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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum signal-optimierten Betreiben eines NOx/NH3-Abgassensors für eine 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, insbesondere der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, 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, diejenige 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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Die
DE 10 2009 036 060 A1 betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer NOx-Rohemission eines mit Abgasrückführung betreibbaren Brennkraftmaschine.
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Die
DE 10 2011 003 514 A1 betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Funktion eines chemoresistiven Feldeffekttransistors, bei dem eine optimale Einstellung seines Arbeitspunkts erreicht werden soll, um bei geringen Konzentrationsveränderungen des zu erfassenden Stoffs eine möglichst große Veränderung des Stroms zu erhalten.
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In Anbetracht des Standes der Technik ist es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordneten Abgassensors bereitzustellen, mit dem die Erfassung der relevanten Abgasparameter, insbesondere des Stickoxid- und/oder Ammoniakgehalts, möglichst genau 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 im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, den Spannungssollwert für eine Elektrodenspannung eines Abgassensors dynamisch in Abhängigkeit des vorherrschenden Sauerstoffgehalts und/oder Wassergehalts im Abgas der Brennkraftmaschine anzupassen. Insbesondere wird dabei der Spannungssollwert derjenigen Elektrodenspannung dynamisch angepasst, die sich durch Anlegen eines Pumpstroms zum Herauspumpen von ionisiertem Sauerstoff aus dem Abgassensor an der entsprechenden Pumpelektrode und einer Referenzelektrode, die mit der Umgebungsluft in Verbindung steht, ausbildet. Somit kann der gesamte Betrieb des Abgassensors optimiert werden, vor allem hinsichtlich der Messgenauigkeit der Abgasparameter, wie beispielsweise des Stickoxidgehalts und/oder des Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine.
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Folglich ist gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben 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, und eine im Hauptkörper angeordnete und mit der Umgebungsluft verbundene Referenzkavität aufweist, in der eine Referenzelektrode angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Ermitteln des Sauerstoffgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine, ein Ermitteln eines Spannungssollwerts für die sich zwischen der zweiten Pumpelektrode und der Referenzelektrode aufgrund eines an der zweiten Pumpelektrode angelegten Pumpstroms ausbildenden zweiten Elektrodenspannung in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoffgehalts und/oder Wassergehalts und ein Steuern des an der zweiten Pumpelektrode angelegten Pumpstroms derart, dass sich zwischen der zweiten Pumpelektrode und der Referenzelektrode die zweite Elektrodenspannung mit dem ermittelten Spannungssollwert ausbildet. Erfindungsgemäß steigt der Spannungssollwert für die zweite Elektrodenspannung mit steigendem Sauerstoffgehalt an. Die erwünschten chemischen Reaktionen an der Elektrode finden im Wesentlichen bei niedrigen Sauerstoffpartialdrücken statt. Um bei hohem Sauerstoffgehalt bei Gaseintritt noch ausreichend Verweilzeit unter günstigen Bedingungen an der Elektrode zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, auf eine höhere mittlere Elektrodenspannung an der zweiten Pumpelektrode zu steuern bzw. zu regeln.
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Dadurch, dass der Spannungssollwert für die zweite Elektrodenspannung durch das Maximum des Signalunterschieds zwischen reiner Stickoxidanwesenheit und reiner Ammoniakanwesenheit eines zwischen der ersten Messelektrode und der Abgaselektrode fließenden ersten Messstroms bestimmt wird, in Abhängigkeit des ermittelten Sauerstoffgehalts und/oder Wassergehalts während des Betriebs der Brennkraftmaschine dynamisch angepasst wird, kann beispielsweise der Ammoniakgehalt und/oder Stickoxidgehalt im Abgas noch genauer ermittelt werden. Durch geeignete Anpassung des Spannungssollwerts für die zweite Elektrodenspannung kann in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine und somit unterschiedlichen Abgaszusammensetzungen eine optimale Trennbarkeit zwischen dem Stickoxid- und Ammoniakgehalt gewährleistet werden.
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Vorzugsweise wird der Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine basierend auf einem an der ersten Pumpelektrode angelegten ersten Pumpstroms zum konstant Halten einer sich zwischen der ersten Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildenden ersten Elektrodenspannung ermittelt. Alternativ wird der Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine basierend auf dem Sauerstoffsignal einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten separaten Lambdasonde ermittelt. Noch weiter alternativ wird der Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine basierend auf dem Signal eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten separaten Abgassensors ermittelt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln des Wassergehalts im Abgas der Brennkraftmaschine auf, wobei das Ermitteln des ersten Spannungssollwerts ferner zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Wasserkonzentration im Abgas erfolgt. Vorzugsweise kann dabei der Wassergehalt mittels Vergleich der beiden Pumpströme an der ersten und zweiten Elektrode bestimmt werden. Je nach Wassergehalt im Abgas ändert sich das Verhältnis der Pumpströme aufgrund der Wasserzerlegung an den Elektroden.
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Durch Berücksichtigung des Wassergehalts im Abgas kann die Messgenauigkeit des Abgassensors weiter verbessert werden, da auch der Wassergehalt im Abgas die chemischen Reaktionsgleichgewichte der Ammoniakreaktionen beeinflusst. Wie bei der sauerstoffabhängigen Nachregelung der Sollspannung wird hier die Unterscheidbarkeit zwischen Stickoxid- und Ammoniakeffekt verbessert und die Empfindlichkeit erhöht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Abgassensor ferner eine im Hauptkörper angeordnete und mit der ersten Pumpkavität verbundene erste Messkavität, in der eine erste Messelektrode angeordnet ist, und eine im Hauptkörper angeordnete und mit der zweiten Pumpkavität verbundene zweite Messkavität auf, in der eine zweite Messelektrode angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst in dieser bevorzugten Ausgestaltung ferner ein Steuern eines an der ersten Pumpelektrode angelegten Pumpstroms derart, dass ein sich zwischen der ersten Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende erste Elektrodenspannung auf einen vorbestimmten weiteren Spannungssollwert konstant gehalten wird, und ein Ermitteln eines ersten Stickoxidwerts basierend auf einem an der ersten Messelektrode angelegten ersten Messstroms, ein Steuern des an der zweiten Pumpelektrode angelegten zweiten Pumpstroms derart, dass die sich zwischen der zweiten Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende zweite Elektrodenspannung auf dem ermittelten Spannungssollwert konstant gehalten wird, und ein Ermitteln eines zweiten Stickoxidwerts basierend auf einem an der zweiten Messelektrode angelegten zweiten Messstroms, und ein Ermitteln des Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine basierend auf dem ermittelten ersten Stickoxidwert und dem ermittelten zweiten Stickoxidwert.
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In einer weiteren alternativen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Abgassensor ferner eine Hauptkörper angeordnete und mit der ersten und zweiten Pumpkavität verbundene Messkavität auf, in der eine Messelektrode angeordnet ist. In einer solchen alternativen bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Steuern eines an der ersten Pumpelektrode angelegten ersten Pumpstroms derart, dass eine sich zwischen der ersten Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende erste Elektrodenspannung auf einen vorbestimmten weiteren Spannungssollwert konstant gehalten wird, und ein Ermitteln eines ersten Stickoxidwerts basierend auf einem an der Messelektrode angelegten ersten Messstroms, ein Steuern des an der zweiten Pumpelektrode angelegten zweiten Pumpstroms derart, dass die sich zwischen der zweiten Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende zweite Elektrodenspannung auf dem ermittelten Spannungssollwert konstant gehalten wird, und Ermitteln eines zweiten Stickoxidwerts basierend auf einem an der Messelektrode angelegten zweiten Messstroms, und ein Ermitteln des Ammoniakgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine basierend auf dem ermittelten ersten Stickoxidwert und dem ermittelten zweiten Stickoxidwert.
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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 gemäß einer beispielhaften zweiten Ausführungsform zeigt,
- 3 ein Diagramm zeigt, in dem Kurven eingetragen sind, die die Elektrodenspannung gegenüber der Pumpströme des Abgassensors für einen vorbestimmten Stickoxidgehalt und einen vorbestimmten Ammoniakgehalt bei einem niedrigen Sauerstoffgehalt im Abgas darstellen,
- 4 ein Diagramm zeigt, in dem Kurven eingetragen sind, die die Elektrodenspannung gegenüber der Pumpströme des Abgassensors für einen vorbestimmten Stickoxidgehalt und einen vorbestimmten Ammoniakgehalt bei einem zur 3 höheren Sauerstoffgehalt im Abgas darstellen, und
- 5 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Abgassensors 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. 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 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 bzw. umgesetzt 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 umgesetzt bzw. 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 bzw. umzusetzen, 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 bzw. umgesetzt 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 Spannungssollwert 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 bzw. umzusetzen, 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 bzw. umgesetzt 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 bzw. umzusetzen, 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 bzw. umgesetzt wird. Dazu ist es vorgesehen, den zweiten Pumpstrom IP3 derart zu steuern, dass die zweite Elektrodenspannung bzw. zweite Nernstspannung V3 auf einem zweiten Spannungssollwert konstant gehalten wird, beispielsweise 550 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 bzw. umzusetzen, 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. Außerdem ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Spannungssollwerte für die jeweiligen Nernstspannungen V0, V3, V21 und V22 zu speichern und gemäß der vorliegenden Erfindung anzupassen.
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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 zweiten 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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Die 3 und 4 zeigen Diagramme, in denen jeweils zwei Kurven 302, 304, 402, 404 eingetragen sind, die jeweils die zweite Elektrodenspannung V3 gegenüber dem ersten Messstrom IP2 bzw. IP21/Ip22 des Abgassensors 100 für einen jeweils vorbestimmten Stickoxidgehalt (Kurven 302, 402) und einen jeweils vorbestimmten Ammoniakgehalt (Kurven 304, 404) bei einem niedrigen Sauerstoffgehalt (3) und einem im Vergleich dazu höheren Sauerstoffgehalt (4) im Abgas darstellen.
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Insbesondere zeigen die Diagramme der 3 und 4 Charakteristiken des Abgassensors 100 und nicht nur von einer der Elektroden.
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Die Kurven 302, 304 der 3 wurden bei einem beispielhaften Sauerstoffgehalt von ungefähr 1 % im Abgas ermittelt. Die Kurve 302 zeigt den Verlauf des ersten Messstroms IP2 gegenüber der zweiten Elektrodenspannung V3 bei Anwesenheit von Stickoxid (z. B. ungefähr 250 ppm Stickoxid im Abgas) und gleichzeitiger Abwesenheit von Ammoniak (d. h. 0 ppm Ammoniak im Abgas) und die Kurve 304 zeigt den Verlauf des zweiten Pumpstroms IP3 gegenüber der zweiten Elektrodenspannung V3 bei Abwesenheit von Stickoxid (d. h. 0 ppm Stickoxid) im Abgas) und gleichzeitiger Anwesenheit von Ammoniak (z. B. ungefähr 250 ppm Ammoniak im Abgas). Die Kurven 402, 404 der 4 wurden jeweils bei gleichen Stickoxid- bzw. Ammoniakbedingungen im Abgas ermittelt, wobei der Sauerstoffgehalt im Abgas größer war als bei der 3, nämlich ungefähr 10 %. Das jeweilige Nutzsignal zur Unterscheidung zwischen Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas ist in den 3 und 4 mit den Pfeilen 306, 406 angegeben.
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Den Diagrammen der 3 und 4 kann entnommen werden, dass das Nutzsignal 406 der 4 sein Maximum bei einer höheren zweiten Elektrodenspannung V3 aufweist als bei der 3. Somit ist der vorgegebene zweite Spannungssollwert für die zweite Elektrodenspannung V3, auf den mittels Anlegens des ersten Messstroms IP21 an der erstenMesselektrode 144 gesteuert bzw. geregelt werden soll, abhängig vom vorliegenden Sauerstoffgehalt im Abgas. Diese Erkenntnis macht sich die vorliegende Erfindung dadurch zum Nutzen, dass der zweite Spannungssollwert in Abhängigkeit des derzeit vorliegenden Sauerstoffgehalts im Abgas dynamisch angepasst wird, damit der Stickoxidgehalt und Ammoniakgehalt im Abgas noch genauer ermittelt werden kann. Beispielsweise beträgt der zweite Spannungssollwert bei einem Sauerstoffgehalt von ungefähr 3 % (siehe 3) ungefähr 500 mV und bei einem Sauerstoffgehalt von ungefähr 10 % (siehe 4) ungefähr 550 mV. Folglich steigt der Spannungssollwert für die zweite Elektrodenspannung V3 mit steigendem Sauerstoffgehalt an.
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Die 5 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Abgassensors 100 der 1. Das Verfahren startet beim Schritt 500 und gelangt dann zum Schritt 502, an dem der aktuelle Sauerstoffgehalt im Abgas ermittelt wird. Der Sauerstoffgehalt im Abgas kann beispielsweise basierend auf dem an der ersten Pumpelektrode 124 angelegten ersten Pumpstrom IP0 zum konstant Halten der sich zwischen der ersten Pumpelektrode 124 und der Referenzelektrode 52 ausbildenden ersten Elektrodenspannung V0 ermittelt werden. Alternativ kann der Sauerstoffgehalt basierend auf dem Sauerstoffsignal einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten separaten Lambdasonde ermittelt werden. Außerdem kann alternativ der Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine basierend auf dem Signal eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten separaten Abgassensors, wie beispielsweise mittels eines entsprechenden IPO-Signals eines separaten Stickoxidsensors, ermittelt werden.
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In einem darauffolgenden Schritt 504 wird in Abhängigkeit des am vorherigen Schritt 502 ermittelten Sauerstoffgehalts im Abgas der zweite Spannungssollwert für die zweite Elektrodenspannung V3 dynamisch angepasst und in einem weiteren Schritt 506 der an der zweiten Pumpelektrode 224 angelegte zweite Pumpstrom IP3 derart gesteuert bzw. geregelt, dass sich zwischen der zweiten Pumpelektrode 224 und der Referenzelektrode 52 die zweite Elektrodenspannung V3 mit dem ermittelten zweiten Spannungssollwert ausbildet. Beispielsweise kann eine Zuordnung des ermittelten Sauerstoffgehalts im Abgas zu einem dazugehörigen Spannungssollwert der zweiten Elektrodenspannung V3 mittels einer in der Steuereinheit hinterlegten Tabelle erfolgen. Alternativ kann diese Zuordnung mittels einer mathematischen Abbildung erfolgen, die den Zusammenhang zwischen Sauerstoffgehalt und Spannungssollwert für die zweite Elektrodenspannung V3 herstellt. Das Verfahren der 5 endet dann beim Schritt 508.
