DE102017209300A1

DE102017209300A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes mindestens einer Komponente eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102017209300A1
Application number: DE102017209300.5A
Authority: DE
Inventors: Manuel Marks; Berndt Cramer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-06
Also published as: CN108982633B; CN108982633A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes mindestens einer Komponente eines Sensors (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (126) vorgeschlagen. Der Sensor (110) weist mindestens ein Sensorelement (114) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement (114) weist mindestens eine erste elektrochemische Zelle (130) auf. Die elektrochemische Zelle (130) umfasst mindestens eine erste Elektrode (118), mindestens eine zweite Elektrode (120) und mindestens einen die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (120) verbindenden Festelektrolyten (116). Das Sensorelement (114) weist weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle (134) auf. Die zweite elektrochemische Zelle (134) umfasst mindestens eine dritte Elektrode (122). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
a) Einstellen mindestens eines Diagnosewertes einer Führungsgröße zur Regelung der Komponente;
b) Erfassen einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert;
c) Bestimmen mindestens einer charakteristischen Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße;
d) Bestimmen eines Zustands der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensoren bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂Os) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338 -1347, und Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Aufl. 2012, Seiten 160-165, bekannt sind. Mit Breitbandlambdasonden, insbesondere mit planaren Breitbandlambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ (Lambda) beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Stickoxid-Sensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas.
Durch Kombination einer Pumpzelle, der Messzelle und einer Sauerstoff-Referenzzelle, der Nernstzelle, kann ein Sensor zur Messung des Sauerstoffgehalts in einem Umgebungsgas aufgebaut werden. In einer Pumpzelle, die nach dem amperometrischen Pumpprinzip arbeitet, wandern bei Anlegen einer Spannung oder eines Stromes an die Pumpelektroden, die sich in unterschiedlichen Gasräumen befinden, ein Sauerstoff-Ionenstrom durch einen keramischen Körper (den sauerstoffleitenden Festelektrolyten), der die Gasräume trennt („pumpen“). Wird die Pumpzelle dazu genutzt, den Sauerstoffpartialdruck in einem Hohlraum, in welchem das Umgebungsgas diffundieren kann, konstant zu halten, kann über die Messung des elektrischen Stroms auf die transportierte Menge Sauerstoff geschlossen werden. Dieser Pumpstrom ist, gemäß des Diffusionsgesetzes, direkt proportional zum Sauerstoff- partialdruck im Umgebungsgas. Mit einer Nernstzelle kann das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum zum Sauerstoff-Partialdruck in einem weiteren Referenzgasraum über die sich ausbildende Nernst-Spannung bestimmt werden.
Ein derartiger Sensor kann einen Regelkreis umfassen. Die elektrochemische Einheit eines derartigen Sensors kann dabei als Regelstrecke betrachtet werden. Führungsgröße ist eine Spannungsvorgabe an der Nernstzelle. Die Stellgröße dieses Regelkreises kann dabei eine Pumpspannung oder ein Pumpstrom am Pumpelektrodenpaar sein. Die Regelgröße ist die gemessene Nernst-Spannung, welche ein Maß für den an der Nernstzelle vorliegenden Sauerstoffpartialdruck ist. Ziel der Regelung ist, trotz Änderungen des Sauerstoffgehalts im Abgas, den Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum auf einem spezifizierten bzw. vorgegebenen Wert zu halten. Über die an das Pumpelektrodenpaar angelegte Spannung kann der Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum verändert werden. Durch das Pumpen kann die Gaskonzentration über die angelegte Pumpspannung aktiv beeinflusst werden.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Pumpelektroden und Elektroden der Nernstzelle können auf vielfältige Weise geschädigt werden. Bekannte Analysemethoden zur Erkennung eines Elektrodenzustandes, wie beispielsweise Impedanzspektroskopie, sind aufwändig und während einer On-Board-Diagnose nur schwer durchführbar. Zudem sind spektroskopische Methoden meist auf eine einzelne Elektrode bezogen, jedoch nicht auf ein System.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes mindestens einer Komponente eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und welches insbesondere erlaubt, eine Erkennung einer Schädigung und/oder Alterung verlässlich vorauszusagen und während einer On-Board-Diagnose durchführbar ist.
Der Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, weist ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement weist mindestens eine erste elektrochemische Zelle auf. Die erste elektrochemische Zelle kann beispielsweise als Pumpzelle ausgebildet sein. Die erste elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Das Sensorelement weist weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle. Die zweite elektrochemische Zelle kann als Referenzzelle, insbesondere als Nernstzelle, ausgebildet sein. Die zweite elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine dritte Elektrode. Beispielsweise kann die zweite elektrochemische Zelle mindestens eine vierte Elektrode aufweisen. Die dritte Elektrode und/oder die vierte können mit dem Festelektrolyten verbunden sind. Auch Ausgestaltungen ohne eine vierte Elektrode sind denkbar. Beispielsweise können die Elektroden der ersten elektrochemischen Zelle und der zweiten elektrochemischen Zelle derart kombiniert sein, dass beispielsweise nur drei Elektroden vorhanden sind. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Einstellen mindestens eines Diagnosewertes einer Führungsgröße zur Regelung der Komponente
b) Erfassen einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert
c) Bestimmen mindestens einer charakteristischen Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße
d) Bestimmen eines Zustands der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert.

Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.
Unter einer Komponente kann grundsätzlich ein beliebiges Element des Sensors verstanden werden, insbesondere eine Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: dem Sensorelement, der zweiten elektrochemischen Zelle, mindestens einer Elektrode, mindestens einem Elektrodenpaar, beispielsweise einem Elektrodenpaar der zweiten elektrochemischen Zelle, oder auch einer anderen Komponente eines Regelkreises des Sensors. Unter einem Zustand der Komponente kann ein funktioneller Zustand verstanden werden, insbesondere eine Schädigung oder eine Alterung. Unter Bestimmen des Zustandes kann eine Erfassung einer Information über den Zustand verstanden werden, insbesondere einer Größe oder eines Wertes, welcher direkt oder indirekt mit dem Zustand der Komponente korreliert.
Unter einem Sensor kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Anteil einer Gaskomponente zu erfassen, insbesondere in einem Gasgemisch, beispielsweise in einem Messgasraum wie beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Der Sensor kann beispielsweise ein Breitbandlambdasensor oder ein NOx-Sensor sein.
Unter einem Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas kann ein Element verstanden werden, welches, beispielsweise als Bestandteil der Sensorvorrichtung eingerichtet ist oder dazu beitragen kann, einen Anteil einer Gaskomponente eines Gases zu detektieren. Hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements kann grundsätzlich auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Das Sensorelement kann insbesondere ein keramisches Sensorelement sein, insbesondere ein keramisches Sensorelement mit einem Schichtaufbau. Insbesondere kann das Sensorelement ein planares keramisches Sensorelement sein. Unter einer Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases verstanden werden. Grundsätzlich kann das Sensorelement jedoch eingerichtet sein, eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases zu erfassen, beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Druck des Gases und/oder Partikel im Gas. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich erfassbar. Das Gas kann grundsätzlich ein beliebiges Gas sein, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch oder auch ein anderes Gas. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Gas insbesondere um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch handeln kann. Allgemein kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das zu erfassende Gas befindet. Die Erfindung kann insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar sein, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann. Auch andere Anwendungen sind jedoch denkbar.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Die Bezeichnung „erste“ und „zweite“, sowie „dritte“ und „vierte“ Elektrode werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Elektroden vorhanden sind.
Die erste Elektrode kann mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Insbesondere kann die erste Elektrode zumindest teilweise mit dem Messgasraum verbunden sein, beispielsweise kann die erste Elektrode direkt dem Gas des Messgasraums ausgesetzt sein und/oder durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Beispielsweise kann die erste Elektrode als eine äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein.
Die zweite Elektrode kann in mindestens einem Messhohlraum angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode als eine innere Pumpelektrode ausgestaltet sein. Unter einem Messhohlraum kann ein Hohlraum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher eingerichtet sein kann, einen Vorrat einer Gaskomponente des Gases aufzunehmen. Der Messhohlraum kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein. Weiter kann der Messhohlraum ganz oder teilweise gefüllt sein, beispielsweise mit einem porösen Medium, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid.
Der Messhohlraum kann über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Unter einer Diffusionsbarriere kann eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welches eine Diffusion eines Gases und/oder Fluides und/oder Ionen fördert, aber eine Strömung des Gases und/oder Fluides unterdrückt. Die Diffusionsbarriere kann insbesondere eine poröse keramische Struktur mit gezielt eingestellten Porenradien aufweisen. Die Diffusionsbarriere kann einen Diffusionswiderstand aufweisen, wobei unter dem Diffusionswiderstand der Widerstand zu verstehen ist, welchen die Diffusionsbarriere einem Diffusionstransport entgegensetzt.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden und bilden die erste elektrochemische Zelle, insbesondere eine Pumpzelle. Durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste und die zweite Elektrode kann Sauerstoff durch den Festelektrolyten hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum hinein- oder herausgepumpt werden.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. Bei einem Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyten handeln, beispielsweise um Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Der Festelektrolyt kann vorzugsweise gasundurchlässig sein und/oder kann einen ionischen Transport, beispielsweise einen ionischen Sauerstofftransport, gewährleisten. Insbesondere kann es sich bei der ersten und der zweiten Elektrode um einen elektrisch leitfähigen Bereich handeln, beispielsweise eine elektrisch leitfähige metallische Beschichtung, welcher auf den mindestens einen Festelektrolyten aufgebracht werden kann und/oder in anderer Weise den Festelektrolyten kontaktieren kann. Insbesondere kann durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste und die zweiten Elektrode Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum hinein- oder herausgepumpt werden.
Die dritte Elektrode kann als eine von dem Messgasraum getrennt ausgebildete Referenzelektrode ausgestaltet sein. Die dritte Elektrode kann ganz oder zumindest teilweise mit einem Referenzgasraum verbunden sein, beispielsweise fluidisch und/oder über eine Gasverbindung. Unter einem Referenzgasraum kann ein Raum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher mit einem Umgebungsraum, beispielsweise einem Umgebungsraum um eine Brennkraftmaschine, verbunden ist. Insbesondere kann in dem Umgebungsraum Luft sein. Der Referenzgasraum kann insbesondere über den Festelektrolyten mit dem Messhohlraum verbunden sein. Die vierte Elektrode kann als eine Nernst-Elektrode ausgestaltet sein, welche in dem Messhohlraum angeordnet sein kann.
Die vier Elektroden können als separate Elektrode ausgebildet sein, aber beispielsweise auch als kombinierte Elektroden. So kann das Sensorelement beispielsweise auch zwei elektrochemische Zellen mit nur drei Elektroden aufweisen, wobei eine Elektrode die Funktion von zwei der beschriebenen vier Elektroden übernimmt. Beispielsweise kann die Funktion von Pump- und Referenzzelle auch unter Verwendung nur eines Festelektrolyten realisiert sein.
Das Sensorelement kann ein Heizelement aufweisen. Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und Zuleitungen umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau parallel zu den zwei längsten Hauptachsen der Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin- oder Palladium-Verbindung hergestellt sein.
Der Sensor kann einen Regelkreis aufweisen. Der Regelkreis kann einen Regler aufweisen, beispielsweise einen PI- oder PID-Regler. Unter einem Regelkreis ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein in sich geschlossener Wirkungsablauf für die Beeinflussung einer physikalischen Größe in einem technischen Prozess zu verstehen. Wesentlich hierbei ist die Rückführung des aktuellen Wertes, der auch als Ist-Wert bezeichnet wird, an das Regelgerät, das einer Abweichung vom Soll-Wert kontinuierlich entgegenwirkt. Der Regelkreis kann die Regelstrecke, das Regelgerät und eine negativen Rückkopplung des Ist-Werts als Regelgröße aufweisen. Die Regelgröße kann mit dem Soll-Wert als Führungsgröße verglichen werden. Die Regelabweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert kann dem Regelgerät zugeführt werden, das daraus entsprechend der gewünschten Dynamik des Regelkreises eine Stellgröße, auch Steuergröße genannt, für die Regelstrecke bildet. Unter der Regelstrecke ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Teil des Regelkreises zu verstehen, der die Regelgröße enthält, auf die das Regelgerät über die Stellgröße wirken soll. Die elektrochemische Einheit des Sensors kann die Regelstrecke sein. Beispielsweise kann zwischen den Elektroden der zweiten elektrochemischen Zelle eine Spannung, insbesondere eine Nernst-Spannung, gemessen werden. Die gemessene Spannung kann mit einem Sollwert der Spannung verglichen werden. Durch Einstellen eines Pumpstroms zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann die gemessene Spannung auf einen Sollwert geregelt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, zweite Auflage 2012, Seiten 160-165 bekannt. Der zur Regelung benötigte Pumpstrom kann proportional zum Anteil der Gaskomponente im Gas sein.
Die Führungsgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Referenzspannung, beispielsweise einer Soll-Nernst-Spannung, insbesondere einer Nernst-Spannungsvorgabe; einem Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle; einem Referenzstrom, insbesondere einem Referenzpumpstrom. Die Regelgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Ist-Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für den an der zweiten elektrochemischen Zelle vorliegenden Sauerstoffpartialdruck; einem Ist-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für die Temperatur der zweiten elektrochemischen Zelle. Die Stellgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Pumpspannung, einem Pumpstrom, Heizerleistung. Unter dem Ausdruck „erfasst werden eines Messwertes“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Regelgröße und/oder die Stellgröße beispielsweise als Messsignal von dem Sensorelement ausgegeben wird und/oder die Regelgröße und/oder die Stellgröße von einem Steuergerät verarbeitet und/oder ausgewertet und/oder gespeichert wird.
Die Führungsgröße kann der Pumpstrom der Stellgröße sein. Beispielsweise kann die Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle des Sensorelements die Regelgröße sein. Die Führungsgröße kann eine Referenzspannung und/oder ein Referenzstrom sein, beispielsweise eine Nernst-Spannungsvorgabe. Die zugehörige Stellgröße kann die Pumpspannung der ersten elektrochemischen Zelle sein.
Beispielsweise kann, bei einer Temperaturregelung des Sensors, der Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle die Regelgröße sein. Führungsgröße kann ein Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle sein, Die zugehörige Stellgröße kann die Heizerleistung sein.
Unter einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße kann eine Wiederholungsmessung für jeden eingestellten Diagnosewert verstanden werden. Die Vielzahl kann dabei 5, 10, 20 und mehr Messungen umfassen.
Unter einem Diagnosewert kann grundsätzlich ein Wert der Führungsgröße verstanden werden, welcher vorgegeben und/oder vorgebbar ist, beispielsweise von einer Steuerung des Sensors. Der Diagnosewert kann ein von einem Sollwert abweichender Wert sein. Beispielsweise kann der Diagnosewert eine Verstimmung oder Variation der Führungsgröße sein. Beispielsweise kann die Führungsgröße die Soll-Nernst-Spannung sein. In einem Normalbetrieb des Sensors kann die Führungsgröße eine Nernst-Spannung von 425 mV sein. In Verfahrensschritt a) kann die Führungsgröße in einem Bereich um den eigentlichen Betriebspunkt variiert werden, beispielsweise 425mV ± 50 % oder 300 Ohm ± 25 %. Insbesondere sind auch asymmetrische Variationsbereiche möglich, beispielsweise einem Bereich von 50 mV bis 450 mV (180 Ohm bis 340 Ohm) bei einem Betriebspunkt von 425mV (280 Ohm) von 50 mV bis 450 mV variiert werden. Unter Einstellen eines Diagnosewertes kann eines oder mehreres von Festlegen, Vorgeben, Bestimmen, Verändern des Diagnosewertes verstanden werden. In Schritt a) des Verfahrens kann eine Vielzahl von Diagnosewerten eingestellt werden, beispielsweise vier Diagnosewerte, fünf Diagnosewerte oder auch mehr Diagnosewerte. Die Diagnosewerte, auch Stützstellen genannt, können nacheinander eingestellt werden. Die Diagnosewerte können kontinuierlich eingestellt werden. Beispielsweise können die Diagnosewerte kontinuierlich erhöht oder herabgesetzt werden, beispielsweise gemäß einer Rampenfunktion, insbesondere einer Spannungsrampe. Die Anzahl der Diagnosewerte kann von einer vorgegebenen oder vorgebbaren Verfahrensdauer abhängig sein. An jedem der Diagnosewerte kann eine Erfassung einer Vielzahl von Messwerten der Regelgröße und/oder der Stellgröße erfolgen. Beispielsweise können für fünf Diagnosewerte jeweils 20 Messpunkte erfasst werden. Eine Messzeit für jeden der Messpunkte kann 250 ms sein. Eine Gesamtdauer des Verfahrens kann unter Berücksichtigung von Rechen- und Einschwingzeiten zwischen 20 Sekunden und 1 Minute liegen, insbesondere kann das Verfahren etwa 30 Sekunden dauern.
Die Diagnosewerte können derart eingestellt werden, dass eine Anzahl von Diagnosewerten in einem ersten Phasenbereich der Regelgröße, in welchem eine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, und eine Anzahl von Diagnosewerten in einem zweiten Phasenbereich, in welchem keine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, liegt. Die Anzahl der Diagnosewerte in dem jeweiligen Phasenbereich kann vorgebbar und/oder vorgegeben sein. Unter einer stabilen Regelung kann verstanden werden, dass eine Streuung der Regelgröße innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwertes liegen. Eine Breite des ersten Phasenbereichs, auch Phasenreserve genannt, kann abhängig von dem Alter und/oder Schädigung der zu regelnden Komponente des Sensors sein. Durch eine Alterung und/oder Schädigung kann die Phasenreserve des Sensors verändert, insbesondere limitiert werden, und bei grenzlagiger Führungsgröße eine Neigung zu einer instabilen Regelung erhöht werden. Regelparameter eines neuen Sensors erlauben eine stabile und möglichst schnelle Regelung über einen breiten ersten Phasenbereich. Für Neusensoren können die Regelparameter für den Normalbetrieb mittellagig, beispielsweise eine Nernst-Spannung zwischen 200 und 400 mV, gewählt werden. Bei einem gealterten oder geschädigten Sensor kann der erste Phasenbereich, in dem eine stabile Regelung möglich ist, kleiner sein und eine Regelung abseits eines Standardsollwertes der Führungsgröße nicht mehr möglich sein. Für stark gealterte Sensoren können die Signale selbst bei normalem Betrieb eine Schwingung und erhöhte Streuung aufweisen.
Unter einer charakteristischen Größe kann ein Maß für die Streuung der Regelgröße und/oder der Stellgröße verstanden werden. Die charakteristische Größe kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Standardabweichung, insbesondere einer Standardabweichung in einem Zeitraum; einem anderem Maß für die Schwingungsanfälligkeit, insbesondere Spannweite, Quantilsabstand; Verschiebung eines charakteristischen Mittelwerts (asymmetrische Instabilität), Frequenzanalyse der Schwingung, insbesondere Bestimmung einer charakteristischen Frequenz. Unter Bestimmen einer charakteristischen Größe kann ein Auswerten und/oder ein Berechnen aus der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße verstanden werden. Das Bestimmen kann ein Aufsummieren der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße für jeden der Diagnosewerte und/oder ein Bilden eines Mittelwerts der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße für jeden der Diagnosewerte umfassen. Insbesondere kann das Bestimmen ein Bestimmen einer Standardabweichung umfassen.
Der Vergleich der charakteristischen Größe für die Streuung mit dem Diagnosegrenzwert kann ein Bestimmen einer Differenz und/oder einer Abweichung der charakteristischen Größe und des Diagnosegrenzwertes umfassen. Der Diagnosegrenzwert kann ein vorgegebener oder vorgebbarer Sollwert für die charakteristische Größe sein, beispielsweise ein Sollwert der Standardabweichung der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße.
Beispielsweise kann bei einer Vielzahl von Diagnosewerten eine lineare Interpolation zwischen der für jeden der Diagnosewerte bestimmten charakteristischen Größe erfolgen. Der Kurvenverlauf kann mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren, beispielsweise in der Steuerung hinterlegten, Kurvenverlauf verglichen werden. Aus dem Kurvenverlauf kann ein Grenzpunkt oder Grenzbereich für eine stabile Regelung bestimmt werden. Für Diagnosewerte in einem Grenzbereich zwischen dem ersten Phasenbereich und dem zweiten Phasenbereich und für Diagnosewerte in dem zweiten Phasenbereich kann ein Anstieg der Streuung der erfassten Regelgröße und/oder der erfassten Stellgröße beobachtet werden. Ursache der stärkeren Streuung des gealterten Sensors kann die Oszillationen im Regelsignal sein. Der Regler beginnt zu Schwingen. Die Phasenreserve kann mit Alterung oder Schädigung des Sensors und/oder der Regelzelle limiert werden, so dass der Punkt oder Bereich, in dem der Sensorregler zu schwingen beginnt, ein Maß für dessen Alterung oder Schädigung sein kann.
Das Verfahren kann einen Ausgabeschritt umfassen, bei welchem ein Ergebnis des Vergleichs ausgegeben wird, beispielweise ein Einhalten des Diagnosegrenzwertes oder ein Über- oder Unterschreiten des Diagnosegrenzwertes. Bei einem Überschreiten des Diagnosegrenzwertes kann eine Warnung, beispielsweise eine Fehlermeldung und/oder ein akustisches Signal, ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Ergebnis in der Steuerung, beispielsweise in einem Datenspeicher der Steuerung, hinterlegt werden.
Aus dem Vergleich der charakteristischen Größe mit dem Diagnosewert kann ein Prädiktor für einen Ausfall und/oder Ausfallzeitpunkt bestimmt werden. So kann ein Ausfall außerhalb von regulären Wartungsintervallen vermieden werden. Für die Vorhersage kann ein zeitlicher Verlauf der Ergebnisse des Vergleichs, insbesondere einer zeitlichen Änderung, mit einem Resultat für einen sicheren Ausfall des Reglers verglichen werden und damit eine Vorhersage für den wahrscheinlichen Ausfall getroffen werden.
In einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist. In einem weiteren Aspekt wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, mindestens einen Diagnosewert einer Führungsgröße zur Regelung mindestens einer Komponente eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum einzustellen. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, eine Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder eine Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert zu erfassen. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, mindestens eine charakteristische Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße zu bestimmen. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, einen Zustand der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert zu bestimmen. Hinsichtlich der Definitionen und Ausführungsformen wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
In einem weiteren Aspekt wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement weist mindestens eine erste elektrochemische Zelle auf. Die erste elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Das Sensorelement weist weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle auf. Die zweite elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine dritte Elektrode. Der Sensor weist weiterhin ein elektronisches Steuergerät mit dem erfindungsgemäßen Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Hinsichtlich der Definitionen und Ausführungsformen wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen sind vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen. Eine On-Board-Diagnose zur Alterungsbestimmung der an der Regelung beteiligten elektrochemischen Zellen des Abgassensors kann ermöglicht werden, für alle geregelten Sensoren mit einer Regelung, beispielsweise einer PI- oder PID-Regelung. So können im Betrieb geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden, ein Ausfall während des Betriebs vermieden werden und Standzeiten minimiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vereinfachte und schnelle Funktionsbestimmung des Sensors im Vergleich zu bekannten Verfahren.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors,
2 eine schematische Darstellung eines ersten und zweiten Phasenbereichs,
3A und 3B eine schematische Darstellung einer Änderung der Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte für drei Zustände des Sensors (3A) und eine schematische Darstellung einer numerischen Implementierung anhand von Stützstellen (3B), und
4A bis C schematische Darstellungen eines Einflusses einer Variation der Führungsgröße auf ein NO-Signal, ein Sauerstoff-Signal, und die Regelgröße für drei Zustände des Sensors.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 110. Der in 1 dargestellte Sensor 110 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases in einem Messgasraum verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. Wie in 1 schematisch dargestellt, kann das Abgas in den Sensor strömen, gekennzeichnet mit Richtungspfeil 112.
Der Sensor 110 weist ein Sensorelement 114 auf. Das Sensorelement 114 kann als keramischer Schichtaufbau ausgebildet sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist das Sensorelement 114 einen Festelektrolyten 116, eine erste Elektrode 118, eine zweite Elektrode 120, eine dritte Elektrode 122 und eine vierte Elektrode 124 auf. Der Festelektrolyt 116 kann aus mehreren keramischen Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Beispielsweise umfasst der Festelektrolyt 116 eine Pumpfolie oder Pumpschicht, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht und eine Heizfolie bzw. Heizschicht, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. Das Sensorelement 110 kann einen Gaszutrittsweg aufweisen. Der Gaszutrittsweg kann ein Gaszutrittsloch aufweisen, das sich von einer Oberfläche des Festelektrolyten 116 ins Innere des Schichtaufbaus des Sensorelements 114 erstreckt.
Die erste Elektrode 118 kann auf der Oberfläche des Festelektrolyten 116 angeordnet sein. Die erste Elektrode118 kann mit Gas aus dem Messgasraum 126 beaufschlagbar sein. Insbesondere kann die erste Elektrode zumindest teilweise mit dem Messgasraum verbunden sein, beispielsweise kann die erste Elektrode direkt dem Gas des Messgasraums 126 ausgesetzt sein und/oder durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht mit Gas aus dem Messgasraum126 beaufschlagbar sein. Beispielsweise kann die erste Elektrode 118 als eine äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein.
Die zweite Elektrode 120 kann in mindestens einem Messhohlraum 128 angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode 120 als eine innere Pumpelektrode ausgestaltet sein. Der Messhohlraum 128 kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein. Weiter kann der Messhohlraum 128 ganz oder teilweise gefüllt sein, beispielsweise mit einem porösen Medium, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid. Der Messhohlraum 128 kann über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum 126 beaufschlagbar sein.
Die erste Elektrode 118 und die zweite Elektrode 120 sind über den mindestens einen Festelektrolyten 116 verbunden und bilden eine erste elektrochemische Zelle 130, insbesondere eine Pumpzelle. Durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste Elektrode 118 und die zweite Elektrode120 kann Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum 128 hinein- oder herausgepumpt werden.
Die dritte Elektrode 122 kann als eine von dem Messgasraum 126 getrennt ausgebildete Referenzelektrode ausgestaltet sein. Die dritte Elektrode 122 kann zumindest teilweise mit einem Referenzgasraum 132 verbunden sein, beispielsweise fluidisch und/oder über eine Gasverbindung. Der Referenzgasraum 132 kann insbesondere über den Festelektrolyten 116 mit dem Messhohlraum 128 verbunden sein. Die vierte Elektrode 124 kann als eine Nernst-Elektrode ausgestaltet sein, welche in dem Messhohlraum 128 angeordnet sein kann. Die dritte Elektrode 122 und die vierte Elektrode 124 können über den mindestens einen Festelektrolyten 116 verbunden sein und bilden eine zweite elektrochemische Zelle 134, insbesondere eine Nernstzelle.
Mittels der ersten elektrochemischen Zelle 130 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die erste elektrochemische Zelle 130 derart eingestellt werden, dass in dem Messhohlraum 128 die Bedingung λ (Lambda) = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der zweiten elektrochemischen Zelle 134 erfasst, indem eine Spannung V_N zwischen der dritten Elektrode 122 und der vierten Elektrode 124 gemessen wird. Da in dem Referenzgasraum 132 eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt bzw. diese einem Sauerstoffüberschuss ausgesetzt ist, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Messhohlraum 128 geschlossen werden.
Weiter kann das Sensorelement 114 eine NOx-Messzelle 136 aufweisen, welche von eine über den Festelektrolyt verbundenen fünften Elektrode 138, welche in einem zweiten Messhohlraum angeordnet ist, und sechsten Elektrode 140, welche in dem Referenzgasraum 132 angeordnet ist, gebildet wird. Das Sensorelement 114 kann somit drei Elektrodenpaare umfassen, das Elektrodenpaar der ersten elektrochemischen Zelle 130, das Elektrodenpaar der zweiten elektrochemischen Zelle 134 und das Elektrodenpaar der NOx-Messzelle 136.
Der Sensor 110 kann einen Regelkreis aufweisen. Der Regelkreis kann einen Regler aufweisen, beispielsweise einen PI- oder PID-Regler. Der Regelkreis kann eine Regelstrecke, ein Regelgerät und eine negative Rückkopplung des Ist-Werts als Regelgröße aufweisen. Die Regelgröße kann mit dem Soll-Wert als Führungsgröße verglichen werden. Die Regelabweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert kann dem Regelgerät zugeführt werden, das daraus entsprechend der gewünschten Dynamik des Regelkreises eine Stellgröße, auch Steuergröße genannt, für die Regelstrecke bildet. Die elektrochemische Einheit des Sensors 114 kann die Regelstrecke sein. Beispielsweise kann zwischen der vierten Elektrode 124 und der dritten Elektrode 122 eine Spannung, insbesondere eine Nernst-Spannung, gemessen werden. Die gemessene Nernst-Spannung kann mit einem Sollwert der Nernst-Spannung verglichen werden. Durch Einstellen eines Pumpstroms zwischen der ersten Elektrode 118 und der zweiten Elektrode 120 kann die gemessene Nernst-Spannung auf den Sollwert der Nernst-Spannung geregelt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, zweite Auflage 2012, Seiten 160-165 bekannt. Der zur Regelung benötigte Pumpstrom kann proportional zum Anteil der Gaskomponente im Gas sein.
Der Sensor 110 umfasst ein elektronisches Steuergerät 142, welches eingerichtet ist, mindestens einen Diagnosewert einer Führungsgröße zur Regelung mindestens einer Komponente eines Sensors 114 einzustellen. Das elektronische Steuergerät 142 ist eingerichtet, eine Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder eine Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert zu erfassen. Das elektronische Steuergerät 142 ist eingerichtet, mindestens eine charakteristische Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße zu bestimmen. Das elektronische Steuergerät 142 ist eingerichtet, einen Zustand der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert zu bestimmen.
Die Führungsgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Referenzspannung, beispielsweise einer Soll-Nernst-Spannung, insbesondere einer Nernst-Spannungsvorgabe; einem Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle; einem Referenzstrom, insbesondere einem Referenzpumpstrom. Die Regelgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Ist-Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für den an der zweiten elektrochemischen Zelle vorliegenden Sauerstoffpartialdruck; einem Ist-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für die Temperatur der zweiten elektrochemischen Zelle. Die Stellgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Pumpspannung, einem Pumpstrom, Heizerleistung. Beispielsweise kann die Nernst-Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle 134 die Regelgröße sein. Die Führungsgröße kann eine Nernst-Spannungsvorgabe sein. Beispielsweise kann die Führungsgröße im Normalbetrieb des Sensors 425 mV sein. Die zugehörige Stellgröße kann die Pumpspannung der ersten elektrochemischen Zelle 130 sein. Beispielsweise kann, bei einer Temperaturregelung des Sensors 114, der Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle 134 die Regelgröße sein. Führungsgröße kann ein Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle 134 sein, welcher beispielsweise in einem Normalbetrieb im Bereich von 230 Ω liegt. Die zugehörige Stellgröße kann die Heizerleistung sein.
Die Diagnosewerte können derart eingestellt werden, dass eine Anzahl von Diagnosewerten in einem ersten Phasenbereich 144 der Regelgröße, in welchem eine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, und eine Anzahl von Diagnosewerten in einem zweiten Phasenbereich 146, in welchem keine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, liegt. Die Anzahl der Diagnosewerte in dem jeweiligen Phasenbereich kann vorgebbar und/oder vorgegeben sein. Bei einer stabilen Regelung kann eine Streuung der Regelgröße innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwertes liegen. 2 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Phasenbereichs 144 und des zweiten Phasenbereichs 146 als Funktion der Regelgröße V_Reg.
Eine Breite des ersten Phasenbereichs 144 kann abhängig von dem Alter und/oder Schädigung der zu regelnden Komponente des Sensors 114 sein. Durch eine Alterung und/oder Schädigung kann die Phasenreserve verändert, insbesondere limitiert werden, und bei grenzlagiger Führungsgröße eine Neigung zu einer instabilen Regelung erhöht werden. Regelparameter eines neuen Sensors erlauben eine stabile und möglichst schnelle Regelung über einen breiten ersten Bereich. Für Neusensoren können die Regelparameter für den Normalbetrieb mittellagig, beispielsweise eine Nernst-Spannung zwischen 200 und 400 mV, gewählt werden. Beispielsweise kann ein Arbeitspunkt W_P in der Mitte des ersten Phasenbereichs 144 gewählt werden. Bei einem gealterten oder geschädigten Sensor kann der erste Bereich, in dem eine stabile Regelung möglich ist, kleiner sein und eine Regelung abseits eines Standardsollwertes der Führungsgröße nicht mehr möglich sein. Für stark gealterte Sensoren können die Signale selbst bei normalem Betrieb eine Schwingung und erhöhte Streuung aufweisen.
Das elektronische Steuergerät 142 kann eingerichtet sein, eine Wiederholungsmessung der Regelgröße und/oder Stellgröße für jeden eingestellten Diagnosewert durchzuführen, beispielsweise 5, 10, 20 und mehr Messungen. Die charakteristische Größe kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Standardabweichung, insbesondere einer Standardabweichung in einem Zeitraum; einem anderem Maß für die Schwingungsanfälligkeit, insbesondere Spannweite, Quantilsabstand; Verschiebung eines charakteristischen Mittelwerts (asymmetrische Instabilität), Frequenzanalyse der Schwingung, insbesondere Bestimmung einer charakteristischen Frequenz.
3A zeigt eine schematische Darstellung einer Änderung der Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für drei Zustände des Sensors 114. Der Diagnosewert kann ein von einem Sollwert abweichender Wert sein. Beispielsweise kann der Diagnosewert eine Verstimmung oder Variation der Führungsgröße sein. Beispielsweise kann die Führungsgröße die Soll-Nernst-Spannung sein. In einem Normalbetrieb des Sensors kann die Führungsgröße eine Nernst-Spannung von 425 mV sein. Das elektronische Steuergerät kann eingerichtet sein, die Führungsgröße in einem Bereich um den eigentlichen Betriebspunkt variiert werden, beispielsweise 425mV ± 50 % oder 300 Ohm ± 25 %. Insbesondere sind auch asymmetrische Variationsbereiche möglich, beispielsweise einem Bereich von 50 mV bis 450 mV (180 Ohm bis 340 Ohm) bei einem Betriebspunkt von 425mV (280 Ohm) von 50 mV bis 450 mV variiert werden. Kurve 148 zeigt die Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für einen Neusensor. Kurve 150 zeigt die Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für einen gealterten Sensor. Kurve 152 zeigt die Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für einen stark gealterten Sensor. Der Grenzpunkt für eine stabile Regelung verschiebt sich mit zunehmendem Alter.
Beispielsweise kann eine Vielzahl von Diagnosewerten eingestellt werden. 3B zeigt eine schematische Darstellung einer numerischen Implementierung anhand von fünf Stützstellen für einen Neusensor (Kurve 154), einen gealterten Sensor (Kurve 156) und einen stark gealterten Sensor (Kurve 158). Auch eine Einstellung von mehr als fünf Diagnosewerten ist jedoch denkbar. Die Diagnosewerte können nacheinander eingestellt werden. Die Diagnosewerte können kontinuierlich eingestellt werden. Beispielsweise können die Diagnosewerte kontinuierlich erhöht oder herabgesetzt werden, beispielsweise gemäß einer Rampenfunktion, insbesondere einer Spannungsrampe. Die Anzahl der Diagnosewerte kann von einer vorgegebenen oder vorgebbaren Verfahrensdauer abhängig sein. An jedem der Diagnosewerte kann eine Erfassung einer Vielzahl von Messwerten der Regelgröße und/oder der Stellgröße erfolgen. Beispielsweise können für fünf Diagnosewerte jeweils 20 Messpunkte erfasst werden. Eine Messzeit für jeden der Messpunkte kann 250 ms sein. Eine Gesamtdauer des Verfahrens kann unter Berücksichtigung von Rechen- und Einschwingzeiten zwischen 20 Sekunden und 1 Minute liegen, insbesondere kann das Verfahren etwa 30 Sekunden dauern. Beispielsweise kann eine lineare Interpolation zwischen der für jeden der Diagnosewerte bestimmten charakteristischen Größe erfolgen. Der Kurvenverlauf kann mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren, beispielsweise in der Steuerung hinterlegten, Kurvenverlauf verglichen werden. Aus dem Kurvenverlauf kann ein Grenzpunkt oder Grenzbereich für eine stabile Regelung bestimmt werden. Für Diagnosewerte in einem Grenzbereich zwischen dem ersten Phasenbereich und dem zweiten Phasenbereich und für Diagnosewerte in dem zweiten Phasenbereich kann ein Anstieg der Streuung der erfassten Regelgröße und/oder der erfassten Stellgröße beobachtet werden. Ursache der stärkeren Streuung des gealterten Sensors kann die Oszillationen im Regelsignal sein. Der Regler beginnt zu schwingen. Die Phasenreserve kann mit Alterung oder Schädigung des Sensors und/oder der Regelzelle limitiert werden, so dass der Punkt oder Bereich, in dem der Sensorregler zu schwingen beginnt, ein Maß für dessen Alterung oder Schädigung sein kann.
4A bis 4C zeigen schematische Darstellungen eines Einflusses einer Variation der Führungsgröße auf ein NOx-Signal (NOx), ein Sauerstoff-Signal (O₂), und die Regelgröße V_S als Funktion der Zeit t für drei Zustände des Sensors, nämlich neu 160, gealtert 162 und stark gealtert 162. In 4A ist die Soll-Nernst-Spannung 425 mV, in 4B 225 mV und in 4C ist die Nernst-Spannung « 225 mV. Während die Nernst-Spannung bei einem neuen Sensor konstant, in einem breiten Phasenbereich, geregelt werden kann, zeigt ein gealterter Sensor mit zunehmendem Alter ein zunehmend instabiles Verhalten. Die 4A bis 4C zeigen, dass sich die Instabilität des Reglers auch auf das NOx-Signal und das Sauerstoff-Signal auswirkt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes mindestens einer Komponente eines Sensors (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (126), wobei der Sensor (110) mindestens ein Sensorelement (114) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases aufweist, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine erste elektrochemische Zelle (130) aufweist, wobei die erste elektrochemische Zelle (130) mindestens eine erste Elektrode (118), mindestens eine zweite Elektrode (120) und mindestens einen die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (120) verbindenden Festelektrolyten (116) umfasst, wobei das Sensorelement (114) weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle (134) aufweist, wobei die zweite elektrochemische Zelle (134) mindestens eine dritte Elektrode (122) umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Einstellen mindestens eines Diagnosewertes einer Führungsgröße zur Regelung der Komponente; b) Erfassen einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert; c) Bestimmen mindestens einer charakteristischen Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße; d) Bestimmen eines Zustands der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus dem Vergleich der charakteristischen Größe mit dem Diagnosewert ein Prädiktor für einen Ausfall und/oder Ausfallzeitpunkt bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die charakteristische Größe mindestens eine Größe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Standardabweichung; einem anderem Maß für die Schwingungsanfälligkeit, insbesondere Spannweite, Quantilsabstand; Verschiebung eines charakteristischen Mittelwerts, Frequenzanalyse der Schwingung, insbesondere Bestimmung einer charakteristischen Frequenz.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Schritt a) eine Vielzahl von Diagnosewerten eingestellt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Diagnosewerte derart eingestellt werden, dass eine Anzahl von Diagnosewerten in einem ersten Phasenbereich der Regelgröße, in welchem eine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, und eine Anzahl von Diagnosewerten in einem zweiten Phasenbereich, in welchem keine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße mindestens eine Größe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Referenzspannung, beispielsweise einer Soll-Nernst-Spannung, insbesondere einer Nernst-Spannungsvorgabe; einem Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle (134); einem Referenzstrom, insbesondere einem Referenzpumpstrom.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Führungsgröße die Soll-Nernst-Spannung ist, wobei in Verfahrensschritt a) die Führungsgröße in einem Bereich um den eigentlichen Betriebspunkt variiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Führungsgröße der Pumpstrom der Stellgröße ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelgröße mindestens eine Größe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Ist-Spannung an zweiten elektrochemischen Zelle (134), einem Ist-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle (134), einem Pumpstrom der zweiten elektrochemischen Zelle.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stellgröße mindestens eine Größe ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Pumpspannung, einem Pumpstrom, Heizerleistung.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (142), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst, wobei das elektronische Steuergerät (142) eingerichtet ist, mindestens einen Diagnosewert einer Führungsgröße zur Regelung mindestens einer Komponente eines Sensors (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum einzustellen, wobei das elektronische Steuergerät (142) eingerichtet ist, eine Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder eine Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert zu erfassen, wobei das elektronische Steuergerät (142) eingerichtet ist, mindestens eine charakteristische Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße zu bestimmen, wobei das elektronische Steuergerät (142) eingerichtet ist, einen Zustand der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert zu bestimmen.
Sensor (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (126) umfassend ein Sensorelement (114) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine erste elektrochemische Zelle (130) aufweist, wobei die erste elektrochemische Zelle (130) mindestens eine erste Elektrode (118), mindestens eine zweite Elektrode (120) und mindestens einen die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (120) verbindenden Festelektrolyten (116) umfasst, wobei das Sensorelement (114) weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle (134) aufweist, wobei die zweite elektrochemische Zelle (134) mindestens eine dritte Elektrode (122) umfasst, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät (142) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.