DE102018220669A1

DE102018220669A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102018220669A1
Application number: DE102018220669.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Mezger; Fabian Baumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-04

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) 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 (100) umfasst ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist. Bei dem Verfahren wird eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt. Die Pumpzelle (40) weist eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) auf. Mittels mindestens einer ersten Stromquelle (62) wird ein Pumpstrom (I) durch die Pumpzelle (40) getrieben. Die erste Stromquelle (62) wird mittels einer Spannungsquelle (64) mit einer Versorgungsspannung (V) versorgt. Ein Messsignal des Sensorelements (10) wird basierend auf dem Pumpstrom (I) ermittelt. Die Pumpzelle (40) ist mit einem elektrischen Potential (60) verbunden. In Abhängigkeit von dem Pumpstrom (I) wird das elektrische Potential (60) auf einen ersten Schwellwert (V- U) oder einen zweiten Schwellwert (-U) eingestellt.

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 Sensoren mit keramischen Sensorelementen 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 (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, 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 beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Die Breitband-Lambdasonde misst die Sauerstoffkonzentration oder die Konzentration von Reduktionsmittel in einem Messgas. Für den emissionsoptimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ist die Information des Restsauerstoffes im Abgas von hoher Bedeutung. Für den Betrieb einer Breitband-Lambdasonde wird diese an einen speziell für diesen Zweck erstellten Auswertebaustein (ASIC) eines Steuergeräts angeschlossen. Die Hauptaufgabe des ASICs ist es, die Nernstspannung, gemessen zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode, auf einen gewissen Zielwert, meistens 450 mV, einzuregeln. Die Stellgröße mit der die Nernstspannung eingeregelt werden soll, ist der Pumpstrom, der vom ASIC zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode getrieben werden muss. Wenn die Nernstspannung nahe an ihrem Zielwert liegt, ist der dafür nötige Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ist daher die unumgängliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der Sauerstoff-Konzentration im Abgas.
Eine solche Breitband-Lambdasonde mit einer entsprechenden Nernstzelle und einer Pumpzelle wird durch den Pumpstrom auf ihren jeweiligen Sollwert der Nernstspannung Un0 bzw. Un geregelt. Der Spannungswert Un0 entspricht dabei einer unbestromten Messung, wohingegen der Spannungswert Un einer bestromten Messung entspricht.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Bei der genannten Regelung ist insbesondere zu beachten, dass die Pumpspannung Up0 bzw. Up einen bestimmten Schwellwert nicht überschreitet, da die Sonde ansonsten zerstört wird. Denn bei einer zu hohen Pumpspannung kann es bekanntermaßen zu einer sogenannten Schwarzfärbung („Blackening“) der Sonde kommen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und das einen zuverlässigen Schutz vor Schwarzfärbung bei gleichzeitigem sanften Übergang vom normalen Regelbetrieb des Sensors in den Schwarzfärbungsschutz und umgekehrt gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Betreiben eines Sensors 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. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle auf. Dabei wir eine Nernstspannung der Nernstzelle geregelt wird. Die Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode auf. Mittels mindestens einer ersten Stromquelle wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben. Die erste Stromquelle wird mittels einer Spannungsquelle mit einer Versorgungsspannung versorgt. Die erste Stromquelle liefert je nach Bedarf des Sensors einen positiven Pumpstrom. Für den negativen Pumpstrombedarf ist eine Stromsenke an der äußeren Pumpelektrode angeschlossen, welche entsprechend des Sensorbedarfs einen negativen Strom in die Masse ableitet. Ein Messsignal des Sensorelements wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Die Pumpzelle ist mit einem elektrischen Potential verbunden. In Abhängigkeit von dem Pumpstrom wird das elektrische Potential auf einen ersten Schwellwert oder einen zweiten Schwellwert eingestellt.
Das Verfahren nutzt den Umstand aus, dass eine Stromquelle, die mit einer Versorgungsspannung V_DD versorgt wird und einen Strom gegenüber eines zweiten Potentials VM treiben soll, bei Unterschreiten einer minimalen Spannung U_{curr_min} über der ersten Stromquelle, den gewünschten Strom nicht mehr treiben kann und in Begrenzung/Limitierung geht. Entsprechend wird durch eine geeignete Anpassung von V_DD und /oder VM der Spannungsbereich in einer Art eingeschränkt, dass die maximal erlaubte Spannung am Sensorelement nicht überschritten werden kann. Eine an die Masse angeschlossene Stromsenke hat ebenfalls einen Grenzwert, ab welchem sie nicht mehr den geforderten Strom senken kann und in Begrenzung oder Limitierung geht. Entsprechend wird durch eine geeignete Anpassung der virtuellen Masse der Spannungsbereich der Pumpzelle insoweit eingeschränkt, dass die maximal erlaubte Spannung am Sensorelement nicht überschritten wird.
Bei einer Weiterbildung werden der erste Schwellwert und der zweite Schwellwert basierend auf der Versorgungsspannung, einer Pumpspannung der Pumpzelle und einer elektrischen Spannung über der ersten Stromquelle bestimmt. Damit lassen sich die Schwellwerte in einfacher Weise berechnen.
Bei einer Weiterbildung werden der Pumpstrom und die Pumpspannung bei Überschreiten des ersten Schwellwerts oder des zweiten Schwellwerts begrenzt. Damit wird das Sensorelement zuverlässig vor Schwarzfärbung geschützt.
Bei einer Weiterbildung wird bei einem positiven Pumpstrom der erste Schwellwert eingestellt und wird bei einem negativen Pumpstrom der zweite Schwellwert eingestellt. In Abhängigkeit vom Pumpstrom, wird somit die Spannung U_VM eingestellt.
Bei einer Weiterbildung ist der erste Schwellwert positiv und ist der zweite Schwellwert negativ. Damit können die Schwellwerte geeignet bzw. nach Bedarf gewählt werden.
Bei einer Weiterbildung ist die Versorgungsspannung größer als das elektrische Potential. Damit wird eine sichere Schutzfunktion für das Sensorelement bereitgestellt.
Bei einer Weiterbildung ist der Sensor eine Breitband-Lambdasonde, wobei das Messgas Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luftgemisch betriebenen Brennkraftmaschine ist, wobei die Breitband-Lambdasonde für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas verwendet wird, wobei der erste Schwellwert für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoff-Luftgemisch eingestellt wird, wobei der zweite Schwellwert für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoff-Luftgemisch eingestellt wird. Somit lässt sich in Abhängigkeit vom Pumpstrom IP, welcher wiederum äquivalent zu Lambda ist, die Spannung U_VM einstellen. Die Spannung U_VM wird für den jeweiligen Lambdabereich mager / fett / stöchiometrisch eingestellt.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Weiterhin 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 umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweist, wobei die Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät aufweist oder mit einem elektronischen Steuergerät verbunden ist.
Unter einem Festelektrolytkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionenleitenden Eigenschaften, Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolytkörper kann auch aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
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 oder eine Spannung gemessen 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 Metallkeramikelektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platincermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Messzelle zu verstehen, die einen Festelektrolyten als Membran zwischen zwei Elektroden verwendet. Dabei nutzt man die Eigenschaft des Festelektrolyten, ab einer bestimmten Temperatur Ionen des zu messenden Messgases, wie beispielsweise Sauerstoffionen, elektrolytisch von der einen Elektrode zu der anderen transportieren zu können, wodurch eine sogenannte Nernstspannung entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Unterschied des Partialdrucks des Messgases auf den verschiedenen Seiten der Membran bestimmen. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Messgas ausgesetzt, während die andere Seite an einer Referenz liegt.
Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der ein Gehalt einer Komponente des Messgases, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Messspalt einerseits über das Messgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst wird. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Messgas von der Messgasseite der Festelektrolyt-Membran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Messgasstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei einem vorbestimmten Wert wie beispielsweise λ = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 im Messspalt ist beispielsweise immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Messgasionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus.
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 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 700 °C bis 950 °C sein.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also 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 Platincermet hergestellt sein.
Unter einem ASIC (= application-specific integrated circuit) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine anwendungsspezifische integrierte elektronische Schaltung zu verstehen, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist. Die Funktion eines ASICs wird somit in den meisten Fällen nicht mehr verändert.
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 Querschnitt eines Sensors,
2 ein schematisches Schaltbild des Sensors und eines Steuergeräts,
3 ein schematisches Schaltbild des Sensors und des Steuergeräts für einen ersten Betriebszustand,
4 einen schematischen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen des Sensors für den ersten Betriebszustand und
5 ein schematisches Schaltbild des Sensors und des Steuergeräts für einen zweiten Betriebszustand.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 100 mit einem Sensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases 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 und/oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 umfasst einen Festelektrolytkörper bzw. Festelektrolyten 12. Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Gaszutrittsweg 14 auf. Der Gaszutrittsweg 14 weist ein Gaszutrittsloch 16 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 ins Innere des Festelektrolyten 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 12 ist ein Elektrodenhohlraum 20 vorgesehen, der an das Gaszutrittsloch 16 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 20 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 20 ist Teil des Gaszutrittswegs 14 und kann über das Gaszutrittsloch 16 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 16 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 in das Innere des Festelektrolyten 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 16 und dem Elektrodenhohlraum 20 ist ein Kanal 22 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 14 ist. Der Kanal 22 bzw. der Elektrodenhohlraum 20 ist radial bzw. senkrecht bezüglich des Gaszutrittslochs 16 angeordnet. In diesem Kanal 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 24 vermindert oder verhindert sogar ein Nachströmen von Messgas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 20 und ermöglicht lediglich eine Diffusion des Messgases. In den Festelektrolytkörper 12 und von dem Elektrodenhohlraum 20 getrennt ist ein Referenzgaskanal 26 bzw. Abluftkanal ausgebildet.
Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 28 auf. Das Heizelement 28 ist in einer gedachten Verlängerung der Richtung, in der sich das Gaszutrittsloch 16 erstreckt, in dem Festelektrolytkörper 12 unterhalb des Elektrodenhohlraums 20 und des Referenzgaskanals 26 angeordnet. Das Heizelement 28 weist einen Heizbereich 30, eine erste Zuleitungsbahn 32 und eine zweite Zuleitungsbahn 34 auf. Die erste Zuleitungsbahn 32 ist dabei mit einem Pluspol 36 des Heizbereichs 30 verbunden. Die zweite Zuleitungsbahn 34 ist mit einem Minuspol 38 des Heizbereichs 30 verbunden.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Pumpzelle 40 auf. Die Pumpzelle 40 weist eine erste Elektrode, die als äußere Pumpelektrode 42, und eine zweite Elektrode, die als innere Pumpelektrode 44 bezeichnet wird, auf. Die äußere Pumpelektrode 42 ist auf der dem Messgas aussetzbaren Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 angeordnet. Die innere Pumpelektrode 44 ist in dem Elektrodenhohlraum 20 auf einer der äußeren Pumpelektrode 42 zugewandten Seite angeordnet. Die Pumpzelle 40 umfasst weiterhin den Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der innere Pumpelektrode 44. Über die Diffusionsbarriere 24 lässt sich ein Grenzstrom in der Pumpzelle 40 einstellen. Der Grenzstrom stellt dabei einen Stromfluss zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44 über den Festelektrolyten 12 zwischen diesen dar.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Nernstzelle 46 auf. Die Nernstzelle 46 umfasst eine dritte Elektrode 48 und eine vierte Elektrode 50. Die dritte Elektrode 48 befindet sich dabei angrenzend an den Heizbereich 30 des Heizelements 28 in dem Elektrodenhohlraum 20. In dem Referenzgaskanal 26 ist die vierte Elektrode 50 angeordnet. Die vierte Elektrode 50 kann als sogenannte gepumpte Referenz in dem Referenzgaskanal 26 angeordnet sein. Das heißt, der Referenzgaskanal 26 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d.h. eine künstliche Referenz. Die innere Pumpelektrode 44 und die dritte Elektrode 48 sind dabei über den Festelektrolytkörper 12 miteinander gekoppelt. Die dritte Elektrode 48, die vierte Elektrode 50 und der Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 bilden beispielsweise die Nernstzelle 46. Mittels der Pumpzelle 40 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 20 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 46 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 26 oder in der vierten Elektrode 50, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 20 geschlossen werden. Entsprechend dem beschriebenen Aufbau kann die dritte Elektrode 48 als Nernstelektrode und die vierte Elektrode 50 als Referenzelektrode bezeichnet werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung des Aufbaus des Sensorelements 10 ergibt, ist dieses als sogenannter Zweizeiler ausgebildet, bei dem die Pumpzelle 40 und die Nernstzelle 46 getrennt ausgebildet sind. Alternativ kann das Sensorelement 10 als sogenannter Einzeller ausgebildet sein, bei dem Pumpzelle 40 und Nernstzelle 46 kombiniert sind. Ein solcher Einzeller benötigt für seine Funktion lediglich zwei Elektroden. Im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau eines Zweizeilers entfallen die erste Elektrode 42 und die zweite Elektrode 44. Dabei dient die dritte Elektrode 48 als innere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Nernstelektrode der Nernstzelle 46, da diese auf einer gemeinsamen Leitung liegen. Die vierte Elektrode 50 dient dabei als äußere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Referenzelektrode der Nernstzelle 46.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines ASICs eines Steuergeräts 52. 2 zeigt insbesondere ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Sensors 100 und des Steuergeräts 52. Die Nernstzelle 46 umfasst den Innenwiderstand Rie und eine fiktive Spannungsquelle 54, die die Nernstspannung U_N bereitstellt. Die Pumpzelle 40 wird durch eine fiktive Spannungsquelle 56, die die Pumpspannung U_P bereitstellt, und einen Innenwiderstand Ria gebildet. Zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44 fällt die Pumpspannung U_P ab. Zwischen der inneren Pumpelektrode 44 und der Referenzelektrode 50 fällt die Nernstspannung U_N ab. Über entsprechende Klemmen sind die äußere Pumpelektrode 42 und die innere Pumpelektrode 44 und die Referenzelektrode 50 mit einer eine Auswerteelektronik aufweisenden Schaltungseinheit 58 des Steuergeräts 52 verbunden. Wie weiter in 2 gezeigt, ist die Pumpzelle 40 mit einem elektrischen Potential 60 verbunden, das eine virtuelle Masse darstellt. An dem elektrischen Potential fällt die Spannung U_VM ab. Der Sensor 100 wird mittels eines nicht näher gezeigten Nernstspannungsreglers des Steuergeräts 52 auf ihren Sollwert, die Nernstspannung Uno, über die Stellgröße Pumpstrom geregelt. Zu diesem Zweck erzeugt eine erste Stromquelle 62, die von einer Spannungsquelle 64 mit der elektrischen Versorgungsspannung V_DD versorgt wird, einen Pumpstrom I_P , der durch die Pumpzelle 40 getrieben wird. Der hierfür notwendige Pumpstrom I_P erzeugt eine Pumpspannung U_P , die innerhalb zweier, nachfolgend noch eingehender beschriebener Schwellwerte, auf die weiter unten noch eingegangen wird, liegen muss, um den Sensor 100 nicht durch eine zu große Pumpspannung zu zerstören. Bei der Darstellung der 2 liegt an der Nernstzelle 46 eine zweite Stromquelle 65 an welche wiederum an die Versorgungsspannung V_DD der Spannungsquelle 64 angebunden ist. Diese zweite Stromquelle 65 ist zum Einprägen eines Stromes zur Erstellung der Sauerstoffreferenz in der Nernstzelle 46. Sofern kein externer Kurzschluss/Nebenschluss vorliegt, ist die Spannung an dem ASIC Ausgang nie größer als die Versorgungsspannung VDD. An der Pumpzelle 40 ist die erste Stromquelle 62 und eine Stromsenke 66 angeschlossen, mit welcher der Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 eingeprägt wird. Die erste Stromquelle 62 ist wie oben erwähnt an die Versorgungsspannung VDD angeschlossen. Die Stromsenke 66 ist an Masse 67 angeschlossen. Sofern kein externer Kurzschluss/Nebenschluss vorliegt kann die Spannung am ASIC Ausgang nicht größer als die Versorgungsspannung VDD oder kleiner als die Masse 67 werden. Die innere Pumpelektrode 44 ist an das elektrische Potential 60 angebunden, das als virtuelle Masse dient. Die erste Stromquelle 62 ist mit der äußeren Pumpelektrode 42 verbunden. Die Versorgungsspannung V_DD ist größer als das elektrische Potential 60. Beispielsweise ist die Versorgungsspannung V_DD 5 V und das elektrische Potential 60 ist 3 V.
Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird in Abhängigkeit von dem Pumpstrom I_P das elektrische Potential 60 auf einen ersten Schwellwert oder einen zweiten Schwellwert eingestellt. Im Folgenden wird eine ideale Stromquelle mit U_{curr_min} = 0 V angenommen. Durch eine geeignete Anpassung der Versorgungsspannung V_DD und /oder des elektrischen Potentials 60 wird der Spannungsbereich in einer Art eingeschränkt, dass die maximal erlaubte Spannung am Sensorelement 10 nicht überschritten werden kann. In Abhängigkeit vom Pumpstrom I_P , welcher wiederum äquivalent zu Lambda ist, wird die Spannung U_VM eingestellt. Die Spannung U_VM wird für den jeweiligen Lambdabereich mager / fett / stöchiometrisch eingestellt.
3 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines AISCs des Steuergeräts 52 für einen ersten Betriebszustand. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der Darstellung der 2 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der erste Betriebszustand ist ein Pumpstrom I_P ≥ 0 µA. Für einen Pumpstrom I_P ≥ 0µA vereinfacht sich das Schaltbild der 2 auf das vereinfachte Ersatzschaltbild der 3, bei dem die Versorgungsspannung V_DD an der Nernstzelle 46 und die Masse 67 entfallen können. Bei positiven Pumpstrom I_P ist das Abgas mager, d.h. Lambda > 1, die Pumpspannung U_P ist positiv und muss auf einen maximalen positiven Wert limitiert werden. Daher soll im Folgenden die Pumpspannung auf U_P,black,lean = × V limitiert werden, wobei x ein Element der reellen Zahlen R ist und x>0 ist.
Für die Spannung U_P gilt im Hinblick auf Blackeningschutz: $U_{P} \leq U_{P,black,lean} .$
Daraus wird die Spannung U_VM wie folgt berechnet: $U_{P} + U_{VM} + U_{curr_min} = V_{DD}$
$U_{P} = V_{DD} - U_{VM} - U_{curr_min}$
$U_{P,black,lean} \geq V_{DD} - U_{VM} - U_{curr_min}$
$U_{VM} \geq V_{DD} - U_{P,black,lean} - U_{curr_min} .$
Für eine ideale Stromquelle gilt U_{curr_min} = 0V. Daraus leitet sich folgende einzustellende Spannung U_VM ab: $U_{VM} \geq V_{DD} - U_{P,} black,lean .$
Wird das elektrische Potential 60 auf U_VM = V_DD - U_P,black,lean als ersten Schwellwert eingestellt, dann limitiert die erste Stromquelle 62 bei größeren Spannungen als U_P,black,lean den Strom I_P und die Spannung U_P an der Pumpzelle 40. Der Sensor 100 wird vor der Überschreitung dieses Grenzwertes geschützt und Blackening wird vermieden.
4 zeigt einen schematischen beispielhaften zeitlichen Verlauf von Spannungen und Strömen des Sensors 100 für den ersten Betriebszustand. Auf der X-Achse 68 ist die Zeit aufgetragen. Auf der Y-Achse 70 sind die jeweiligen werte für die Pumpspannung U_P bzw. für den Pumpstrom I_P . Die Kurve 72 entspricht der Pumpspannung U_P in Form der Differenz der Spannung an der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44. Die Kurve 74 entspricht den vom Nernstspannungsregler angeforderten Pumpstrom I_P . Die Kurve 76 entspricht dem von der ersten Stromquelle 62 gelieferten Pumpstrom I_P , welcher durch den Sensor 100 fließt. 4 zeigt in einem ersten zeitlichen Bereich 78 einen Anstieg der Kurven 72, 74, 76. 4 zeigt, dass bei der Überschreitung der Blackeningschutz-Schwelle Bereich 80 von U_P,black,lean = 2.4V in einem zweiten zeitlichen die Pumpspannung U_P und der Pumpstrom I_P limitiert werden. In einem dritten zeitlichen Bereich 82 weisen die Kurven 72, 74, 76 einen Abfall auf, was zeigt, dass die Regelung wider in den normalen Betrieb übergeht.
5 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines ASICS des Steuergeräts 52 für einen zweiten Betriebszustand. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der Darstellung der 2 beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der zweite Betriebszustand ist ein Pumpstrom I_P ≤ 0 µA. Für einen Pumpstrom I_P ≤ 0µA vereinfacht sich das Schaltbild der 2 auf das vereinfachte Ersatzschaltbild der 5, bei dem die Versorgungsspannung V_DD an der Nernstzelle 46 und der Pumpzelle 40 entfallen können. Bei negativen Pumpstrom I_P ist das Abgas fett, d.h. Lambda < 1, die Pumpspannung U_P ist negativ und muss auf einen maximalen negativen Wert limitiert werden. Daher soll im Folgenden die Pumpspannung auf U_P,black,rich = y V limitiert werden, wobei y ein Element der reellen Zahlen R ist und y<0 ist.
Für die Spannung U_P gilt im Hinblick auf Blackeningschutz: $U_{P} \geq U_{P,black,rich} .$
Daraus wird die Spannung U_VM wie folgt berechnet: $U_{P} + U_{VM} - U_{curr_min} = 0 V$
$U_{P} = - U_{VM} + U_{curr_min}$
$U_{P,black,rich} \leq - U_{VM} + U_{curr_min}$
$U_{VM} \leq - U_{P,black,rich} + U_{curr_min} .$
Für eine ideale Stromquelle gilt U_{curr_min} = 0V. Daraus leitet sich folgende einzustellende Spannung U_VM ab: $U_{VM} = - U_{P,} black,rich .$
Wird das elektrische Potential 60 auf U_VM = - U_P,black,rich = abs (U_P,black,rich) als zweiten Schwellwert eingestellt, dann limitiert die Stromsenke 66 bei negativeren Spannungen als U_P,black,rich den Strom I_P und die Spannung U_P an der Pumpzelle 40. Der Sensor 100 wird vor der Überschreitung dieses Grenzwertes geschützt und Blackening wird vermieden.
Das Verfahren ist durch Untersuchung des Potentials der VM/ V_DD in Abhängigkeit von magerem oder fetten Abgas nachweisbar.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) 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, umfassend ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels mindestens einer ersten Stromquelle (62) ein Pumpstrom (I_P) durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei die erste Stromquelle (62) mittels einer Spannungsquelle (64) mit einer Versorgungsspannung (V_DD) versorgt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom (I_P) ermittelt wird, wobei die Pumpzelle (40) mit einem elektrischen Potential (60) verbunden ist, wobei in Abhängigkeit von dem Pumpstrom (I_P) das elektrische Potential (60) auf einen ersten Schwellwert (V_DD - U_P,black,lean) oder einen zweiten Schwellwert (-U_P,black,rich) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Schwellwert (V_DD - U_P,black,lean) und der zweite Schwellwert (- U_P,black,rich) basierend auf der Versorgungsspannung (V_DD), einer Pumpspannung (U_P) der Pumpzelle (40) und einer elektrischen Spannung (U_{curr_min}) über der ersten Stromquelle (62) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Pumpstrom (I_P) und die Pumpspannung (U_P) bei Überschreiten des ersten Schwellwerts (V_DD - U_P,black,lean) oder des zweiten Schwellwerts (- U_P,black,rich) begrenzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei bei einem positiven Pumpstrom (I_P) der erste Schwellwert (V_DD - U_P,black,lean) eingestellt wird, wobei bei einem negativen Pumpstrom (I_P) der zweite Schwellwert (- U_P,black,rich) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Schwellwert (V_DD - U_P,black,lean) positiv ist und der zweite Schwellwert (- U_P,black,rich) negativ ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Versorgungsspannung (V_DD) größer als das elektrische Potential (60) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sensor (100) eine Breitband-Lambdasonde ist, wobei das Messgas Abgas einer mit einem Kraftstoff-Luftgemisch betriebenen Brennkraftmaschine ist, wobei die Breitband-Lambdasonde für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas verwendet wird, wobei der erste Schwellwert (V_DD - U_P,black,lean) für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem mageren Kraftstoff-Luftgemisch eingestellt wird, wobei der zweite Schwellwert (- U_P,black,rich) für einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit einem fetten Kraftstoff-Luftgemisch eingestellt wird.
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 (52), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
Sensor (100) 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, umfassend ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei der Sensor (100) weiterhin ein elektronisches Steuergerät (52) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.