DE102020207994A1

DE102020207994A1 - Hochpräzise Stöchiometriemessung

Info

Publication number: DE102020207994A1
Application number: DE102020207994.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Wagner; Lothar Diehl; Thomas Seiler; Thorsten Nass
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Messung einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas in der Nähe von λ = 1 mit einer an sich bekannten zweizelligen Breitband-Lambdasonde. Nach einem Kalibrierschritt kann die Nernstspannung an der Nernstzelle der Breitband-Lambdasonde derart gewählt werden, dass im Betrieb der Breitband-Lambdasode ein Sprung der Pumpspannung reproduzierbar und hochgenau bei einer gewünschten Sauerstoffkonzentration in dem Abgas in der Nähe von λ = 1 erfolgt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind einerseits Breitband-Lambdasonden bekannt, die folgendes aufweisen:

- in ihrem Inneren einen Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas kommuniziert;
- eine elektrochemische Pumpzelle, mit einer ersten, dem Abgas ausgesetzten Elektrode und einer zweiten, in dem Hohlraum angeordneten Elektrode und einem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordneten Festelektrolyten, sodass ein Pumpstrom an die elektrochemische Pumpzelle anlegbar ist, um Sauerstoff in den Hohlraum hinein- bzw. aus dem Hohlraum heraus zu pumpen;
- eine elektrochemische Nernstzelle, mit einer dritten, in dem Hohlraum angeordneten Elektrode und einer vierten, in einem vom Abgas getrennten Referenzraum angeordneten Elektrode, sodass eine Nernstspannung messbar ist, um den Sauerstoffgehalt in dem Hohlraum zu bestimmen.

Es ist ferner bekannt, mit ihnen den Sauerstoffgehalt in Abgasen (auch: λ) in einem weiten Bereich zu messen, indem die Breitband-Lambdasonde dem Abgas ausgesetzt wird und durch elektrisches Ansteuern der Pumpzelle der Sauerstoffgehalt in dem Hohlraum derart eingeregelt wird, dass die Nernstspannung einen Sollwert von zum Beispiel 450 mV annimmt und dass der im eingeregelten Zustand durch die Pumpzelle fließende Strom den Messwert für den Sauerstoffgehalt in dem Abgas bildet.
Hochpräzise Messungen des Sauerstoffgehalts in Abgasen im stöchiometrischen Bereich (also z.B. 0,99 < λ < 1,01) sind so bekanntermaßen allerdings nur eingeschränkt möglich.
Aus dem Stand dem Technik sind andererseits Sprungsonden bekannt, die auf elektrochemischen Nernstzellen basieren. Ihre Ausgangsspannung (Nernstspannung) als Funktion des Sauerstoffgehalts im Abgas weist bei einem Punkt in der Nähe von λ = 1 einen scharfen Sprung, beispielsweise von 0mV nach 900mV auf. Da dieser Punkt jedoch von Exemplar zu Exemplar etwas verschieden ist und zudem einer Alterung unterworfen ist, ist eine hochpräzise Messung des Sauerstoffgehalts in Abgasen im stöchiometrischen Bereich (also z.B. 0,99 < λ < 1,01) mit diesen Sonden auch nur eingeschränkt möglich.
Da insbesondere im Zusammenhang mit einer innermotorischen Verbrennung Emissions- und Verbrauchswerte stark davon abhängen, dass ein exakt stöchiometrisches Kraftstoff-Luftgemisch (also z.B. λ = 1,000) tatsächlich erreicht wird, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derart hochpräzise Stöchiometriemessung zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 basiert zunächst auf der Beobachtung der Erfinder, dass im herkömmlichen Betrieb einer Breitband-Lambdasonde (s.o.), die Pumpspannung im eingeregelten Zustand grundsätzlich eine ähnliche Charakteristik besitzt wie die Nernstspannung einer Sprungsonde, dass die Pumpspannung also als Funktion des Sauerstoffgehalts im Abgas bei einem Punkt in der Nähe von λ = 1 einen scharfen Sprung beispielsweise von 0mVnach 900mV aufweist. Wiederum ist dieser Punkt bei jeder Breitband-Lambdasonde von Exemplar zu Exemplar etwas verschieden.
Das ist einerseits darauf zurückzuführen, dass die zweite Elektrode, die sich in dem Hohlraum befindet, im herkömmlichen Betrieb einem Gas mit dem Sauerstoffgehalt λ ≅ 1 ausgesetzt ist, sodass sich eine „Nernstspannung“ entsprechend auch an der Pumpzelle ausbildet, und dass dann ferner die durch die Pumpzelle fließenden Ströme bei der hier in Rede stehenden Sauerstoffkonzentrationen im Abgas so klein sind, dass die mit den Strömen einhergehenden Spannungsabfälle an der Pumpzelle vernachlässigbar und/oder ggf. ohne Weiteres kompensierbar sind.
Die Erfinder haben dann weiterhin herausgefunden, dass der Sauerstoffgehalt des Abgases, bei dem dieser Punkt liegt, durch eine Variation des Sollwerts der Nernstspannung in gewissen Grenzen verschoben werden kann. Beispielsweise wurde bei einer Charge von Sonden, bei denen bei einem Sollwert von 450 mV dieser Punkt zwischen λ = 1,008 und λ= 1,012 lag, beobachtet, dass sich dieser Punkt stets auf λ = 1,010 einstellen lässt, wenn der Sollwert für jede Breitband-Lambdasonde individuell geeignet gewählt wird, bei dieser Charge jeweils auf einen Wert im Intervall 450 ± 200 mV.
Genauer verhält es sich so, dass sich die Pumpspannung aus drei Anteilen additiv zusammensetzt: Dem Spannungsabfall an der Grenzfläche der ersten Elektrode (APE) zum Festelektrolyt, dem Spannungsabfall im Festelektrolyten und dem Spannungsabfall an der Grenzfläche der zweiten Elektrode (IPN) zum Festelektrolyten. Letztere Spannung kann über gewisse Änderungen der Sollspannung und daraus resultierende sehr geringe Änderungen des Pumpstroms bzw. des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum direkt verändert werden, ohne die beiden anderen Spannungen signifikant zu beeinflussen. Bezogen auf die hierbei im Sinne einer Nernstzelle ausgewertete elektrochemische Pumpzelle besteht das Verfahren also insbesondere darin, dass das Potenzial der zweiten Elektrode (IPN) gezielt eingestellt wird und dadurch die resultierende Charakteristik der Pumpspannung als Funktion des Sauerstoffgehalts im Abgas (λ) gezielt zu höheren oder niedrigeren Spannungen verschoben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert also - nochmals in anderer Weise vereinfacht ausgedrückt - auf der Grundidee, zunächst in einem Kalibrierschritt für ein Messgas einen Kalibrierwert festzustellen. Dabei ist der Kalibierwert z.B. der Sauerstoffgehalt, bei dem dieser Punkt liegt, oder die Sollspannung, bei der dieser Punkt bei einem bestimmten Sauerstoffgehalt liegt. Es wird, um dies herauszufinden, eine Variationsgröße (z.B. der Sauerstoffgehalt oder der Sollwert) variiert und so der Kalibrierwert aufgefunden und gespeichert. Nachfolgend wird in dem Messschritt aus dem Kalibrierwert der kalibrierte Sollwert bestimmt. Das ist der Sollwert, durch den dieser Punkt auf einen gewünschten Sauerstoffgehalt im Abgas verschoben wird. Dieser kalibrierte Sollwert wird dann bei der Regelung berücksichtigt.
Der Sprung der Pumpspannung als Funktion des Sauerstoffgehalts im Abgas erfolgt dann bei dem gewünschten Sauerstoffgehalt λ_W und kann hochpräzise bestimmt werden. Sauerstoffkonzentrationen in der Nähe von λ_W können ebenfalls hochpräzise bestimmt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Kalibierschritt vor der Montage der Breitband-Lambdasonde in dem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners erfolgt, beispielsweise unmittelbar nach der Fertigung der Breitband-Lambdasonde. Die Speicherung des kalibrierten Sollwerts kann dann mit der Breitband-Lambdasonde physikalisch verbunden kodiert werden, beispielsweise in einem oder durch ein Speichermedium. Der Messschritt erfolgt vorzugsweise erst nach der Montage der Breitband-Lambdasonde in dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine oder des Brenners.
Beispielsweise wird im Stecker der Sonde, zum Beispiel mit Hilfe eines Lasertrimmverfahrens, ein einstellbarer Widerstand als Speichermedium auf einen gemäß einer Tabelle dem Kalibrierwert zuzuordnenden Widerstandswert eingestellt, vorzugsweise gemäß einem Verfahren wie in DE10 2008 042 879 A1 beschrieben. Dieser Widerstandswert entspricht in eindeutiger Weise dem Kalibrierwert, auf dessen Basis der kalibrierte Sollwert bestimmbar ist. Der Kalibierwert kann im Fahrzeug von dem Steuergerät ausgelesen werden.
Andererseits kann vorgesehen sein, dass im Messschritt der Widerstandskörper von einem elektrischen Strom durchflossen wird, sodass auf Basis des Spannungsabfalls an dem Widerstandskörper eine elektrische Spannung generiert wird, die mit dem kalibrierten Sollwert korreliert ist und für die Regelung zur Verfügung steht.
Ist weiterhin vorgesehen, dass der elektrische Strom auch durch die Nernstzelle fließt, also einen Sauerstofftransport von dem Hohlraum zu dem Referenzraum bewirkt, also eine gepumpte Referenz realisiert ist, dann ist der Widerstandskörper mit der Nernstzelle in Reihe geschaltet und die an ihnen insgesamt anliegende Spannung setzt sich additiv aus der Nernstspannung und dem Spannungsabfall zusammen. Das hat zur Folge, dass die Nernstspannung durch die Regelung die kalibrierte Sollspannung annimmt, wenn die an ihnen insgesamt anliegende Spannung auf die Sollspannung geregelt wird. Steuergeräteseitig braucht also nur zunächst eine für alle Breitband-Lambdasonden stets gleiche Sollspannung zur Verfügung gestellt werden, was eine wesentliche Vereinfachung darstellt. Durch den Spannungsabfall des von dem elektrischen Strom (Pumpstrom der gepumpten Referenz) durchflossenen Widerstandskörper regelt sich dennoch in dem Hohlraum eine Sauerstoffkonzentration ein, die dem kalibrierten Sollwert als Sollwert der Nernstspannungsregelung entspricht.
Wird dem Widerstandkörper ein Kondensator parallelgeschaltet, so werden durch diesen hochfrequente Signale überbrückt, die beispielsweise zur Messung des Innenwiderstandes der Nernstzelle vorgesehen sind, beispielsweise mit der Zielsetzung, die Temperatur der Breitband-Lambdasonde festzustellen und/oder zu regeln.
Es ist andererseits aber auch möglich und vorteilhaft, dass das Speichermedium ein elektronischer Speicher ist, der sich beispielsweise in einem Anschlussstecker der Breitband-Lambdasonde befindet. Auf ihm kann der Kalibrierwert beispielsweise digital kodiert gespeichert sein.
In einer anderen Weiterbildung ist stattdessen vorgesehen, dass auch der Kalibierschritt erst nach der Montage der Breitband-Lambdasonde in dem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners erfolgt. Beispielsweise kann hierzu mit Hilfe einer zweiten Lambdasonde oder mit Hilfe der Pumpstrom-Auswertung der Breitbandlambdasonde oder auf Basis eines Lambda-Modells der Motorbetriebsparameter ein definierter Lambdawert eingestellt werden. Die Speicherung des Kalibrierwerts kann dann vorteilhafterweise in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine oder des Brenners erfolgen.
Einerseits kann dabei der Kalibierschritt bei zumindest einem, regelmäßig oder bei jedem Neustart der Brennkraftmaschine oder des Brenners durchgeführt werden.
Anderseits oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass der Kalibierschritt durchgeführt wird, nach der Demontage einer Breitband-Lambdasonde und der Montage einer anderen Breitband-Lambdasonde an der Brennkraftmaschine oder an dem Brenner.
Diese Ereignisse können dadurch erkannt werden, dass zumindest eine elektrische Größe bei der Breitband-Lambdasonde gemessen wird und bei der anderen Breitband-Lambdasonde gemessen wird und festgestellt wird, dass sich die so gemessenen Größen voneinander unterscheiden.
Bei der elektrischen Größe kann es sich zum Beispiel um den elektrischen Widerstand einer Heizleiterbahn handeln, die sich im Inneren der Breitband-Lambdasonde befindet, beispielsweise um den elektrischen Widerstand, den die Heizleiterbahn aufweist, wenn sie kalt ist, also in einem ausreichend langen Zeitraum zuvor nicht von einem Strom durchflossen wurde.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

1 eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Breitband-Lambdasonde und eine an sich bekannte elektronische Schaltung zum Betreiben der Breitband-Lambdasonde in einer an sich bekannten Art und Weise;
2 eine schematische Darstellung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 den Zusammenhang zwischen der Pumpspannung Up und dem Sauerstoffgehalt im Abgas λ für eine Charge von Breitband-Lambdasonden im Kalibrierschritt; und
4 und 5 Änderungen des Zusammenhangs zwischen der Pumpspannung Up und dem Sauerstoffgehalt im Abgas λ durch die Änderung der Sollspannung in dem Messschritt des Verfahrens.

1 zeigt eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Breitband-Lambdasonde 10 (ähnlich der Breitband-Lambdasonde LSU 4.9 der Anmelderin) und eine an sich bekannte elektronische Schaltung 70 (ähnlich dem ASIC CJ 125 der Anmelderin) zum Betreiben der Breitband-Lambdasonde 10 in einer an sich bekannten Art und Weise.
Im Detail ist demgemäß eine ein keramisches Sensorelement 20 umfassende Breitbandlambdasonde 10 vorgesehen, wobei in dem Inneren des keramischen Sensorelements 20 ein Hohlraum 22 vorgesehen ist, der über eine Diffusionsbarriere 24 mit dem Abgas 100 kommuniziert. Eine elektrochemische Pumpzelle 30 des Sensorelements umfasst eine erste, dem Abgas 100 ausgesetzte Elektrode 32 und eine zweite, in dem Hohlraum 22 angeordnete Elektrode 34 und einen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 32, 34 angeordneten Festelektrolyten 33, sodass eine Pumpspannung U_P bzw. ein Pumpstrom I_P an die elektrochemische Pumpzelle 30 anlegbar ist, um Sauerstoff in den Hohlraum 22 hinein bzw. aus dem Hohlraum 22 heraus zu pumpen. Eine elektrochemische Nernstzelle 40 des Sensorelements 20 umfasst eine dritte Elektrode 42, die in dem Hohlraum 22 angeordnet ist und eine vierte Elektrode 44, die in einem vom Abgas 100 getrennten Referenzraum 200 angeordnet ist, und einen die dritte Elektrode 42 und die vierte 44 Elektrode verbindenden Festelektrolyten 43, sodass zwischen der dritten Elektrode 42 und der vierten Elektrode 44 eine Nernstspannung U_N messbar ist, um den Sauerstoffgehalt in dem Hohlraum 22 zu bestimmen. In diesem Beispiel sind die zweite Elektrode 34 und die dritte Elektrode 42 durch eine elektrisch leitende Verbindung 38 im Inneren des Hohlraums 22 miteinander kurzgeschlossen. Das Sensorelement 20 weist ferner eine elektrische Heizleiterbahn 50 auf.
Im Detail ist in der 1 ferner eine elektrische Schaltung 70 zu sehen, die beispielsweise Teil eines Steuergeräts einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners sein kann. Die elektrische Schaltung 70 ist mit der Breitband-Lambdasonde 10 über eine Steckverbindung 60 elektrisch verbunden. Im Bereich der Steckverbindung 60 ist sondenseitig ein trimmbarer Widerstand 62 vorgesehen. Die Steckverbindung 60 umfasst ferner sowohl sondenseitig als auch schaltungsseitig jeweils 6 elektrische Leitungen, die durch die Steckverbindung 60 immer paarweise miteinander verbunden sind. Die verbundenen Leitungen werden nachfolgend (sowohl sondenseitig als auch schaltungsseitig) als APE, IPN, MES, RE, H+ und H- bezeichnet.
Die Leitung APE ist sondenseitig mit der ersten Elektrode 32 und dem trimmbaren Widerstand 62 verbunden. Die Leitung MES ist sondenseitig so mit dem trimmbaren Widerstand 62 verbunden, dass er zwischen den Leitungen APE und MES liegt. Die Leitung IPN ist sondenseitig mit der zweiten Elektrode 34 und (über die Verbindung 38) mit der dritten Elektrode 42 verbunden. Die Leitung RE ist mit der vierten Elektrode 44 verbunden. Die Leitungen H+ und H-kontaktieren sondenseitig jeweils eines der beiden Enden der Heizleiterbahn 50.
Schaltungsseitig wird die zwischen IPN und RE ausgebildete Nernstspannung U_N mit einer in der Schaltung 70 von einer Spannungsquelle 72 generierten Sollspannung Us (von beispielsweise 450mV) in einem Differenzverstärker 74 vergleichen und entsprechend der Spannungsdifferenz U_N - Us wird die elektrochemische Pumpzelle 30 über die Leitungen APE und IPN und die erste und zweite Elektrode 32, 34 elektrisch mit einer Pumpspannung U_P bzw. einem Pumpstrom I_P beaufschlagt. Dabei wird ein vorgeschalteter Messwiderstand 75 der Schaltung 70 von dem Pumpstrom I_P durchflossen. Der resultierende Spannungsabfall U_A an dem Messwiderstand 75 steht als Messgröße für den Sauerstoffgehalt λ im Abgas 100 zur Verfügung.
Schaltungsseitig ist RE ferner über einen Vorwiderstand Rv mit einer Spannungsquelle Vcc verbunden, sodass durch die Nernstzelle 40 kontinuierlich ein kleiner Strom I_ref fließt und einen Sauerstoffionenstrom von dem Hohlraum 22 zu dem Referenzraum 200 bewirkt. In dem Referenzraum 200 wird so ein konstanter Sauerstoffpartialdruck ermöglicht. Über den gleichen Anschluss ist die Nernstzelle 40 auch mit kurzen Spannungspulsen beaufschlagbar, mit der Zielsetzung, damit den Innenwiderstand der Nernstzelle als Maß für die Temperatur des Sensorelements 20 festzustellen.
Die Leitung MES ist sondenseitig mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 74 verbunden, sodass durch Einstellen des genauen Widerstandswert des trimmbaren Widerstands 62 der Pumpstrom I_P und der Spannungsabfall U_A an dem Messwiderstand 75 zueinander in ein gewünschtes Verhältnis gebracht werden können.
Die Leitungen H+ und H- sind schaltungsseitig über einen Schalter 76 mit einer Heizerspannung U_H verbunden. Der Schalter 76 kann geöffnet und geschlossen werden, um den Innenwiderstand der Nernstzelle 40 bzw. die Temperatur des Sensorelements 20 auf einen jeweils gewünschten Wert zu regeln.
Ein Ausführbeispiel der erfindungsgemäßen hochgenauen Stöchiometriemessung wird nun vor diesem Hintergrund und weiterhin mit Bezug auf die 2, 3 und 4 erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt grundsätzlich in einem Kalibrierschritt V1 und, dazu zeitlich nachgelagert, in einem Messschritt V2.
Im vorliegenden Beispiel wurde der Kalibrierschritt V1 für eine Charge von Breitband-Lambdasonden 10 vor Einbau in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine durchgeführt, indem sie einem Gas mit einem Sauerstoffgehalt entsprechend einem Abgas 100 einer im wesentlichen stöchiometrischen Verbrennung ausgesetzt wurden und dort in der gewöhnlichen Art und Weise (wie oben dargestellt) betrieben wurden. Dabei wurde (zusätzlich zu der in 1 gezeigten Beschaltung) die Pumpspannung U_P, die zwischen der ersten Elektrode 32 und der zweiten Elektrode 34 anliegt, beispielsweise zwischen den Leitungen APE und IPN gemessen. Durch Variation des Sauerstoffgehalts in dem Gas zwischen λ=0,98 und λ=1,02 wurden die in der 3 dargestellten U_P(λ) - Diagramme aufgenommen. Aufgrund der Exemplarstreuung innerhalb der Charge der Breitband-Lambdasonden 10 liegen die Diagramme nicht exakt übereinander. Beispielsweise schwanken die Sauerstoffkonzentrationen λ₀, die einer Pumpspannung von 0 mV entsprechen, innerhalb eines Intervalls von 1,008 < λ₀ < 1,012. =
Diese Sauerstoffkonzentration λ₀ für jede individuelle Breitbandlambdasonde 10 wurde daraufhin als Kalibrierwert Kw in einem von einem Steuergerät 70 auslesbaren elektronischen Speicher der Breitband-Lambdasonde 10 abgelegt.
Nachfolgend werden die Breitband-Lambdasonden 10 in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine montiert. In einem nachfolgenden Messschritt V2 berechnet das Steuergerät 70 jeweils aus dem Kalibierwert Kw eine kalibrierte Sollspannung U_KS, und zwar so, dass bei einem gewöhnlichen Betrieb der Breitband-Lambdasonde 10 mit der kalibrierten Sollspannung U_KS als Sollspannung Us, auf die die Nernstspannung geregelt wird, bei einer Sauerstoffkonzentration von im Beispiel λ=1,010 im Abgas eine Pumpspannung U_P von 0 mV resultiert. Auf Basis des ausgelesenen Kalibierwerts Kw kann der Wert der kalibrierten Sollspannung U_KS beispielsweise in einer Tabelle im Steuergerät 70 hinterlegt sein. Alternativ wäre es auch möglich, die kalibrierte Sollspannung U_KS im Rahmen des Kalibrierschritts V2 zu berechnen und unmittelbar im Speichermedium zu speichern.
Bei der im Beispiel betrachteten Charge lagen die Werte der kalibrierten Sollspannungen U_KS zwischen 250 mV und 650 mV.
Der Messschritt V2 erfolgt nun weiterhin, indem an die Stelle der Sollspannung Us (im Beispiel 450 mV) die kalibrierte Sollspannung U_KS tritt.
Für eine spezielle Breitband-Lambdasonde der Breitband-Lambdasonden 10 aus der Charge ist das in der 4 näher erläutert. Bei einem Betrieb mit einer Sollspannung von 450 mV, zum Beispiel im Kalibrierschritt V1 resultierte bei dieser speziellen Breitband-Lambdasonde 10 ein U_P(λ) - Zusammenhang gemäß der durchgezogenen Linie, d.h. eine Pumpspannung U_P von 0mV bei einer Sauerstoffkonzentration im Gas von λ₀ = 1,011.
Im Messschritt V2 wurde diese spezielle Breitband-Lambdasonde 10 nun mit einer Sollspannung Us von 550 mV betrieben, entsprechend dem Wert der kalibrierten Sollspannung U_KS. Der resultierende U_P(λ) - Zusammenhang entspricht nachfolgend der gestrichelten Linie in der 4. Das kann folgendermaßen verstanden werden: Durch die Vergrößerung der Sollspannung Us ist im geregelten Betrieb auch die Nernstspannung U_N erhöht, sodass sich die Sauerstoffkonzentration im Hohlraum verringert. Die sich an der Pumpzelle 30 ausbildende Spannung U_P ist folglich (bei konstantem Sauerstoffgehalt im Abgas) ebenfalls vergrößert, sodass der resultierende U_P (λ) - Zusammenhang in der 4 nach oben verschoben ist. Die Sauerstoffkonzentration λ, für die die Pumpspannung U_P 0mV beträgt, beträgt nachfolgend λ = 1,010.
Für die anderen Breitband-Lambdasonden 10 der Charge ergeben sich andere Kalibrierwerte Kw und andere kalibrierte Sollspannungen U_KS. Allen Breitband-Lambdasonden 10 gemeinsam ist jedoch bei einem zu der speziellen Breitband-Lambdasonde analogen Vorgehen, dass in dem Messschritt V2 eine Pumpspannung U_P genau dann den Wert 0 mV annimmt, wenn die Sauerstoffkonzentration λ im Abgas 100 λ = 1,010 beträgt.
Auf diese Weise ist im Beispiel eine sehr präzise Stöchiometriemessung möglich, selbst bei einer großen Individuenstreuung der U_P (λ)-Charakteristiken innerhalb einer Fertigungscharge.
In einem anderen Beispiel wird bei der gleichen Charge von Breitband-Lambdasonden 10 die Sollspannung Us auf Werte in einem Intervall um 1000 mV herum verschoben. Auf diese Weise konnte der Punkt im U_P (λ) - Diagramm, an dem ein Sprung der Pumpspannung U_P erfolgt, präzise auf die Sauerstoffkonzentration λ = 1,000 verschoben werden, siehe 5. Die Pumpspannung, die dieser Sauerstoffkonzentration im Abgas entspricht, beträgt dann allerdings nicht mehr wie im ersten Beispiel 0 mV, sondern hat einen größeren Wert, entsprechend einer hierbei an der ersten Elektrode bereits erfolgenden elektrochemischen Zersetzung von Wasser.
Bei derart hohen Sollspannungen Us, wird ein kleiner O2-Ionenstrom von der zweiten Elektrode (IPE) zu der ersten Elektrode (APE) gepumpt. Der dadurch an der ersten Elektrode (APE) entwickelte gasförmige Sauerstoff bewirkt, dass die U_P (λ) - Charakteristik zum Erreichen des Sprungpunkts in Richtung fett verschoben wird: Der künstlich erzeugte O2-Untergrund an der APE muss durch mehr Fettgas kompensiert werden, damit Lambda = 1, also die Gaszusammensetzung des Sprungpunkts, an der APE vorliegt.
Durch dieses Verfahren wird also die U_P (λ) - Charakteristik gezielt sowohl nach oben als auch nach links verschiebbar. So kann für jeden Sensor durch Zuordnung eines charakteristischen Kalibrierwerts Kw erreicht werden, dass die U_P (λ) - Charakteristik genau bei Lambda = 1 oder bei anderen gewünschten Gaszusammensetzungen ihren Sprung zeigt.
Dadurch können bestimmte Fahrzeugbetriebsweisen, beispielsweise zur Diagnose des Katalysators oder des Pumpstroms der Breitbandsonde an Lambda = 1, die bisher bei einem im leicht Mageren liegenden Sprungpunkt des Up durchgeführt werden mussten, nun exakt bei Lambda = 1 oder sogar darunter erfolgen. Auf diese Weise wird die NOx-Schadstoffemission reduziert.
Hierzu wäre ggf. nur eine temporäre Einstellung einer erhöhten Soll-Nernstspannung notwendig. Die diagnostizierte Sonde könnte anschließend wieder im Normalbetrieb verwendet werden. Für dieses Diagnoseverfahren wäre ggf. bereits eine für alle Sonden gleiche Soll-Nernstspannung ausreichend, d. h. ohne einen individuellen Abgleich der Soll-Nernstspannung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008042879 A1 [0013]

Claims

Verfahren zur genauen Bestimmung eines Sauerstoffgehalts (λ) eines Abgases (100) einer im wesentlichen stöchiometrischen Verbrennung mit einer Breitband-Lambdasonde (10) wobei das Verfahren einen Kalibrierschritt (V1) und einen Messschritt (V2) vorsieht, wobei die Breitbandlambdasonde (10) ein keramisches Sensorelement (20) umfasst, das folgendes aufweist: - in seinem Inneren einen Hohlraum (20), der über eine Diffusionsbarriere (24) mit dem Abgas (100) kommuniziert; - eine elektrochemische Pumpzelle (30), mit einer ersten, dem Abgas (100) ausgesetzten Elektrode (32) und einer zweiten, in dem Hohlraum (22) angeordneten Elektrode (34) und einem zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (32, 34) angeordneten Festelektrolyten (33), sodass ein Pumpstrom (I_P) an die elektrochemische Pumpzelle (30) anlegbar ist, um Sauerstoff in den Hohlraum (22) hinein- bzw. aus dem Hohlraum (22) heraus zu pumpen; - eine elektrochemische Nernstzelle (40) , mit einer dritten, in dem Hohlraum (22) angeordneten Elektrode (42) und einer vierten, in einem vom Abgas (100) getrennten Referenzraum (200) angeordneten Elektrode (44), sodass eine Nernstspannung (U_N) messbar ist, um den Sauerstoffgehalt in dem Hohlraum (22) zu bestimmen; - wobei in dem Kalibrierschritt (V1) die Breitband-Lambdasonde (10) einem Gas mit einem Sauerstoffgehalt (λ) entsprechend einem Abgas einer im wesentlichen stöchiometrischen Verbrennung ausgesetzt wird, und durch elektrisches Ansteuern der Pumpzelle (30) mit einer Pumpspannung (U_P) bzw. einem Pumpstrom (I_P) der Sauerstoffgehalt in dem Hohlraum (22) derart eingeregelt wird, dass die Nernstspannung (U_N) einen Sollwert (Us) annimmt; wobei weiterhin eine Variationsgröße (λ, Us) variiert wird, wobei die Variationsgröße (λ, Us) entweder der Sauerstoffgehalt (λ) im Abgas (100) oder die Sollspannung (Us) ist, und wobei festgestellt wird, bei welchem Wert (λ₀, U_S0) der Variationsgröße (λ, U_s) die Pumpspannung (U_P) einen vorgegebenen Wert annimmt, insbesondere 0 mV, und dieser Wert (λ₀, U_S0) der Variationsgröße (λ, Us) oder der Wert einer aus diesem Wert (λ₀, U_S0) berechneten Größe als Kalibrierwert (Kw) gespeichert wird; - wobei in dem Messschritt (V2) aus dem Kalibrierwert (Kw) eine kalibrierte Sollspannung (U_KS) oder eine mit der kalibrierten Sollspannung (U_KS) korrelierte Größe bestimmt wird, die Breitband-Lambdasonde (10) dem Abgas (100) ausgesetzt wird und durch elektrisches Ansteuern der Pumpzelle (30) der Sauerstoffgehalt in dem Hohlraum derart eingeregelt wird, dass die Nernstspannung (U_N) die kalibrierte Sollspannung (U_KS) annimmt und wobei die im eingeregelten Zustand an der Pumpzelle (30) zwischen der ersten Elektrode (32) und der zweiten Elektrode (34) ausgebildete Potenzialdifferenz (U_P) den Messwert für den Sauerstoffgehalt (λ) in dem Abgas (100) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kalibierschritt (V1) vor einer Montage der Breitband-Lambdasonde (10) in dem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners erfolgt und die Speicherung des Kalibrierwerts (Kw) in oder durch ein Speichermedium erfolgt und der Messschritt (V2) nach der Montage der Breitband-Lambdasonde (10) in dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine oder des Brenners erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Speichermedium ein Widerstandskörper ist, der durch den Wert seines elektrischen Widerstands den Kalibrierwert (Kw) speichert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei im Messschritt der Widerstandskörper von einem elektrischen Strom (I_ref) durchflossen wird, sodass auf Basis des Spannungsabfalls an dem Widerstandskörpers eine elektrische Spannung generiert wird, die mit dem Kalibrierwert (Kw) korreliert ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der elektrische Strom (I_ref) auch durch die Nernstzelle (40) fließt und einem Sauerstofftransport von dem Hohlraum (22) zu dem Referenzraum (200) entspricht, sodass der Widerstandskörper mit der Nernstzelle (40) in Reihe geschaltet ist und sich die an ihnen insgesamt anliegende Spannung additiv aus der Nernstspannung (U_N) und dem Spannungsabfall zusammensetzt, sodass die Nernstspannung (U_N) durch die Regelung die kalibrierte Sollspannung (U_KS) annimmt, wenn die an der Reihenschaltung aus Widerstandskörper und Nernstzelle (40) insgesamt anliegende Spannung auf die Sollspannung (Us) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei dem Widerstandskörper ein Kondensator parallel geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Speichermedium ein elektronischer Speicher ist, der sich beispielsweise in einem Anschlussstecker der Breitband-Lambdasonde (10) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kalibierschritt (V1) nach der Montage der Breitband-Lambdasonde (10) in dem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners erfolgt und die Speicherung des Kalibrierwerts (Kw) in einem Steuergerät (70) der Brennkraftmaschine oder des Brenners erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kalibierschritt (V1) regelmäßig oder bei zumindest einem, oder bei jedem Neustart der Brennkraftmaschine oder des Brenners durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Kalibierschritt (V1) durchgeführt wird, nach einer Demontage einer Breitband-Lambdasonde und einer Montage einer anderen Breitband-Lambdasonde an der Brennkraftmaschine oder an dem Brenner, wobei die Demontage und die Montage von dem Steuergerät (70) der Brennkraftmaschine oder des Brenners dadurch erkannt werden, dass zumindest eine elektrische Größe bei der Breitband-Lambdasonde (10) gemessen wird und bei der anderen Breitband-Lambdasonde gemessen wird und festgestellt wird, dass sich die so gemessenen Größen voneinander unterscheiden.