DE102013212746A1 - Method and device for detecting an oxygen content in a gas mixture - Google Patents

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Abstract

Verfahren sowie eine Sensorvorrichtung (1) zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem mageren Gasgemisch, insbesondere einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sensorelement (2) verwendet wird, wobei das Sensorelement (2) mit einem konstanten Volumenstrom des Gasstroms des Gasgemischs beaufschlagt wird. Das Sensorelement (2) weist mindestens eine Pumpzelle (8), mit mindestens einer mit dem Gasstrom beaufschlagbaren äußeren Pumpelektrode (10) und mindestens einer in einem Elektrodenhohlraum (14) angeordneten inneren Pumpelektrode (12) auf, welche über mindestens einen ersten Festelektrolyten (18) verbunden sind und wobei der Elektrodenhohlraum (14) über eine Diffusionsbarriere (16) mit dem Gasgemisch beaufschlagbar ist. Das Sensorelement (2) weist weiterhin mindestens eine Messzelle (20), mit mindestens einer in den Elektrodenhohlraum (14) angeordneten Messelektrode (22) und mindestens einer in einem Referenzgasraum (26) angeordneten Referenzelektrode (24), auf, wobei die Messelektrode (22) und die Referenzelektrode (24) über mindestens einen zweiten Festelektrolyten (28) verbunden sind. Das Sensorelement (2) umfasst weiterhin mindestens ein Heizelement (30) zum Beheizen der Pumpzelle (8), welches mit einer vorgegebenen effektiven Heizleistung beaufschlagt wird. Die Sensorvorrichtung (1) weist weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement (2) verbundene Steuerung (4) auf, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das beschriebene Verfahren umfasst mindestens einen Messschritt, in dem die Pumpzelle (8) zur Erfassung des Sauerstoffanteils mit einer konstanten Pumpspannung (Up) beaufschlagt wird, während ein Pumpstrom (Ip) durch die Pumpzelle (8) erfasst wird.A method and a sensor device (1) for detecting an oxygen content in a lean gas mixture, in particular an exhaust gas from an internal combustion engine, a sensor element (2) being used, the sensor element (2) being subjected to a constant volume flow of the gas flow of the gas mixture. The sensor element (2) has at least one pump cell (8) with at least one outer pump electrode (10) that can be acted upon by the gas flow and at least one inner pump electrode (12) arranged in an electrode cavity (14), which has at least one first solid electrolyte (18 ) are connected and wherein the electrode cavity (14) can be acted upon by the gas mixture via a diffusion barrier (16). The sensor element (2) also has at least one measuring cell (20), with at least one measuring electrode (22) arranged in the electrode cavity (14) and at least one reference electrode (24) arranged in a reference gas chamber (26), the measuring electrode (22 ) and the reference electrode (24) are connected via at least one second solid electrolyte (28). The sensor element (2) further comprises at least one heating element (30) for heating the pump cell (8), which is acted upon with a predetermined effective heating power. The sensor device (1) also has at least one controller (4) connected to the sensor element (2) in order to carry out the method according to the invention. The method described comprises at least one measuring step in which a constant pump voltage (Up) is applied to the pump cell (8) to detect the oxygen content, while a pump current (Ip) is detected by the pump cell (8).

Description

Stand der TechnikState of the art

Zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmaschinen werden heute in der Regel Katalysatoren eingesetzt. Für eine optimale Funktion der Katalysatoren sind bestimmte Verhältnisse der Komponenten im Abgas erforderlich. Um diese Verhältnisse entsprechend einstellen zu können, werden Abgassonden eingesetzt, die zur Messung der Konzentration einer bestimmten Komponente im Abgas vorgesehen sind. Insbesondere werden hierfür Sauerstoffsonden, sogenannte Lambdasonden, eingesetzt.To clean the exhaust gases from internal combustion engines today catalysts are usually used. For optimal functioning of the catalysts, certain ratios of the components in the exhaust gas are required. In order to be able to adjust these conditions accordingly, exhaust gas probes are used which are provided for measuring the concentration of a specific component in the exhaust gas. In particular, oxygen probes, so-called lambda probes, are used for this purpose.

Stationäre Dieselmotoren oder mit Benzin oder Gas betriebene Ottomotoren kommen in vielen Anwendungsgebieten zum Einsatz, beispielsweise in Stromaggregaten, Kompressoren oder Pumpen. In jüngster Zeit werden verstärkt Stationärmotoren in Kraft-Wärme-Kupplungen – bei gleichzeitiger Nutzung der mechanischen Leistung und der Abwärme – oder als Antrieb für Wärmepumpen eingesetzt. Ebenso gelangen stationären Verbrennungsmotoren beispielsweise in Blockheizkraftwerken zum Einsatz, wodurch sie sich auch zur energetischen Nutzung von Deponiegas oder Klärgas verwenden lassen. Diese Stationärmotoren sowie auch andere Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen, werden häufig als Magermotor betrieben.Stationary diesel engines or gasoline or gas operated gasoline engines are used in many applications, for example in generators, compressors or pumps. Stationary motors in combined heat and power have recently become increasingly used - with the simultaneous use of mechanical power and waste heat - or as a drive for heat pumps. Likewise, stationary internal combustion engines are used, for example, in cogeneration plants, whereby they can also be used for the energetic use of landfill gas or sewage gas. These stationary engines as well as other engines, such as diesel engines in motor vehicles, are often operated as lean-burn engines.

Ein Magermotor ist ein Dieselmotor oder Ottomotor, der mit einem relativ “mageren” Kraftstoff-Luft-Gemisch arbeitet, also mit einem relativ geringen Kraftstoffanteil. Es besteht im Zylinder also ein Überschuss an Verbrennungsluft. Der Luftüberschuss wird quantifiziert durch das Verbrennungsluftverhältnis oder die Luftzahl λ. Beim Magermotor ist diese größer als 1, beispielsweise ≥ 1,1, beispielsweise um ca. 1,6. Der Magerbetrieb hat unter anderem zur Folge, dass die Verbrennungstemperatur relativ niedrig ist. A lean-burn engine is a diesel or gasoline engine that uses a relatively "lean" fuel-air mixture, that is, a relatively low proportion of fuel. There is thus an excess of combustion air in the cylinder. The excess air is quantified by the combustion air ratio or the air ratio λ. For lean-burn engines, this is greater than 1, for example ≥ 1.1, for example about 1.6. The result of lean operation is, inter alia, that the combustion temperature is relatively low.

Dieser Betrieb als Magermotor wirkt sich jedoch auch auf die Arbeitsbedingungen der Lambdasonden aus. Um eine möglichst genaue Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses außerhalb des Bereichs 0,98 < λ < 1,02 sicherzustellen kommen sogenannten Breitband-Lambdasonden zum Einsatz. However, this operation as a lean-burn engine also affects the working conditions of the lambda probes. To ensure the most accurate possible control of the combustion air ratio outside the range 0.98 <λ <1.02 so-called broadband lambda probes are used.

Im Prinzip weisen Breitband-Lambdasonden wenigstens eine Pumpzelle auf, die zwei Elektroden und einen die Elektroden verbindenden, Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten umfasst. Die beiden Elektroden sind mit einer Spannung beaufschlagbar. Je nach Sauerstoffgehalt und dem zu messenden Gas stellt sich ein Strom ein, der von dem Sauerstoffanteil an den Elektroden abhängig ist. Um die notwendige Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erreichen, ist eine bestimmte Betriebstemperatur der Abgassonde erforderlich. Zudem hängt die Messempfindlichkeit der Breitband-Lambdasonde von deren Temperatur ab.In principle, broadband lambda probes have at least one pump cell which comprises two electrodes and an oxygen ion-conducting solid electrolyte connecting the electrodes. The two electrodes can be acted upon by a voltage. Depending on the oxygen content and the gas to be measured, a current sets in which depends on the oxygen content at the electrodes. In order to achieve the necessary ionic conductivity of the solid electrolyte, a certain operating temperature of the exhaust gas probe is required. In addition, the measuring sensitivity of the broadband lambda probe depends on its temperature.

Bei mehrzelligen Breitband-Lambdasonden ist zusätzlich eine Nernstzelle vorgesehen. Eine der Elektroden der Pumpzelle ist in einem Elektrodenhohlraum angeordnet, der über eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist. Die Nernstzelle umfasst eine in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Nernstzelle und eine in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzluftkanal, angeordnete Referenzelektrode sowie einen die Nernstelektrode und die Referenzelektrode verbindenden Festelektrolyten. Dabei wird in der Regel eine Nernstspannung auf einen vorgegebenen Sollwert eingeregelt. Die Regelgröße dieser Regelung, der Pumpstrom, ist das Ausgangssignal der Breitband-Lambdasonde und wird als kontinuierlicher Messwert für die Luftzahl Lambda herangezogen.In the case of multicellular broadband lambda probes, a Nernst cell is additionally provided. One of the electrodes of the pumping cell is arranged in an electrode cavity, which can be acted upon with gas from the measuring gas space via a diffusion barrier. The Nernst cell comprises a Nernst cell arranged in the electrode cavity and a reference electrode arranged in a reference gas space, for example a reference air channel, and a solid electrolyte connecting the Nernst electrode and the reference electrode. As a rule, a Nernst voltage is adjusted to a predetermined nominal value. The controlled variable of this regulation, the pumping current, is the output signal of the broadband lambda probe and is used as a continuous measured value for the air ratio lambda.

Bei Breitband-Lambdasonden ist zum Einstellen und Auswerten der Sonden eine spezielle elektronische Steuerung notwendig. Diese elektronische Steuerung wird meist in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) bereitgestellt. Die Breitband-Lambdasonde ist besonders für Betriebszustände mit magererem oder fettem Verbrennungsluftverhältnis, sowie auch unter hoch temperaturvariablen Bedingungen, vorgesehen. Aus diesem Grund weisen viele Steuerungen für Breitband-Lambdasonden einen oder zwei Regelkreise auf. Ein Regelkreis regelt den Pumpstrom derart, dass die Nernstspannung an der Nernstzelle möglichst stabil gehalten wird. Zum anderen kann ein Regelkreis zum Regulieren der effektiven Heizspannung in Abhängigkeit des temperaturabhängigen Innenwiderstandes des Sensorelements dienen. Mit Hilfe der beiden Regelkreise kann die Breitband-Lambdasonde automatisch auf variierende Arbeitsbedingungen eingestellt werden. In the case of broadband lambda probes, a special electronic control is necessary for setting and evaluating the probes. This electronic control is usually provided in the form of an application specific integrated circuit (ASIC). The broadband lambda probe is especially designed for operating states with a lean or rich combustion air ratio, as well as under high temperature variable conditions. For this reason, many controllers for broadband lambda probes have one or two control loops. A control circuit regulates the pumping current in such a way that the Nernst voltage at the Nernst cell is kept as stable as possible. On the other hand, a control loop can be used to regulate the effective heating voltage as a function of the temperature-dependent internal resistance of the sensor element. With the help of the two control circuits, the broadband lambda probe can be automatically adjusted to varying working conditions.

Diesbezüglich ist beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, S. 164–165 ein Schaltkreis bekannt, bei dem es sich um einen Kontrollkreis und Verstärkerkreis für eine Breitband-Lambdasonde handelt. Dieser Schaltkreis wird beispielsweise zwischen die Breitband-Lambdasonde und einen Mikrocomputer geschaltet. Seine Aufgabe besteht unter anderem darin, die vom der Breitband-Lambdasonde gelieferte Nernstspannung mittels eines analogen Auswertekonzeptes auszuwerten und der Breitband-Lambdasonde eine von der Nernstspannung abhängige Pumpspannung zuzuführen. Produktinformationen über den integrierten Schaltkreis CJ125 sind von der Robert Bosch GmbH verfügbar, beispielsweise in Form der Broschüre „Automotive Electronics – Product Information Lambda Probe Interface IC – CJ125“ , die beispielsweise im Internet unter der Adresse http://www.bosch-semiconductors.de/media/pdf_1/einzeldownloads/engine_management/ CJ125_Product_Info.pdf abrufbar ist.In this regard, for example, off Konrad Reif (ed.) "Sensors in the motor vehicle", 2nd edition 2012, pp. 164-165 a circuit is known, which is a control circuit and amplifier circuit for a broadband lambda probe. This circuit is connected for example between the broadband lambda probe and a microcomputer. Its task is inter alia to evaluate the Nernst voltage supplied by the broadband lambda probe by means of an analog evaluation concept and to supply the broadband lambda probe with a pump voltage which is dependent on the Nernst voltage. Product information about the CJ125 integrated circuit is available from Robert Bosch GmbH, for example in the form of Brochure "Automotive Electronics - Product Information Lambda Probe Interface IC - CJ125" , for example, on the Internet at the address http://www.bosch-semiconductors.de/media/pdf_1/einzeldownloads/engine_management/ CJ125_Product_Info.pdf is available.

Um sämtlichen zuvor genannten Anforderungen an die elektronische Steuerung zu entsprechen, ist eine effiziente Implementierung in der Regel lediglich durch einen ASIC-Chip realisierbar. ASIC-basierte Steuerungen sind jedoch sehr komplex, was sich wiederum nachteilig auf die Kosten der Steuerung einer jeden einzelnen Breitband-Lambdasonde auswirkt und somit aus Kostengründen den Einsatz von Breitband-Lambdasonden merklich behindert oder im Einzelfall gar gänzlich verhindert. In order to meet all the above-mentioned requirements for the electronic control, an efficient implementation is generally only possible with an ASIC chip. However, ASIC-based controls are very complex, which in turn has a detrimental effect on the cost of controlling each individual broadband lambda probe and thus significantly hinders the use of broadband lambda probes for cost reasons or even completely prevented in individual cases.

Die vorliegende Erfindung stellt sich demgegenüber die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen beim Einsatz von Sauerstoffsonden, insbesondere von Breitband-Lambdasonden, in Magergas-Anwendungen auf einfache und zuverlässige Weise der Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch ausgewertet werden können.The present invention has the object to provide a method and an apparatus with which the oxygen content in the gas mixture can be evaluated in the application of oxygen probes, in particular broadband lambda probes, in lean gas applications in a simple and reliable manner.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Dementsprechend wird ein Verfahren zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Gasgemisch, insbesondere einem Abgas einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Unter einer Erfassung kann insbesondere eine Messung verstanden werden, bei welcher der Anteil der Sauerstoffkomponente des Gases in dem Messgasraum quantitativ ermittelt wird. Prinzipiell kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das Gasgemisch befindet, dessen Sauerstoffanteil erfasst werden soll. Bei dem Messgasraum kann es sich dementsprechend insbesondere um einen Abgastrakt oder einen Teil desselben handeln, beispielsweise einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Abgasrohr. Der Sauerstoffanteil des Gasgemischs kann beispielsweise als ein Partialdruck und/oder ein Prozentsatz des Anteils an dem Gasgemisch und/oder in Form einer anderen Messgröße erfasst werden kann.Accordingly, a method for detecting an oxygen content in a gas mixture, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine is proposed. In particular, a measurement can be understood as a measurement in which the proportion of the oxygen component of the gas in the measurement gas space is determined quantitatively. In principle, a measuring gas space can be understood as meaning a space in which the gas mixture whose oxygen content is to be detected is located. Accordingly, the sample gas space may in particular be an exhaust tract or a part thereof, for example an exhaust tract of an internal combustion engine, in particular an exhaust pipe. The oxygen content of the gas mixture can be detected, for example, as a partial pressure and / or a percentage of the proportion of the gas mixture and / or in the form of another measured variable.

Das Gasgemisch ist gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein mageres Gasgemisch, welches bevorzugt eine Luftzahl λ des Gasgemisches größer 1, beispielsweise im Bereich 1,05 bis 2 und weiter bevorzugt im Bereich von 1,1 bis 1,6, aufweist. Die Eigenschaft „mager“ des Gasgemischs rührt vom Betriebskonzept und/oder einer Eigenart der Brennkraftmaschine her.The gas mixture according to the inventive method is a lean gas mixture which preferably has an air ratio λ of the gas mixture greater than 1, for example in the range 1.05 to 2 and more preferably in the range of 1.1 to 1.6. The property "lean" of the gas mixture is due to the operating concept and / or a peculiarity of the internal combustion engine.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es weiter vor, dass ein Sensorelement zum Einsatz gelangt, wobei das Sensorelement mit einem Gasstrom des Gasgemischs beaufschlagt wird. Das Sensorelement kann insbesondere ganz oder teilweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein, insbesondere als planares keramisches Sensorelement, mit einem bevorzugt planaren Schichtaufbau. Hierbei wird das Sensorelement weiter bevorzugt mit einem im Wesentlichen konstanten Volumenstrom des Gasstroms beaufschlagt. Eine Änderung des Volumenstroms kann in einer Signaländerung eines Signals des Sensorelements resultieren. Unter „im Wesentlichen konstant“ wird hierbei insbesondere verstanden, dass während des eingefahrenen Betriebs der Brennkraftmaschine – d.h. ausgenommen beim Starten oder Ausschalten derselben – der Volumenstrom des Gasstroms näherungsweise unverändert bleibt und sich das Signal des Sensorelements bevorzugt um nicht mehr als 15%, besonders bevorzugt um nicht mehr als 12%, ändert. Vorzugsweise erfolgt die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, insbesondere die Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem mageren Gasgemisch, nur dann, wenn ein Zustand eines Motors der Brennkraftmaschine vorliegt, in welchem der Volumenstrom im Wesentlichen konstant ist. The inventive method further provides that a sensor element is used, wherein the sensor element is acted upon by a gas stream of the gas mixture. The sensor element can in particular be wholly or partly designed as a ceramic sensor element, in particular as a planar ceramic sensor element, with a preferably planar layer structure. In this case, the sensor element is furthermore preferably subjected to a substantially constant volumetric flow of the gas flow. A change in the volume flow can result in a signal change of a signal of the sensor element. By "substantially constant" is meant in particular that during the retracted operation of the internal combustion engine -. except when starting or switching off the same - the volumetric flow of the gas flow remains approximately unchanged and the signal of the sensor element preferably does not change by more than 15%, particularly preferably by not more than 12%. Preferably, the implementation of the proposed method, in particular the detection of an oxygen content in the lean gas mixture, only if there is a state of an engine of the internal combustion engine, in which the volume flow is substantially constant.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren umfasst das Sensorelement weiter mindestens eine Pumpzelle, wobei die Pumpzelle mindestens eine mit dem Gasstrom beaufschlagbare äußere Pumpelektrode und mindestens eine in einem Elektrodenhohlraum angeordnete innere Pumpelektrode aufweist.According to the method according to the invention, the sensor element further comprises at least one pumping cell, wherein the pumping cell has at least one outer pumping electrode which can be acted upon by the gas flow and at least one inner pumping electrode arranged in an electrode cavity.

Der Elektrodenhohlraum kann offen ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise ausgefüllt sein, beispielsweise mit mindestens einem gasdurchlässigen, porösen Material. Die innere Pumpelektrode kann beispielsweise als flächige Elektrode auf einer Wand des Elektrodenhohlraums angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die innere Pumpelektrode jedoch auch ganz oder teilweise in dem Elektrodenhohlraum verteilt vorliegen, beispielsweise indem ein Elektrodenmaterial verwendet wird, welches porös ist und welches den Elektrodenhohlraum vollständig oder teilweise ausfüllt. Der Elektrodenhohlraum ist weiterhin über eine Diffusionsbarriere mit dem Gasgemisch beaufschlagbar. Unter einer Diffusionsbarriere kann eine poröse keramische Struktur mit gezielt eingestellten Porenradien verstanden werden, welche den Gaszutritt zum Elektrodenhohlraum, bzw. zur inneren Pumpelektrode begrenzt.The electrode cavity may be designed to be open, but may also be completely or partially filled, for example with at least one gas-permeable, porous material. The inner pumping electrode can be arranged, for example, as a planar electrode on a wall of the electrode cavity. Alternatively or additionally, however, the inner pumping electrode may also be wholly or partially distributed in the electrode cavity, for example by using an electrode material which is porous and which completely or partially fills the electrode cavity. The electrode cavity can also be acted upon via a diffusion barrier with the gas mixture. A diffusion barrier can be understood as meaning a porous ceramic structure with specifically set pore radii, which limits the gas access to the electrode cavity or to the inner pumping electrode.

Die innere Pumpelektrode und die äußere Pumpelektrode sind über mindestens einen ersten Festelektrolyten verbunden. Der Festelektrolyt kann insbesondere ein keramischer Festelektrolyt sein, insbesondere ein keramischer Festelektrolyt auf Zirkoniumdioxid-Basis, welcher beispielsweise bei einer Betriebstemperatur der Pumpzelle, welche bevorzugt im Bereich von 350 °C bis 1200 °C, insbesondere bei einer Temperatur von über 600 °C, liegt, einen ionischen Sauerstofftransport ermöglicht. Der keramische Festelektrolyt kann beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid umfassen. Auch andere Festelektrolyte sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.The inner pumping electrode and the outer pumping electrode are connected via at least one first solid electrolyte. The solid electrolyte may in particular be a ceramic solid electrolyte, in particular a zirconia-based ceramic solid electrolyte, which may be used, for example, at an operating temperature of the pump cell, which is preferably in the range from 350 ° C. to 1200 ° C. especially at a temperature of over 600 ° C, allows ionic oxygen transport. The ceramic solid electrolyte may include, for example, yttrium-stabilized zirconia and / or scandium-doped zirconia. However, other solid electrolytes are basically used.

Weiterhin weist das Sensorelement mindestens eine Messzelle auf, wobei die Messzelle mindestens eine im Elektrodenhohlraum angeordnete Messelektrode und mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode aufweist, wobei die Messelektrode und die Referenzelektrode über mindestens einen zweiten Festelektrolyten verbunden sind. Die Messelektrode kann beispielsweise als eine bekannte Nernstelektrode ausgebildet sein und kann ganz oder teilweise mit der inneren Pumpelektrode identisch sein. Anders ausgedrückt, kann die Messelektrode mit der inneren Pumpelektrode gemeinsam ausgebildet sein, sofern diese aus einem den Elektrodenhohlraum ausfüllenden porösen Material gebildet ist, oder von dieser räumlich getrennt, jedoch elektrisch mit der inneren Pumpelektrode verbunden sein.Furthermore, the sensor element has at least one measuring cell, the measuring cell having at least one measuring electrode arranged in the electrode cavity and at least one reference electrode arranged in a reference gas chamber, wherein the measuring electrode and the reference electrode are connected via at least one second solid electrolyte. The measuring electrode can be designed, for example, as a known Nernst electrode and can be wholly or partially identical to the inner pumping electrode. In other words, the measuring electrode may be formed in common with the inner pumping electrode, as far as it is formed of a porous material filling the electrode cavity, or spatially separated from it, but electrically connected to the inner pumping electrode.

Der Referenzgasraum kann beispielsweise als Referenzgaskanal ausgebildet sein und ein Gasgemisch bekannter Zusammensetzung führen. Als Referenzgas kann beispielsweise Luft verwendet werden, hierzu kann der Referenzgasraum bevorzugt über eine entsprechende Öffnung mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. The reference gas space may be formed, for example, as a reference gas channel and lead a gas mixture of known composition. For example, air can be used as the reference gas; for this purpose, the reference gas space can preferably communicate with the ambient air via a corresponding opening.

Der zweite Festelektrolyt kann ganz oder teilweise vom ersten Festelektrolyten verschieden sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise identisch mit dem ersten Festelektrolyten sein. The second solid electrolyte may be completely or partially different from the first solid electrolyte, but may also be wholly or partially identical to the first solid electrolyte.

Weiter ist es zur Durchführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens vorgesehen, dass das Sensorelement mindestens ein Heizelement aufweist, welches eingerichtet ist, um die Pumpzelle zu beheizen. Das Heizelement ist eingerichtet, um die Messzelle derart zu erwärmen, dass diese in möglichst kurzer Zeit ihre vorgegebene Betriebstemperatur erreicht und diese nach Erreichen der Betriebstemperatur beibehält. Die vorgegebene Betriebstemperatur hängt insbesondere vom jeweiligen Sensorelement ab und kann beispielsweise im Bereich von 350 °C bis 1200 °C, insbesondere 600 °C bis 1000 °C liegen. Das Heizelement kann bevorzugt ein elektrisches Heizelement sein. Insbesondere kann das Heizelement mindestens einen elektrischen Heizwiderstand umfassen, beispielsweise einen Heizmäander, beispielsweise in Form eines Heizwiderstands und insbesondere eines gedruckten Heizleiters. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es hierbei vor, das Heizelement mit einer vorgegebenen effektiven Heizleistung zu beaufschlagen, bzw. zu betreiben. Die Heizleistung gibt hierbei insbesondere die vom Heizelement aufgenommene und in Wärmeenergie umgesetzte Leistung an. Furthermore, it is provided for carrying out the method proposed according to the invention that the sensor element has at least one heating element which is set up to heat the pumping cell. The heating element is set up to heat the measuring cell in such a way that it reaches its predetermined operating temperature in the shortest possible time and retains it after reaching the operating temperature. The predetermined operating temperature depends, in particular, on the respective sensor element and can be, for example, in the range from 350 ° C. to 1200 ° C., in particular 600 ° C. to 1000 ° C. The heating element may preferably be an electrical heating element. In particular, the heating element may comprise at least one electrical heating resistor, for example a Heizmäander, for example in the form of a heating resistor and in particular a printed heat conductor. In this case, the method according to the invention provides for applying or operating the heating element with a predetermined effective heating power. The heating power indicates in particular the power absorbed by the heating element and converted into heat energy.

Erfindungsgemäß ist es weiter vorgesehen, dass das Verfahren mindestens einen Messschritt zur Erfassung des Sauerstoffanteils im Gasgemisch umfasst, während dessen die Pumpzelle mit einer konstanten Pumpspannung beaufschlagt wird, wobei zur Erfassung des Sauerstoffanteils im Gasgemisch weiter ein Pumpstrom durch die Pumpzelle erfasst wird. Insbesondere wird während dieses Messschrittes die an der äußeren und inneren Pumpelektrode angelegte Pumpspannung konstant gehalten. According to the invention, it is further provided that the method comprises at least one measuring step for detecting the oxygen content in the gas mixture, during which the pumping cell is subjected to a constant pumping voltage, wherein a pumping current is further detected by the pumping cell for detecting the oxygen content in the gas mixture. In particular, the pumping voltage applied to the outer and inner pumping electrodes is kept constant during this measuring step.

Tritt nun das magere Gasgemisch aus dem Messgasraum durch die Diffusionsbarriere hindurch in den Elektrodenhohlraum, so werden die Sauerstoffmoleküle an der inneren Pumpelektrode elektrochemisch ionisiert, reduziert und mittels der angelegten konstanten Pumpspannung durch den keramischen ersten Festelektrolyten zur äußeren Pumpelektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Der durch die Diffusionsbarriere hindurchtretende Sauerstoff wird auf diese Weise wieder aus dem Elektrodenhohlraum gepumpt. Durch den Transport der Sauerstoff-Ionen durch den ersten Festelektrolyten von der inneren Pumpelektrode zur äußeren Pumpelektrode, findet ein Ladungstransport statt, wobei sich ein messbarer Pumpstrom einstellt. Dieser fließende Pumpstrom ist aufgrund des Diffusionsgesetzes direkt proportional zur Partialdruckdifferenz zwischen dem Sauerstoffpartialdruck im Elektrodenhohlraum und im Messgasraum. Aufgrund des erfassten Pumpstroms kann auf den Partialdruck, bzw. in weiteren Schritten auch auf andere Messgrößen des Sauerstoffs im Gasgemisch geschlossen werden.If now the lean gas mixture from the measuring gas chamber through the diffusion barrier into the electrode cavity, the oxygen molecules are electrochemically ionized at the inner pumping electrode, reduced and transported by the applied constant pumping voltage through the ceramic first solid electrolyte to the outer pumping electrode and released there as free oxygen again , The oxygen passing through the diffusion barrier is in this way pumped out of the electrode cavity again. By transporting the oxygen ions through the first solid electrolyte from the inner pumping electrode to the outer pumping electrode, charge transport takes place, with a measurable pumping current being established. Due to the law of diffusion, this flowing pumping current is directly proportional to the partial pressure difference between the oxygen partial pressure in the electrode cavity and in the measuring gas space. Due to the detected pumping current, it is possible to deduce the partial pressure or, in further steps, also other measured variables of the oxygen in the gas mixture.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens, kann es weiter vorgesehen sein, dass die Anschlüsse des Heizelements mit einer elektrischen Energiequelle verbunden werden, um das Heizelement mit elektrischer Energie zu versorgen. Hierdurch lässt sich eine von den Elektroden des Sensorelements unabhängige Versorgung gewährleisten. According to a further embodiment of the method proposed according to the invention, it may further be provided that the terminals of the heating element are connected to an electrical energy source in order to supply the heating element with electrical energy. As a result, it is possible to ensure a supply independent of the electrodes of the sensor element.

Weiterhin kann es nach dem vorgeschlagenen Verfahren vorgesehen sein, dass das Heizelement mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Energiesignal beaufschlagt wird. Die Regelung der Heizleistung am Sensorelement kann insbesondere über eine vorhandene Steuerung so vorgenommen werden, dass das Heizelement mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Energiesignal beaufschlagt wird. Dies hat zum Vorteil, dass sich große Schwankungen der Zieltemperatur am Sensorelement und insbesondere das Überschreiten einer oberen Schwelle für die Temperatur vermeiden lassen. Dies kann weiter bevorzugt auf der Basis der Energiebilanz, aufgrund der die wesentlichen Einflussgrößen ermittelt werden und die erforderliche Heizleistung bestimmt wird.Furthermore, it can be provided according to the proposed method that the heating element is acted upon by a pulse width modulated electrical energy signal. The control of the heating power at the sensor element can be made in particular via an existing control so that the heating element is acted upon by a pulse width modulated electrical energy signal. This has the advantage that it is possible to avoid large fluctuations in the target temperature at the sensor element and in particular the exceeding of an upper threshold for the temperature. This can be further preferred on the basis of the energy balance, on the basis of which the essential influencing variables are determined and the required heating power is determined.

Der Vorteil der vorbeschriebenen Ausführungsform des Verfahrens ist die Einstellung einer näherungsweise konstanten Temperatur des Sensorelements, die so gewählt ist, dass eine obere Schwelle, ab der eine Zerstörung des Sensorelements bei Kontakt mit Kondenswasser eintreten kann, unterschritten bleibt. Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft, dass eine Optimierung des Temperaturverlaufs während beispielsweise eines Schutzheizens möglich ist. Ein weiterer großer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren als Softwarefunktion realisierbar ist. Das Verfahren könnte zwar rein prinzipiell mit Hilfe einer Schaltung realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Realisierung als Computerprogramm auf einem Steuergerät, insbesondere einer Sensorsteuerung oder dem Motor-Steuergerät der Brennkraftmaschine. Das Verfahren kann in diesem Fall als Programmcode auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das entsprechende Steuergerät einlesen kann. Auf diese Weise ist das Verfahren auch bei vorhandenen Sonden nachrüstbar. Durch die Software-Implementierung reduzieren sich die Kosten ebenfalls in vorteilhafter Weise erheblich. Darüber hinaus ist von Vorteil, dass für die Realisierung des Programms nur ein sehr kleiner Applikationsaufwand erforderlich ist.The advantage of the above-described embodiment of the method is the setting of an approximately constant temperature of the sensor element, which is selected so that an upper threshold above which destruction of the sensor element may occur when in contact with condensation falls below. Moreover, it is very advantageous that an optimization of the temperature profile during, for example, a protective heating is possible. Another great advantage is that the method can be implemented as a software function. Although the method could be realized purely in principle by means of a circuit. Particularly advantageous, however, is the realization as a computer program on a control unit, in particular a sensor control or the engine control unit of the internal combustion engine. In this case, the method can be stored as program code on a machine-readable carrier which the corresponding control unit can read in. In this way, the method can also be retrofitted to existing probes. Through the software implementation, the costs also reduce significantly in an advantageous manner. In addition, it is advantageous that only a very small application effort is required for the realization of the program.

Insbesondere kann es hierbei weiter vorgesehen sein, dass das elektrische Energiesignal ein vorgegebenes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal oder ein pulsweitenmoduliertes Stromsignal ist. Die erforderliche Heizleistung bzw. Heizspannung wird berechnet und die Spannung über eine gegebenenfalls vorhandene Pulsweitenmodulations-Endstufe an das Heizelement ausgegeben. Hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, die zuvor beschriebene vorteilhafte Regelung der Betriebstemperatur des Sensorelements auf einfache und sichere Weise kontrolliert einzustellen und während des Betriebes aufrecht zu halten. Im Falle eines insbesondere niederohmigen Heizwiderstandes in Verbindung mit einer dünnschichtigen planaren Ausgestaltung des Sensorelements ergibt sich der Vorteil, dass sich die Temperatur des Sensorelements in sehr kurzer Zeit, bevorzugt innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde, auf eine Erhöhung oder eine Verringerung der Heizspannung anpasst.In particular, it may further be provided that the electrical energy signal is a predetermined pulse width modulated voltage signal or a pulse width modulated current signal. The required heating power or heating voltage is calculated and the voltage is output to the heating element via an optional pulse width modulation output stage. In this way, a possibility is created to adjust the previously described advantageous control of the operating temperature of the sensor element in a simple and secure manner controlled and maintained during operation. In the case of a particular low-resistance heating resistor in conjunction with a thin-layer planar configuration of the sensor element, there is the advantage that the temperature of the sensor element in a very short time, preferably within fractions of a second, adapts to an increase or a reduction of the heating voltage.

Alternativ oder zusätzlich kann es bei dem vorgeschlagenen Verfahren weiter vorgesehen sein, dass das Sensorelement einen Anschluss der äußeren Pumpelektrode, einen Anschluss der inneren Pumpelektrode, einen Anschluss der Referenzelektrode und mindestens zwei Anschlüsse des Heizelements umfasst. Über diese Anschlüsse lässt sich beispielsweise eine vorgegebene Heizspannung oder eine vorgegebene Pumpspannung an dem Heizelement oder den entsprechenden Elektroden von außen her anlegen. Alternatively or additionally, in the proposed method it can further be provided that the sensor element comprises a connection of the outer pumping electrode, a connection of the inner pumping electrode, a connection of the reference electrode and at least two connections of the heating element. By means of these connections, for example, a predetermined heating voltage or a predetermined pumping voltage can be applied to the heating element or the corresponding electrodes from the outside.

Hierbei kann es weiter von Vorteil sein, wenn der Anschluss der äußeren Pumpelektrode und der Anschluss der inneren Pumpelektrode mit einer Pumpspannungsquelle mit konstanter Pumpspannung verbunden wird, um auf einfache Weise eine konstante Pumpspannung an den Pumpelektroden bereitzustellen und erfindungsgemäß den Pumpstrom zwischen den Pumpelektroden zu erfassen.In this case, it may also be advantageous if the connection of the outer pumping electrode and the connection of the inner pumping electrode is connected to a pumping voltage source having a constant pumping voltage in order to easily provide a constant pumping voltage to the pumping electrodes and to detect the pumping current between the pumping electrodes in accordance with the invention.

Bei einer bevorzugten Variante der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens kann es weiter vorgesehen sein, dass der Anschluss der äußeren Pumpelektrode mit einem positiven Pol der Pumpspannungsquelle verbunden wird. Die sich hieraus ergebende Polarität der Pumpspannung an der inneren und äußeren Pumpelektrode wirkt in vorteilhafter Weise unterstützend auf den Transport der Sauerstoff-Ionen aus dem Elektrodenhohlraum durch den Festelektrolyten in den Messgasraum. In a preferred variant of the previously described embodiment of the method, it can further be provided that the connection of the outer pumping electrode is connected to a positive pole of the pumped voltage source. The resulting polarity of the pumping voltage at the inner and outer pumping electrode has an advantageous effect on the transport of oxygen ions from the electrode cavity through the solid electrolyte into the measuring gas space.

Des Weiteren kann es bei einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit einem Anschluss der Referenzelektrode vorgesehen sein, dass der Anschluss der Referenzelektrode unverbunden bleibt. Durch das Weglassen einer Ansteuerung der Referenzelektrode ergibt sich der weitere Vorteil, dass entsprechende Schaltkreise bei einer gegebenenfalls vorgesehenen Steuerung des Sensorelements weggelassen werden können und sich diese hierdurch erheblich vereinfacht. Eine gegebenenfalls vorgesehene Steuerung lässt sich somit mit geringerem Platzbedarf, geringerem Aufwand zur Planung und zur Implementierung realisieren, was sich zudem besonders bei den Kosten vorteilhaft auswirkt. Furthermore, it can be provided in one of the previously described embodiments with a connection of the reference electrode, that the connection of the reference electrode remains unconnected. By omitting a control of the reference electrode, there is the further advantage that corresponding circuits can be omitted in an optionally provided control of the sensor element and this considerably simplifies this. An optionally provided control can thus be realized with less space, less effort for planning and implementation, which also has a beneficial effect especially in terms of cost.

Ebenso kann es bei einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit einer Pumpspannungsquelle vorgesehen sein, dass zur Erfassung des Pumpstroms eine Messvorrichtung in Serie zur Pumpspannungsquelle geschaltet wird, wobei die Messvorrichtung bevorzugt ein Amperemeter ist.Likewise, it may be provided in one of the embodiments described above with a pump voltage source, that for detecting the pumping current, a measuring device is connected in series with the pumping voltage source, wherein the measuring device is preferably an ammeter.

Weiterhin kann es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass weiterhin mindestens einen Kalibrationsschritt durchgeführt wird, wobei der Kalibrationsschritt mindestens einmal vor dem Messschritt durchgeführt wird. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung in vorteilhafter Weise erhöhen. Bevorzugt wird hierzu in dem Kalibrationsschritt mindestens ein Betriebsparameter des Verfahrens bestimmt. Furthermore, it can be provided in the method according to the invention that at least one further calibration step is carried out, wherein the calibration step is performed at least once before the measuring step. This advantageously increases the accuracy and reliability of the measurement. For this purpose, at least one operating parameter of the method is preferably determined in the calibration step.

Abermals bevorzugt, kann es vorgesehen sein, dass in dem Kalibrationsschritt die effektive Heizleistung, insbesondere die effektive Heizspannung und/oder der effektive Heizstrom, bestimmt wird, mit welcher das Heizelement in einem nachfolgenden Messschritt beaufschlagt wird oder werden soll. In vorteilhafter Weise kann hierdurch auf die aktuelle Temperatur des Sensorelements geschlossen werden, welche die Diffusionsfähigkeit der Diffusionsbarriere sowie einen relativen Widerstand des ersten Festelektrolyten zwischen der inneren und äußeren Pumpelektrode beeinflusst.Again preferred, it may be provided that in the calibration step, the effective Heating power, in particular the effective heating voltage and / or the effective heating current is determined, with which the heating element is acted upon in a subsequent measuring step or should be. Advantageously, this makes it possible to deduce the current temperature of the sensor element, which influences the diffusibility of the diffusion barrier and a relative resistance of the first solid electrolyte between the inner and outer pump electrodes.

Wenn der hierbei bestimmte Betriebsparameter die effektive Heizleistung des Messschritts umfasst, wird vorteilhaft eine Stabilisierung der Betriebstemperatur des Sensorelements während des Messschritts ermöglicht, insbesondere dann, wenn die effektive Heizleistung in dem Kalibrationsschritt derart bestimmt werden kann, dass ermittelt wird, welche effektive Heizleistung bei dem konstanten Volumenstrom des Gasgemischs zur Erreichung einer vorgegebenen Betriebstemperatur in der Pumpzelle erforderlich ist. Die effektive Heizleistung kann von dem verwendeten Sensorelement abhängen und beispielsweise 8 bis 10 W betragen. If the operating parameter determined in this case comprises the effective heating power of the measuring step, it is advantageously possible to stabilize the operating temperature of the sensor element during the measuring step, in particular if the effective heating power in the calibration step can be determined so as to determine which effective heating power is constant Volumetric flow of the gas mixture to achieve a predetermined operating temperature in the pumping cell is required. The effective heating power may depend on the sensor element used and be, for example 8 to 10 W.

Weiterhin kann es bei einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit einem Kalibrationsschritt vorgesehen sein, dass in dem Kalibrationsschritt ein Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Pumpspannung, insbesondere einen relativen Widerstand des ersten Festelektrolyten zwischen der inneren und äußeren Pumpelektrode, bestimmt wird. Die Pumpspannung kann so gewählt werden, dass der Pumpstrom in einem Grenzstromplateau liegt.Furthermore, it can be provided in one of the embodiments described above with a calibration step, that in the calibration step, a relationship between the pumping current and the pumping voltage, in particular a relative resistance of the first solid electrolyte between the inner and outer pumping electrode is determined. The pumping voltage can be selected so that the pumping current is in a limiting current plateau.

Bevorzugt kann eine höhere Pumpspannung als die Pumpspannung, bei welcher der Pumpstrom in dem Grenzstromplateau liegt, gewählt werden, um einer Alterung eines Innenwiderstands des Sensorelements vorzugreifen, bei der eine höherer Pumpspannung erforderlich sein kann. Die Pumpspannung kann dabei insbesondere unterhalb einer Spannung, bei der eine Zersetzung von H2O eintritt gewählt werden, insbesondere unter 800mV. Preferably, a pumping voltage higher than the pumping voltage at which the pumping current lies in the limiting current plateau can be selected in order to anticipate an aging of an internal resistance of the sensor element, at which a higher pumping voltage may be required. The pump voltage can be chosen in particular below a voltage at which a decomposition of H 2 O occurs, in particular below 800 mV.

Weiter kann eine Erfassung eines Wasseranteils durchgeführt werden. Beispielsweise können Pumpspannungen über 800 mV zu einer Wasserzersetzung und damit zu einem Zusatzsignal führen. Insbesondere kann ein Pumpstrom oberhalb der Pumpspannung, bei der Wasserzersetzung eintritt in einem zweiten Grenzstromplateau, welches oberhalb des vorher beschriebenen Grenzstromplateaus liegt, gemessen werden. Der gemessene Pumpstrom umfasst ein zusätzliches Stromsignal, welches aus der Zersetzung von Wasser resultiert. Furthermore, a detection of a proportion of water can be carried out. For example, pump voltages above 800 mV can lead to water decomposition and thus to an additional signal. In particular, a pumping current above the pumping voltage, at which water decomposition occurs, can be measured in a second limiting current plateau, which lies above the previously described limiting current plateau. The measured pumping current includes an additional current signal resulting from the decomposition of water.

Vorzugsweise kann eine Pumpstrom-gesteuerte Pumpspannungsnachführung verwendet werden, sowohl für die Erfassung des Sauerstoffsanteils als auch für die Erfassung des Wasseranteils in dem Gasgemisch. Weiterhin kann die Erfassung des Sauerstoffanteils und des Wasseranteils des Gasgemischs als umschaltbare Betriebsmodi realisiert werden. Preferably, a pumping current controlled pumping voltage tracking can be used, both for the detection of the oxygen content as well as for the detection of the water content in the gas mixture. Furthermore, the detection of the oxygen content and the water content of the gas mixture can be realized as switchable operating modes.

Alternativ oder zusätzlich kann es bei einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens mit einem Kalibrationsschritt vorgesehen sein, dass der Kalibrationsschritt bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur der Pumpzelle durchgeführt wird und das Sensorelement während des Durchführens des Kalibrationsschrittes mit einem Luftstrom beaufschlagt wird, welcher bevorzugt einen Volumenstrom gleich dem Volumenstrom des Gasgemischs während des Messschritts aufweist. Durch eine Beaufschlagung mit einem Luftstrom, welcher üblicherweise einen bekannten Sauerstoffpartialdruck aufweist, kann insbesondere durch Bestimmen eines entsprechenden Pumpstroms, auf einfache Weise ein Kalibrationsfaktor für die Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Gasgemisch ermittelt werden. Alternatively or additionally, it may be provided in one of the previously described embodiments of the method with a calibration step, that the calibration step is performed at a predetermined operating temperature of the pump cell and the sensor element is subjected during the execution of the calibration step with an air flow, which preferably equal to a volume flow Volume flow of the gas mixture during the measuring step. By applying an air flow, which usually has a known oxygen partial pressure, a calibration factor for detecting the oxygen partial pressure in the gas mixture can be determined in a simple manner, in particular by determining a corresponding pumping current.

Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Sensorvorrichtung zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Gasgemisch, insbesondere einem Abgas einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche mindestens ein Sensorelement umfasst. Das Sensorelement weist hierbei mindestens eine Pumpzelle auf, wobei die Pumpzelle mindestens eine mit dem Gasstrom beaufschlagbare äußere Pumpelektrode und mindestens eine in einem Elektrodenhohlraum angeordnete innere Pumpelektrode aufweist. Der Elektrodenhohlraum ist über eine Diffusionsbarriere mit dem Gasgemisch beaufschlagbar. Weiterhin sind bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung die innere Pumpelektrode und die äußere Pumpelektrode über mindestens einen ersten Festelektrolyten miteinander verbunden. Das Sensorelement weist weiterhin mindestens eine Messzelle mit mindestens einer im Elektrodenhohlraum angeordneten Messelektrode und mindestens einer in einem Referenzgasraum angeordneten Referenzelektrode auf. Weiter ist es nach der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung vorgesehen, dass die Messelektrode und die Referenzelektrode über mindestens einen zweiten Festelektrolyten verbunden sind. Das Sensorelement weist weiterhin mindestens ein Heizelement auf, welches eingerichtet ist, um die Pumpzelle zu beheizen. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Steuerung, wobei die Steuerung mindestens eine Energiequelle zur Beaufschlagung des Heizelements mit einer vorgegebenen effektiven Heizleistung aufweist. Weiterhin weist die Steuerung mindestens eine Pumpspannungsquelle zur Beaufschlagung der Pumpzelle mit einer konstanten Pumpspannung, sowie mindestens eine Strommessvorrichtung zur Erfassung eines Pumpstroms durch die Pumpzelle auf, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Furthermore, the invention proposes a sensor device for detecting an oxygen content in a gas mixture, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine, which comprises at least one sensor element. In this case, the sensor element has at least one pumping cell, wherein the pumping cell has at least one outer pumping electrode which can be acted upon by the gas flow and at least one inner pumping electrode which is arranged in an electrode hollow space. The electrode cavity can be acted upon via a diffusion barrier with the gas mixture. Furthermore, in the sensor device according to the invention, the inner pumping electrode and the outer pumping electrode are connected to one another via at least one first solid electrolyte. The sensor element furthermore has at least one measuring cell with at least one measuring electrode arranged in the electrode cavity and at least one reference electrode arranged in a reference gas chamber. It is further provided according to the sensor device according to the invention, that the measuring electrode and the reference electrode are connected via at least one second solid electrolyte. The sensor element further has at least one heating element which is set up to heat the pumping cell. The sensor device according to the invention further comprises at least one controller connected to the sensor element, the controller having at least one energy source for acting on the heating element with a predetermined effective heating power. Furthermore, the controller has at least one pump voltage source for acting on the pump cell with a constant pump voltage, and at least one current measuring device for detecting a pumping current through the pumping cell, the controller being arranged to perform a method according to any one of the preceding claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt einen schematische Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Sensorvorrichtung mit einer Steuerung. 1 shows a schematic sectional view of a preferred embodiment of a sensor device with a controller.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 mit einem Sensorelement 2 und einer Steuerung 4 gezeigt, welche eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das Sensorelement 2 wird bestimmungsgemäß in einem ein Gasgemisch führenden Messgasraum 6 eingesetzt. Beispielsweise in einem Abgasrohr im Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine. In 1 is a preferred embodiment of a sensor device according to the invention 1 with a sensor element 2 and a controller 4 which is arranged to carry out the method according to the invention. The sensor element 2 is intended in a gas mixture leading measuring gas space 6 used. For example, in an exhaust pipe in the exhaust system of an internal combustion engine.

Wie der Darstellung von 1 im Detail entnommen werden kann, weist das Sensorelement 2 mindestens eine Pumpzelle 8 auf. Die Pumpzelle 8 umfasst weiter mindestens eine mit einem Gasstrom des Gasgemischs beaufschlagbare äußere Pumpelektrode 10, sowie auch mindestens eine mit der äußeren Pumpelektrode 10 zusammenwirkenden inneren Pumpelektrode 12. Die innere Pumpelektrode 12 ist bevorzugt in einem Elektrodenhohlraum 14 angeordnet. Der Elektrodenhohlraum 14 steht weiter mit einem Messgasraum 6 über eine Diffusionsbarriere 16 in Verbindung, wodurch in bereits zuvor beschriebener Weise Sauerstoff aus dem Gasgemisch im Messgasraum 6 durch die Diffusionsbarriere 16 in den Elektrodenhohlraum 14 eindringen kann. Das Sensorelement 2 weist insbesondere einen nach außen geführten Anschluss 10‘ der äußeren Pumpelektrode 10, sowie einen nach außen geführten Anschluss 12‘ der inneren Pumpelektrode 12 auf.Like the presentation of 1 can be taken in detail, the sensor element has 2 at least one pump cell 8th on. The pump cell 8th furthermore comprises at least one outer pumping electrode which can be charged with a gas stream of the gas mixture 10 , as well as at least one with the outer pumping electrode 10 cooperating inner pumping electrode 12 , The inner pump electrode 12 is preferred in an electrode cavity 14 arranged. The electrode cavity 14 continues with a sample gas chamber 6 via a diffusion barrier 16 in connection, whereby in the manner already described oxygen from the gas mixture in the sample gas space 6 through the diffusion barrier 16 into the electrode cavity 14 can penetrate. The sensor element 2 has in particular an outward-led connection 10 ' the outer pumping electrode 10 , as well as an outward led connection 12 ' the inner pumping electrode 12 on.

Weiterhin ist der Darstellung von 1 zu entnehmen, dass die innere Pumpelektrode 12 und die äußere Pumpelektrode 10 über mindestens einen ersten Festelektrolyten 18 verbunden sind. In bekannter Weise wird es hierdurch ermöglicht, dass ionisierte Sauerstoffatome durch den ersten Festelektrolyten 18 hindurch transportiert werden können. Furthermore, the representation of 1 to see that the inner pumping electrode 12 and the outer pumping electrode 10 via at least one first solid electrolyte 18 are connected. In a known manner, this makes it possible for ionized oxygen atoms to pass through the first solid electrolyte 18 can be transported through.

1 zeigt weiterhin, dass das Sensorelement 2 mindestens eine Messzelle 20 umfasst, wobei die Messzelle 20 mindestens eine Messelektrode 22 und mindestens eine Referenzelektrode 24 aufweist. Die Messelektrode 22 ist hierbei in dem Elektrodenhohlraum 14 und die Referenzelektrode 24 in einem Referenzgasraum 26 angeordnet. Das Sensorelement 2 weist weiterhin einen nach außen geführten Anschluss 24‘ der Referenzelektrode 24 auf. Im Referenzgasraum 26 befindet sich ein Referenzgas, welches beispielsweise Luft sein kann. Weiterhin kann der Referenzgasraum beispielsweise über einen nicht dargestellten Verbindungskanal mit einer äußeren Umgebungsatmosphäre verbunden sein. Die Messelektrode 22 und die Referenzelektrode 24 sind über mindestens einen zweiten Festelektrolyten 28 miteinander verbunden. Gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Messelektrode 22 weiterhin mit der inneren Pumpelektrode 12 elektrisch leitend verbunden und über den gemeinsamen Anschluss 12‘ der inneren Pumpelektrode 12 mit der Steuerung verbindbar, wohingegen der Anschluss 24‘ der Referenzelektrode 24 elektrisch unverbunden ist. 1 further shows that the sensor element 2 at least one measuring cell 20 includes, wherein the measuring cell 20 at least one measuring electrode 22 and at least one reference electrode 24 having. The measuring electrode 22 is here in the electrode cavity 14 and the reference electrode 24 in a reference gas space 26 arranged. The sensor element 2 also has an outward-led connection 24 ' the reference electrode 24 on. In the reference gas room 26 there is a reference gas, which may be air, for example. Furthermore, the reference gas space may be connected, for example via a connecting channel, not shown, with an external ambient atmosphere. The measuring electrode 22 and the reference electrode 24 are at least a second solid electrolyte 28 connected with each other. According to the illustrated preferred embodiment, the measuring electrode is 22 continue with the inner pumping electrode 12 electrically connected and via the common connection 12 ' the inner pumping electrode 12 connectable to the controller, whereas the connection 24 ' the reference electrode 24 is electrically unconnected.

In 1 ist weiter gezeigt, dass das Sensorelement 2 weiterhin mindestens ein Heizelement 30 aufweist, wobei das Heizelement 30 eingerichtet ist, um die Pumpzelle 8 zu beheizen. Die Sensorvorrichtung 1 weist weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement 2 verbundene Steuerung 4 auf, welche mindestens eine Energiequelle 32 zur Beaufschlagung des Heizelements 30 mit einer vorgegebenen effektiven Heizleistung vorsieht. Die Energiequelle 32 der Steuerung 4 ist hierzu mit entsprechenden Anschlüssen 30’ des Heizelements 30 verbunden. Die Steuerung 4 umfasst, wie in 1 gezeigt, weiter mindestens eine Pumpspannungsquelle 34, über welche die Pumpzelle 8 mit einer konstanten Pumpspannung (Up) versorgt wird. Hierbei ist der positive Pol der Pumpspannungsquelle 34 mit dem Anschluss 10‘ der äußeren Pumpelektrode 10 verbunden. In 1 is further shown that the sensor element 2 at least one heating element 30 having, wherein the heating element 30 is set up to the pumping cell 8th to heat. The sensor device 1 also has at least one with the sensor element 2 connected control 4 on which at least one energy source 32 for charging the heating element 30 with a predetermined effective heating power provides. The energy source 32 the controller 4 is this with appropriate connections 30 ' of the heating element 30 connected. The control 4 includes, as in 1 shown, further at least one pump voltage source 34 over which the pump cell 8th is supplied with a constant pump voltage (Up). Here, the positive pole of the pump voltage source 34 with the connection 10 ' the outer pumping electrode 10 connected.

Wie der Darstellung von 1 zudem entnommen werden kann, sieht die Steuerung 4 weiterhin mindestens eine Strommessvorrichtung 36 zur Erfassung eines Pumpstroms (Ip) durch die Pumpzelle 8 auf, wobei die Strommessvorrichtung 36 in einer Reihenschaltung zwischen der Pumpspannungsquelle 34 und der inneren Pumpelektrode 12 geschaltet ist. Like the presentation of 1 can also be seen, the controller sees 4 at least one current measuring device 36 for detecting a pumping current (Ip) through the pumping cell 8th on, with the current measuring device 36 in a series connection between the pump voltage source 34 and the inner pumping electrode 12 is switched.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, S. 164–165 [0008] Konrad Reif (ed.) "Sensors in the motor vehicle", 2nd edition 2012, pp. 164-165 [0008]
  • Broschüre „Automotive Electronics – Product Information Lambda Probe Interface IC – CJ125“ [0008] Brochure "Automotive Electronics - Product Information Lambda Probe Interface IC - CJ125" [0008]
  • http://www.bosch-semiconductors.de/media/pdf_1/einzeldownloads/engine_management/ CJ125_Product_Info.pdf [0008] http://www.bosch-semiconductors.de/media/pdf_1/einzeldownloads/engine_management/ CJ125_Product_Info.pdf [0008]

Claims (10)

Verfahren zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Gasgemisch, insbesondere einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei das Gasgemisch ein mageres Gasgemisch ist, wobei ein Sensorelement (2) verwendet wird, wobei das Sensorelement (2) mit einem Gasstrom des Gasgemischs beaufschlagt wird, wobei der Gasstrom einen konstanten Volumenstrom aufweist, wobei das Sensorelement (2) mindestens eine Pumpzelle (8) aufweist, wobei die Pumpzelle (8) mindestens eine mit dem Gasstrom beaufschlagbare äußere Pumpelektrode (10) und mindestens eine in einem Elektrodenhohlraum (14) angeordnete innere Pumpelektrode (12) aufweist, wobei der Elektrodenhohlraum (14) über eine Diffusionsbarriere (16) mit dem Gasgemisch beaufschlagbar ist, wobei die innere Pumpelektrode (12) und die äußere Pumpelektrode (10) über mindestens einen ersten Festelektrolyten (18) verbunden sind, wobei das Sensorelement (2) weiterhin mindestens eine Messzelle (20) aufweist, wobei die Messzelle (20) mindestens eine in den Elektrodenhohlraum (14) angeordnete Messelektrode (22) und mindestens eine in einem Referenzgasraum (26) angeordnete Referenzelektrode (24) aufweist, wobei die Messelektrode (22) und die Referenzelektrode (24) über mindestens einen zweiten Festelektrolyten (28) verbunden sind, wobei das Sensorelement (2) weiterhin mindestens ein Heizelement (30) aufweist, wobei das Heizelement (30) eingerichtet ist, um die Pumpzelle (8) zu beheizen, wobei das Heizelement (30) mit einer vorgegebenen effektiven Heizleistung beaufschlagt wird, wobei das Verfahren mindestens einen Messschritt umfasst, wobei in dem mindestens einen Messschritt zur Erfassung des Sauerstoffanteils die Pumpzelle (8) mit einer konstanten Pumpspannung (Up) beaufschlagt wird, wobei ein Pumpstrom (Ip) durch die Pumpzelle (8) erfasst wird. Method for detecting an oxygen content in a gas mixture, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the gas mixture is a lean gas mixture, wherein a sensor element ( 2 ) is used, wherein the sensor element ( 2 ) is acted upon with a gas stream of the gas mixture, wherein the gas stream has a constant volume flow, wherein the sensor element ( 2 ) at least one pump cell ( 8th ), wherein the pump cell ( 8th ) at least one can be acted upon by the gas flow outer pumping electrode ( 10 ) and at least one in an electrode cavity ( 14 ) arranged inner pumping electrode ( 12 ), wherein the electrode cavity ( 14 ) via a diffusion barrier ( 16 ) is acted upon with the gas mixture, wherein the inner pumping electrode ( 12 ) and the outer pumping electrode ( 10 ) via at least one first solid electrolyte ( 18 ), wherein the sensor element ( 2 ) at least one measuring cell ( 20 ), wherein the measuring cell ( 20 ) at least one into the electrode cavity ( 14 ) arranged measuring electrode ( 22 ) and at least one in a reference gas space ( 26 ) arranged reference electrode ( 24 ), wherein the measuring electrode ( 22 ) and the reference electrode ( 24 ) via at least one second solid electrolyte ( 28 ), wherein the sensor element ( 2 ) at least one heating element ( 30 ), wherein the heating element ( 30 ) is adapted to the pump cell ( 8th ), the heating element ( 30 ) is acted upon with a predetermined effective heating power, wherein the method comprises at least one measuring step, wherein in the at least one measuring step for detecting the oxygen content of the pumping cell ( 8th ) is applied with a constant pumping voltage (Up), wherein a pumping current (Ip) through the pumping cell ( 8th ) is detected. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Heizelement (30) mit einem pulsweitenmodulierten elektrischen Energiesignal beaufschlagt wird. Method according to the preceding claim, wherein the heating element ( 30 ) is applied with a pulse width modulated electrical energy signal. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das elektrische Energiesignal ausgewählt ist aus einem vorgegebenen pulsweitenmodulierten Spannungssignal und einem pulsweitenmodulierten Stromsignal. Method according to the preceding claim, wherein the electrical energy signal is selected from a predetermined pulse width modulated voltage signal and a pulse width modulated current signal. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (2) einen Anschluss (10‘) der äußeren Pumpelektrode (10), einen Anschluss (12‘) der inneren Pumpelektrode (12), einen Anschluss (24‘) der Referenzelektrode (24) und mindestens zwei Anschlüsse (30‘) des Heizelements (30) umfasst. Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 2 ) a connection ( 10 ' ) of the outer pumping electrode ( 10 ), a connection ( 12 ' ) of the inner pumping electrode ( 12 ), a connection ( 24 ' ) of the reference electrode ( 24 ) and at least two ports ( 30 ' ) of the heating element ( 30 ). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Anschluss (10‘) der äußeren Pumpelektrode (10) und der Anschluss (12‘) der inneren Pumpelektrode (12) mit einer Pumpspannungsquelle (36) mit konstanter Pumpspannung (Up) verbunden werden.Method according to the preceding claim, wherein the connection ( 10 ' ) of the outer pumping electrode ( 10 ) and the connection ( 12 ' ) of the inner pumping electrode ( 12 ) with a pump voltage source ( 36 ) are connected to a constant pump voltage (Up). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Anschluss (10‘) der äußeren Pumpelektrode (10) mit einem positiven Pol der Pumpspannungsquelle (36) verbunden wird.Method according to the preceding claim, wherein the connection ( 10 ' ) of the outer pumping electrode ( 10 ) with a positive pole of the pump voltage source ( 36 ) is connected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Kalibrationsschritt umfasst, wobei der Kalibrationsschritt mindestens einmal vor dem Messschritt durchgeführt wird, wobei in dem Kalibrationsschritt mindestens ein Betriebsparameter des Verfahrens bestimmt wird. Method according to one of the preceding claims, wherein the method further comprises at least one calibration step, wherein the calibration step is performed at least once before the measuring step, wherein in the calibration step at least one operating parameter of the method is determined. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Kalibrationsschritt ein Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom (Ip) und der Pumpspannung (Up) bestimmt wird, wobei die Pumpspannung (UP) so gewählt wird, dass der Pumpstrom (Ip) in einem Grenzstromplateau liegt.Method according to the preceding claim, wherein in the calibration step, a relationship between the pumping current (Ip) and the pumping voltage (Up) is determined, wherein the pumping voltage (UP) is selected so that the pumping current (Ip) is in a Grenzstromplateau. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kalibrationsschritt bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur der Pumpzelle (8) durchgeführt wird und wobei das Sensorelement (2) mit einem Luftstrom beaufschlagt wird, wobei ein Volumenstrom des Luftstroms gleich dem Volumenstrom des Gasgemischs in dem Messschritt gewählt wird.Method according to one of the two preceding claims, wherein the calibration step at a predetermined operating temperature of the pump cell ( 8th ) and wherein the sensor element ( 2 ) is acted upon with an air flow, wherein a volume flow of the air flow equal to the volume flow of the gas mixture is selected in the measuring step. Sensorvorrichtung (1) zur Erfassung eines Sauerstoffanteils in einem Gasgemisch, insbesondere einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensorvorrichtung (1) mindestens ein Sensorelement (2) umfasst, wobei das Sensorelement (2) mindestens eine Pumpzelle (8) aufweist, wobei die Pumpzelle (8) mindestens eine mit dem Gasstrom beaufschlagbare äußere Pumpelektrode (10) und mindestens eine in einem Elektrodenhohlraum (14) angeordnete innere Pumpelektrode (12) aufweist, wobei der Elektrodenhohlraum (14) über eine Diffusionsbarriere (16) mit dem Gasgemisch beaufschlagbar ist, wobei die innere Pumpelektrode (12) und die äußere Pumpelektrode (10) über mindestens einen ersten Festelektrolyten (18) verbunden sind, wobei das Sensorelement (2) weiterhin mindestens eine Messzelle (20) aufweist, wobei die Messzelle (20) mindestens eine in den Elektrodenhohlraum (14) angeordnete Messelektrode (22) und mindestens eine in einem Referenzgasraum (26) angeordnete Referenzelektrode (24) aufweist, wobei die Messelektrode (22) und die Referenzelektrode (24) über mindestens einen zweiten Festelektrolyten (28) verbunden sind, wobei das Sensorelement (2) weiterhin mindestens ein Heizelement (30) aufweist, wobei das Heizelement (30) eingerichtet ist, um die Pumpzelle (8) zu beheizen, wobei die Sensorvorrichtung (1) weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement (2) verbundene Steuerung (4) aufweist, wobei die Steuerung (4) mindestens eine Energiequelle (32) zur Beaufschlagung des Heizelements (30) mit einer vorgegebenen effektiven Heizleistung aufweist, wobei die Steuerung (4) weiterhin mindestens eine Pumpspannungsquelle (36) zur Beaufschlagung der Pumpzelle (8) mit einer konstanten Pumpspannung (Up) aufweist, wobei die Steuerung (4) weiterhin mindestens eine Strommessvorrichtung (36) zur Erfassung eines Pumpstroms (Ip) durch die Pumpzelle (8) aufweist, wobei die Steuerung (4) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Sensor device ( 1 ) for detecting an oxygen content in a gas mixture, in particular an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the sensor device ( 1 ) at least one sensor element ( 2 ), wherein the sensor element ( 2 ) at least one pump cell ( 8th ), wherein the pump cell ( 8th ) at least one can be acted upon by the gas flow outer pumping electrode ( 10 ) and at least one in an electrode cavity ( 14 ) arranged inner pumping electrode ( 12 ), wherein the electrode cavity ( 14 ) via a diffusion barrier ( 16 ) is acted upon with the gas mixture, wherein the inner pumping electrode ( 12 ) and the outer pumping electrode ( 10 ) via at least one first solid electrolyte ( 18 ), wherein the sensor element ( 2 ) at least one measuring cell ( 20 ), wherein the measuring cell ( 20 ) at least one into the electrode cavity ( 14 ) arranged measuring electrode ( 22 ) and at least one in a reference gas space ( 26 ) arranged reference electrode ( 24 ), wherein the measuring electrode ( 22 ) and the reference electrode ( 24 ) via at least one second solid electrolyte ( 28 ), wherein the sensor element ( 2 ) Farther at least one heating element ( 30 ), wherein the heating element ( 30 ) is adapted to the pump cell ( 8th ), wherein the sensor device ( 1 ) at least one with the sensor element ( 2 ) connected control ( 4 ), wherein the controller ( 4 ) at least one energy source ( 32 ) for charging the heating element ( 30 ) having a predetermined effective heat output, the controller ( 4 ) at least one pump voltage source ( 36 ) for charging the pump cell ( 8th ) with a constant pumping voltage (Up), wherein the controller ( 4 ) at least one current measuring device ( 36 ) for detecting a pumping current (Ip) through the pumping cell ( 8th ), wherein the controller ( 4 ) is arranged to perform a method according to any one of the preceding claims.
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