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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Sensoren zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases an einem Gasgemisch in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Sensoren beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils, insbesondere eines Partialdrucks und/oder eines Volumenanteils und/oder eines Massenanteils, eines Gases an einem Gasgemisch 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. Als Sensor zur Erfassung des Gasanteils handelt es sich insbesondere um eine Lambdasonde. Lambdasonden sind beispielsweise in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 160–165 beschrieben.
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Lambdasonden, insbesondere universelle Lambdasonden, stellen zwei Stoffströme, insbesondere Sauerstoffströme, zwischen einem Hohlraum der Vorrichtung und dem Messgasraum in ein 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 wird dabei vorzugsweise so eingeregelt, dass sich in dem Hohlraum eine konstante und sehr geringe Sauerstoffkonzentration einstellt. Ein Konzentrationsprofil über die Diffusionsbarriere ist durch einen konstanten Regelpunkt in dem Hohlraum, insbesondere eine konstante Sollspannung resultierend in einer Sauerstoffkonzentration, und durch eine abgasseitige Sauerstoffkonzentration eindeutig bestimmt. Ein Zustrom von Sauerstoffmolekülen aus dem Messgasraum zum Hohlraum 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.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere zwei unterschiedliche Varianten von Lambdasonden bekannt, Lambdasonden mit zwei Zellen und Lambdasonden mit nur einer Zelle.
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Lambdasonden mit zwei Zellen sind beispielsweise aus der
DE 44 100 16 C2 bekannt. Darin wird eine Vorrichtung zum Nachweis einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgas beschrieben, die eine erste elektrochemische Zelle mit einer Referenzelektrode mit einer Messelektrode sowie eine zweite elektrochemische Zelle mit einem Elektrodenpaar umfasst. Hierbei ist die erste elektrochemische Zelle meist als Messzelle mit Elektroden jeweils in einem Hohlraum und an einem Referenzgasraum mit definierter, meist hoher Sauerstoffkonzentration befindlich. Die Messzelle zeigt typischerweise eine resultierende Nernstspannungscharakteristik, welche sich durch einen scharfen Potenzialanstieg auszeichnet, sobald die Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum auf Null sinkt. Ein Pumpstrom wird auf einen Regelsollwert geregelt, damit sich ein entsprechendes Potenzial innerhalb des Potenzialanstiegs an der Messzelle einstellt. Der Regelsollwert umfasst typischerweise eine Nernstspannung von 450 mV, welche dazu dient, eine Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum von λ = 1 einzuregeln. Dieser Regelsollwert beträgt typischerweise über die gesamte Lebensdauer der Lambdasonde 450 mV.
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Lambdasonden mit nur einer Zelle sind beispielsweise in der
DE 29 46 440 A1 beschrieben. Darin wird ein Verfahren zur Gewinnung einer Steuergröße für die Regelung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines Betriebsgemisches von Brennkraftmaschinen mittels einer dem Abgasstrom ausgesetzten Abgasmesssonde vorgeschlagen. Typischerweise liegt bei Lambdasonden mit nur einer Zelle eine äußere Elektrode der einen Zelle, insbesondere einer Pumpzelle, an einem Gasraum mit hoher Sauerstoffkonzentration, beispielsweise an einem Referenzvolumen. Zwischen der äußeren Elektrode und einer inneren Elektrode der Pumpzelle wird eine feste Spannung angelegt. Sobald eine Sauerstoffkonzentration in einem Hohlraum nahe Null ist, steigt ein Potenzial, insbesondere ein Nernstpotenzial, stark an und kompensiert dadurch teilweise die angelegte Spannung. Auf diese Weise lässt sich mit guter Genauigkeit eine konstante Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum einregeln. Hierbei muss die Spannung an der Pumpzelle einen Ohmschen Spannungsabfall eines Pumpstroms über einen Widerstand der Pumpzelle überschreiten. Idealerweise liegt eine Summe des Ohmschen Spannungsabfalls und des gewünschten Nernstpotenzials, welches typischerweise 450 mV beträgt, an. Tatsächlich sollte die Spannung etwas höher gewählt werden, um an den Elektroden auftretende Übergangswiderstände zu kompensieren. Wie bei einer Lambdasonde mit zwei Zellen hat auch hier eine Änderung der Spannung an dem scharfen Potenzialanstieg, insbesondere bei einer Änderung der Spannung um ±150 mV zu dem typischen Wert der Nernstspannung von 450 mV, keine wesentliche Änderung der Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum zur Folge. Ein Sauerstoffzustrom aus dem Messgasraum über eine Diffusionsbarriere und der Pumpstrom werden typischerweise kaum durch Spannungsänderungen beeinflusst.
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Die
EP 0769693 A1 offenbart einen Sensor zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases an einem Gasgemisch in einem Messgasraum durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch Reduzieren oder Abbauen der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff im Messgas erzeugt wird, insbesondere durch Reduktion von NO
x mittels eines dafür geeigneten Katalysators. Der darin beschriebene Sensor umfasst eine erste Pumpzelle, die an einer ersten Bearbeitungszone anliegt, die mit dem Messgasraum in Verbindung steht, wobei die erste Pumpzelle dazu dient, Sauerstoff aus der ersten Bearbeitungszone herauszupumpen, wodurch sich ein geringerer Sauerstoffpartialdruck in der ersten Bearbeitungszone einstellt. Der Sensor umfasst weiterhin eine zweite Pumpzelle, die an einer zweiten Bearbeitungszone anliegt und die dazu dient, um Sauerstoff aus der zweiten Bearbeitungszone herauszupumpen, so dass ein Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre in der zweiten Bearbeitungszone derart reguliert wird, dass der Sauerstoffpartialdruck einen Wert aufweist, der die Erfassung des Anteils der Messgaskomponente im Wesentlichen nicht beeinträchtigt. Der Sensor umfasst schließlich eine dritte Pumpzelle, die an einer dritten Bearbeitungszone anliegt, wobei eine an der dritten Bearbeitungszone anliegende Elektrode, insbesondere durch einen hierzu in die Elektrode eingebrachten Katalysator, dazu eingerichtet ist, die Messgaskomponente in der in die dritte Bearbeitungszone eingeleiteten Atmosphäre zu reduzieren oder abzubauen. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in der dritten Bearbeitungszone erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion von NO
x stammt, wird mittels der dritten Pumpzelle herausgepumpt und dessen Anteil mit Hilfe des Pumpstroms nachgewiesen. Auf die beschriebene Weise lässt sich mittels einer Kaskade von mindestens drei hintereinander angeordneten Pumpzellen der Anteil von NO
x in einem Gasgemisch, das neben NO
x weiterhin Sauerstoff umfasst, in einem Messgasraum mit hoher Genauigkeit bestimmen.
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Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass derartige Sensoren zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases an einem Gasgemisch in einem Messgasraum, insbesondere eine Lambdasonde, mittels einer Ansteuerungseinrichtung betrieben werden können. Die Ansteuerungseinrichtung kann hierzu in den Sensoraufbau mit integriert werden, ist jedoch in der Regel als separates Steuergerät ausgestaltet.
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Um eine Ansteuerung des Sensors mittels eines externen Steuergeräts zu ermöglichen, sind jedoch eine Anzahl von Anschlüssen erforderlich, mit denen bestimmte Komponenten des Sensors mit zugehörigen Ansteuerelementen im Steuergerät miteinander verbunden werden. Diese sind in der Regel als Bestandteil eines Kabelbaums in mindestens einen Stecker integriert. So weist beispielsweise eine planare Breitband-Lambdasonde mit zwei Zellen fünf Anschlüsse auf, die den Sensor mit der Ansteuerungseinrichtung verbinden. Zwei dieser Anschlüsse dienen zur Ansteuerung des Heizelements, während die übrigen drei dieser Anschlüsse dazu eingesetzt werden, um die drei Elektroden in einer Lambdasonde mit zwei Zellen, bei der die innere Elektrode der Pumpzelle und die Nernstelektrode der Nernstzelle als dieselbe Elektrode ausgebildet sind, anzusteuern. Weitere Ausgestaltungen von Lambdasonden weisen darüber hinaus weitere Anschlüsse auf, die dazu dienen, weitere Elemente des Sensors mit weiteren Ansteuerelementen des Steuergeräts miteinander zu verbinden.
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Die Mehrzahl von Anschlüssen zwischen dem Sensor und der Ansteuerungseinrichtung erfordert einen gewissen Aufwand bei der Bereitstellung und der Montage der Anschlüsse zwischen den Komponenten. Außerdem ist jeder Anschluss Verschleißerscheinungen unterworfen und kann durch etwaige Schädigungen im Betrieb die Kommunikation zwischen dem Sensor und der Ansteuerungseinrichtung beeinträchtigen. Es wäre daher wünschenswert, einen Sensor bereitzustellen, bei dem die Anzahl der Anschlüsse, die zwischen dem Sensor und der Ansteuerungseinrichtung eingerichtet werden müssen, zu verringern. Bereits eine Verringerung der Anzahl der Anschlüsse um einen einzelnen Anschluss würde erhebliche Vereinfachungen bei der Herstellung des Sensorelements, des gesamten Sensors sowie der zugehörigen Anschlüsse bedeuten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases an einem Gasgemisch in einem Messgasraum vorgeschlagen, insbesondere ein Sensor zum Nachweis von Sauerstoff oder NOx in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, welcher mittels einer geringeren Zahl an Anschlüssen mit einer für ihn eingerichteten Ansteuerungseinrichtung verbindbar ist. Bei dem Sensorelement handelt es sich insbesondere um eine Lambdasonde mit mindestens einer Zelle, bevorzugt mit einer oder mit zwei Zellen, oder um einen NOx-Sensor mit mindestens drei elektrochemischen Zellen, bevorzugt mit drei oder mit vier elektrochemischen Zellen. Der Sensor, insbesondere das Sensorelement, umfasst mindestens eine mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbare erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind hierbei über mindestens einen Festkörperelektrolyten miteinander verbunden. In einer Lambdasonde mit bevorzugt einer Zelle kann es sich bei der ersten Elektrode um eine Außenelektrode handeln, während es sich bei der zweiten Elektrode beispielsweise um eine Innenelektrode handeln kann. Bei einer Lambdasonde mit zwei Zellen kann es sich bei der ersten Elektrode beispielsweise um eine Außenelektrode handeln, und bei der zweiten Elektrode um eine Innenelektrode. Die Elektroden sind vorzugsweise aus Zirkoniumdioxid gefertigt. Der Festkörperelektrolyt kann beispielsweise als YSZ, ScSZ und/oder in Gestalt anderer Arten von festen Elektrolyten ausgestaltet sein. Diesbezüglich kann grundsätzlich auf sämtliche bekannten Sensorelemente verwiesen werden, welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einsetzbar sind.
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Das Sensorelement umfasst weiterhin mindestens ein Heizelement, das so ausgestaltet ist, dass es sich zu einer möglichst effektiven Beheizung der Pumpzelle eignet. Eine derartige Aufheizung der Pumpzelle ist erforderlich, damit der Sensor in möglichst kurzer Zeit die für ein auswertbares Signal erforderliche Betriebstemperatur, die in der Regel im Bereich von 650 °C bis 900 °C liegt, erreicht. Zur Ansteuerung ist das Heizelement über mindestens zwei Heizzuleitungen mit einer elektrischen Energiequelle verbindbar, die vorzugsweise in dem Steuergerät, in dem sich die Ansteuerungseinrichtung befindet, angeordnet ist.
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Die Ansteuerung des Sensors erfolgt über Ansteuerelemente, die vollständig oder teilweise in dem Sensor integriert sein können. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Ansteuerelemente jedoch in einem separaten Steuergerät angeordnet, das insbesondere über eine Schnittstelle, die eine Anzahl von Anschlüssen zwischen dem Sensor und der Ansteuerungseinrichtung umfasst, mit dem Steuergerät verbunden ist. Die Ansteuerungseinrichtung kann aber auch ganz oder teilweise in andere Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine Motorsteuerung.
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Um die Anzahl der Anschlüsse, über die die Komponenten des Sensorelements mit der Ansteuerungseinrichtung verbindbar sind, zu verringern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mindestens eine der Heizzuleitungen und mindestens ein Anschluss, ausgewählt aus dem ersten Anschluss und aus dem zweiten Anschluss, mit einer gemeinsamen Zuleitung verbunden sind, die zur Ansteuerungseinrichtung führbar ist. Die gemeinsame Zuleitung, die mindestens eine der Heizzuleitungen und einen weiteren Anschluss einer Komponente des Sensorelements umfasst, wird vorzugsweise über eine Schnittstelle geführt, kann jedoch auch auf jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Weise mit der Ansteuerungseinrichtung verbunden werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind der erste Anschluss, über den die erste Elektrode verfügt, und eine der mindestens zwei Heizzuleitungen zusammen mit der gemeinsamen Zuleitung verbunden, die zu der Ansteuerungseinrichtung führbar ist. In einer ersten Ausgestaltung ist hierzu die gemeinsame Zuleitung auf einer ersten Oberfläche des Sensors angeordnet, während sich die erste Elektrode auf einer der ersten Oberfläche des Sensors gegenüber liegenden zweiten Oberfläche des Sensors befindet. In einer zweiten, besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Sensor derart ausgestaltet, dass die erste Elektrode auf derjenigen Seite des Sensors angeordnet ist, unter der sich das Heizelement befindet, von dem die Heizzuleitungen ausgehen. Auf diese Weise lässt sich der Aufbau des Sensors zusätzlich vereinfachen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird eine Ansteuerungseinrichtung für die Komponenten des Sensorelements eingesetzt, die eine erste Verbindung zu einem Netzpotenzial aufweist, das vorzugsweise außerhalb der Ansteuerungseinrichtung bereitgestellt wird, und die über eine zweite Verbindung zu einem Massenpotenzial verfügt, das sich ebenfalls vorzugsweise außerhalb der Ansteuerungseinrichtung befindet. Als Netzpotenzial kann hierbei in einem Fahrzeug insbesondere auf das Potenzial einer unipolaren elektrischen Energiequelle etwa in Form einer Fahrzeugbatterie zurückgegriffen werden. Bekannte Ansteuerungseinrichtungen für Lambdasonden werden in der Regel von einer stabilisierten Batteriespannung versorgt. Weiterhin weist die Ansteuerungseinrichtung mindestens eine steuerbare Energiequelle auf, die insbesondere dazu eingesetzt wird, um einen Pumpstrom durch die mindestens eine Pumpzelle zu erzeugen. Die mindestens eine steuerbare Energiequelle verfügt hierbei über mindestens einen ersten Anschluss und über mindestens einen zweiten Anschluss. Weiterhin kann die Ansteuerungseinrichtung gegebenenfalls eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung. Weiterhin kann die Ansteuerungseinrichtung optional beispielsweise eine Auswertevorrichtung, beispielsweise eine Datenverarbeitungsvorrichtung, umfassen. Weiterhin optional kann die Ansteuerungseinrichtung mindestens einen Signalgenerator umfassen. Die Steuerung kann überdies optional mindestens einen Regler, beispielsweise mindestens einen parametrierbaren PID-Regler, umfassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die steuerbare Energiequelle mit einer Versorgungsspannung verbunden, die über ein Potenzial verfügt, das mittels einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentials oberhalb des Netzpotenzials einstellbar ist. Auf diese Weise wird die Versorgungsspannung für die steuerbare Energiequelle auf ein Niveau angehoben, das über dem des Netzpotenzials liegt. Auf diese Weise ist es möglich, dass die steuerbare Energiequelle einen Pumpstrom erzeugt, der einen Stromfluss in beide Richtungen aufweisen kann. Dies setzt jedoch voraus, dass die steuerbare Energiequelle das Potenzial der zweiten Elektrode sowohl auf ein negatives als auch auf ein positives Potenzial gegenüber der ersten Elektrode bringen kann. In dieser Ausgestaltung ist die gemeinsame Zuleitung vorzugsweise mit dem Netzpotenzial verbunden, wobei der erste Anschluss der steuerbaren Energiequelle mit der Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentials oberhalb des Netzpotenzials und der zweite Anschluss der steuerbaren Energiequelle mit dem Massepotenzial verbunden sind.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die steuerbare Energiequelle mit einer Versorgungsspannung verbunden, die über ein Potenzial verfügt, das unterhalb des Massepotenzials liegt. Auch auf diese Weise wird ermöglicht, dass das Potenzial der zweiten Elektrode sowohl auf ein negatives als auch auf ein positives Potenzial gegenüber der äußeren ersten Elektrode gebracht werden kann, um einen Stromfluss des Pumpstroms in beide Richtungen zu ermöglichen. Hierzu wird die Versorgungsspannung der Energiequelle auf ein Niveau unterhalb des Massepotenzials abgesenkt.
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Als Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentials oberhalb des Netzpotenzials, auch als Step-up Converter bezeichnet, bzw. als Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentials unterhalb des Massepotenzials, auch als Step-down Converter bezeichnet, eignen sich aus dem Stand der Technik bekannte DC-DC-Wandler oder Bootstrap Converter. Sowohl die Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentials oberhalb des Netzpotenzials als auch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Potentials unterhalb des Massepotenzials können einzeln oder beide außerhalb, innerhalb, sowie teilweise außerhalb der Ansteuerungseinrichtung angeordnet werden.
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Die Ansteuerungseinrichtung kann weiterhin über eine Heizelement-Energiequelle verfügen, die zur Steuerung des mindestens einen Heizelements in dem Sensorelement dient. Alternativ ist es jedoch auch möglich, das eine Heizelement über eine gesonderte Heizelement-Energiequelle zu betreiben, die innerhalb und/oder außerhalb der Ansteuerungseinrichtung angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist das mindestens eine Sensorelement mindestens eine Nernstzelle auf. Die Nernstzelle verfügt über eine Nernstelektrode, die vorzugsweise mit der zweiten Elektrode der Pumpzelle identisch ist, über mindestens eine Referenzelektrode und über einen Festkörperelektrolyten, der die als Nernstelektrode eingesetzte zweite Elektrode und die Referenzelektrode miteinander verbindet. Der Festkörperelektrolyt der Nernstzelle kann teilweise identisch oder verschieden sein in Bezug auf den Festkörperelektrolyt der mindestens einen Pumpzelle. Die Referenzelektrode der Nernstzelle weist mindestens einen dritten Anschluss auf, mit dem sie mit der Ansteuerungseinrichtung verbindbar ist. Die Ansteuerungseinrichtung ist in diesem Falle dazu eingerichtet, um eine an der Nernstzelle anliegende Nernstspannung über den zweiten Anschluss der zweiten Elektrode und über den dritten Anschluss der Referenzelektrode zu einer Regelung des Pumpstroms einzusetzen. Hierzu weist die Ansteuerungseinrichtung vorzugsweise einen Regler auf, wobei der zweite Anschluss der zweiten Elektrode mit einem ersten Eingang des Reglers und der dritte Anschluss der Referenzelektrode mit einem zweiten Eingang des Reglers verbunden sind. Ein Ausgang des Reglers ist weiterhin mit einem zur Regelung des Pumpstroms vorgesehenen weiteren Eingang der steuerbaren Energiequelle verbunden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die an der Nernstzelle anliegende Nernstspannung über entsprechende Anschlüsse zur Steuerung der steuerbaren Energiequelle eingesetzt werden kann.
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In einer besonderen Ausgestaltung besitzt die Ansteuerungseinrichtung, um eine Höhe des Pumpstroms vorzugeben, eine Pulsweitensteuerung, die zur Steuerung eines Tastverhältnisses zwischen einer ersten Konstantstromquelle zur Bereitstellung eines ersten Konstantstroms mit einem positiven Vorzeichen und einer zweiten Konstantstromquelle zur Bereitstellung eines zweiten Konstantstroms mit einem negativen Vorzeichen eingerichtet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Sensor zur Erfassung eines Anteils an einem Stickoxid (NOx) an dem Gasgemisch in dem Messgasraum ausgestaltet. Hierzu weist der Sensor mindestens drei entsprechend ausgestaltete Pumpzellen auf, die über jeweils eine Bearbeitungszone verfügen, wobei in diesem Falle mindestens eine der Heizzuleitungen und mindestens ein Anschluss, ausgewählt aus einem ersten und aus einem zweiten Anschluss für jeweils eine Elektrode einer Pumpzelle mit einer gemeinsamen Zuleitung verbunden sind, wobei die gemeinsame Zuleitung mit der für den Sensor vorgesehenen Ansteuerungseinrichtung verbindbar ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1a: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei Zellen;
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1b: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit zwei Zellen, bei dem die erste Elektrode auf derjenigen Seite des Sensorelements angeordnet ist, unter der sich das Heizelement befindet;
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2a: schematische Darstellung des Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1a in einem Magergas;
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2b: schematische Darstellung des Betriebs des erfindungsgemäßen Sensors gemäß 1a in einem Fettgas;
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3: ein Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen Sensor gemäß 1b, bei dem die gemeinsame Zuleitung aus einer Heizleitung und einem Anschluss mit dem Massepotenzial verbunden ist;
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4: ein Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen Sensor gemäß 1b, bei dem die gemeinsame Zuleitung aus einer Heizleitung und einem Anschluss mit dem Netzpotenzial verbunden ist;
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5: Ausführungsbeispiel gemäß 3 mit gepulstem Betrieb;
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6: Ausführungsbeispiel gemäß 4 mit gepulstem Betrieb;
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7: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen NOx-Sensors mit galvanisch verbundenen Zellen;
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8: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen NOx-Sensors mit galvanisch getrennten Schichten, bei dem eine Heizzuleitung und der Anschluss an die äußere Elektrode der ersten Pumpzelle mit einer gemeinsamen Zuleitung verbunden sind;
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9: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen NOx-Sensors mit galvanisch getrennten Schichten, bei dem eine Heizzuleitung und ein gemeinsames Potenzial mit der gemeinsamen Zuleitung verbunden sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Sensor 110 zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases an einem Gasgemisch in einem Messgasraum 112, wobei der Sensor ein erstes Sensorelement 114 umfasst. Das Sensorelement 114 weist eine Pumpzelle 116 mit einer ersten Elektrode 118, einer zweiten Elektrode 120 und einen die erste Elektrode 118 und die zweite Elektrode 120 verbindenden Festelektrolyten 122 auf. Die erste Elektrode 118 ist, durch eine Diffusionseinrichtung 124 vom Messgasraum 112 getrennt, mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar. Die zweite Elektrode 120 ist an einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet, wobei der Elektrodenhohlraum 126 über eine Diffusionsbarriere 128 in einem Zuführkanal 130 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar ist. Das beispielhafte Sensorelement 114 umfasst eine zweite Pumpzelle 132, die über die zweite Elektrode 120 und über eine Referenzelektrode 134 verfügt, wobei die zweite Elektrode 120 und die Referenzelektrode 134 über einen die beiden Elektroden verbindenden Festelektrolyten 136, der in diesem Falle identisch ist mit dem Festelektrolyt 122 für die erste Pumpzelle 116, verbunden sind. Um eine Verbindung zu einer Ansteuerungseinrichtung (in 1 nicht dargestellt) herzustellen, verfügt die erste Elektrode 118 über einen ersten Anschluss 138, die zweite Elektrode 120 über einen zweiten Anschluss 140, die Referenzelektrode 134 über einen dritten Anschluss 142 und das Heizelement 144, das im vorliegenden Sensorelement 114 zur Beheizung sowohl der ersten Pumpzelle 116 als auch der zweiten Pumpzelle 132 vorgesehen ist, über zwei Heizzuleitungen 146, 148, wobei die erste Heizzuleitung 146 zusammen mit dem ersten Anschluss 138 mit einer gemeinsamen Zuleitung 150 verbunden sind. Dieser Aufbau des erfindungsgemäßen Sensorelements 114 ermöglicht eine Verbindung des Sensors 110 zu der Ansteuerungseinrichtung mit lediglich vier Anschlüssen, d.h. dem zweiten Anschluss 140, dem dritten Anschluss 142, der zweiten Heizleitung 148 und der gemeinsamen Zuleitung 150.
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Während in der 1a die erste Elektrode 118 auf einer ersten Seite 152 des Sensorelements 114 angeordnet ist und sich die gemeinsame Zuleitung 150 auf der gegenüberliegenden Seite 154 des Sensorelements befindet, sind in der 1b sowohl die erste Elektrode 118' als auch die gemeinsame Zuleitung 150 auf derselben Seite 154' des Sensorelements 114' angeordnet.
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In 2a ist die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Sensors 110 bei einem Betrieb mit Magergas, das dem Sensorelement 114 aus dem Messgasraum 112 zugeleitet wird, dargestellt. In diesem Falle strömt Sauerstoff O2 aus dem Messgasraum 112 über den Zuführkanal 130 und die Diffusionsbarriere 128 in den Elektrodenhohlraum 126, an dem die zweite Elektrode 120 angeordnet ist. Wird zum Betrieb der ersten Pumpzelle 116 an die zweite Elektrode 120 ein niedrigeres Potenzial als an die erste Elektrode 118 gelegt, so wird hierdurch ein Sauerstoffionenstrom O2– von der zweiten Elektrode 120 durch den Festelektrolyten 122 zur ersten Elektrode 118 geführt, wodurch ein Pumpstrom Ip von der zweiten Elektrode 120 über den zweiten Anschluss 140 über die gemeinsame Zuleitung 150 und den ersten Anschluss 138 zur ersten Elektrode 118 fließt.
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In 2b ist der Betrieb des erfindungsgemäßen Sensors 110 bei einer Beaufschlagung mit Fettgas, d.h. sauerstoffarmem Gas, aus dem Messgasraum 112 dargestellt. Tritt das Fettgas aus dem Messgasraum 112 über den Zuführkanal 130 und die Diffusionsbarriere 128 in den Elektrodenhohlraum 126 ein, so ist es erforderlich, den sich im Elektrodenhohlraum 128 ausbildenden Sauerstoffmangel durch eine Zufuhr von Sauerstoffionen O2– aus dem Messgasraum über die erste Elektrode 118 und den Festelektrolyten 122 und die zweite Elektrode 120 zum Elektrodenhohlraum 126 zu bewirken. Hierzu wird an die zweite Elektrode 120 ein höheres Potenzial im Vergleich zur ersten Elektrode 118 gelegt, wodurch ein Pumpstrom von der ersten Elektrode über den ersten Anschluss 138, die gemeinsame Zuleitung 150 und den zweiten Anschluss 140 zur zweiten Elektrode 120 hervorgerufen wird. Aus der Höhe des Pumpstroms lässt sich auch hier der Gehalt an Sauerstoff im Messgasraum 112 ermitteln.
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Um jedoch die vollständige Funktion einer Breitband-Lambdasonde zu realisieren, ist es erforderlich, die zwischen der zweiten Elektrode 120 und der Referenzelektrode 134 auftretende Nernstspannung UN auf einen festgelegten Sollwert zu regeln. Als Stellgröße eines derartigen Spannungsreglers für die Nernstspannung dienen die Pumpspannung bzw. der Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode 118 und der zweiten Elektrode 120. Vorteilhafte Ausgestaltungen eines Reglers für die Nernstspannung sind in den 3 bis 6 dargestellt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das die Verbindung eines erfindungsgemäßen Sensors 110'', der im Wesentlichen dem Sensor 110' aus 1b entspricht, mit der Ansteuerungseinrichtung 210 darstellt. Im Unterschied zur 1b ist hier jedoch der erste Anschluss 138 der ersten Elektrode 118' zusammen mit der zweiten Heizleistung 148 auf die gemeinsame Zuleitung 150 gelegt. Ein Kabelbaum 156, der von dem Sensor 110'' zu der Ansteuerungseinrichtung 210 geführt wird, muss lediglich vier Leitungen 158, 160, 162, 164 aufweisen, die auf der Seite des Sensors 110'' mit dem zweiten Anschluss 140, dem dritten Anschluss 142 der gemeinsamen Zuleitung 150 und der ersten Heizzuleitung 146 verbunden sind. Auf der Seite der Ansteuerungseinrichtung 210 wird die erste Heizzuleitung 146 mit einem außerhalb der Ansteuerungseinrichtung 210 bereitgestellten Netzpotenzial 212 verbunden. Die gemeinsame Zuleitung 150 wird mit einem sich ebenfalls außerhalb der Ansteuerungseinrichtung 210 befindlichen Massepotenzial 214 verbunden. Der dritte Anschluss 142 verbindet die Referenzelektrode 134 und einen Eingang 216 des Nernst-Spannungsreglers 218. Der zweite Anschluss 140 verbindet die zweite Elektrode sowohl mit einem zweiten Eingang 220 des Nernst-Spannungsreglers 218 als auch mit dem Ausgang 222 einer steuerbaren Stromquelle 224. Der erste Anschluss 226 der steuerbaren Stromquelle 224 ist mit dem Netzpotenzial 212 und der zweite Ausgang 228 der steuerbaren Stromquelle 224 ist mit einer Vorrichtung 230 zur Erzeugung eines Potentials unterhalb des Massepotenzials 214 verbunden. Der dritte Anschluss 232 der steuerbaren Stromquelle 224 dient schließlich der Steuerung der Stromquelle 224 mittels eines Signals, das der Nernst-Spannungsregler 218 über einen Ausgang 234 zur Verfügung stellt. Der Nernst-Spannungsregler 218 regelt das zwischen der Referenzelektrode 134 und der zweiten Elektrode 120 anliegende Nernstpotenzial auf eine vorgegebene Nernstspannung in Höhe von 450 mV. Als Stellgrößensignal dient der Pumpstrom, der hier eine steuerbare Stromquelle 224 ansteuert, die einen Pumpstrom sowohl mit positivem als auch mit negativem Vorzeichen an die zweite Elektrode 120 abgeben kann. Hierzu wird die steuerbare Stromquelle 224 zum einen mit dem positiven Netzpotenzial 212 als auch mit einer negativen Spannung versorgt, die unterhalb des Massepotenzials 214 liegt und von der Vorrichtung 230 zur Erzeugung eines Potentials unterhalb des Massepotenzials 214 bereitgestellt wird.
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4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das die Verbindung des erfindungsgemäßen Sensors 110' aus 1b mit der Ansteuerungseinrichtung 210‘ darstellt. Ein Kabelbaum 156 weist vier Leitungen 158, 160, 162, 164 auf, die auf der Seite des Sensors 110' mit dem zweiten Anschluss 140, dem dritten Anschluss 142 der gemeinsamen Zuleitung 150 und der zweiten Heizzuleitung 148 verbunden sind. Auf der Seite der Ansteuerungseinrichtung 210‘ wird die zweite Heizzuleitung 148 mit einem außerhalb der Ansteuerungseinrichtung 210 bereitgestellten Massepotenzial 214 verbunden. Die gemeinsame Zuleitung 150 wird mit einem sich ebenfalls außerhalb der Ansteuerungseinrichtung 210 befindlichen Netzpotenzial 212 verbunden. Der dritte Anschluss 142 verbindet die Referenzelektrode 134 und den einen Eingang 216 des Nernst-Spannungsreglers 218. Der zweite Anschluss 140 verbindet die zweite Elektrode sowohl mit dem zweiten Eingang 220 des Nernst-Spannungsreglers 218 als auch mit dem Ausgang 222 einer steuerbaren Stromquelle 224. Der erste Anschluss 226 der steuerbaren Stromquelle 224 ist mit dem Massepotenzials 214 und der zweite Ausgang 228 der steuerbaren Stromquelle 224 ist mit einer Vorrichtung 236 zur Erzeugung eines Potentials oberhalb des Netzpotenzials 212 verbunden. Der dritte Anschluss 232 der steuerbaren Stromquelle 224 dient schließlich der Steuerung der Stromquelle 224 mittels eines Signals, das der Nernst-Spannungsregler 218 über einen Ausgang 234 zur Verfügung stellt. Der Nernst-Spannungsregler 218 regelt das zwischen der Referenzelektrode 134 und der zweiten Elektrode 120 anliegende Nernstpotenzial auf eine vorgegebene Nernstspannung in Höhe von 450 mV. Als Stellgrößensignal dient der Pumpstrom, der hier eine steuerbare Stromquelle 224 ansteuert, die einen Pumpstrom sowohl mit positivem als auch mit negativem Vorzeichen an die zweite Elektrode 120 abgeben kann. Hierzu wird die steuerbare Stromquelle 224 zum einen mit dem Massepotenzial 214 als auch mit einer positiven Spannung versorgt, die oberhalb des Netzpotenzials 212 liegt und von der Vorrichtung 236 zur Erzeugung eines Potentials oberhalb des Netzpotenzials 212 bereitgestellt wird.
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In den 5 und 6 sind alternative Ausführungen für die Ansteuerungseinrichtung 210, 210‘ dargestellt, wobei die Ausführung gemäß Zeichnung 5 in den sonstigen Aspekten mit der Ausführung gemäß 3 und die Ausführung gemäß 6 mit der Ausführung gemäß 4 übereinstimmt. Die in den 5 und 6 dargestellten Ausführungen unterscheiden sich von den in den 3 und 4 dargestellten Ausführungen darin, dass hier keine von dem Nernst-Spannungsregler 218 gesteuerte steuerbare Stromquelle 224 vorgesehen ist, um den Pumpstrom Ip zu regeln. Die Höhe des Pumpstroms, die am Ausgang 238 der Konstantstromquelle anliegt, wird durch ein Tastverhältnis eines Konstantstroms festgelegt, wobei das Tastverhältnis über die Schalter 240, 242 eingestellt werden kann. Ein Schalter ist hierbei mit einer Stromquelle für einen positiven Strom und der andere Schalter mit einer weiteren Stromquelle für einen negativen Strom verbunden, wobei das Tastverhältnis über eine Einrichtung 244 zur Pulsweitensteuerung festgelegt wird, deren Eingang 246 mit dem Ausgang 234 des Nernst-Spannungsreglers 218 verbunden ist. Vorteilhaft an dieser in den 5 und 6 dargestellten Ausführung ist, dass auf eine Messung des Pumpstroms verzichtet werden kann, indem die Stromquellen insbesondere im Betrieb auf einen Messwiderstand kalibriert werden, indem die über den Messwiderstand abfallende Spannung erfasst wird. Als Messgröße für den Pumpstrom wird dann das von der Nernstspannungsregelung 218 ausgegebene Tastverhältnis eingesetzt, da die Stromquellen näherungsweise als ideal angesehen werden. Für eine exakte Nullpunktkalibrierung können die Stromquellen gemeinsam auf den Messwiderstand geschaltet werden, dessen Spannungsabfall erfasst wird. Bei einer korrekten Kalibrierung fließt bei dieser Schalterkombination kein Strom durch den Messwiderstand. Besonders vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass die Nernstspannung bei dieser Betriebsweise in einem unbestromten Zustand gemessen werden kann, so dass sich keine Fehler durch Spannungsabfälle an gegebenenfalls vorhandenen parasitären Serienwiderständen, insbesondere dem Elektrolytwiderstand, ergeben.
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In den 7 bis 9 ist als weiteres Ausführungsbeispiel jeweils ein NOx-Sensor dargestellt, bei dem eine der Heizzuleitungen zusammen mit mindestens einem weiteren Anschluss zu einer gemeinsamen Zuleitung zu einer Ansteuerungseinrichtung verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich in diesen Ausführungen jeweils eine Zuleitung einsparen.
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7 zeigt einen Sensor 310 zur Erfassung eines Anteils von NOx an einem Gasgemisch in einem Messgasraum 312, der ein Sensorelement umfasst, das drei in Folge geschaltete Sensorelemente 316, 318, 320 aufweist. Das erste Sensorelement 316 verfügt über eine erste Elektrode 322, die an dem Messgasraum 312 anliegt, und eine zweite Elektrode 324 sowie einen die beiden Elektroden verbindenden Festkörperelektrolyten 326. Die erste Pumpzelle 316 dient dazu, Sauerstoff aus einem Elektrodenhohlraum 328 abzusaugen, der über eine Diffusionsbarriere 330 und einen Zuführkanal 332 mit dem Messgasraum 312 verbunden ist. Die zweite Pumpzelle 318 umfasst die erste Elektrode 322 und eine dritte Elektrode 332 und dient zur Einstellung eines festen, geringen Sauerstoffpartialdrucks in dem Elektrodenhohlraum 326. Das sich darin befindliche Gas wird über eine weitere Diffusionsbarriere 334, die einen Katalysator zur Aufspaltung von NOx in Stickstoff und Sauerstoff enthält, in einen weiteren Hohlraum 336 geführt, an dem eine vierte Elektrode 338 anliegt, die zusammen mit einer Referenzelektrode 340 zu einer dritten Pumpzelle 320 gehört. Die Aufgabe der dritten Pumpzelle 320 besteht darin, den Sauerstoff aus dem weiteren Elektrodenhohlraum 336 abzupumpen, um auf diese Weise indirekt den Gehalt an NOx an dem Gasgemisch im Messgasraum 312 zu bestimmen. Erfindungsgemäß werden hier ein erster Anschluss 342 der ersten Elektrode und eine erste Heizzuleitung 344 des Heizelements 346 für das Sensorelement 314, die über eine zweite Heizzuleitung 348 verfügt, auf eine gemeinsame Zuleitung geführt. Für NOx-Sensoren existieren unterschiedliche Betriebsverfahren, die auf ein derartig ausgestaltetes Sensorelement 314 angewendet werden können. Der Unterschied gegenüber dem Stand der Technik liegt insbesondere darin, dass hier nicht das Potenzial der ersten Elektrode 322, sondern das Potenzial der zweiten Elektrode 324 geändert wird. Die Spannung bzw. der Strom an der zweiten Elektrode 324 wird dabei so geregelt, dass sich zwischen der Referenzelektrode 340 und der dritten Elektrode 332 eine Spannung einstellt, die einem vorgegebenen Sollwert, beispielsweise von 425 mV, entspricht. Die Spannung bzw. der Strom an der vierten Elektrode 338 wird derart eingestellt, dass sich zwischen der Referenzelektrode 340 und der vierten Elektrode 338 eine Spannung einstellt, die einem weiteren Sollwert, beispielsweise von 450 mV, entspricht. Der aus der Zersetzung von NOx resultierende Sauerstoffionenstrom kann dabei zur Referenzelektrode 340 oder auch zu einer anderen Elektrode, beispielsweise zur ersten Elektrode 322 fließen.
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Die 8 und 9 zeigen zwei weitere Ausführungen eines erfindungsgemäßen NOx-Sensors 310', 310''. In beiden Ausführungen sind jeweils die zweite Elektrode 324, die dritte Elektrode 332 und die vierte Elektrode 338 auf ein gemeinsames Potenzial 354 gelegt. In der Ausführung gemäß 8 sind der erste Anschluss 342 der ersten Elektrode 322 und die erste Heizzuleitung 344 zu einer gemeinsamen Zuleitung 350 zu der Ansteuerungseinrichtung 210 miteinander verbunden. In der Ausgestaltung, die in 9 dargestellt ist, sind dagegen der Anschluss 356 des gemeinsamen Potenzials 354 und die erste Heizzuleitung 344 des Heizelements 346 miteinander zu einer gemeinsamen Zuleitung 350 zu der Ansteuerungseinrichtung 210 verbunden.
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Für NOx-Sensoren 310', 310'', die galvanisch getrennte Schichten aufweisen, existieren unterschiedliche Betriebsverfahren, die sich auf ein derartig ausgestaltetes Sensorelement 314', 314'' anwenden lassen. Die Spannung bzw. der Strom der zweiten Elektrode bzw. des gemeinsamen Potenzials 354 werden gegenüber der ersten Elektrode 322 derart geregelt, dass sich zwischen der Referenzelektrode 340 und der dritten Elektrode 332 eine Spannung einstellt, die einem ersten Sollwert in Höhe von 425 mV entspricht. Die Spannung bzw. der Strom zwischen der vierten Elektrode 338 und einer fünften Elektrode 352 wird so eingestellt, dass sich zwischen diesen beiden Elektroden eine Spannung einregelt, die einem zweiten Sollwert in Höhe von 450 mV entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4410016 C2 [0004]
- DE 2946440 A1 [0005]
- EP 0769693 A1 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 160–165 [0001]
