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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Abgassensor zum Erfassen des Ammoniakanteils im Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren und einen Abgassensor zum Erfassen der Ammoniakkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine.
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Abgassensoren, wie z. B. Stickoxidsensoren, erlauben eine Messung der Konzentration von Komponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren. Das Abgas der Brennkraftmaschine weist als Komponenten u.a. Ammoniak (NH3) und Stickoxide (NOx) auf, wobei die Kenntnis der jeweiligen Konzentration für die Steuerung der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein kann.
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Die
WO 2017/222001 A1 ,
WO 2017/222002 A1 und
WO 2017/222003 A1 offenbaren jeweils Stickoxidsensoren, die mit einer Vorkavität bereitgestellt werden, in der eine Vorelektrode vorgesehen ist. Durch Ansteuerung der Pumpelektrode und der Vorelektrode kann qualitativ der Ammoniakanteil im Abgas der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
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Die noch nicht veröffentlichte
deutsche Patentanmeldung 10 2018 213 352.2 betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines einen Hauptkörper aufweisenden Abgassensors, der eine Vorelektrode, die einer mit dem Abgas über einen Verbindungspfad verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Vorkavität zugeordnet ist, eine Pumpelektrode, die einer mit der Vorkavität über einen Vor-Diffusionspfad mit einer Vor-Diffusionsrate verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Pumpkavität zugeordnet ist, und eine Messelektrode aufweist, die einer mit der Pumpkavität über einen Diffusionspfad mit einer Diffusionsrate verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Messkavität zugeordnet ist und einen den Stickoxidgehalt des Abgases anzeigenden Messwert ausgibt. Das daraus bekannte Verfahren umfasst Erfassen eines ersten Stickoxidwerts mittels der Messelektrode durch elektrisches Ansteuern der Pumpelektrode, während die Vorelektrode deaktiviert ist, ein Erfassen eines zweiten Stickoxidwerts mittels der Messelektrode durch elektrisches Ansteuern der Vorelektrode, während die Pumpelektrode deaktiviert ist, und ein Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf dem erfassten ersten Stickoxidwert und zumindest teilweise basierend auf dem erfassten zweiten Stickoxidwert.
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Ein auf dem amperometrischen Messprinzip basierender Stickoxidsensor ist sowohl auf Stickoxid als auch auf Ammoniak empfindlich. Im kontinuierlichen Messbetrieb kann ein solcher Sensor zum Ermitteln von sowohl dem Stickoxid- als auch dem Ammoniakgehalt in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, in denen der Stickoxidsensor unterschiedlich stark auf Ammoniak querempfindlich ist. Dabei ist es erforderlich, den Abgassensor für eine vorbestimmte Zeit in jedem Betriebsmodus zu betreiben, da sich der Abgassensor, insbesondere die Steuerung bzw. Regelung des Abgassensors, in jedem Betriebsmodus einschwingen muss.
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Damit eine möglichst genaue Bestimmung des Ammoniakgehalts möglich ist, sind Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorteilhaft, in denen sowohl der Stickoxid- als auch der Ammoniakanteil im Abgas im Wesentlichen konstant sind. Jedoch gilt dies beispielsweise nicht im transienten Brennkraftmaschinenbetrieb, d. h. während Beschleunigungsphasen, Lastwechseln und in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, während denen sich die NOx-Konzentration im Abgas (stark) ändern. Dadurch kann eine genaue Ermittlung des Stickoxid- und Ammoniakgehalts erschwert sein. Ferner kann die oben genannte vorbestimmte Zeit, für die der Abgassensor jeweils in jedem Betriebsmodus betrieben werden muss, für eine exakte Ermittlung der Anteile zu lange sein.
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In Anbetracht des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einen Abgassensor bereitzustellen, mit denen der Ammoniakanteil auf einfache Weise möglichst genau und in möglichst kurzer Zeit unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Abgassensor gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, einen Abgassensor abwechselnd in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi derart zu betreiben, dass die Messsignale, insbesondere die Messströme, in jedem der beiden Betriebsmodi jeweils einen Stickoxidgehalt im Abgas anzeigen, wobei anhand des Verhaltens des Messsignals, insbesondere Messstroms, beim Umschalten zwischen den zwei Betriebsmodi der Ammoniakgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine ermittelt bzw. zumindest teilweise abgeschätzt werden kann. Insbesondere basiert die Erfindung darauf, dass der Abgassensor in den zwei Betriebsmodi unterschiedlich auf Ammoniak querempfindlich ist und somit das Verhalten des Messsignals des Abgassensors, insbesondere der Messstrom des Abgassensors, beim Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi zum Ermitteln des Ammoniakgehalts im Abgas herangezogen werden kann.
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Folglich ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels eines Abgassensors offenbart. Der Abgassensor umfasst einen Hauptkörper, eine Vorelektrode, die einer mit dem Abgas verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Vorkavität zugeordnet ist, eine Pumpelektrode, die einer mit der Vorkavität verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Pumpkavität zugeordnet ist, und eine Messelektrode, die einer mit der Pumpkavität verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Messkavität zugeordnet ist und an der ein den Stickoxidgehalt des Abgases anzeigender Messstrom anlegbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren weist ein Aufzeichnen des an der Messelektrode anliegenden Messstroms während dem Betreiben des Abgassensors, ein Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode, ein Ermitteln einer Änderung des aufgezeichneten Messstroms aufgrund des Aktivierens oder Deaktivierens der Vorelektrode und ein Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Änderung des aufgezeichneten Messstroms.
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Der Schritt des Aktivierens oder Deaktivierens der Vorelektrode geschieht dabei in Abhängigkeit des derzeit vorliegenden Betriebsmodus des Abgassensors. Die Vorelektrode wird aktiviert, wenn sich der Abgassensor in einem ersten Betriebsmodus befindet, in dem die Vorelektrode deaktiviert ist. Durch das Aktivieren der Vorelektrode wird in einen zweiten Betriebsmodus des Abgassensors umgeschaltet. Im Gegensatz dazu wird die Vorelektrode deaktiviert, wenn sich der Abgassensor im zweiten Betriebsmodus befindet, in dem die Vorelektrode aktiviert ist. Durch das Deaktivieren der Vorelektrode wird somit wieder in den ersten Betriebsmodus des Abgassensors umgeschaltet. Durch das Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode erfolgt das Umschalten bzw. Wechseln zwischen den beiden Betriebsmodi des Abgassensors.
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Ein Aktivieren der Vorelektrode kann beispielsweise durch ein Anlegen eines Vor-Pumpstroms an der Vorelektrode erfolgen, die zuvor unbestromt bzw. niedrig bestromt, beispielsweise mit ungefähr 50 mV oder weniger, war. Entsprechend kann ein Deaktivieren der Vorelektrode beispielsweise ein Unterbrechen der Bestromung der Vorelektrode mit dem Vor-Pumpstrom aufweisen. Bei einer aktivierten bzw. bestromten Vorelektrode liegt eine Spannung von ungefähr 350 mV an.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Deaktivieren oder Aktivieren der Pumpelektrode beim Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode auf. Das heißt, dass sich die beiden Betriebsmodi des Abgassensors darin unterscheiden, dass im ersten Betriebsmodus des Abgassensors die Vorelektrode deaktiviert und die Pumpelektrode aktiviert ist und im zweiten Betriebsmodus des Abgassensors die Vorelektrode aktiviert ist und die Pumpelektrode weiterhin aktiviert bleibt. Somit ist in jedem der beiden Betriebsmodi die Pumpelektrode aktiviert, wobei im ersten Betriebsmodus die Vorelektrode deaktiviert ist und im zweiten Betriebsmodus die Vorelektrode aktiviert ist.
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Alternativ dazu können sich die beiden Betriebsmodi des Abgassensors darin unterscheiden, dass im ersten Betriebsmodus des Abgassensors die Vorelektrode deaktiviert und die Pumpelektrode aktiviert ist und im zweiten Betriebsmodus des Abgassensors die Vorelektrode aktiviert und die Pumpelektrode deaktiviert ist. Somit ist in jedem der beiden Betriebsmodi lediglich eine der beiden Elektroden, also Vorelektrode oder Pumpelektrode, aktiviert und die andere deaktiviert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Aufzeichnen des an der Messelektrode anliegenden Messstroms ein Filtern des Messsignals mittels eines Signalfilters, wie beispielsweise ein Hochpassfilter oder ein Tiefpassfilter, auf. Durch das Filtern des Messstroms wird ein gefilterter zeitlicher Verlauf des Messstroms erhalten, der im Hinblick auf das Ermitteln des Ammoniakgehalts besser ausgewertet werden kann als der ungefilterte zeitliche Verlauf des Messstroms. Insbesondere wird durch das Filtern des Messsignals der zeitliche Verlauf des Messstroms zumindest teilweise geglättet und weist weniger Rauschen auf.
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Vorzugsweise umfasst die Änderung des aufgezeichneten Messstroms einen Gradienten, eine Totzeit, eine Anstiegszeit und/oder eine Abfallzeit. Der Gradient beschreibt dabei die mathematische Ableitung des Verlaufs des Messstroms nach dem Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode. Die Totzeit (auch Laufzeit oder Transportzeit genannt) beschreibt die Zeitspanne zwischen dem Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode bis zum den Zeitpunkt, an dem sich der Verlauf des Messstroms ändert, beispielsweise ansteigt oder abfällt. Die Anstiegszeit bzw. Abstiegszeit beschreibt diejenige Zeitspanne nach dem Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode, während der der Verlauf des Messstroms von seinem Ausgangswert zu seinem dann eingeschwungenen Wert benötigt. Zusätzlich kann als Änderungsparameter ein Differenzwert herangezogen werden, der die Differenz des Messstroms zum Zeitpunkt des Umschaltens und des Messstroms nach einer vorbestimmten Zeit, wie beispielsweise 0,5 s, nach dem Umschalten beschreibt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Änderungsparameter, auf dessen Basis der Ammoniakanteil bestimmt wird, als der Mittelwert mehrerer Änderungsparameter über mehrere Umschaltvorgänge verwendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ermitteln der Änderung des aufgezeichneten Messstroms für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Aktivieren oder Deaktivieren der Vorelektrode. Vorzugsweise beträgt die vorbestimmte Zeitspanne ungefähr 1,0 s, vorzugweise ungefähr 0,7 s, noch bevorzugter ungefähr 0,5 s. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die vorbestimmte Zeitspanne die technisch mögliche, kleinste Zeitspanne ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abgassensor zum Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas einer Brennkraftmaschine offenbart. Der erfindungsgemäße Abgassensor weist einen Hauptkörper, eine Vorelektrode, die einer mit dem Abgas verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Vorkavität zugeordnet ist, eine Pumpelektrode, die einer mit der Vorkavität verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Pumpkavität zugeordnet ist, eine Messelektrode, die einer mit der Pumpkavität verbundenen und im Hauptkörper vorgesehenen Messkavität zugeordnet ist und einen den Stickoxidgehalt des Abgases anzeigenden Messwert ausgibt, und eine Steuereinheit auf, die mit der Vorelektrode, der Pumpelektrode und der Messelektrode verbunden und dazu ausgebildet ist, den Ammoniakanteil im Abgas gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zu ermitteln.
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Bevorzugt weist der erfindungsgemäße Abgassensor ferner eine weitere Pumpelektrode auf, die einer im Hauptkörper vorgesehenen weiteren Pumpkavität zugeordnet ist, die mit der Pumpkavität und der Messkavität zwischenverbunden ist.
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Vorzugsweise ist der Abgassensor ein Stickoxidsensor, der mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner den Ammoniakanteil im Abgas einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs ermitteln kann.
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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 aus dem Stand der Technik bekannten Abgassensor zeigt,
- 2 eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Abgassensor zeigt,
- 3 ein beispielhaftes Diagramm eines zeitlichen Verlaufs des Messstroms des erfindungsgemäßen Abgassensors zeigt, der mit zwei Betriebsmodi betrieben werden kann,
- 4 ein beispielhaftes Diagramm zeigt, das den Ammoniakgehalt im Abgas einer Brennkraftmaschine über dem Gradienten der Änderung des Verlaufs des Messstroms des erfindungsgemäßen Abgassensors aufgetragen darstellt, und
- 5 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas einer Brennkraftmaschine zeigt,
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Unter Verweis auf die 1 ist eine schematische Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Stickoxidsensors 10 dargestellt, der dazu ausgebildet ist, in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet zu werden und den Stickoxidgehalt bzw. den Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu erfassen.
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Der Stickoxidsensor 10 weist einen Hauptkörper 12 aus einem Feststoffelektrolyten auf, der vorzugsweise aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder durch einen Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid gebildet ist. Zusätzlich kann ein Mischkristall aus Hafniumoxid, ein Mischkristall aus Perowskitbasierten Oxiden oder ein Mischkristall aus trivalentem Metalloxid verwendet werden.
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Innerhalb des Hauptkörpers 12 ist eine erste Pumpkavität 20, eine zweite Pumpkavität 30 und eine Messkavität 40 vorgesehen. Die erste Pumpkavität 20 ist über einen Verbindungspfad 15 mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 verbunden. Insbesondere kann Abgas durch den Verbindungspfad 15 in die erste Pumpkavität 20 strömen bzw. diffundieren. Die zweite Pumpkavität 30 ist mit der ersten Pumpkavität 20 über einen ersten Diffusionspfad 25 verbunden. Der erste Diffusionspfad 25 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den Sauerstoff mit einer vorbestimmten Rate strömen bzw. diffundieren kann. Alternativ kann der erste Diffusionspfad 25 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein.
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Die Messkavität 40 ist mit der zweiten Pumpkavität 30 über einen zweiten Diffusionspfad 35 verbunden. Der zweite Diffusionspfad 35 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den Sauerstoff mit einer vorbestimmten Rate strömen bzw. diffundieren 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.
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Der erste Diffusionspfad 25 und der zweite Diffusionspfad 35 sind derart ausgebildet, dass durch diese hindurch das Abgas nur 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 und festgelegt werden.
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Im Hauptkörper 12 ist außerdem eine Referenzkavität 50 gebildet, die direkt mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 in Verbindung steht. Innerhalb der Referenzkavität 50 ist eine Referenzelektrode 52 angeordnet. Insbesondere steht die Referenzkavität 50 mit der Umgebungsluft, d. h. nicht mit dem Abgas, in Verbindung und ist dazu ausgebildet, eine Sauerstoffreferenz für die im Stickoxidsensor 10 angeordneten verschiedenen Elektroden zu bilden.
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An einer Außenseite des Hauptkörpers 12 ist eine Abgaselektrode (auch „P+“-Elektrode genannt) 22 angeordnet. Insbesondere kann während eines Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines Referenzstroms an der Abgaselektrode 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 umgewandelt werden.
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Innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ist eine erste Pumpelektrode (auch „P-“-Elektrode genannt) 24 angeordnet. Insbesondere kann während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines ersten Pumpstroms IP0 an der ersten Pumpelektrode 24 der im Abgas befindliche Sauerstoff innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen. Aufgrund der aus der ersten Pumpkavität 20 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der ersten Pumpelektrode 24 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine erste Elektrodenspannung bzw. erste Nernstspannung V0 aus. Genauer gesagt bildet sich die erste Elektrodenspannung bzw. die erste Nernstspannung V0 direkt aus dem in der ersten Pumpkavität 20 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
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Außerdem kann während des Messbetriebs des Abgassensors 10 durch Anlegen des ersten Pumpstroms IP0 an der ersten Pumpelektrode 24 die im Gasgemisch befindlichen Stickoxide und der darin befindliche Ammoniak innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen, was wiederum als die erste Elektrodenspannung bzw. erste Nernstspannung V0 gemessen werden kann. Genauer gesagt bildet sich die erste Elektrodenspannung bzw. die erste Nernstspannung V0 direkt aus dem in der Pumpkavität 20 vorliegenden Rest-Sauerstoff aus.
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Innerhalb der zweiten Pumpkavität 30 ist eine zweite Pumpelektrode (auch „M1“-Elektrode genannt) 34 angeordnet. Hier kann während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines zweiten Pumpstroms IP1 an der zweiten Pumpelektrode 34 der im Gasgemisch befindliche Sauerstoff innerhalb der zweiten Pumpkavität 30 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen. Aufgrund der aus der zweiten Pumpkavität 30 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der zweiten Pumpelektrode 34 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine zweite Elektrodenspannung bzw. zweite Nernstspannung V1 aus. Genauer gesagt bildet sich die zweite Elektrodenspannung bzw. die zweite Nernstspannung V1 direkt aus dem in der zweiten Pumpkavität 30 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
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Innerhalb der Messkavität 40 ist eine Messelektrode (auch „M2“-Elektrode genannt) 44 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 bei Anlegen eines Messstroms IP2 den innerhalb der Messkavität 40 vorhandenen Sauerstoff und/oder Stickoxide zu ionisieren, so dass die Sauerstoffionen durch den Hauptkörper 12 wandern bzw. gelangen können. Aufgrund der aus der Messkavität 40 ausgebrachten bzw. herausgepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 52 eine dritte Elektrodenspannung bzw. dritte Nernstspannung V2 aus, die durch Anlegen des Messstroms IP2 an der Messelektrode 44 auf konstantem Wert gehalten wird. Genauer gesagt bildet sich die dritte Elektrodenspannung bzw. die dritte Nernstspannung V2 direkt aus dem in der Messkavität 40 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff. Der angelegte Messstrom IP2 ist dann ein Indiz für den innerhalb des Abgases befindlichen Stickoxidgehalt.
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Die an der ersten und zweiten Pumpelektrode 24, 34 anliegenden Pumpströme IP0 und IP1 sind derart eingestellt, dass bevorzugt lediglich Sauerstoff ionisiert wird, jedoch nicht Stickoxid. Insbesondere ist die erste Pumpelektrode 24 dazu ausgebildet, während des Normalbetriebs des Stickoxidsensors 10 nahezu den gesamten Sauerstoff aus dem Abgas zu pumpen bzw. einen vorbestimmten Sauerstoffschlupf aus der ersten Pumpkavität 20 in die zweite Pumpkavität 30 zuzulassen. Die zweite Pumpelektrode 34 ist dazu ausgebildet, den aus der ersten Pumpkavität 20 noch nicht herausgepumpten Sauerstoff zu ionisieren und abzuleiten, so dass in der Messkavität 40 nahezu nur noch Stickoxide vorliegen. Die Messelektrode 44 ist dazu ausgebildet, die Stickoxide zu ionisieren, wobei der an der Messelektrode 44 angelegte Messstrom IP2 ein Maß für den Stickoxidgehalt im Abgas ist.
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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 ca. 850°C.
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Unter Verweis auf die 2 ist ein erfindungsgemäßer Abgassensor 100 zum Ermitteln des Ammoniakanteils im Abgas der Brennkraftmaschine gezeigt. Der erfindungsgemäße Abgassensor 100 basiert im Wesentlichen auf der Struktur des in der 1 gezeigten Stickoxidsensors 10, wobei der Abgassensor 100 der 2 zusätzlich eine Vorkavität 10 aufweist. Insbesondere ist die Vorkavität 10 stromaufwärts der ersten Pumpkavität 20 angeordnet und mit dem Abgas über den Diffusionspfad 15 und mit der Pumpkavität 20 über einen Vor-Diffusionspfad 5 mit einer Vor-Diffusionsrate verbunden.
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Innerhalb der Vorkavität 10 ist eine Vorelektrode (auch „M0“-Elektrode genannt) 14 angeordnet. Hier kann während des Messbetriebs des Abgassensors 100 durch Anlegen eines Vor-Pumpstroms IP3 an der Vorelektrode 14 der im Gasgemisch bzw. Abgas befindliche Ammoniak innerhalb der Vorkavität 10 oxidiert werden. Aufgrund der dadurch durch den Hauptkörper 12 strömenden Sauerstoffionen bildet sich zwischen der Vorelektrode 14 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine vierte Elektrodenspannung bzw. vierte Nernstspannung V3 aus. Genauer gesagt bildet sich die vierte Elektrodenspannung bzw. die vierte Nernstspannung V3 direkt aus dem in der Vorkavität 10 vorliegenden Ammoniak aus.
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Die unterschiedlichen Diffusionsfähigkeiten von Ammoniak (NH3) und Stickoxid (NOx) resultieren aus den auf den molaren Massen basierenden Diffusionskoeffizienten von Ammoniak und Stickstoff. Da Ammoniak-Moleküle leichter sind als NO-Moleküle, kann Ammoniak besser durch den Hauptkörper 12, d. h. durch die Diffusionspfade 5 und 15, diffundieren als Stickoxid. Die Diffusion von Ammoniak und Stickoxid findet insbesondere aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen den Kavitäten statt. Folglich kann der im Abgas befindliche Ammoniak besser aus der Vorkavität 10 in die erste Pumpkavität 20 gelangen als das im Abgas befindliche Stickoxid.
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Der erfindungsgemäße Abgassensor 100 weist ferner eine Steuereinheit (nicht explizit dargestellt) auf, die mit der Vorelektrode 14, der Abgaselektrode 22, der ersten Pumpelektrode 24, der zweiten Pumpelektrode 34, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode verbunden und dazu ausgebildet ist, diese Elektroden jeweils mit den Strömen IP0, IP1, IP2 und IP3 zu beaufschlagen und die jeweiligen Nernstspannungen V0, V1, V2 und V3 zu erfassen. Die Steuereinheit ist somit zum Steuern des Betriebs des Abgassensors 100 ausgebildet.
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Der Abgassensor 100 der 2 kann in zwei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden, wobei die Messelektrode 44 in beiden Betriebsmodi aktiviert ist und der Messstrom IP2 einen jeweiligen Stickoxidgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine anzeigen kann. In einem ersten Betriebsmodus wird die erste Pumpelektrode 24 bestromt bzw. ist die erste Pumpelektrode 24 aktiviert, wobei die Vorelektrode 14 unbestromt (bzw. niedrig bestromt) bzw. deaktiviert ist. In einem bestromten Zustand einer Elektrode des Abgassensors 100 liegt eine der Elektrodenspannungen und somit auch der Pump- oder Messstrom an. In diesem ersten Betriebsmodus kann der zum Konstanthalten der dritten Elektrodenspannung bzw. Nernstspannung V2 an der Messeelektrode 44 angelegte Messstrom IP2 zum Ermitteln eines ersten Stickoxidwerts ausgewertet werden. Insbesondere diffundiert das im Abgas befindliche Ammoniak als Ammoniak in die Pumpkavität 20 mit der Diffusionsrate von Ammoniak.
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In einem zweiten Betriebsmodus wird die erste Pumpelektrode 24 weiterhin bestromt bzw. ist die erste Pumpelektrode 24 weiterhin aktiviert, wobei die Vorelektrode 14 zusätzlich auch bestromt bzw. aktiviert wird. In diesem zweiten Betriebsmodus kann der zum Konstanthalten der dritten Elektrodenspannung bzw. Nernstspannung V2 an der Messeelektrode 44 angelegte Messstrom IP2 zum Ermitteln eines zweiten Stickoxidwerts ausgewertet werden. Das im Abgas vorhandene Ammoniak wird dabei bereits in der Vorkavität 10 an der aktivierten Vorelektrode 14 zu Stickoxid oxidiert. Das ursprüngliche Ammoniak diffundiert somit als Stickoxid in die Pumpkavität 20 mit der Diffusionsrate von Stickoxid. Aus den unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten von Ammoniak und Stickoxid stellen sich in den beiden Betriebsmodi unterschiedliche Querempfindlichkeiten auf Ammoniak ein, die einen unterschiedlich hohen Messstrom IP2 hervorrufen.
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Unter Verweis auf die 3 ist ein Diagramm dargestellt, das den zeitlichen Verlauf des Messstroms IP2 in den beiden oben genannten Betriebsmodi darstellt. Bei dem Diagramm der 3 wird von einem Abgas ausgegangen, das einen bestimmten Ammoniakanteil aufweist, wie z. B. ungefähr 500 ppm Ammoniak. Der Verlauf des Messstroms IP2 bei einem ammoniakfreien Abgas wäre im Vergleich dazu im Wesentlichen konstant.
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Die Linie 90 der 3 stellt dabei eine Unterscheidung zwischen dem ersten Betriebsmodus 82 und dem zweiten Betriebsmodus 84 dar. Insbesondere wird periodisch zwischen den beiden Betriebsmodi gewechselt, beispielsweise alle 2 s [Sekunden]. Während den mehreren zweiten Betriebsmodi 84 ist die Vorelektrode 14 aktiviert bzw. bestromt, wohingegen während den mehreren ersten Betriebsmodi 82 die Vorelektrode 14 deaktiviert bzw. unbestromt ist.
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Die Linie 92 zeigt den zeitlichen Verlauf des an der Messelektrode 44 anliegenden Messstroms IP2 in den beiden oben beschriebenen Betriebsmodi 82, 84. Die Linie 94 stellt den zeitlichen Verlauf des mittels einem z. B. Hochpass gefilterten Messstroms IP2 dar. Erfindungsgemäß wird die Änderung des zeitlichen Verlaufs des Messstroms IP2 bei jedem Aktivieren bzw. Deaktivieren (Ein- bzw. Ausschalten) der Vorelektrode 14 zum Ermitteln des Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine untersucht, was genauer in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm der 5 erläutert wird. Die 4 zeigt hierzu eine graphische Darstellung des Ammoniakgehalts aufgetragen über dem Gradienten des zeitlichen Verlaufs des Messstroms IP2 bei einem Aktivieren bzw. Deaktivieren der Vorelektrode 14, was auch im Folgenden in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm der 5 näher beschrieben wird.
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Die 5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln des Ammoniakgehalts im Abgas einer Brennkraftmaschine mittels z. B. dem Abgassensor 100 der 2. Dabei wird Bezug genommen auf die Zeitpunkte t1 und t2 der 3. Vor dem Zeitpunkt t1 befindet sich der Abgassensor 100 im zweiten Betriebsmodus 84. Zum Zeitpunkt t1 wird die Vorelektrode 14 deaktiviert bzw. unbestromt. Das heißt, dass der an der Vorelektrode 14 angelegte Vor-Pumpstrom IP3 unterbrochen wird und folglich keine Regelung der vierten Elektrodenspannung bzw. vierten Nernstspannung V3 erfolgt. Während der Zeitspanne zwischen t1 und t2 befindet sich der Abgassensor 100 dann im ersten Betriebsmodus 82. Zum Zeitpunkt t2 wird die Vorelektrode 14 aktiviert bzw. bestromt. Das heißt, dass der an der Vorelektrode 14 angelegte Vor-Pumpstrom IP3 wieder angelegt wird, um die vierte Elektrodenspannung bzw. vierte Nernstspannung V3 auf ein konstantes Niveau zu steuern bzw. zu regeln. Bei dem Verfahren der 5 kann entweder der tatsächliche Verlauf 92 des Messstroms IP2 oder der gefilterte Verlauf 94 des Messstroms IP2 ausgewertet werden.
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Das Verfahren der 5 startet beim Schritt 200 und gelangt dann zum Schritt 210, an dem während des zweiten Messbetriebs 84 des Abgassensors 100 vor dem Zeitpunkt t1 der Messstrom IP2 aufgezeichnet wird. In einem darauffolgenden Schritt 220 wird zum Zeitpunkt t1 die Vorelektrode 14 deaktiviert bzw. unbestromt. Das Deaktivieren der Vorelektrode 14 führt zu einem signifikanten Anstieg des Messtroms IP2 kurz nach dem Zeitpunkt t1 (siehe Linien 92 und 94 in der 3), der als Änderung des zeitlichen Verlaufs des Messsignals IP2 an einem weiteren Schritt 230 ermittelt wird. Insbesondere ist der Anstieg des Messstroms IP2 an einem Zeitpunkt t3 zu beobachten, der kurz auf den Zeitpunkt t1 folgt. Der Zeitraum zwischen t1 und t3 kann als Totzeit beschrieben werden, die auf Diffusionsvorgänge innerhalb des Hauptkörpers 12 des Abgassensors 100 zurückgeführt werden kann.
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Nach einem Einregeln von IP2 wird dann am Zeitpunkt t2 die Vorelektrode 14 wieder aktiviert bzw. bestromt. Das Aktivieren der Vorelektrode 14 führt zu einem signifikanten Abfall des Messtroms IP2 kurz nach dem Zeitpunkt t2 (siehe Linien 92 und 94 in der 3), der ebenfalls als Änderung des zeitlichen Verlaufs des Messsignals IP2 am Schritt 230 ermittelt wird. Der Abfall des Messstroms IP2 kann wieder leicht verzögert nach dem Zeitpunkt t2 erfolgen, was aber nicht explizit im Diagramm der 3 eingezeichnet ist.
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In einem letzten Schritt 240 kann der Betrag des Gradienten des zeitlichen Verlaufs des Messstroms IP2 zum einem Zeitpunkt kurz nach t3 zum Ermitteln des Ammoniakgehalts ausgewertet werden. Die 4 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Betrag des Gradienten IP2 des Messstroms IP2, der auch als zeitliche Ableitung bezeichnet werden kann, und dem Ammoniakgehalt c (NH3).
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Der 4 kann entnommen werden, dass dem Betrag des Gradienten IP2 ein Ammoniakwert zugeordnet werden kann. Die 4 zeigt dabei eine Vielzahl von Messergebnissen, die in dem Beispiel der 4 in vier Cluster eingeteilt werden können. Die einzelnen Cluster sind in der 4 durch horizontale Linien gekennzeichnet, die jeweils den Mittelwert von jedem Cluster angeben. Wenn nun ein neuer Betrag eines Änderungsgradienten bestimmt wird, kann dieser beispielsweiser über die Zuordnung zu einem der Cluster zu einem entsprechenden Ammoniakgehalt zugeordnet werden. Damit kann eine qualitative Abschätzung des Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine mittels der Auswertung des Änderungsverlaufs des Messstroms IP2 erfolgen.
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Alternativ kann es möglich sein, der ermittelten Änderung des Messstroms IP2 bei einem Umschaltvorgang der Vorelektrode 14 den entsprechenden Ammoniakanteil im Abgas der Brennkraftmaschine mittels einer mathematischen Abbildung, einem mehrdimensionalen Kennfeld oder einer z. B durch eine Fourier-Transformation ermittelten Transferfunktion zuzuordnen.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren mit der Auswertung des Betrages des Gradienten IP2 beschrieben worden ist, kann es alternativ auch erfindungsgemäß sein, die Totzeit zum Ermitteln des Ammoniakgehalts auszuwerten. Hierzu kann der Zeitraum zwischen t1 und t3 ein Indiz für den Ammoniakgehalt im Abgas sein..
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Folglich kann mit der vorliegenden Erfindung ein Stickoxidsensor um die Funktion der Bestimmung des Ammoniakanteils erweitert werden. Dabei ist es bevorzugt, dass der Ammoniakanteil nach Bedarf erfasst wird. Das heißt, dass z. B. der Ammoniakanteil beim Einspritzen von Harnstoff in das Abgas der Brennkraftmaschine oder bei einer abrupten Laständerung der Brennkraftmaschine ermittelt wird. Somit wird der Stickoxidsensor überwiegend gemäß seiner Hauptfunktion betrieben, nämlich zum Ermitteln des im Abgas befindlichen Stickoxidanteils, wobei dieser, wie beschrieben, in seiner Neben-funktion den Ammoniakanteil im Abgas bei Bedarf ermitteln kann.
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Zudem kann die Ermittlung des Ammoniakanteils unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfolgen, insbesondere im transienten Betrieb. Außerdem ist es mit der vorliegenden Erfindung nicht mehr erforderlich, jeden der beiden Betriebsmodi für eine vorbestimmte Zeitdauer, wie beispielsweise 2 s, zu betreiben. Vielmehr kann durch einfaches Schalten (d. h. aktivieren oder deaktivieren) der Vorelektrode 14 der Ammoniakanteil in kürzerer Zeit ermittelt werden, beispielsweise innerhalb von 0,3 s bis 1,0 s.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2017/222001 A1 [0003]
- WO 2017/222002 A1 [0003]
- WO 2017/222003 A1 [0003]
- DE 102018213352 [0004]
