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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Abgassensors einer Brennkraftmaschine, insbesondere ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines Kombinationsabgassensors zum selektiven Erfassen des Stickoxid- und Ammoniakanteils 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
DE 10 2007 035 768 A1 offenbart hierzu ein Verfahren zur Diagnose eines in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Stickoxidsensors, der mindestens eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Sauerstoffgehalts von in den Sensor eingetretenem Abgas mittels einer elektrischen Größe und mindestens eine einen den Stickoxidgehalt des Abgases charakterisierenden Messwert ausgebenden Messeinrichtung aufweist.
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Ferner ist aus der
DE 697 32 582 T2 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Sauerstoffkonzentration und der Stickoxidkonzentration unter Verwendung eines Stickoxidsensors bekannt.
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Zudem offenbart die
DE 103 12 732 B4 ein Verfahren zum Betrieb einer Messsonde zur Messung einer Gaskonzentration in einem Messgas mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der eine Messkavität zur Aufnahme des Messgases, eine Messelektrode und eine Außenelektrode aufweist. Ein zwischen Messelektrode und Außenelektrode fließender Pumpstrom transportiert Sauerstoffionen von der Messelektrode zur Außenelektrode. Dabei wird eine Überprüfung der Messelektrode durch eine Bestimmung der effektiv für die Sauerstoffdiffusion zur Verfügung stehenden Elektrodenfläche oder eines davon abhängigen Wertes durchgeführt, indem in der Messkavität eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, ein vorbestimmter konstanter Pumpstrom zwischen Messelektrode und Außenelektrode eingeprägt und das resultierende Nernstpotential an der Messelektrode gemessen wird, die Zeitdauer gemessen wird, bis das gemessene Nernstpotential von kleinen zu großen Werten springt, die gemessene Zeitdauer mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und ein Defekt der Messelektrode festgestellt wird, wenn die gemessene Zeitdauer den vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
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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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DE 10 2016 206 991 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines einen Hauptkörper aufweisenden und in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors, der eine im Hauptkörper angeordnete und mit dem Abgas verbundene erste Pumpkavität, in der eine erste Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete und mit dem Abgas verbundene zweite Pumpkavität, in der eine zweite Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete und mit der ersten Pumpkavität über die zweite Pumpkavität verbundene einzige Messkavität, in der eine Messelektrode angeordnet ist und eine im Hauptkörper angeordnete und mit der Umgebungsluft verbundene Referenzkavität aufweist, in der eine Referenzelektrode angeordnet ist, wobei das Verfahren aufweist:
- - Steuern eines an der Messelektrode angelegten Eigendiagnose-Messstroms derart, dass eine sich zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode ausbildende Eigendiagnose-Messspannung auf einem vorbestimmten Spannungswert konstant gehalten wird,
- - Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors basierend auf dem Eigendiagnose-Messstroms.
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Für zwei getrennte Sensoren lehrt
DE 103 00 939 A1 , dass ein fehlerhafter NOx-Sensor erkannt werden kann, wenn, bei mehreren vorhandenen NOx-Sensoren das Verhalten der einzelnen Sensoren untereinander verglichen wird, ferner mit:
- - Betreiben der Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand, bei dem das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise Ammoniak aufweist, wobei der Fehler des Abgassensors eine ungleiche Alterung der Messelektroden anzeigt
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In Anbetracht des Standes der Technik ist es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten, mit zwei getrennten Messkavitäten ausgestatteten Abgassensor bereitzustellen mit dem die Funktionstüchtigkeit und Messgenauigkeit des Abgassensors zuverlässig und effizient erfasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, einen Fehler eines zum Messen der Konzentration von Stickoxid und Ammoniak ausgebildeten Abgassensors dadurch festzustellen, dass die den Stickoxid- und Ammoniakgehalt anzeigenden Messsignale dahingehend ausgewertet werden, ob die Elektroden des Abgassensors ungleichmäßig gealtert sind und/oder ob ein mechanischer Defekt des Hauptkörpers, wie beispielsweise ein Haarriss darin, vorliegt. Hierzu wird das Abgas innerhalb des Abgassensors über unterschiedliche Messpfade zu Messelektroden geleitet, an denen eine Oxidation der Stickoxide erfolgt und somit die elektrischen Messsignale, die den Stickoxid- bzw. Ammoniakgehalt im Abgas anzeigen, erzeugt werden. Insbesondere kann ein Verhältnis der jeweiligen Messsignale des Abgassensors für den Stickoxidmessbetrieb und den Ammoniakmessbetrieb bei einem fehlerfreien Abgassensor im Wesentlichen einem vorbestimmten Verhältniswert entsprechen und bei einem fehlerbehafteten Abgassensor von diesem vorbestimmten Verhältniswert um mehr als einen vorbestimmten Schwellenwert abweichen. Insbesondere kann dann qualitativ ausgesagt werden, dass z. B. die Messelektroden unterschiedlich gealtert sind bzw. zumindest eine der Messelektroden übermäßig gealtert ist. In einem solchen Fall kann dem Betreiber der Brennkraftmaschine eine Warnung ausgegeben werden und der Betrieb des Abgassensors kann in einen Notbetrieb wechseln, der zwar gegenüber dem Normalbetrieb ungenauer ist, es jedoch erlaubt, die Brennkraftmaschine zumindest bis zum Erreichen einer Wartungsstelle weiterhin zu betreiben.
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Insbesondere kann das Abgas mittels der Pumpelektroden derart konditioniert werden, dass das Abgas an den Messelektroden einen vorbestimmten und somit bekannten Zustand aufweist und die beiden Messsignale im Wesentlichen in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen müssten. Unterliegt nun der Abgassensor bzw. eine der Elektroden einem Fehler bzw. einer übermäßigen Alterung, so würde sich ein solcher Fehler in einer Änderung dieses Verhältnisses der Messsignale niederschlagen.
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Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers eines einen Hauptkörper aufweisenden und in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors offenbart, der eine im Hauptkörper angeordnete und mit dem Abgas verbundene erste Pumpkavität, in der eine erste Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete und mit dem Abgas verbundene zweite Pumpkavität, in der eine zweite Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete und mit der ersten Pumpkavität verbundene erste Messkavität, in der eine erste Messelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete und mit der zweiten Pumpkavität verbundene zweite Messkavität, in der eine zweite Messelektrode angeordnet ist, und eine im Hauptkörper angeordnete und mit der Umgebungsluft verbundene Referenzkavität aufweist, in der eine Referenzelektrode angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Anlegen eines ersten Eigendiagnose-Pumpstroms an der ersten Pumpelektrode, der von einem an der ersten Pumpelektrode während eines normalen Messbetriebs des Abgassensors angelegten Messbetrieb-Pumpstrom abweicht, ein Anlegen eines zweiten Eigendiagnose-Pumpstroms an der zweiten Pumpelektrode, der von einem an der zweiten Pumpelektrode während des normalen Messbetriebs des Abgassensors angelegten Messbetrieb-Pumpstrom abweicht, ein Steuern eines an der ersten Messelektrode angelegten ersten Eigendiagnose-Messstroms derart, dass eine sich zwischen der ersten Messelektrode und der Referenzelektrode ausbildende erste Eigendiagnose-Messspannung auf einen vorbestimmten ersten Spannungswert gehalten wird, ein Steuern eines an der zweiten Messelektrode angelegten zweiten Eigendiagnose-Messstroms derart, dass eine sich zwischen der zweiten Messelektrode und der Referenzelektrode ausbildende zweite Eigendiagnose-Messspannung auf einem vorbestimmten zweiten Spannungswert konstant gehalten wird, und ein Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors basierend auf einem Vergleich des ersten Eigendiagnosemessstroms durch den zweiten Eigendiagnosemessstrom. Insbesondere ist es dabei bevorzugt, dass das Abgas durch das Anlegen der Eigendiagnose-Pumpströme an der ersten und zweiten Pumpelektrode das Abgas zumindest teilweise vorkonditioniert wird und somit mit einem vorbestimmten Sauerstoffanteil in den jeweiligen Messkavitäten derart vorliegt, dass die beiden Messsignale im Wesentlichen in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen müssten, falls der Abgassensor fehlerfrei ist.
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Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung vor, dass der Abgassensor während dem Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem normalen Messbetrieb in einen Eigendiagnose-Messbetrieb geschaltet wird. Somit können die Eigendiagnose-Messströme und die Eigendiagnose-Messspannungen zu den jeweiligen elektrischen Kenngrößen während des normalen Messbetriebs unterschiedlich sein. Zudem ist es bevorzugt, wenn der Eigendiagnose-Messbetrieb in periodischen Zeitabständen, wie beispielsweise alle 100 Betriebsstunden der Brennkraftmaschine, und/oder in vorbestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise während einer Schubabschaltungsphase, durchgeführt wird.
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Dabei ist ferner bevorzugt, dass der erste Eigendiagnose-Pumpstrom derart eingestellt ist, dass der in der ersten Pumpkavität im Abgas befindliche Ammoniak nicht oxidiert wird, und der zweite Eigendiagnose-Pumpstrom derart eingestellt ist, dass der in der zweiten Pumpkavität im Abgas befindliche Ammoniak nicht oxidiert wird.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn das erfindungsgemäße Verfahren ferner den Schritt des Betreibens der Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand aufweist, bei dem das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise Ammoniak aufweist. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, dass eine Reduktionsmitteleinspritzeinrichtung derart betrieben wird, dass diese ein für die selektive katalytische Reduktion förderndes Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff, in den Abgasstrang überdosiert einspritzt, sodass im Abgas zumindest teilweise Ammoniak vorhanden ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner ein Ermitteln eines Messstromverhältnisses zwischen dem ersten Eigendiagnose-Messstrom und dem zweiten Eigendiagnose-Messstrom vorgesehen, wobei ein Fehler des Abgassensors dann ermittelt wird, wenn das ermittelte Messstromverhältnis von einem vorbestimmten Messstromverhältniswert um mehr als einen vorbestimmten Verhältnisschwellenwert abweicht.
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In einer dazu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Ermitteln einer Messstromdifferenz zwischen dem ersten Eigendiagnose-Messstrom und dem zweiten Eigendiagnose-Messstrom vorgesehen, wobei ein Fehler des Abgassensors dann ermittelt wird, wenn die ermittelte Messstromdifferenz von einem vorbestimmten Messstromdifferenzwert um mehr als einen Differenzschwellenwert abweicht. Vorzugsweise beträgt der vorbestimmte Verhältnisschwellenwert oder der vorbestimmte Differenzschwellenwert ungefähr 50%, vorzugsweise ungefähr 30%, noch bevorzugter ungefähr 15%. Das heißt, wenn das ermittelte Messstromverhältnis bzw. die ermittelte Messstromdifferenz um mehr als 15 % vom vorbestimmten Messstromverhältniswert bzw. Messstromdifferenzwert abweicht, wird ein Fehler des Abgassensors festgestellt.
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In vorteilhafter Weise zeigt der Fehler des Abgassensors eine ungleiche Alterung der ersten Messelektrode und der zweiten Messelektrode an. Alternativ dazu kann der Fehler des Abgassensors eine ungleiche Alterung der ersten Pumpelektrode und/oder zweiten Pumpelektrode anzeigen, da bei einer ungleichen Alterung der Pumpelektroden das Vorkonditionieren des Abgases nicht mehr gewährleistet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors offenbart, das ein Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors gemäß dem ersten Aspekt und, wenn ein Fehler des Abgassensors ermittelt worden ist, ein Ansteuern der Elektroden gemäß einem Notbetrieb mit Pump- und Messströmen aufweist, die von den Pump- und Messströmen des fehlerfreien Messbetriebs des Abgassensors abweichen. Insbesondere kann mit dem Verfahren gemäß dem weiteren Aspekt sichergestellt werden, dass auch bei einem Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors dieser Abgassensor weiterhin betrieben werden kann, zumindest solange, bis der Betreiber der Brennkraftmaschine eine Wartung des Abgassensors bzw. der Brennkraftmaschine durchführt. Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschreibt somit ein Notbetriebsverfahren des Abgassensors, wenn ein Fehler desselben gemäß dem ersten Aspekt festgestellt worden ist. Insbesondere kann mittels des Notbetriebsverfahren die Zeitspanne vom Feststellen des Fehlers bis zu einer Wartung der Brennkraftmaschine überbrückt werden und es können somit weiterhin Stickoxid- und Ammoniakwerte, jedoch nur als Summenwert, erfasst werden.
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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 Abgassensor gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform zeigt,
- 2 eine schematische Schnittansicht durch einen Abgassensor mit nur einem Messpfad und nur einer Messkavität zeigt, und
- 3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors der 1 oder 2 zeigt.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „Steuern“ die regelungstechnischen Begriffe „Steuern“ und „Regeln“. Der Fachmann wird jeweils erkennen, wann ein regelungstechnisches Steuern und wann ein regelungstechnisches Regeln anzuwenden ist.
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Unter Verweis auf die 1 ist eine schematische Schnittansicht durch einen Abgassensors 100 gemäß einer beispielhaften ersten Ausführungsform dargestellt, der dazu ausgebildet ist, in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet zu werden und den Stickoxid-, Ammoniak- und/oder Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine zu erfassen.
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Der Abgassensor 100 weist einen Hauptkörper 112 aus einem Feststoffelektrolyten auf, der vorzugsweise aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder durch einen Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid gebildet ist.
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Zusätzlich kann ein Mischkristall aus Hafniumoxid, ein Mischkristall aus Perowskit-basierten Oxiden oder ein Mischkristall aus trivalentem Metalloxid verwendet werden.
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Innerhalb des Hauptkörpers 112 sind zwei Messpfade 110, 210 vorgesehen, die im Wesentlichen unabhängig voneinander sind und die jeweils mit dem Abgas in Verbindung stehen. Der erste Messpfad 110 weist eine erste Kavität 130, eine erste Pumpkavität 120 und eine erste Messkavität 140 auf. Die erste Kavität 130 ist über einen ersten Verbindungspfad 115 mit dem Äußeren des Hauptkörpers 112 verbunden. Insbesondere kann Abgas durch den ersten Verbindungspfad 115 in die erste Kavität 130 eintreten. Die erste Pumpkavität 120 ist mit der ersten Kavität 130 über einen ersten Diffusionspfad 125 verbunden. Der erste Diffusionspfad 125 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Gasgemisch mit einer vorbestimmten Rate gelangen kann. Alternativ kann der erste Diffusionspfad 125 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein.
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Die erste Messkavität 140 ist mit der ersten Pumpkavität 120 über einen zweiten Diffusionspfad 135 verbunden. Der zweite Diffusionspfad 135 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Gasgemisch mit einer vorbestimmten Rate gelangen kann. Alternativ kann der zweite Diffusionspfad 135 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 125 und der zweite Diffusionspfad 135 sind derart ausgebildet, dass durch diese hindurch das Gasgemisch nur teilweise gelangen kann. Durch Kenntnis der Querschnitte des ersten und zweiten Diffusionspfads 125, 135 und/oder durch Kenntnis der jeweiligen porösen Füllmittel kann die Diffusionsrate durch den ersten und zweiten Diffusionspfad 125, 135 bestimmt und festgelegt werden.
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In einer alternativen, nicht unter Schutz gestellten Ausgestaltung des Abgassensors 100 weist der erste Messpfad 110 nur die erste Pumpkavität 120 und die erste Messkavität 140 auf, die mit der ersten Pumpkavität 120 über den zweiten Diffusionspfad 135 verbunden ist. In einer solchen alternativen Ausgestaltung des Abgassensors 100 ist dann die erste Pumpkavität 120 mit dem Abgas über einen Verbindungspfad verbunden, der dem Pfad durch den ersten Verbindungspfad 115, die ersten Kavität 130 und den ersten Diffusionspfad 125 des Abgassensors 100 der 1 entspricht. In einer solchen alternativen Ausgestaltung des Abgassensors 100 kann das Abgas aus dem Abgasstrang durch diesen Verbindungspfad direkt in die erste Pumpkavität 120 eintreten.
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Der zweite Messpfad 210 weist eine zweite Pumpkavität 220, eine zweite Kavität 230 und eine zweite Messkavität 240 auf. Die zweite Pumpkavität 220 ist über einen zweiten Verbindungspfad 215 mit dem Äußeren des Hauptkörpers 112 verbunden. Insbesondere kann Abgas durch den zweiten Verbindungspfad 215 in die zweite Pumpkavität 220 eintreten Die zweite Kavität 230 ist mit der zweiten Pumpkavität 220 über einen dritten Diffusionspfad 225 verbunden. Der dritte Diffusionspfad 225 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Gasgemisch mit einer vorbestimmten Rate gelangen kann. Alternativ kann der dritte Diffusionspfad 225 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein.
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Die zweite Messkavität 240 ist mit der zweiten Kavität 230 über einen vierten Diffusionspfad 235 verbunden. Der vierte Diffusionspfad 235 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Gasgemisch mit einer vorbestimmten Rate gelangen kann. Alternativ kann der vierte Diffusionspfad 235 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 dritte Diffusionspfad 225 und der vierte Diffusionspfad 235 sind derart ausgebildet, dass durch diese hindurch das Gasgemisch nur teilweise gelangen kann. Durch Kenntnis der Querschnitte des dritten und vierten Diffusionspfads 225, 235 und/oder durch Kenntnis der jeweiligen porösen Füllmittel kann die Diffusionsrate durch den dritte und vierten Diffusionspfad 225, 235 bestimmt und festgelegt werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Abgassensors 100 weist der zweite Messpfad 210 nur die zweite Pumpkavität 220 und die zweite Messkavität 240 auf, die mit der zweiten Pumpkavität 220 über einen Diffusionspfad verbunden ist, der dem Pfad durch den dritten Diffusionspfad 225, die zweite Kavität 230 und den vierten Diffusionspfad 235 des Abgassensors 100 der 1 entspricht. In einer solchen alternativen Ausgestaltung des Abgassensors 100 kann das Abgas aus der zweiten Pumpkavität 220 durch diesen Diffusionspfad direkt in die zweite Messkavität 240 eintreten.
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Im Hauptkörper 112 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 Hauptkörper 112 des Abgassensors 100 angeordneten verschiedenen Elektroden zu bilden.
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An einer Außenseite des Hauptkörpers 112 ist eine mit dem Abgas in Kontakt stehende Abgaselektrode (auch „P+“-Elektrode genannte) 22 angeordnet. Insbesondere kann während eines Messbetriebs des Abgassensors 100 durch Anlegen eines Referenzstroms an der Abgaselektrode 22 der im Abgas befindliche Sauerstoff ionisiert werden und durch den Hauptkörper 112 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 120 ist eine erste Pumpelektrode (auch „P-“-Elektrode genannt) 124 angeordnet. Insbesondere kann während des Messbetriebs des Abgassensors 100 durch Anlegen eines ersten Pumpstroms IP0 an der ersten Pumpelektrode 124 der im Abgas befindliche Sauerstoff innerhalb der ersten Pumpkavität 120 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 112 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen bzw. diffundieren. Aufgrund der aus der ersten Pumpkavität 120 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der ersten Pumpelektrode 124 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 unmittelbarer Umgebung der ersten Pumpelektrode 124 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
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Mit IP0 kann eine Sauerstoffkonzentration in der Pumpkavität 120 eingestellt werden, je nach Höhe der eingestellten Sauerstoffkonzentration kann es zu einer Reduktion der Stickoxide oder Oxidation des Ammoniaks kommen.
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Innerhalb der ersten Messkavität 140 ist eine erste Messelektrode (auch erste „M2“-Elektrode genannt) 144 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 100 bei Anlegen eines ersten Messstroms IP21 den innerhalb der ersten Messkavität 140 vorhandenen Sauerstoff und/oder Stickoxide zu ionisieren, so dass die Sauerstoffionen durch den Hauptkörper 112 wandern bzw. gelangen können. Aufgrund der aus der ersten Messkavität 140 ausgebrachten bzw. herausgepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der ersten Messelektrode 144 und der Referenzelektrode 52 eine erste Mess-Elektrodenspannung bzw. erste Mess-Nernstspannung V21 aus, die durch Anlegen des ersten Messstroms IP21 an der ersten Messelektrode 144 auf konstantem Wert gehalten wird. Genauer gesagt bildet sich die erste Mess-Elektrodenspannung bzw. die erste Mess-Nernstspannung V21 direkt aus dem in unmittelbarer Umgebung der ersten Messelektrode 144 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff. Der angelegte erste Messstrom IP21 ist dann ein Indiz für den innerhalb des Abgases befindlichen Stickoxidgehalt.
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Der an der ersten Pumpelektrode 124 anliegende erste Pumpstrom IP0 wird derart gesteuert, das bevorzugt lediglich der Sauerstoff ionisiert wird, jedoch nicht die Stickoxide. Dazu ist es vorgesehen, den ersten Pumpstrom IP0 derart zu steuern, dass die erste Elektrodenspannung bzw. erste Nernstspannung V0 auf einem ersten Spannungswert konstant gehalten wird, beispielsweise 220 mV. Insbesondere ist die erste Pumpelektrode 124 dazu ausgebildet, während des Normalbetriebs des Stickoxidsensors 100 nahezu den gesamten Sauerstoff aus dem Abgas zu pumpen, so dass in der ersten Messkavität 140 nahezu nur noch Stickoxide vorliegen. Die erste Messelektrode 144 ist dazu ausgebildet, die Stickoxide zu ionisieren, wobei der an der ersten Messelektrode 144 angelegte erste Messstrom IP21 ein Maß für den Stickoxidgehalt im Abgas ist.
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Innerhalb der zweiten Pumpkavität 220 ist eine zweite Pumpelektrode (auch „M0“-Elektrode genannt) 224 angeordnet. Hier kann während des Messbetriebs des Abgassensors 100 durch Anlegen eines zweiten Pumpstroms IP3 an der zweiten Pumpelektrode 224 der im Gasgemisch befindliche Sauerstoff innerhalb der zweiten Pumpkavität 220 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 112 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen bzw. diffundieren. Aufgrund der aus der zweiten Pumpkavität 220 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der zweiten Pumpelektrode 224 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine zweite Elektrodenspannung bzw. zweite Nernstspannung V3 aus. Genauer gesagt bildet sich die zweite Elektrodenspannung bzw. die zweite Nernstspannung V3 direkt aus dem in unmittelbarer Umgebung der zweiten Pumpelektrode 224 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
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Innerhalb der zweiten Messkavität 240 ist eine zweite Messelektrode (auch zweite „M2“-Elektrode genannt) 244 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 100 bei Anlegen eines zweiten Messstroms IP22 den innerhalb der zweiten Messkavität 240 vorhandenen Sauerstoff und/oder Stickoxide zu ionisieren, so dass die Sauerstoffionen durch den Hauptkörper 112 wandern bzw. gelangen können. Aufgrund der aus der zweiten Messkavität 240 ausgebrachten bzw. herausgepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der zweiten Messelektrode 244 und der Referenzelektrode 52 eine zweite Mess-Elektrodenspannung bzw. erste Mess-Nernstspannung V22 aus, die durch Anlegen des zweiten Messstroms IP22 an der zweiten Messelektrode 244 auf konstantem Wert gehalten wird. Genauer gesagt bildet sich die zweite Mess-Elektrodenspannung bzw. die zweite Mess-Nernstspannung V22 direkt aus dem in unmittelbarer Umgebung der zweiten Messelektrode 244 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff. Der angelegte erste Messstrom IP21 ist dann ein Indiz für den innerhalb des Abgases befindlichen Stickoxidgehalt. Aus dem angelegten zweiten Messstrom IP22 und dem angelegten ersten Messstrom IP21 kann dann der im Abgas befindliche Anteil an Ammoniak ermittelt werden, insbesondere da der im Abgas befindliche Ammoniak in den beiden Messpfaden 110, 210 an unterschiedlichen Punkten oxidiert wird und somit jeweils vor und nach der Oxidation unterschiedliche Diffusionsstrecken zurücklegt
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Der an der zweiten Pumpelektrode 224 anliegende zweite Pumpstrom IP3 ist derart eingestellt, das bevorzugt lediglich der im Abgas befindliche Ammoniak und Sauerstoff ionisiert wird. Dazu ist es vorgesehen, den zweiten Pumpstrom IP3 derart zu steuern, dass die zweite Elektrodenspannung bzw. zweite Nernstspannung V3 auf einem zweiten Spannungswert konstant gehalten wird, beispielsweise 230 mV. Insbesondere ist die zweite Pumpelektrode 224 dazu ausgebildet, während des Normalbetriebs des Stickoxidsensors 100 nahezu den gesamten Sauerstoff aus dem Abgas zu pumpen, so dass in der zweiten Messkavität 240 nahezu nur noch Stickoxide vorliegen. Die zweite Messelektrode 244 ist dazu ausgebildet, die Stickoxide zu ionisieren, wobei der an der zweiten Messelektrode 244 angelegte zweite Messstrom IP22 ein Maß für den Stickoxidgehalt im Abgas ist.
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Die unterschiedlichen Diffusionsfähigkeiten von Ammoniak (NH3) und Stickoxid (NO) resultieren aus den auf den molaren Massen basierenden Diffusionskoeffizienten von Ammoniak und Stickstoff. Da Ammoniak-Moleküle leichter sind als Stickoxid-Moleküle, kann Ammoniak besser durch den Hauptköpper 112, d. h. durch die Diffusionspfade 115, 125, 215, 225, diffundieren als Stickoxid. Die Diffusion von Ammoniak und Stickoxid findet insbesondere aufgrund des Konzentrationsgefälles zwischen den mehreren Kavitäten statt. Folglich kann der im Abgas befindliche Ammoniak jeweils besser aus der ersten Kavität 130 in die erste Pumpkavität 120 bzw. aus der zweiten Pumpkavität 120 in die zweite Kavität 230 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 ersten Pumpelektrode 124, der Abgaselektrode 22, der zweiten Pumpelektrode 224, der ersten Messelektrode 144, der zweiten Messelektrode 244 und der Referenzelektrode 52 verbunden und dazu ausgebildet ist, diese Elektroden jeweils mit den Strömen IP0, IP3, IP21 und IP22 zu beaufschlagen und die jeweiligen Nernstspannungen V0, V3, V21 und V22 zu erfassen. Die Steuereinheit ist somit zum Steuern des Betriebs des Abgassensors 100 ausgebildet.
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In weiteren alternativen Ausgestaltungen des Abgassensors 100 kann es vorteilhaft sein, zwischen der ersten Pumpkavität 120 und der ersten Messkavität 140 eine weitere Pumpkavität vorzusehen, in der eine weitere Pumpelektrode angeordnet ist, mit der möglicherweise noch aus der ersten Pumpkavität 120 gelangender Sauerstoff nunmehr vollständig aus dem Gasgemisch abgepumpt werden kann. In ähnlicher Weise kann es vorteilhaft sein, zwischen der zweiten Kavität 230 und der zweiten Messkavität 240 eine weitere Pumpkavität vorzusehen, in der eine weitere Pumpelektrode angeordnet ist, mit der möglicherweise noch aus der zweiten Pumpkavität 220 gelangender Sauerstoff nunmehr vollständig aus dem Gasgemisch abgepumpt werden kann.
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Innerhalb des Hauptkörpers 112 ist ferner eine Heizvorrichtung 60 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper 112 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu heizen und auf dieser zu halten, beispielsweise bei ca. 850°C. Auch die Heizvorrichtung 60 kann von der Steuereinheit gesteuert und betrieben werden.
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Die 2 stellt eine schematische Schnittansicht durch einen Abgassensor 200 gemäß einer beispielhaften, nicht unter Schutz gestellten Ausführungsform dar, die sich vom Abgassensor 100 der 1 darin unterscheidet, dass lediglich ein Messpfad 110 vorhanden ist, der aus der zweiten Pumpkavität 220, in der die zweite Pumpelektrode 224 angeordnet ist, der ersten Pumpkavität 120, in der die erste Pumpelektrode 124 angeordnet ist, und der (ersten) Messkavität 140, in der die (erste) Messelektrode 144 angeordnet ist, gebildet ist. Bei der Ausgestaltung des Abgassensors gemäß 2 werden die beiden Messpfade 110, 210 dadurch realisiert, dass die beiden Pumpelektroden 124, 224 selektiv und abwechselnd betrieben werden. Das heißt, dass in einem ersten Betriebsmodus der erste Pumpstrom IP0 an der ersten Pumpelektrode 124 angelegt wird, wobei die zweite Pumpelektrode 224 deaktiviert ist und somit die zweite Pumpkavität 220 die erste Kavität 130 darstellt, und in einem zweiten Betriebsmodus der zweite Pumpstrom IP3 an der zweiten Pumpelektrode 224 angelegt wird, wobei die erste Pumpelektrode 124 deaktiviert ist und somit die erste Pumpkavität 120 die zweite Kavität 230 darstellt. Dabei wird im ersten Betriebsmodus der erste Messstrom IP21 an der Messelektrode 144 angelegt, wobei im zweiten Betriebsmodus der zweite Messstrom IP22 an der Messelektrode 144 angelegt wird.
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Unter Verweis auf die 3 ist ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers des Abgassensors 100 der 1 gezeigt. Dabei sei jedoch angemerkt, dass das in der 3 gezeigte Verfahren ebenso mit dem Abgassensor 200 der 2 durchgeführt werden kann, wobei die erste und zweite Pumpelektrode 124, 224 jeweils selektiv betrieben werden und dadurch die ersten und zweiten Pumpströme IP0, IP3 zeitlich versetzt und nicht gleichzeitig ermittelt werden. Gleiches gilt für die Messströme IP21 und IP22, die jeweils zeitlich versetzt und nicht gleichzeitig ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt während eines Eigendiagnosebetriebs des Abgassensors 100 und somit nicht parallel zum normalen Messbetrieb des Abgassensors 100. Folglich muss der normale Messbetrieb für das erfindungsgemäße Eigendiagnoseverfahren kurzzeitig vorübergehend unterbrochen werden. Vorzugsweise geschieht dies in zeitlich periodischen Abständen, wie beispielsweise alle 100 Betriebsstunden der Brennkraftmaschine, und/oder während vorbestimmten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise während einer Schubabschaltungsphase.
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Das Verfahren der 3 startet beim Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 310, an dem die Brennkraftmaschine derart betrieben wird, dass das Abgas der Brennkraftmaschine zumindest teilweise Ammoniak aufweist. Beispielsweise kann eine Reduktionsmitteleinspritzvorrichtung derart betrieben werden, dass eine vorbestimmte Menge an Reduktionsmittel zur Reduktion des Abgases eingespritzt wird. Das eingespritzte Reduktionsmittel, wie beispielsweise Harnstoff, kann mit dem Abgas derart reagieren, dass zumindest teilweise Ammoniak im Abgas entsteht. Dieser Zustand des Abgases, der zumindest teilweise Ammoniak aufweisen soll, ist deshalb notwendig, damit die beiden Messpfade 110, 210 des Abgassensors 100 (siehe 1) mit Abgas beaufschlagt werden, das Ammoniak aufweist. Eine Analyse der Pumpströme bzw. Nernstspannungen im Vergleich mit dem Neuzustand (= Gut-Zustand) des Abgassensors 100 erlaubt eine Beurteilung, ob die Elektroden bezüglich ihres Verhaltens im Hinblick auf Ammoniak noch in Ordnung sind.
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In einem darauffolgenden Schritt 320 werden die erste Pumpelektrode 124 und die zweite Pumpelektrode 224 derart mit dem ersten Pumpstrom IP0 und dem zweiten Pumpstrom IP3 angesteuert, dass im Wesentlichen kein Ammoniak mehr zu Stickoxid oxidiert wird, insbesondere nicht von diesen beiden Pumpelektroden 114, 224.
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Insbesondere wird am Schritt 320 sichergestellt, dass das entlang der beiden Messpfade 110, 210 strömende Abgas nach dem Durchströmen der Pumpkavitäten 120, 220 in den jeweiligen Messkavitäten 140, 240 derart vorkonditioniert ist, dass das Abgas darin jeweils eine im Wesentlichen gleiche Zusammensetzung hat. Erwartungsgemäß müssten dann die beiden Messsignale IP21 und IP22 im Wesentlichen in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.
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In einem darauffolgenden Schritt 330 werden ein an der ersten Messelektrode 144 angelegter erster Eigendiagnose-Messstrom IP21 derart angesteuert, dass eine sich zwischen der ersten Messelektrode 144 und der Referenzelektrode 52 ausbildende erste Eigendiagnose-Messspannung V21 auf einen vorbestimmten ersten Spannungswert konstant gehalten wird, und ein an der zweiten Messelektrode 144 angelegter zweiter Eigendiagnose-Messstrom IP22 derart angesteuert, dass eine sich zwischen der zweiten Messelektrode 144 und der Referenzelektrode 52 ausbildende zweite Eigendiagnose-Messspannung V22 auf einem vorbestimmten zweiten Spannungswert konstant gehalten wird. Somit werden am Schritt 330 die beiden Messströme IP21 und IP22 abgelesen und in einem darauffolgenden Schritt 340 ins Verhältnis zueinander gesetzt. Bei einem fehlerfreien Abgassensor 100 müssten die beiden Messströme IP21 und IP22 im Wesentlichen in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen, da das Abgas in den jeweiligen Messkavitäten 140, 240 gleich konditioniert ist.
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In einem darauffolgenden Schritt 350 wird überprüft, ob der beim Schritt 340 gebildete Messstromverhältniswert einen vorbestimmten Verhältnisschwellenwert überschreitet. Überschreitet der Messstromverhältniswert den vorbestimmten Verhältnisschwellenwert nicht, so gelangt das Verfahren wieder zurück zum Schritt 210 und der Abgassensor 100 kann als fehlerfrei bestimmt werden.
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Wird jedoch beim Schritt 350 bestimmt, dass der beim Schritt 340 gebildete Messstromverhältniswert den vorbestimmten Verhältniswert um einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 360, an dem ermittelt wird, dass der Abgassensor fehlerbehaftet ist, bevor das Verfahren beim Schritt 370 endet.
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Dabei wird ein Fehler des Abgassensors 100 beispielsweise dann erkannt, wenn das ermittelte Messstromverhältnis von dem vorbestimmten Messstromverhältniswert um mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 30%, noch bevorzugter mehr als 15%, abweicht. Der im Schritt 360 ermittelte Fehler des Abgassensors 100 kann beispielsweise eine unterschiedliche Alterung der Pumpelektroden 124, 224 und/oder Messelektroden 144, 244 anzeigen, was dazu führt, dass die jeweils damit ermittelten Sauerstoff-, Stickoxid und/oder Ammoniakanteile im Abgas nicht mehr ausreichend genau bestimmt werden können.
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Bevorzugt kann es außerdem sein, dass beim Schritt 360, wenn also ein Fehler des Abgassensors 100 festgestellt wurde, der Betrieb des Abgassensors 100 in einen Notbetrieb schaltet, bei dem der Abgassensor 100 z. B. als reiner Stickoxidsensor betrieben wird, der auf Ammoniak querempfindlich ist. In einem solchen Notbetrieb ist das Stickoxidsignal zwar mit der Ammoniak-Querempfindlichkeit fehlerbehaftet, jedoch kann dieser Notbetrieb dazu dienen, die Zeitspanne bis zum Austausch des Abgassensors 100 zu überbrücken. Folglich kann somit der Abgassensor 100 zumindest für diese Zeitspanne im Notbetriebsmodus betrieben werden, ohne dass es zu einem Liegenbleiben des Fahrzeugs kommt.
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Bei einer Anwendung des Verfahrens beim Abgassensor 200 gemäß 2 stellt die Messelektrode 144 die erste Messelektrode dar, wenn die zweite Pumpelektrode 124 deaktiviert und die erste Pumpelektrode 124 aktiviert ist. Im Gegensatz dazu stellt die Messelektrode 144 die zweite Messelektrode dar, wenn die erste Pumpelektrode 124 deaktiviert und die zweite Pumpelektrode 124 aktiviert ist. Das Umschalten bzw. Aktivieren und Deaktivieren der Pumpelektroden 124, 224 erfolgt dabei selektiv und derart, dass immer nur eine der beiden Elektroden 124, 114 aktiviert ist und die andere entsprechend deaktiviert ist.
