DE102016217039A1

DE102016217039A1 - Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Ermittlung eines Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102016217039A1
Application number: DE102016217039.2A
Authority: DE
Inventors: Torsten Reitmeier; Sabrina Kolbeck; Willibald Reitmeier
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Gassensors (10), der dazu ausgebildet ist, einen Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu ermitteln. Das Verfahren umfasst ein Anlegen eines Pumpstroms (IP0) an einer Hauptelektrode (24) des Gassensors (10), so dass sich zwischen der Hauptelektrode (24) und einer Pumpelektrode (22) des Gassensors (10) eine vorbestimmte Nernstspannung ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff aus einer Pumpkavität (20) des Gassensors (10) auszubringen. Das Verfahren weist ferner ein Anlegen eines Messtroms (IP2) an einer Messelektrode (44) des Gassensors (10) auf, so dass sich zwischen der Messelektrode (44) und einer Referenzelektrode (52) des Gassensors (10) eine vorbestimmte Messspannung (V2) ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff in die Messkavität (40) einzubringen. Das Verfahren umfasst außerdem ein Ermitteln des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine aus dem an der Messelektrode (44) angelegten Messstrom.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors zur Ermittlung von Kohlenstoffdioxid im Abgas einer Brennkraftmaschine.
Gassensoren, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, erlauben eine Messung einer Gaskonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren. Dadurch wird z. B. eine optimale Regelung und Diagnose von Abgaskatalysatoren durch die Motorsteuerung ermöglicht.
Beispielsweise sind Kohlenstoffdioxidsensoren als Gassensoren bekannt, deren Messprinzip auf beispielsweise einem optischen Verfahren oder einem chemischen Verfahren basiert. Bei den optischen Verfahren wird jedoch die Messgenauigkeit durch Temperaturschwankungen und/von Schmutzpartikel im Abgas reduziert. Die chemischen Verfahren weisen eine sehr lange Messzeit zum Erreichen eines validen Wertes auf und sind hinsichtlich des verwendbaren Temperaturbereichs beschränkt.
Andere Gassensoren, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, basieren auf dem sogenannten amperometrischen Prinzip mit einem Zirkonoxid-Sensor.
Aus den JP H 09-297119 A , EP 0 797 095 A2 und EP 0 798 556 A2 sind jeweils Gassensoren bekannt, die zum Messen von beispielsweise Stickoxid aber auch weiterer Gase, wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe oder Schwefeldioxid.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors bereitzustellen, mit dem der Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas einer Brennkraftmaschine zuverlässig und möglichst exakt ermittelt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, einen auf dem Messprinzip eines Stickoxidsensors basierenden Gassensor derart zu betreiben, dass der Kohlenstoffdioxidgehalt in einem Abgas einer Brennkraftmaschine ermittelt werden kann. Dabei wird der Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas durch geeignete Reduktionen und Oxidationen innerhalb des Gassensors ermittelt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Gassensors offenbart, der dazu ausgebildet ist, einen Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu ermitteln. Der Gassensor weist eine einer Hauptkavität zugeordnete Hauptelektrode, eine einer Hilfskavität, die mit der Hauptkavität über einen ersten Diffusionspfad verbunden ist, zugeordnete Hilfselektrode, eine einer Messkavität, die mit der Hilfskavität über einen zweiten Diffusionspfad verbunden ist, zugeordnete Messelektrode, eine mit dem Abgas in Verbindung stehende Pumpelektrode und eine mit der Umgebung, vorzugsweise mit der Umgebungsluft, in Verbindung stehende Referenzelektrode auf, die dazu ausgebildet ist, eine Sauerstoffreferenz für die Hauptelektrode, die Hilfselektrode und die Messelektrode zu bilden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Schritt eines Anlegens eines Pumpstroms an der Hauptelektrode, so dass sich zwischen der Hauptelektrode und der Pumpelektrode eine vorbestimmte Pumpspannung ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff aus der Pumpkavität auszubringen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner den Schritt des Anlegens eines Messstroms an der Messelektrode, so dass sich zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode eine vorbestimmte Messspannung ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff aus der Umgebung in die Messkavität einzubringen. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Ermittelns des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine aus dem an der Messelektrode angelegten Messstrom.
Insbesondere wird der an der Messelektrode angelegte Messstrom derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich die vorbestimmte Messspannung, die eine Nernstspannung ist, zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode einstellt. Die vorbestimmte Messspannung ist vorzugsweise derart ausgewählt, dass der in die Messkavität eingebrachte Sauerstoff mit dem aus der Hauptkavität stammenden Kohlenstoffmonoxid wieder in Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird. Genauer gesagt wird die Messspannung derart vorbestimmt, dass im Wesentlichen sämtlicher mittels der Messelektrode in die Messkavität eingebrachter Sauerstoff das aus der Pumpkavität stammende Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert bzw. umwandelt. Folglich wird die Messspannung derart gewählt, dass lediglich Kohlenmonoxid oxidiert wird, ohne dass andere in der Messkammer befindliche Gase oxidiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Hauptspannung, die auch eine Nernstspannung ist, dazu ausgebildet, dass das in der Hauptkavität befindliche Kohlenstoffdioxid zumindest teilweise zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird und die Sauerstoffionen durch den Hauptkörper aus der Hauptkavität heraus diffundieren. Außerdem ist die Hauptspannung dazu ausgebildet, dass das in der Hauptkavität befindliche Wasser zumindest teilweise zu Wasserstoff reduziert wird und der Sauerstoff als Sauerstoffionen wieder durch den Hauptkörper aus der Hauptkavität heraus diffundieren kann. Somit kann gesagt werden, dass die Hauptspannung dazu ausgebildet ist, im Wesentlichen sämtlichen Sauerstoff aus der Hauptkavität auszubringen bzw. heraus zu pumpen. Folglich wird die Hauptspannung derart festgelegt, dass auch sämtliche Stickstoffoxide zum Verhindern einer Querempfindlichkeit gegenüber beispielsweise Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid innerhalb der Hauptkavität reduziert werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner der Schritt des Anlegens eines Hilfsstroms an der Hilfselektrode vorgesehen, so dass sich zwischen der Hilfselektrode und der Referenzelektrode eine vorbestimmte Hilfsspannung, die ebenfalls eine Nernstspannung ist, ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff in die Hilfskavität einzubringen. Vorzugsweise ist die Hilfsspannung ferner dazu ausgebildet, dass nur der aus der Hauptkavität durch den ersten Diffusionspfad in die Hilfskavität geströmte Wasserstoff zu Wasser oxidiert wird.
Durch das Vorsehen der Oxidation des Wasserstoffs zu Wasser innerhalb der Hilfskavität kann bereits vor der Messkavität die Querempfindlichkeit der Kohlenstoffdioxidmessung auf Feuchte zumindest teilweise reduziert werden. Aus diesem Grund wird die Hilfsspannung derart eingestellt, dass nur der Wasserstoff innerhalb der Hilfskavität zu Wasser oxidiert wird und nicht das Kohlenmonoxid. Der Wasserstoff oxidiert bereits bei einer höheren Hilfsspannung als das Kohlenmonoxid. Somit ist die Hilfsspannung in der Hilfskammer größer als die Messspannung in der Messkavität, wodurch gewährleistet wird, dass in der Hilfskammer lediglich der Wasserstoff, aber nicht das Kohlenmonoxid oxidiert wird. Da der in der Messkammer befindliche Stickstoff sehr stabil ist, wird dieser in der Messkammer nicht oxidiert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner der Schritt des Ermittelns der Feuchtigkeit im Abgas der Brennkraftmaschine aus dem an der Hilfselektrode angelegten Hilfsstrom vorgesehen. Wie bereits oben in Bezug auf den Messstrom erläutert, kann bei der Oxidation der Wasserstoffionen zu Wasser der hierzu benötigte Hilfsstrom dazu verwendet werden, die Feuchtigkeit bzw. den Feuchteanteil im Abgas zu bestimmen. Insbesondere kann dieser Messwert beispielsweise dazu verwendet werden, das Messsignal eines ebenfalls im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Feuchtigkeitssensors zu plausibilisieren.
In einer Ausgestaltung ohne direkter Beseitigung des Einflusses der Feuchtigkeit auf die Ermittlung des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas kann das entsprechende Messsignal mittels eines extern im Abgasstrang der Brennkraftmaschine vorgesehenen Feuchtigkeitssensors bereinigt bzw. auf den Kohlenstoffdioxidgehalt korrigiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Messspannung dazu ausgebildet, dass nur das aus der Hauptkavität und/oder Hilfskavität durch den ersten Diffusionspfad und/oder zweiten Diffusionspfad in die Messkavität geströmte Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert bzw. umgewandelt wird. Hierzu wird die Messspannung mit dem Messstrom an der Messelektrode derart gesteuert bzw. geregelt, dass die in die Messkavität eingebrachte Sauerstoffmenge der zur Oxidation des Kohlenstoffmonoxids, das in der Hauptkavität aus Kohlenstoffdioxid generiert worden ist, notwendigen Menge entspricht. Folglich kann der Messstrom als Parameter für den Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor zum Ermitteln des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine offenbart. Der erfindungsgemäße Gassensor weist einen Hauptkörper aus einem Feststoffelektrolyten, eine innerhalb des Hauptkörpers angeordnete Hauptkavität, in der eine Hauptelektrode angeordnet ist, eine innerhalb des Hauptkörpers angeordnete Hilfskavität, die mit der Hauptkavität über einen ersten Diffusionspfad verbunden ist und in der eine Hilfselektrode angeordnet ist, eine innerhalb des Hauptkörpers angeordnete Messkavität, die mit der Hilfskavität über einen zweiten Diffusionspfad verbunden ist und in der eine Messelektrode angeordnet ist, eine am Hauptkörper angebrachte und mit dem Abgas in Verbindung stehende Pumpelektrode, eine am Hauptkörper angeordnete Referenzelektrode, die mit der Umgebung, vorzugsweise mit der Umgebungsluft, in Verbindung steht und dazu ausgebildet ist, eine Sauerstoffreferenz für die Pumpelektrode, die Hilfselektrode und die Messelektrode zu bilden, und eine Steuervorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Insbesondere ist die Steuervorrichtung dazu ausgebildet, den Hauptstrom, den Hilfsstrom und den Messstrom an der Hauptelektrode, der Hilfselektrode und der Messelektrode derart zu steuern bzw. zu regeln, dass die vorbestimmte Hauptspannung, die vorbestimmte Hilfsspannung und die vorbestimmte Messspannung jeweils anliegen. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise im Gassensor integriert sein oder ist alternativ innerhalb eines Steuergeräts der Brennkraftmaschine angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors sind die Hauptelektrode und/oder die Hilfselektrode und/oder die Messelektrode aus einem Material gebildet, das beispielsweise Gold und/oder Goldlegierungen umfasst. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind die Hauptelektrode und/oder die Hilfselektrode und/oder die Messelektrode aus einer Platin-Gold-Legierung und/oder einer Platin-Rhodium-Legierung gebildet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist der Hauptkörper aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid und/oder aus einem y-dotiertem Zirkonoxid gebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist innerhalb des Hauptkörpers ferner eine Referenzkavität vorgesehen, in der die Referenzelektrode angeordnet ist.
Weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
1 eine schematische Schnittansicht durch einen beispielhaften Gassensor zeigt,
2 eine schematische Schnittansicht durch einen weiteren beispielhaften Gassensor zeigt, und
3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Gassensors zur Ermittlung eines Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird auf eine Hauptspannung, eine Hilfsspannung und eine Messspannung Bezug genommen, die jeweils eine sogenannte Nernstspannung sind.
Insbesondere liegt die Hauptspannung zwischen einer Hauptelektrode und einer Referenzelektrode, die Hilfsspannung zwischen einer Hilfselektrode und der Referenzelektrode und die Messspannung zwischen einer Messelektrode und der Referenzelektrode an. Im Gegensatz dazu wird auch auf eine Pumpspannung Bezug genommen, die zwischen der Hauptelektrode und einer außen angebrachten Pumpelektrode anliegt.
Unter Verweis auf die 1 ist eine schematische Schnittansicht eines beispielhaften Gassensors 10 dargestellt, der dazu ausgebildet ist, in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet zu werden und den Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu erfassen. Der in der 1 gezeigte Gassensor 10 kann beispielsweise ferner mittels geeigneten Betriebs als Stickoxidsensor, Sauerstoffsensor, Schwefeldioxidsensor, Ammoniaksensor und/oder Kohlenwasserstoffsensor betrieben werden.
Der Gassensor 10 weist einen Hauptkörper 12 aus einem Feststoffelektrolyten auf, der vorzugsweise aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid gebildet ist. Zusätzlich kann ein Mischkristall aus Hafniumoxid, ein Mischkristall aus Perowskit-basierten Oxiden oder ein Mischkristall aus trivalentem Metalloxid verwendet werden.
Innerhalb des Hauptkörpers 12 sind eine Hauptkavität 20, eine Hilfskavität 30 und eine Messkavität 40 vorgesehen. Die Hauptkavität 20 ist über einen Verbindungspfad 15 (der auch ein Diffusionspfad sein kann) mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 verbunden. Insbesondere kann Abgas durch den Verbindungspfad 15 in die Hauptkavität 20 strömen. Die Hilfskavität 30 ist mit der Hauptkavität 20 über einen ersten Diffusionspfad 25 verbunden. Der erste Diffusionspfad 25 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Abgas mit einer vorbestimmten Rate strömen kann. Alternativ kann der erste Diffusionspfad 25 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein.
Die Messkavität 40 ist mit der Hilfskavität 30 über einen zweiten Diffusionspfad 35 verbunden. Der zweite Diffusionspfad 35 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Abgas mit einer vorbestimmten Rate strömen kann. Alternativ kann der zweite Diffusionspfad 35 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein. Die Diffusionsratenschichten können alternativ als Diffusionsbarrieren bezeichnet werden.
Der erste Diffusionspfad 25 und der zweite Diffusionspfad 35 sind derart ausgebildet, dass durch diese hindurch das Abgas zumindest teilweise strömen kann. Durch Kenntnis der Querschnitte des ersten und zweiten Diffusionspfads 25, 35 und/oder durch Kenntnis der jeweiligen porösen Füllmittel kann die Diffusionsrate durch den ersten und zweiten Diffusionspfad 25, 35 bestimmt werden.
Im Hauptkörper 12 ist außerdem eine Referenzkavität 50 gebildet, die direkt mit der Umgebung des Hauptkörpers 12 in Verbindung steht. In der Referenzkavität 50 ist eine Referenzelektrode 52 angeordnet. Insbesondere steht die Referenzkavität 50 mit der Umgebungsluft, d. h. nicht mit dem Abgas der Brennkraftmaschine, in Verbindung und ist dazu ausgebildet, eine Sauerstoffreferenz für die im Gassensor 10 angeordneten verschiedenen Elektroden zu bilden.
An einer Außenseite des Hauptkörpers 12 ist eine Pumpelektrode 22 angeordnet. Insbesondere kann während eines Messbetriebs des Gassensors 10 durch Anlegen eines Referenzstroms an der Pumpelektrode 22 der im Abgas befindliche Sauerstoff ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen zur Referenzelektrode 52 diffundieren und dort wieder in Sauerstoffmoleküle zur Ausbildung einer Sauerstoffreferenz innerhalb der Referenzkavität 50 umgewandelt werden.
Innerhalb der Hauptkavität 20 ist eine Hauptelektrode 24 angeordnet. Insbesondere kann während des Messbetriebs des Gassensors 10 durch Anlegen eines Pumpstroms IP0 an der Hauptelektrode 24 der im Abgas befindliche Sauerstoff innerhalb der Hauptkavität 20 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen bzw. diffundieren. Zwischen der Hauptelektrode 24 und der Referenzelektrode 52 bildet sich eine Hauptspannung aus, die als Nernstspannung V0 bezeichnet werden kann. Genauer gesagt bildet sich die Hauptspannung V0 direkt aus dem in der Hauptkavität 20 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
Durch das Anlegen des Pumpstroms IP0 und das Steuern bzw. Regeln auf die Hauptspannung V0 kann eine Reduktion der im Abgas enthaltenen Bestandteile hervorgerufen werden. Insbesondere wird innerhalb der Hauptkavität 20 der elementar vorliegende Sauerstoff O₂ mittels des Pumpstroms IP0 ionisiert und aus der Hauptkavität 20 durch den Hauptkörper 12 gepumpt. Außerdem werden innerhalb der Hauptkavität 20 sämtliche Stickstoffoxide NO_x zu Stickstoff reduziert, wobei wiederum die Sauerstoffionen aus der Hauptkavität 20 durch den Hauptkörper 12 gepumpt werden. Außerdem wird innerhalb der Hauptkavität 20 das vorrätige Wasser H₂O zu Wasserstoff reduziert, wobei wiederum die Sauerstoffionen aus der Hauptkavität 20 durch den Hauptkörper 12 gepumpt werden. Außerdem wird innerhalb der Hauptkavität 20 das vorrätige Kohlenstoffdioxid CO₂ zu Kohlenmonoxid reduziert, wobei wiederum die Sauerstoffionen aus der Hauptkavität 20 durch den Hauptkörper 12 gepumpt werden.
Somit ist das aus der Hauptkavität 20 durch den ersten Diffusionspfad 25 in die Hilfskavität 30 strömende Abgas im Wesentlichen frei von Sauerstoff bzw. gebundenem Sauerstoff. Folglich wird der Pumpstrom IP0 derart gesteuert, dass sich eine Hauptspannung V0 ergibt, mit der nahezu sämtlicher Sauerstoff aus dem Abgas innerhalb der Hauptkavität 20 ausgebracht werden kann. Die Hauptspannung V0, die eine Nernstspannung ist, kann dabei ein Maß für die Sauerstoffkonzentration in der Hauptkavität 20 sein. Je größer die Hauptspannung V0 ist, desto weniger Sauerstoff befindet sich in der Hauptkavität 20, da der Großteil an Sauerstoff aus der Hauptkavität 20 abgepumpt wurde.
Innerhalb der Hilfskavität 30 ist eine Hilfselektrode 34 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Gassensors 10 bei Anlegen eines Hilfsstroms IP1 durch den Hauptkörper 12 diffundierende Sauerstoffionen an der Hilfselektrode 34 wieder in Sauerstoff O₂ umzuwandeln und somit Sauerstoff in die Hilfskavität 30 einzubringen. Aufgrund der in die Hilfskavität 30 eingebrachten bzw. hineingepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der Hilfselektrode 34 und der Referenzelektrode 52 eine Hilfsspannung bzw. zweite Nernstspannung V1 aus, die durch Anlegen des Messstroms IP1 an der Hilfselektrode 34 auf konstantem Wert gehalten wird. Genauer gesagt bildet sich die Hilfsspannung bzw. die zweite Nernstspannung V1 direkt aus dem in der Hilfskavität 30 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
Der mittels der Hilfselektrode 34 in die Hilfskavität 30 eingebrachte Sauerstoff ist dazu ausgebildet, nur mit dem aus der Hauptkavität 20 durch den ersten Diffusionspfad 25 in die Hilfskavität 30 strömenden Wasserstoff zu Wasser zu oxidieren.
Innerhalb der Messkavität 40 ist eine Messelektrode 44 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Gassensors 10 bei Anlegen eines Messstroms IP2 durch den Hauptkörper 12 diffundierende Sauerstoffionen an der Messelektrode 44 wieder in Sauerstoff O₂ umzuwandeln und somit Sauerstoff in die Messkavität 40 einzubringen. Aufgrund der in die Messkavität 40 eingebrachten bzw. hineingepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 52 eine Messspannung bzw. Nernstspannung V2 aus, die durch Steuern bzw. Regeln des Messstroms IP2 an der Messelektrode 44 auf konstantem Wert gehalten wird. Genauer gesagt bildet sich die Messspannung bzw. Nernstspannung V2 direkt aus dem in der Messkavität 40 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
Der mittels der Messelektrode 44 in die Messkavität 40 eingebrachte Sauerstoff ist dazu ausgebildet, nur mit dem aus der Hilfskavität 30 durch den zweiten Diffusionspfad 35 in die Messkavität 40 strömenden Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid zu oxidieren.
Der an der Hauptelektrode 24 anliegende Pumpstrom IP0 ist derart eingestellt, dass im Wesentlichen nahezu sämtlicher in der Hauptkavität 20 vorrätige Sauerstoff ionisiert wird. Das heißt, dass neben dem im Abgas befindlichen elementaren Sauerstoff auch der jeweils als entsprechende Oxide gebundene Sauerstoff aus der Hauptkavität 20 ausgebracht bzw. herausgepumpt wird. Beispielsweise beträgt die Hauptspannung ungefähr 1100 mV, wobei sich bei einem Sauerstoffgehalt von ungefähr 20 % ein Hauptstrom von ungefähr 4 mA einstellt.
Der an der Hilfselektrode 34 anliegende Hilfsstrom IP1 und an der Messelektrode 44 anliegende Messtrom IP2 sind jeweils derart eingestellt, dass durch den Hauptkörper 12 diffundieren Sauerstoffionen an der Hilfselektrode 34 bzw. Messelektrode 44 wieder in Sauerstoff umgewandelt wird, so dass jeweils Sauerstoff in die Hilfskavität 30 bzw. Messkavität 40 eingebracht bzw. hineingepumpt wird.
Innerhalb des Hauptkörpers 12 ist ferner eine Heizvorrichtung 60 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper 12 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu heizen und auf dieser zu halten, beispielsweise bei ca. 850°C.
Unter zusätzlichen Verweis auf die 2 ist ein weiterer beispielhafter Gassensor 100 dargestellt, der im Wesentlichen ähnlich zu dem Gassensor 10 der 1 ist. Deshalb sind die aus der 1 bekannten Merkmale in der 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Wesentlichen unterscheidet sich der Gassensor 100 der 2 von dem Gassensor 10 der 1 darin, dass die Hilfskavität 130, der zweite Diffusionspfad 135 und die Messkavität 140 jeweils Teilkavitäten einer gemeinsamen Kavität sind. Der zweite Diffusionspfad 135, der eine an der Messelektrode 44 angebrachte Diffusionsratenregulierungsschicht bzw. Diffusionsbarriere 136 aufweist, verbindet die Hilfskavität 130 mit der Messkavität 140.
Mit den in den 1 und 2 dargestellten Gassensoren 10, 100 kann der Kohlenstoffgehalt innerhalb des Abgases einer Brennkraftmaschine unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren zuverlässig ermittelt werden. Die Ermittlung des Kohlenstoffdioxidgehalts mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorzugsweise in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfolgen.
Die in den 1 und 2 dargestellten Gassensoren 10, 100 können außerdem zum Ermitteln der Feuchtigkeit im Abgas verwendet werden. Hierzu kann der an der Hilfselektrode 34 angelegte Hilfsstrom IP1, mit dem die Hilfsspannung V1 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert bzw. geregelt wird, herangezogen werden, der den Wassergehalt und somit die Feuchtigkeit im Abgas anzeigt. Die somit ermittelte Feuchtigkeit kann beispielsweise zum Plausibilisieren eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Feuchtigkeitssensors herangezogen werden.
Die erfindungsgemäßen Gassensoren 10, 100 der 1 und 2 weisen ferner eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) auf, die dazu ausgebildet ist, die Ströme an die jeweiligen Elektroden 22, 24, 34, 44 und 52 derart anzulegen, dass sich die vorbestimmten Spannungen V0, V1 und V2 einstellen.
Die 3 zeigt eine ein beispielhaftes Ablaufdiagramme eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs mittels des Gassensors 10, 100 der 1 und 2. Obwohl im Folgenden exemplarisch auf den Gassensor 10 der 1 Bezug genommen wird, soll an dieser Stelle ausdrücklich festgehalten werden, dass das hierin beschriebenen Verfahren entsprechend mit dem Gassensor 100 der 2 durchgeführt werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird davon ausgegangen, dass die Brennkraftmaschine betrieben wird, wobei zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kein bestimmter Betriebszustand der Brennkraftmaschine erforderlich ist. Folglich kann der Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den erfindungsgemäßen Gassensoren 10, 100 zu jedem Zeitpunkt bestimmt werden.
Das Verfahren gemäß 3 beginnt am Schritt 200, bei dem bereits Abgas aus dem Abgastrakt durch den Verbindungspfad 15 in die Hauptkavität 20 geströmt ist. Das Abgas besteht aus verschiedensten Bestandteilen, wie beispielsweise elementarem Sauerstoff, Stickstoffoxiden, Wasser und Kohlenstoffdioxid.
In einem ersten Schritt 210 wird an der Hauptelektrode 24 mittels der Steuervorrichtung ein Pumpstrom IP0 angelegt und derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich zwischen der Hauptelektrode 24 und der Pumpelektrode 22 eine vorbestimmte Nernstspannung ausbildet, die dazu ausgebildet ist, dass nahezu sämtlicher Sauerstoff in der Hauptkavität 20 ionisiert wird und durch den Hauptkörper 12 aus der Hauptkavität 20 heraus diffundieren kann. Somit wird der in der Hauptkavität 20 vorliegende Sauerstoff aus der Hauptkavität 20 ausgebracht bzw. herausgepumpt.
Insbesondere werden durch das Anlegen und Steuern des Pumpstroms IP0 und der Hauptspannung V0 die bereits in Bezug auf die 1 erläuterten Reduktionen innerhalb der Hauptkavität 20 hervorgerufen. Der verbleibende Stickstoff, der verbleibende Wasserstoff und das verbleibende Kohlenmonoxid gelangen dann durch den ersten Diffusionspfad 25 in die Hilfskavität 30.
Anschließend wird in einem Schritt 220 mittels der Steuervorrichtung an der Hilfselektrode 34 der Hilfsstrom IP1 angelegt und derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich zwischen der Hilfselektrode 34 und der Referenzelektrode 52 eine vorbestimmte Hilfsspannung V1 ausbildet, die dazu ausgebildet ist, dass Sauerstoff in die Hilfskavität 30 eingebracht wird. Insbesondere Durch Anlegen des Hilfsstroms IP1 an der Hilfselektrode 34 können durch den Hauptkörper 12 Sauerstoffionen diffundieren. Dieser Sauerstoff ist dann dazu ausgebildet, nur den in der Hilfskavität 30 vorliegenden Wasserstoff zu oxidieren und zu Wasser zu oxidieren. Folglich wird in der Hilfskavität 30 der bereits in der Hauptkavität 20 erzeugte Stickstoff und das Kohlenstoffmonoxid durch den darin eingebrachten Sauerstoff nicht oxidiert und können in die Messkavität 40 strömen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann nun der Hilfsstrom IP1 dazu verwendet werden, die Feuchtigkeit im Abgas zu ermitteln. In einer solchen Ausgestaltung ist der Hilfsstrom IP1 direkt proportional zur Wasserkonzentration im Abgas.
Anschließend gelangen der verbleibende Stickstoff, das in der Hilfskavität 30 erzeugte Wasser sowie das Kohlenstoffmonoxid aus der Hilfskavität 30 durch den zweiten Diffusionspfad 35 in die Messkavität 40.
In einem weiteren Schritt 230 wird an der Messelektrode 44 mittels der Steuervorrichtung ein Messstrom IP2 angelegt und derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 52 eine vorbestimmte Messspannung V2 ausbildet, die dazu ausgebildet ist, dass Sauerstoff in die Messkavität 40 eingebracht wird. Genauer gesagt oxidiert der durch Anlegen des Messstroms IP2 an der Messelektrode 44 in die Messkavität 40 eingebrachte Sauerstoff lediglich das Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid.
Somit ist die Messspannung V2 derart ausgewählt, dass in der Messkavität 40 nur das Kohlenstoffmonoxid mit dem darin eingebrachten Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird und keine weiteren Gase, wie beispielsweise Stickstoff oder das eingebrachte Wasser.
In einem weiteren Schritt 240 kann dann aus dem an der Messelektrode 44 anliegenden Messstrom IP2 das Kohlenstoffdioxid im Abgas ermittelt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Messstrom IP2 repräsentativ für den im Abgas befindlichen Kohlenstoffdioxidgehalt ist.
Durch geeignetes Einstellen bzw. Vorbestimmen der Hauptspannung V0, der Hilfsspannung V1 und der Messspannung V2, die jeweils durch den Hauptstrom IP0, Hilfsstrom IP1 und Messstrom IP2 gesteuert bzw. geregelt werden, liegt ein bestimmter Betriebspunkt des Gassensors 10 vor, mit welchem das oben beschriebene Verfahren durchgeführt und der Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zuverlässig ermittelt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 09-297119 A [0005]
EP 0797095 A2 [0005]
EP 0798556 A2 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines in einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Gassensors (10), der dazu ausgebildet ist, einen Kohlenstoffdioxidgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu ermitteln, wobei der Gassensor (10) eine einer Hauptkavität (20) zugeordnete Hauptelektrode (24), eine einer Hilfskavität (30), die mit der Hauptkavität (20) über einen ersten Diffusionspfad (25) verbunden ist, zugeordnete Hilfselektrode (34), eine einer Messkavität (40), die mit der Hilfskavität (30) über einen zweiten Diffusionspfad (35) verbunden ist, zugeordnete Messelektrode (44), eine mit dem Abgas in Verbindung stehende Pumpelektrode (22) und eine mit der Umgebung in Verbindung stehende Referenzelektrode (52) auf, die dazu ausgebildet ist, eine Sauerstoffreferenz für die Hauptelektrode (24), die Hilfselektrode (23) und die Messelektrode (44) zu bilden, wobei das Verfahren umfasst: – Anlegen eines Pumpstroms (IP0) an der Hauptelektrode (24), so dass sich zwischen der Hauptelektrode (24) und der Pumpelektrode (22) eine vorbestimmte Nernstspannung ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff aus der Pumpkavität (20) auszubringen, – Anlegen eines Messtroms (IP2) an der Messelektrode (44), so dass sich zwischen der Messelektrode (44) und der Referenzelektrode (52) eine vorbestimmte Messspannung (V2) ausbildet, die dazu ausgebildet ist, Sauerstoff in die Messkavität (40) einzubringen, und – Ermitteln des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine aus dem an der Messelektrode (44) angelegten Messstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hauptspannung (V0) dazu ausgebildet ist, dass das in der Hauptkavität (20) befindliche Kohlenstoffdioxid zumindest teilweise zu Kohlenstoffmonoxid reduziert wird und das in der Hauptkavität (20) befindliche Wasser zumindest teilweise zu Wasserstoff reduziert wird und die in der Hauptkavität (20) befindlichen Stickstoffoxide zumindest teilweise zu Stickstoff reduziert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: – Anlegen eines Hilfsstroms (IP1) an der Hilfselektrode (34), so dass sich zwischen der Hilfselektrode (34) und der Referenzelektrode (52) eine vorbestimmte Hilfsspannung (V1) ausbildet, die dazu ausgebildet ist, dass lediglich der Wasserstoff innerhalb der Hilfskavität (30) oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Hilfsspannung (V1) dazu ausgebildet ist, dass nur der aus der Hauptkavität (20) durch den ersten Diffusionspfad (25) in die Hilfskavität (30) geströmte Wasserstoff zu Wasser oxidiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, ferner mit: – Ermitteln der Feuchtigkeit im Abgas der Brennkraftmaschine aus dem an der Hilfselektrode (34) angelegten Hilfsstrom (IP1).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messspannung (V2) dazu ausgebildet ist, dass nur das aus der Hauptkavität (20) und/oder Hilfskavität (30) durch den ersten Diffusionspfad (25) und/oder zweiten Diffusionspfad (35) in die Messkavität (40) geströmte Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert wird.
Gassensor (10) zum Ermitteln des Kohlenstoffdioxidgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei der Gassensors (10) aufweist: – einen Hauptkörper (12) aus einem Feststoffelektrolyten, – eine innerhalb des Hauptkörpers (12) angeordnete Hauptkavität (20), in der eine Hauptelektrode (24) angeordnet ist, – eine innerhalb des Hauptkörpers (12) angeordnete Hilfskavität (30), die mit der Hauptkavität (20) über einen ersten Diffusionspfad (25) verbunden ist und in der eine Hilfselektrode (34) angeordnet ist, – eine innerhalb des Hauptkörpers (12) angeordnete Messkavität (40), die mit der Hilfskavität (30) über einen zweiten Diffusionspfad (35) verbunden ist und in der eine Messelektrode (44) angeordnet ist, – eine am Hauptkörper (12) angeordnete Pumpelektrode (22), die mit dem Abgas in Verbindung steht, – eine am Hauptkörper (12) angeordnete Referenzelektrode (52), die mit der Umgebung in Verbindung steht und dazu ausgebildet ist, eine Sauerstoffreferenz für die Hauptelektrode (24), die Hilfselektrode (23) und die Messelektrode (44) zu bilden, und – eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Gassensor (10) nach Anspruch 7, wobei die Pumpelektrode (24) und/oder die Hilfselektrode (34) und/oder die Messelektrode (44) aus einem Material gebildet sind, das eine Platin-Gold-Legierung und/oder eine Platin/Rhodium-Legierung aufweist.
Gassensor (10) nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei der Hauptkörper (12) aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid gebildet ist.
Gassensor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner mit einer innerhalb des Hauptkörpers angeordneten Referenzkavität (50), in der die Referenzelektrode (52) angeordnet ist.