungeregelt mit dem Pumpstrom beaufschlagt. Vorzugsweise wird eine Wahl zwischen dem geregelten Betriebsmodus und dem ungeregelten Betriebsmodus in Abhängigkeit von dem jeweils auftretenden Anteil der Gaskomponente getroffen. Hierzu wird vorzugsweise ein Intervall in Bezug auf mögliche Anteile der Gaskomponente vorgegeben, wobei der ungeregelte Betriebsmodus dann eingesetzt wird, wenn der Anteil der Gaskomponente außerhalb des Intervalls liegt, während der geregelte Betriebsmodus dann eingesetzt wird, wenn der Anteil der Gaskomponente innerhalb des Intervalls liegt. Als Gaskomponente dient insbesondere Sauerstoff, wobei in diesem Falle der geregelte Betriebsmodus dann angewandt wird, wenn der Anteil der Gaskomponente, welcher hier als Luftzahl definiert wird, in dem vorgegebenen Intervall um λ = 1, vorzugsweise in dem Intervall von 0,9 < λ < 1,1, liegt. Dieser Betriebsmodus stellt sicher, dass das Sensorelement nur innerhalb des Intervalls als Lambdasonde mit zwei Zellen betrieben wird. In diesem Bereich fließen nur relativ geringe Pumpströme, daher fallen dort nur geringe Pumpspannungen über den zusätzlichen Widerstand ab und es kommt nicht zu einer nennenswerten Verfälschung der Soll-Nernstspannung. Verlässt jedoch der Lambdawert den angegebenen Bereich und liegt außerhalb des Intervalls, wird das Sensorelement als Lambdasonde mit nur einer Zelle betrieben, d.h. nur mit einer festen positiven oder pumpstromabhängigen Pumpspannung. Der Vorteil dieser Betriebsweise liegt darin, dass im Falle des Betriebs des Sensorelements als Lambdasonde mit einer Zelle diese nicht auf eine Messung der Nernstspannung zurückgreift. Aus diesem Grunde beeinflusst ein zusätzlicher Spannungsabfall an oder nahe der inneren Elektrode den Pumpstrom nicht, solange noch genügend Pumpspannung von der Betriebselektronik bereitgestellt werden kann und solange sichergestellt ist, dass sich der Wert für den Pumpstrom im Grenzstromplateau bewegt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Messgasraum. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode, einer inneren Elektrode und einem Festkörperelektrolyten umfasst, welcher die äußere Elektrode und die innere Elektrode miteinander verbindet. Die äußere Elektrode ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt, während die innere Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet ist, welcher über eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt ist. Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens eine Nernstzelle, welche mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Nernstelektrode, welche auch ganz oder teilweise mit der inneren Elektrode identisch sein kann, mindestens eine in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzgaskanal, insbesondere einem Referenzluftkanal, angeordnete Referenzelektrode und mindestens einen Festkörperelektrolyten, welcher die mindestens eine Nernstelektrode und die mindestens eine Referenzelektrode miteinander verbindet, wobei der Festkörperelektrolyt auch ganz oder teilweise mit dem Festkörperelektrolyt der Pumpzelle identisch sein kann. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbindbare Ansteuerungseinrichtung, wobei die Ansteuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, um das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Hierzu weist die Ansteuerungseinrichtung insbesondere eine elektrische Energiequelle zur Erzeugung eines Pumpstroms, eine Messvorrichtung zur Erfassung der Höhe des Pumpstroms, eine Messvorrichtung zur Ermittlung der Nernstspannung, einen Regler zur Regelung des Pumpstroms und eine Datenverarbeitungsvorrichtung auf. Die Sensorvorrichtung eignet sich auch dann zur Erfassung des Anteils einer Gaskomponente eines Gasgemischs in dem Messgasraum, wenn an oder nahe der inneren Elektrode des Sensorelements eine Schädigung oder Degradation aufgetreten ist, welche sich als Zusatzwiderstand an der inneren Elektrode darstellt.
Vorteile der Erfindung
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements und der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung lässt sich auch ein Sensorelement, welches eine Schädigung oder Degradation an oder nahe einer inneren Elektrode aufweist, welche sich insbesondere in einem Zusatzwiderstand an oder nahe inneren Elektrode äußert, dazu einsetzen, um eine Gaskomponente in einem Messgasraum, insbesondere um ein Gas in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, mit möglichst hoher Genauigkeit zu erfassen. Auf diese Weise lässt sich die praktische Einsatzdauer einer derartigen Sonde, obwohl diese ein Sensorelement aufweist, welches an einer bestimmten Stelle degradiert ist, verlängern. Insbesondere werden Fehldiagnosen vermieden und es wird verhindert, dass durch eine etwa zu hohe Pumpspannung Schädigungen an weiteren Stellen des Sensorelements auftreten können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 Pumpstrom und Nernst-Spannung, jeweils als Funktion der Pumpspannung, aufgetragen sowohl für eine neue Sonde als auch für eine Sonde mit einer degradierten inneren Elektrode;
2 ein Ersatzschaltbild der Sensorvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 sind der Pumpstrom und die Nernst-Spannung, jeweils als Funktion der Pumpspannung, eines neuen Sensorelements im Vergleich zu einem Sensorelement, dessen innere Elektrode eine Degradation aufweist, dargestellt. Gegenüber der Pumpspannung U_p ist auf der linken Ordinate der jeweilige Wert des Pumpstroms I_p bzw. auf der rechten Ordinate der zugehörige Wert für die Nernstspannung U_N dargestellt. Die aufgetragenen Kurven zeigen dabei

– den Verlauf des Pumpstroms I_p als Funktion der Pumpspannung U_p in einem neuen Sensorelement (durchgezogene Linie);
– den Verlauf des Pumpstroms I_p als Funktion der Pumpspannung U_p in einem Sensorelement, dessen innere Elektrode eine Degradation aufweist (gestrichelte Linie);
– den Verlauf der Nernstspannung U_N als Funktion der Pumpspannung U_p in einem neuen Sensorelement (Linie in Form von Strichpunkten); sowie
– den Verlauf der Nernstspannung U_N als Funktion der Pumpspannung U_p in einem Sensorelement, dessen innere Elektrode eine Degradation aufweist (Linie in Form von Punkten).

Im Falle eines neuen Sensorelements wird bei Anlegen einer Pumpspannung U_p (0) ein Pumpstrom I_p (0) erreicht, welcher bereits im Bereich des Grenzstromplateaus liegt. Der zugehörige Wert für die Soll-Nernstspannung entspricht dem vorgegebenen Regelsollwert, für den im vorliegenden Falle ein Wert von 450 mV für λ = 1 gewählt wurde. Demgegenüber sind in einem Sensorelement, bei dem eine Degradation an oder nahe der inneren Elektrode einen Zusatzwiderstand hervorruft, sowohl die Werte für die Pumpspannung U_p (1) als auch der entsprechend der Kennlinie sich ergebende Wert für die Pumpspannung I_p (1) jeweils geringer. Wie aus dem Schnittpunkt S der horizontalen Gerade des Regelsollwerts für die Soll-Nernstspannung U_N (0) in Höhe von 450 mV mit der vertikalen Gerade für die Pumpspannung U_p (1) in dem degradierten Sensorelement hervorgeht, weist das degradierte Sensorelement einen anderen Verlauf der Nernstspannung als Funktion der Pumpspannung U_p auf. Zur Korrektur ist es daher erforderlich, den Zusatzwiderstand ΔR an oder nahe der inneren Elektrode des Sensorelements zu bestimmen und die Soll-Nernstspannung U_N nach der Beziehung (1) zu regeln: U_N = U_N (0) + ΔR∙I_p (1)
In 2 ist in einem Ersatzschaltbild schematisch dargestellt, wie sich eine Degradation der inneren Elektrode in Form eines Zusatzwiderstands auf den gesamten Innenwiderstand des Sensorelements auswirkt. Der äußeren Elektrode 110, welche mit Gas aus einem Messgasraum 112 beaufschlagbar ist, wird ein Elektrodenwiderstand 114 zugeordnet. Der inneren Elektrode 116, welche in einem Elektrodenhohlraum 118 angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum 118 über eine Diffusionsbarriere 120 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar ist, wird ein Elektrodenwiderstand 122 zugeordnet. Der Referenzelektrode 124 wird ein dritter Elektrodenwiderstand 126 zugeordnet. Der innere Widerstand des Festkörperelektrolyten 128 wird durch die drei in der 2 dargestellten Ersatzwiderstände 130, 132, 134 dargestellt. Bei einem neuen Sensorelement ist somit das Ersatzschaltbild vollständig.
Tritt jedoch über die Lebensdauer des Sensorelements an oder nahe der inneren Elektrode 116 eine Schädigung oder Degradation auf, so ist bei der Analyse des komplexen Innenwiderstands des Sensorelements ein Zusatzwiderstand 136 in unmittelbarer Nähe oder in der inneren Elektrode 116 mit zu berücksichtigen. Je nach Art des gewählten Verfahrens zur Bestimmung des Zusatzwiderstands 136 bzw. der Zunahme des Widerstands 122 muss dessen Größe ΔR in das Produkt aus dem Pumpstrom I_p multipliziert mit dem Wert für den Zusatzwiderstand ΔR einfließen, welches für die Ermittlung der Soll-Nernstspannung gemäß der oben genannten Beziehung erforderlich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4410016 C2 [0003]
DE 102008044048 A1 [0004]
DE 102005056515 A1 [0005]
DE 102010040821 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, Springer Vieweg, 2. Aufl., 2012, Seiten 160–165 [0002]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Messgasraum (112), wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode (110), einer inneren Elektrode (116) und einem die äußere Elektrode (110) und die innere Elektrode (116) verbindenden Festkörperelektrolyten (128) umfasst, wobei die äußere Elektrode (110) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die innere Elektrode (116) in einem Elektrodenhohlraum (118) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (118) über eine Diffusionsbarriere (120) mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist, wobei das Sensorelement weiterhin mindestens eine Nernstzelle umfasst, wobei die Nernstzelle mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum (118) angeordnete Nernstelektrode (116), mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode (124) und mindestens einen die Nernstelektrode (116) und die Referenzelektrode (124) verbindenden Festkörperelektrolyten (128) umfasst, wobei die Pumpzelle mit einem Pumpstrom beaufschlagt wird, wobei der Pumpstrom derart geregelt wird, dass sich an der mindestens einen Nernstzelle eine Soll-Nernstspannung einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Nernstspannung eine Summe eines vorgegebenen Regelsollwerts und eines Produktes ist, wobei das Produkt aus dem Pumpstrom multipliziert mit einem Wert für einen Zusatzwiderstand (136) an oder nahe der inneren Elektrode (116) erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für den Zusatzwiderstand (136) ermittelt wird, indem der Pumpstrom mittels eines Stromabbruchs kurzfristig auf Null gesetzt wird, wodurch sich eine Änderung der Nernstspannung beobachten lässt, und sich der Wert für den Zusatzwiderstand (136) aus der beobachteten Änderung der Nernstspannung dividiert durch den Wert des Pumpstroms vor dem Stromabbruch ergibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpstrom mittels einer Mehrzahl von Stromabbrüchen jeweils kurzfristig auf Null gesetzt wird, wobei der Pumpstrom zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromabbrüchen jeweils auf einen Wert geregelt wird, welcher sich aus einer Differenzbildung zwischen der so ermittelten Soll-Nernstspannung und dem Regelsollwert für die Nernstspannung, anschließend dividiert durch den Wert für den Zusatzwiderstand (136), ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Innenwiderstand zwischen der inneren Elektrode (116) und der Referenzelektrode (124) erfasst wird und ein zweiter Innenwiderstand zwischen der äußeren Elektrode (110) und der Referenzelektrode (124) erfasst wird, wobei der Wert für den Zusatzwiderstand (136) aus einem Vergleich zwischen dem Quotienten aus dem ersten Innenwiderstand und aus dem zweiten Innenwiderstand mit einem Wert aus einer Tabelle, welche hinterlegte Werte für den Zusatzwiderstand (136) umfasst, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein komplexer Widerstand des Sensorelements im Neuzustand und jeweils in zeitlichen Abständen über ein festgelegtes Frequenzband aufgenommen wird, wobei der Wert für den Zusatzwiderstand (136) aus einer Analyse des komplexen Widerstands des Sensorelements zu jedem Zeitpunkt ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch ein Wert für ein Grenzstromplateau bestimmt wird, dass die Pumpspannung solange inkrementell angehoben wird, bis ein hierdurch resultierender Anstieg des Pumpstroms einen festgelegten Wert unterschreitet, und der Wert für den Zusatzwiderstand (136) aus einer Differenzbildung zwischen des in dem Grenzstromplateau ermittelten Werts für die Pumpspannung abzüglich des Regelsollwerts für die Nernstspannung, anschließend dividiert durch den Wert des Grenzstromplateaus, ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem Grenzstromplateau ermittelte Wert für die Pumpspannung zusätzlich um einen festgelegten Wert weiter angehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Wert des Pumpstroms jeweils mit einem bekannten Sollwert verglichen wird, wobei nach einem Absinken des erfassten Wertes für den Pumpstrom gegenüber dem Sollwert die Pumpspannung so lange erhöht wird, bis der erfasste Wert des Pumpstroms mit dem bekannten Sollwert übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wert für den Widerstand der Pumpzelle im Neuzustand und ein zweiter Wert für den Widerstand der Pumpzelle in einem zeitlichen Abstand davon ermittelt wird und sich der Wert für den Zusatzwiderstand (136) aus einer Differenzbildung zwischen dem zweiten Wert für den Widerstand der Pumpzelle und dem ersten Wert für den Widerstand der Pumpzelle ergibt.
Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente eines Gasgemischs in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode (110), einer inneren Elektrode (116) und einem die äußere Elektrode (110) und die innere Elektrode (116) verbindenden Festkörperelektrolyten (128) umfasst, wobei die äußere Elektrode (110) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die innere Elektrode (116) in einem Elektrodenhohlraum (118) angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum (118) über eine Diffusionsbarriere (120) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei das Sensorelement weiterhin mindestens eine Nernstzelle umfasst, wobei die Nernstzelle mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Nernstelektrode (116), mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode (124) und mindestens einen die Nernstelektrode (116) und die Referenzelektrode (124) verbindenden Festkörperelektrolyten (128) umfasst, wobei die Sensorvorrichtung weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbindbare Ansteuerungseinrichtung umfasst, wobei die Ansteuerungseinrichtung dazu eingerichtet ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.