DE102022210318A1

DE102022210318A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases

Info

Publication number: DE102022210318A1
Application number: DE102022210318.1A
Authority: DE
Inventors: Torsten Handler; Dennis Konrad; Johannes Raeder; Adrian Fischer; Sabrina Binnig; Jan Rheingans
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (50) und ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (50) vorgeschlagen. Der Sensor (10) weist ein Sensorelement (32) auf. Das Sensorelement (32) weist ein Substrat (38), mindestens eine erste Elektrode (40) mindestens eine zweite Elektrode (42) und ein elektrisches Heizelement (44) auf. Die erste Elektrode (40), die zweite Elektrode (42) und das Heizelement (44) sind an dem Substrat (38) angeordnet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Beheizen des Sensorelements (32) mittels des Heizelements (44), Erfassen der Eigenschaft des Messgases mittels des Sensorelements (32), Ausgeben eines Sensorsignals, das die erfasste Eigenschaft des Messgases anzeigt, Ermitteln einer Abweichung eines Werts des Sensorsignals von einem ersten Referenzwert, und Abschalten des Heizelements (44) und/oder Anpassen eines Modells zum Ermitteln eines zweiten Referenzwerts, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem Referenzwert mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedener Sensoren zur Erfassung von mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer Eigenschaft eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Messgases zu verstehen, wobei eine oder auch mehrere Eigenschaften des Messgases erfasst werden können. Mit einem solchen Sensor kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases erfolgen, beispielsweise eine Erfassung mindestens einer Gaskomponente des Messgases, insbesondere eine Erfassung einer Gaskomponente in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch, und/oder eine Erfassung einer Partikelkonzentration in dem Messgas, insbesondere einer Rußmassenkonzentration. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar.
Ein Sensor zur Erfassung von einer Gaseigenschaft kann beispielsweise wie in Konrad Reif (Herausgeber) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, S. 160 - 165, als eine Lambda-Sonde ausgestaltet werden, wobei eine Ausgestaltung sowohl als Zweipunkt-Lambda-Sonde als auch als Breitband-Lambda-Sonde, insbesondere als eine planare Breitband-Lambda-Sonde beschrieben wird. Mit einer Lambda-Sonde kann ein Gasanteil eines Gasgemisches in einem Brennraum bestimmt werden, beispielsweise die Luftzahl λ, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis angibt. Mit Zweipunkt-Lambda-Sonden ist eine Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur in einem engen Bereich, bei stöchiometrischen Gemischen (λ=1), möglich. Dagegen kann mit einer Breitband-Lambda-Sonde eine Bestimmung über einen großen Bereich von λ erfolgen. Diese beschriebenen Lambda-Sonden umfassen ein Sensorelement, meist ein keramischer Festkörperelektrolyt, bevorzugt aus Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid oder auch Festkörperschichten, bevorzugt aus Zirkoniumdioxid.
Verbrennungsmotorische Systeme (unterschiedliche Kraftstoffsorten, sowohl Diesel und Ottokraftstoff, als auch Erdgas, LNG, Biogas oder Wasserstoff) nutzen eine von marktüblichen Abgassensoren, wie beispielsweise Lambdasonden/NOx-Sensoren auf keramischen Sensorelementen basierend mit Betriebstemperaturen > 500 °C, gemessene Sauerstoffkonzentration des Abgases zur Verwendung in Regelungs- oder Diagnosefunktionen. Je nach Systemauslegung können dabei einer oder mehrere Sensoren pro System zum Einsatz kommen. Verbauort ist die Abgasanlage in unterschiedlichen Positionen des Systems, insbesondere stromab oder stromauf der verwendeten Katalysatoren.
Das keramische Sensorelement marktüblicher Abgassensoren kann durch thermische Spannungen beschädigt werden. Die Temperaturverteilung der Keramik bzw. die Gradienten sind maßgeblich für die thermische Beanspruchung. Diese werden wiederum hauptsächlich durch den integrierten Heizer, die thermische Leitfähigkeit der mechanischen Anbindung an die Abgasanlage, sowie Abkühlung durch die das Element erreichenden Medien (Abgas, flüssiges Abgaskondensat) bestimmt. Maßgeblich ist hier die Beanspruchung mit flüssigem Abgaskondensat zu nennen, welcher bei entsprechender Menge zum Ausfall führen kann. Die Belastung durch flüssiges Abgaskondensat wird konventionell dadurch vermieden, dass ein modellierter, für die jeweilige Sensorposition sicherer Einschaltzeitpunkt berücksichtigt wird („Heizerfreigabe basierend auf Taupunktendemodell“). Mit anderen Worten wird die Sensorheizung nur aktiviert, wenn keine oder nur unschädlich geringe Mengen an flüssigem Medium an den jeweiligen Sensorpositionen zu erwarten sind. Abgassensoren sind prinzipiell so aufgebaut, dass das Sensorelement, welches die Hauptfunktion zur Detektion der Abgasbestandteile hat, von einem Schutzrohr umgeben ist, welches das Element vor direkter Anströmung und frei im Abgas fliegenden Flüssigkeitstropfen schützt. Das Schutzrohr leitet einen Teilstrom des Abgases durch eine je nach Sensorvariante mehr oder weniger ausgeprägte Mäanderstruktur zum Element. Auf dem Weg des Gases durch die Schutzrohrstruktur werden Flüssigmedien abgeschieden (direkt an der Außenfläche und im Inneren der Struktur). Durch technische Zielkonflikte (vor allem Signaldynamik) kann diese Funktionalität jedoch nicht so robust ausgelegt werden, dass jegliche möglichen Flüssigkeitsanteile abgeschieden werden. Durch steigende Anforderungen zur Signalverfügbarkeit im Hinblick auf zukünftige Emissions- und Diagnosestandards werden erhöhte Anstrengungen unternommen, robustere Sensoren gegen flüssiges Medium in der Abgasanlage zu entwickeln, als auch die Modelle zur Heizerfreigabe zu verbessern.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und verfahren zum Betreiben derselben beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So haben aktuelle Generationen von Abgassensoren teilweise bereits eine relativ hohe Robustheit gegen flüssiges Medium in der Abgasanlage. Dennoch kann die Belastung nicht beliebig hoch sein. Bei entsprechenden Belastungssituationen kann es trotzdem zum Ausfall durch mechanische Beschädigung des Elements kommen, verursacht durch Kontakt mit zu hohen Mengen an flüssigem Medium, durch die daraus resultierenden thermischen Spannungen. Folglich ist es auch für neure Sensorgenerationen nötig, diese nur dann zu beheizen, wenn die zu erwartende Belastung niedrig genug ist. Außerdem verursacht flüssiges Medium in der Abgasanlage, abhängig von der Menge, zwangsläufig auch einen Kontakt des flüssigen Mediums mit der Sonde (evtl. nur von außen). Durch diesen Kontakt kann sich die lokale Feuchtigkeit des Abgases um und im Schutzrohr bzw. um das Sensorelement (vor allem durch die Beheizung des Sensorelements und das Gas in der näheren Umgebung) deutlich erhöhen, außerdem kann es zu reduzierter Durchströmung des Schutzrohrs durch die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms kommen. Die Erhöhung der absoluten Feuchtigkeit des Abgases verursacht eine Änderung der gemessenen Sauerstoffkonzentration. Eine teilweise oder vollständig reduzierte Schutzrohrdurchströmung führt zu einer starken Änderung der Signaldynamik bis hin zum „Einfrieren“ des Signals.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Betriebsverfahren zumindest weitgehend vermeidet und das geeignet ist, das Sensorelement zuverlässig vor Beschädigungen durch übermäßige thermische Spannung bei Wasserschlag zu schützen. Außerdem soll durch die Heizersteuerung die Signalverfügbarkeit deutlich erhöht werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement auf. Das Sensorelement weist ein Substrat, mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und ein elektrisches Heizelement auf. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und das Heizelement sind auf, an oder in dem Substrat angeordnet. Das Verfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte, welche vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden können. Weiterhin können ein oder mehrere Verfahrensschritte auch gleichzeitig oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. Weiterhin können auch ein oder mehrere Verfahrensschritte oder alle Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden. Das Verfahren kann über die dargestellten Verfahrensschritte hinaus weitere Verfahrensschritte umfassen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Beheizen des Sensorelements mittels des Heizelements,
- Erfassen der Eigenschaft des Messgases mittels des Sensorelements,
- Ausgeben eines Sensorsignals, das die erfasste Eigenschaft des Messgases anzeigt,
- Ermitteln einer Abweichung eines Werts des Sensorsignals von einem ersten Referenzwert, und
- Abschalten des Heizelements und/oder Anpassen eines Modells zum Ermitteln eines zweiten Referenzwerts, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem Referenzwert mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

Das Verfahren nutzt die Tatsache aus, dass bei Vorhandensein von Flüssigkeit und insbesondere Wasser beim Vergleich des Sensorsignals gegen einen Referenzwert, von anderem Abgassensor geliefert oder modelliert aus Ansaugluft- und Kraftstoffmenge, sich in beiden Fällen signifikante Abweichungen sowohl im Niveau als auch in der Signaldynamik zeigen. Diese Abweichung wird dazu verwendet, eine im Messgasraum, wie beispielsweise in der Abgasanlage, vorhandene Flüssigkeitsmenge zu detektieren. Diese Information lässt unterschiedliche Handlungsmöglichkeiten zu, welche sich auch kombinieren lassen: Notabschaltung des Heizelements zum Schutz des Sensorelements und/oder Abgleich und Korrektur eines Modells der in der Abgasanlage vorhandenen Flüssigkeitsmenge. Bei Verwendung von Abgassensoren mit einer gewissen Grundrobustheit gegen flüssiges Medium, kann durch die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Heizersteuerung die Signalverfügbarkeit deutlich erhöht werden. Grundsätzlich ist es damit möglich die Sondenheizung ohne Wartezeit zu Beginn eines kalt gestarteten Fahrzyklus einzuschalten. Zur Absicherung gegen zu hohe Mengen an Flüssigmedium kann die Heizung im Fall von Flüssigkeitsdetektion durch den betroffenen Sensor zum Schutz desselbigen deaktiviert werden und / oder die Information dient zur kontinuierlichen Genauigkeitsüberwachung eines Modells, welches einen sicheren Einschaltzeitpunkt des Sensors berechnet.
Der zweite Referenzwert kann identisch mit dem ersten Referenzwert sein. Alternativ kann der zweite Referenzwert eine Menge an Flüssigkeit in dem Messgasraum sein. Entsprechend kann der Einfluss einer hohen Flüssigkeitsmenge in dem Messgasraum berücksichtigt werden und ein reduziertes Messsignal berechnet werden. Die Modellierung der Flüssigkeitsmenge in dem Messgasraum ist also Teil der Modellierung des ersten Referenzwerts. Bei dem Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts kann es sich um ein Modell der in der Messgasraum vorhandenen Flüssigkeitsmenge handeln. Alternativ kann der zweite Referenzwert dem ersten Referenzwert entsprechen. Dabei wird aber der Einfluss einer hohen Flüssigkeitsmenge in dem Messgasraum entsprechend berücksichtigt und ein reduziertes Messsignal berechnet. Die Modellierung der Flüssigkeitsmenge in dem Messgasraum ist in diesem Fall also Teil der Modellierung des ersten Referenzwerts.
Der erste Referenzwert kann von einem weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases zur Verfügung gestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Referenzwert mittels eines Modells ermittelt werden. Dadurch lässt sich in einfacher Weise mindestens ein erster Referenzwert zur Verfügung stellen, mit dem das Sensorsignal verglichen werden kann.
Das Messgas kann Abgas einer Brennkraftmaschine sein. Der erste Referenzwert kann mittels eines Modells basierend auf einer Ansaugluftmenge und Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Im Abgasbereich ist das Verfahren besonders vorteilhaft, da hier bei Auftreten von Flüssigkeit hohe thermische Spannungen auftreten können, die das Sensorelement beschädigen könnten. Dabei ist der erste Referenzwert die Sauerstoffkonzentration, die von anderem Sensor gemessen oder aus Informationen zur Ansaugluftmenge und Kraftstoffmenge modelliert wird. Dieser reicht für einen simplen Signalvergleich, um einen „untergetauchten“ Sensor zu erkennen. Bei dem Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts kann es sich um ein Modell der in der Abgasanlage vorhandenen Flüssigkeitsmenge handeln. Alternativ kann der zweite Referenzwert dem ersten Referenzwert entsprechen. Dabei wird aber der Einfluss einer hohen Flüssigkeitsmenge in der Abgasanlage entsprechend berücksichtigt und ein reduziertes O₂-Signal berechnet, wie beispielsweise „Schlechtmodell gemessener Sauerstoffwert“, sehr hohe Feuchtigkeit des Messgases durch hohe Wahrscheinlichkeit von Wasserkontakt der Sonde. Die Modellierung der Flüssigkeitsmenge in der Abgasanlage ist also Teil der Modellierung des ersten Referenzwerts.
Das Verfahren kann weiterhin Anpassen des Modells zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts mittels eines Algorithmus umfassen. Der Algorithmus kann insbesondere ein selbstlernender Algorithmus sein. Dadurch lässt sich das Verfahren stetig in seiner Genauigkeit verbessern und in eine Steuerung integrieren.
Das Verfahren kann weiterhin Ermitteln einer Wassermenge in dem Messgasraum basierend auf der Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert umfassen. Dadurch kann nicht nur festgestellt werden, ob Flüssigkeit in dem Messgasraum vorhanden ist oder nicht, sondern auch die Menge berücksichtigt werden. So sind kleinere Mengen an Flüssigkeit üblicherweise weniger schädlich als größere Mengen an Flüssigkeit.
Das Anpassen des Modells zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts kann eine Verschiebung in Richtung geringerem Wassergehalt oder in Richtung höheren Wassergehalt umfassen. Dadurch kann das Modell flexibel nach Bedarf angepasst werden.
Das Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts kann angepasst werden, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert einen vorbestimmten ersten Schwellwert überschreitet. Das Heizelement kann abgeschaltet werden, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet. Der zweite vorbestimmte Schwellwert kann größer als der erste vorbestimmte Schwellwert sein. Entsprechend können in Abhängigkeit von der Menge an auftretender Flüssigkeit unterschiedliche Maßnahmen zum Schutz des Sensorelements getroffen werden.
Die Abweichung kann einen Absolutwert des Sensorsignals und/oder eine Dynamik des Sensorsignals umfassen. Somit kann der Vergleich mehr als einen Parameter berücksichtigten, was die Aussagekraft des Ergebnisses des Vergleichs verbessert.
Die Eigenschaft des Messgases kann ein Sauerstoffgehalt in dem Messgas sein. So ist das Verfahren insbesondere bei Lambdasonden oder Stickoxidsensoren anwendbar.
Das Verfahren kann weiterhin Abschalten mindestens eines weiteren Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, oder Freigeben des mindestens eines weiteren Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, umfassen. So kann das Verfahren zum Schutz beispielsweise eines Stickoxidsensors und Partikelsensors vor Wasserschlag genutzt werden, wenn sich eine größere Menge Wasser im Abgastrakt nach vielen Kaltstarts gebildet hat. Die Modellierung der Wassermenge nach Kaltstart ist limitiert, und die Freigabe der Abgassensoren kann zu früh kommen. Die Funktion könnte erstens den Stickoxidsensor rechtzeitig wieder abschalten oder zweitens als zusätzliches Freigabekriterium für den Partikelsensor genutzt werden.
Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Detektion von Teilchen eines Messgases in einem Messgasraum, vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement und mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Steuerung auf. Das Sensorelement weist ein Substrat, mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und ein elektrisches Heizelement auf. Die erste Elektrode, die zweite Elektrode und das Heizelement sind auf, an oder in dem Substrat angeordnet. Die Steuerung eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer oder mehrerer der nachfolgend näher beschriebenen Ausgestaltungen, durchzuführen.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer oder mehrerer der nachfolgend näher beschriebenen Ausgestaltungen, durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Detektion von Teilchen eines Messgases in einem Messgasraum, vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement und mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene Steuerung auf. Das Sensorelement weist ein Substrat, mindestens eine erste Elektrode mindestens eine zweite Elektrode, ein elektrisches Heizelement und ein Temperaturmesselement auf. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind auf dem Substrat angeordnet. Die Steuerung eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer oder mehrerer der nachfolgend näher beschriebenen Ausgestaltungen, durchzuführen.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer oder mehrerer der nachfolgend näher beschriebenen Ausgestaltungen, durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Unter einem Sensor wird allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise mindestens eine Messgröße, welche einen Zustand und/oder eine Eigenschaft charakterisiert. Unter einem Sensorelement wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, die mindestens eine Eigenschaft des Messgases qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen.
Bei dem Sensorelement kann es sich um ein Sensorelement für eine Lambdasonde handeln, wie es beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt ist. Ein derartiges Sensorelement weist einen Festelektrolyten und zwei durch den Festelektrolyten voneinander getrennte Elektroden auf. Der Festelektrolyt kann aus einer oder mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
Das Sensorelement kann eine im wesentlichen quaderförmige Grundform aufweisen, wobei die axialen Stirnflächen des Sensorelements die zwei kleinsten Seitenflächen der Grundform bilden, die Oberseite und die Unterseite des Sensorelements die zwei größte Seitenflächen der Grundform bilden und die Seitenflächen des Sensorelements die Seitenflächen der Grundform bilden, deren Größe größer ist als die der kleinsten Seitenflächen der Grundform und kleiner ist als die der größten Seitenflächen der Grundform.
Unter einem Substrat wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden, welches geeignet ist, die Elektroden zu tragen und/oder auf welches die Elektroden aufgebracht werden können. Das Substrat kann einschichtig oder auch mehrschichtig aufgebaut sein. Das Substrat kann als Trägermaterial insbesondere mindestens ein keramisches Material umfassen. Insbesondere kann das Substrat eine oxidische Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, insbesondere Al₂O₃, umfassen. Weitere Oxide, beispielsweise Zirkoniumoxid, sind jedoch möglich. Weiterhin kann das Substrat mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen. Das Substrat kann eine Substratoberfläche aufweisen. Unter einer Substratoberfläche wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Schicht verstanden, welche das Substrat von seiner Umgebung abgrenzt, und auf welche die Elektroden aufgebracht sind. Das Substrat kann insbesondere als Festelektrolyt ausgebildet sein oder einen Festelektrolyten aufweisen
Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Allgemein ist darauf hinzuweisen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Begriffe „erste“, „zweite“ oder „dritte“, sowie entsprechende Abwandlungen davon, als reine Bezeichnungen und Namensgebung verwendet werden, ohne eine Nummerierung zu bezwecken. So können beispielsweise ein erstes Element und ein drittes Element vorhanden sein, ohne dass ein zweites Element zwingend erforderlich ist, oder es kann ein zweites Element vorhanden sein, ohne dass ein erstes Element vorhanden ist, oder es kann ein erstes Element vorhanden sein, ohne dass ein zweites Element oder ein drittes Element vorhanden sind.
Unter einer Steuerung ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um einen oder mehrere Vorgänge in einer anderen Vorrichtung zu starten, zu beenden, zu steuern oder zu regeln. Die Steuerung kann beispielsweise mindestens einen Mikrocontroller umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung jedoch auch andere Hardware umfassen, beispielsweise mindestens eine Hardwarekomponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Komparator, einer Stromquelle, einer Spannungsquelle, einer Strommessvorrichtung, einer Spannungsmessvorrichtung, einer Widerstandsmessvorrichtung.
Unter einem Heizelement wird dabei allgemein eine Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um mindestens ein Element zu beheizen, beispielsweise in diesem Fall das Sensorelement. Das Heizelement ist dabei ein elektrisches Heizelement. Das Heizelement kann beispielsweise mindestens eine elektrische Energiequelle, auch als eine Versorgung oder elektrische Versorgung des Heizelements bezeichnet, und mindestens einen mit der elektrischen Energiequelle verbundenen Heizwiderstand aufweisen, welcher beispielsweise als Heizmäander ausgestaltet sein kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 beispielhafte Signalverläufe über die Zeit,
4 weitere beispielhafte Signalverläufe über die Zeit, und
5 weitere beispielhafte Signalverläufe über die Zeit.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 10 kann insbesondere zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Der Sensor 10 weist ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Gehäuse 12 weist einen Gewindeabschnitt 14 zur Montage an dem Messgasraum (nicht näher gezeigt) auf. Genauer dient der Gewindeabschnitt 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des Messgasraums auf. Das Gehäuse 12 weist weiterhin einen Gehäusesockel 16 auf. Der Gehäusesockel 16 ist als Sechskant ausgebildet, an dem zum Montieren des Sensors 10 an dem Messgasraum ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. Auf einer dem Gewindeabschnitt 14 abgewandten Seite 18 des Gehäusesockels 16 weist das Gehäuse 12 einen anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 auf.
Auf einer dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 befindet sich zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 ein Gehäuseabschnitt 24. Der Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 weist eine Ausnehmung 26 oder Vertiefung auf. Die Ausnehmung 26 erstreckt sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14. Die Ausnehmung 26 ist beispielsweise als Ringnut ausgebildet.
An einem stirnseitigen Ende 28 des Gehäuses 12, das dem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 gegenüberliegt ist mindestens ein Schutzrohr 30 festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Es können auch mehrere Schutzrohre 30 vorgesehen sein, die eine Schutzrohrbaugruppe bilden. Eine solche Schutzrohrbaugruppe weist beispielsweise mindestens ein Schutzrohr und bevorzugt mehrere Schutzrohre auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr auf. Die Schutzrohrbaugruppe kann beispielsweise zwei innere Schutzrohre aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Sowohl das äußere Schutzrohr als auch das innere Schutzrohr weisen Ein- und Austrittsöffnungen auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann.
Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 32 zur Erfassung der mindestens einer Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 32 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 32 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung. Das Sensorelement 32 weist einen anschlussseitigen Endbereich bzw. Endabschnitt 34, der dem Messgas abgewandt ist, und einen messgasseitigen Endbereich bzw. Endabschnitt 36, der dem Messgas zugewandt ist, auf. Der messgasseitige Endabschnitt 36 liegt dem anschlussseitigen Endabschnitt 34 in der Längserstreckungsrichtung gesehen gegenüber. In dem anschlussseitigen Endabschnitt 34 weist das Sensorelement 32 auf einer Oberseite und/oder Unterseite Kontaktflächen (nicht näher gezeigt) zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Kontaktflächen sind beispielsweise als sogenannte Pads ausgebildet. Insgesamt weist das Sensorelement 20 eine im wesentlichen quaderförmige Grundform auf. Dabei bilden Stirnflächen des Sensorelements 32 zwei kleinste Seitenflächen der Grundform, bilden die Oberseite und die Unterseite des Sensorelements 32 zwei größte Seitenflächen der Grundform und bilden Seitenflächen des Sensorelements 32 Seitenflächen der Grundform, deren Größe größer ist als die der kleinsten Seitenflächen der Grundform und kleiner ist als die der größten Seitenflächen der Grundform. Aufgrund der Orientierung des Sensorelements 32 im montierten Zustand können die Stirnflächen auch als axiale Stirnflächen bezeichnet werden. Der messgasseitige Endabschnitt 32 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des Schutzrohrs 30 ausgesetzt zu werden. Entsprechend ragt der messgasseitige Endabschnitt 36 aus dem Gehäuse 12 heraus. Die Kontaktflächen sind ausgebildet, mit elektrischen Anschlüssen eines Kabelbaums (nicht näher gezeigt) elektrisch kontaktiert zu werden. Die elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen mit den Anschlüssen ist dabei beispielsweise mittels Kontaktfedern realisiert.
Das Sensorelement 32 weist ein Substrat 38. Das Substrat 38 ist insbesondere ein Festelektrolyt. Das Sensorelement 32 weist weiterhin mindestens eine erste Elektrode 40, mindestens eine zweite Elektrode 42 und ein elektrisches Heizelement 44 auf. Die erste Elektrode 40, die zweite Elektrode 42 und das Heizelement 44 sind an dem Substrat 38 angeordnet. So ist die erste Elektrode 40 auf einer Außenseite 46 des Substrats 38 angeordnet, während die zweite Elektrode 42 im Inneren des Substrats 38 angeordnet ist. So ist die zweite Elektrode 42 in einem im Inneren des Substrats 38 ausgebildeten Referenzgasraum 48 angeordnet und bildet mit der ersten Elektrode 40 und dem Festelektrolyten dazwischen eine sogenannte Nernstzelle. Das Heizelement 44 ist elektrisch isoliert von der ersten und zweiten Elektrode 40, 42 im Inneren des Substrats 38 angeordnet.
Der Sensor 10 ist in einem Messgasraum 50 angeordnet. Bei dem Messgas handelt es sich insbesondere um Abgas einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. Entsprechend handelt es sich bei dem Messgasraum 50 um einen Abgastrakt.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S10, wird das Sensorelement 32 mittels des Heizelements 44 beheizt. Die Temperatur, auf die das Sensorelement 32 mittels des Heizelements 44 beheizt wird, ist ausreichend hoch, dass der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und ist beispielsweise mindestens 500 °C. In einem Schritt S12 wird die Eigenschaft des Messgases mittels des Sensorelements 32 erfasst. Bei dem Messgas handelt es sich insbesondere um Abgas einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Kraftfahrzeugs. In einem Schritt S14 gibt das Sensorelement 32 ein Sensorsignal aus, das die erfasste Eigenschaft des Messgases anzeigt. Die Eigenschaft des Messgases ist ein Sauerstoffgehalt in dem Messgas bzw. Abgas. Der Sauerstoffgehalt kann insbesondere in Volumenprozent oder Masseprozent ausgegeben werden.
In Schritt S16 wird eine Abweichung eines Werts des Sensorsignals von einem Referenzwert ermittelt. Der Referenzwert wird von einem weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases zur Verfügung gestellt. Alternativ oder zusätzlich wird der Referenzwert mittels eines Modells ermittelt. So kann der Referenzwert durch Modellieren basierend auf einer Ansaugluftmenge und Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine ermittelt werden.
Falls in Schritt S16 die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem Referenzwert mindestens einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, beispielsweise, weil keine oder nur eine geringe Abweichung ermittelt wird, schreitet das Verfahren zu Schritt S18 fort und der Sensor 10 wird weiterhin betrieben bzw. das Sensorelement 32 beheizt.
Falls in Schritt S16 die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, schreitet das Verfahren zu Schritt S20 fort und das Heizelement wird abgeschaltet und/oder das Modell zum Ermitteln eines zweiten Referenzwerts wird angepasst.
Der zweite Referenzwert kann identisch mit dem ersten Referenzwert sein. Alternativ kann der zweite Referenzwert eine Menge an Flüssigkeit sein. Die Flüssigkeitsmenge wird dabei mittels eines Modells in an sich bekannter Weise ermittelt. Dabei ist der erste Referenzwert die Sauerstoffkonzentration, die von anderem Sensor gemessen oder aus Informationen zur Ansaugluftmenge und Kraftstoffmenge modelliert wird. Dieser reicht für einen simplen Signalvergleich, um einen „untergetauchten“ Sensor zu erkennen. Bei dem Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts kann es sich um ein Modell der in der Abgasanlage vorhandenen Flüssigkeitsmenge handeln. Alternativ kann der zweite Referenzwert dem ersten Referenzwert entsprechen. Dabei wird aber der Einfluss einer hohen Flüssigkeitsmenge in der Abgasanlage entsprechend berücksichtigt und ein reduziertes O₂-Signal berechnet, wie beispielsweise „Schlechtmodell gemessener Sauerstoffwert“, sehr hohe Feuchtigkeit des Messgases durch hohe Wahrscheinlichkeit von Wasserkontakt der Sonde. Die Modellierung der Flüssigkeitsmenge in der Abgasanlage ist also Teil der Modellierung des ersten Referenzwerts.
Die Abweichung kann insbesondere einen Absolutwert des Sensorsignals und/oder eine Dynamik des Sensorsignals umfassen. Mit anderen Worten kann die Abweichung durch Vergleichen des beobachteten Sensor- und Referenzsignal sowohl im Niveau bzw. Größenordnung als auch in der Dynamik ermittelt werden. Das Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts mittels eines Algorithmus angepasst werden, wie beispielsweise eines selbstlernenden Algorithmus. So ist als Algorithmus eine selbstlernende Funktion denkbar, welche die kritischen Grenzparameter zum Komponentenschutz in der Realanwendung definiert. Die Adaption des Modells zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts kann dabei eine Verschiebung in Richtung geringerem Wassergehalt oder in Richtung höheren Wassergehalt umfassen. So kann die Modelladaption in beiden Richtungen erfolgen, wie beispielsweise „schon trocken“ bzw. „noch sehr nass“.
Mit dem Verfahren kann basierend auf der Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert einer Wassermenge in dem Messgasraum ermittelt werden. Mit anderen Worten kann basierend auf der Größenordnung der Abweichung auf die Menge an Wasser in dem Messgasraum geschlossen werden.
Insbesondere kann beispielsweise das Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts angepasst werden, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert einen vorbestimmten ersten Schwellwert überschreitet, und das Heizelement kann abgeschaltet werden, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet, der größer als der erste vorbestimmte Schwellwert ist. Mit anderen Worten kann bei einer größeren Abweichung auf eine größere Menge an Wasser in dem Messgasraum geschlossen werden und eine Notabschaltung des Heizelements 44 erfolgen. Andererseits kann bei einer geringen Abweichung auf eine geringe Menge an Wasser in dem Messgasraum geschlossen werden und eine das Modell für die Ermittlung des zweiten Referenzwerts adaptiert werden.
Optional kann das Verfahren weiterhin verwendet werden, um mindestens einen weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases abzuschalten, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, oder den mindestens eines weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases freizugeben, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
So kann das Verfahren zum Schutz eines Stickoxidsensors und/oder Partikelsensors vor Wasserschlag genutzt werden, wenn sich eine größere Menge Wasser im Abgastrakt nach vielen Kaltstarts gebildet hat. Die Modellierung der Wassermenge nach Kaltstart ist limitiert, und die Freigabe der Abgassensoren kann zu früh kommen. Die Funktion könnte erstens den Stickoxidsensor rechtzeitig wieder abschalten, oder zweitens als zusätzliches Freigabekriterium für den Partikelsensor genutzt werden.
Wie nachstehend näher erläutert wird, liegt dem erfindungsgemäßen Verfahren der folgende Grundgedanke zugrunde. Flüssiges Medium in der Abgasanlage verursacht, abhängig von der Menge, zwangsläufig auch einen Kontakt des flüssigen Mediums mit dem Sensor 10, evtl. nur von außen. Durch diesen Kontakt kann sich die lokale Feuchtigkeit des Abgases um und im Schutzrohr 30 bzw. um das Sensorelement 32, vor allem durch die Beheizung des Sensorelements 32 und das Gas in der näheren Umgebung, deutlich erhöhen. Außerdem kann es zu reduzierter Durchströmung des Schutzrohrs 30 durch die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms kommen. Die Erhöhung der absoluten Feuchtigkeit des Abgases verursacht eine Änderung der gemessenen Sauerstoffkonzentration. Eine teilweise oder vollständig reduzierte Durchströmung des Schutzrohrs 30 führt zu einer starken Änderung der Signaldynamik bis hin zum „Einfrieren“ des Signals.
Beim Vergleich gegen einen Referenzwert, von anderem Abgassensor gemessen oder modelliert aus Ansaugluft- und Kraftstoffmenge, zeigen sich in beiden Fällen signifikante Abweichungen sowohl im Niveau als auch in der Signaldynamik. Diese Abweichung kann demnach dazu dienen, eine in der Abgasanlage vorhandene Flüssigkeitsmenge zu detektieren. Diese Information lässt unterschiedliche Handlungsmöglichkeiten zu, welche sich auch kombinieren lassen. So kann eine Notabschaltung des Heizelements zum Schutz des Sensorelements 32 erfolgen. Außerdem kann ein Abgleich und Korrektur eines Modells der in der Abgasanlage vorhandenen Flüssigkeitsmenge vorgenommen werden.
Bei Verwendung von Abgassensoren mit einer gewissen Grundrobustheit gegen flüssiges Medium, kann durch die Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Steuerung des Heizelements 44 die Signalverfügbarkeit deutlich erhöht werden. Grundsätzlich ist es damit möglich das Heizelement 44 ohne Wartezeit zu Beginn eines kalt gestarteten Fahrzyklus einzuschalten. Zur Absicherung gegen zu hohe Mengen an Flüssigmedium kann das Heizelement 44 im Fall von Flüssigkeitsdetektion durch den betroffenen Sensor 10 zum Schutz desselbigen deaktiviert werden und/oder die Information dient zur kontinuierlichen Genauigkeitsüberwachung eines Modells, welches einen sicheren Einschaltzeitpunkt des Sensors berechnet. Die Nutzung der gemessenen Information zum Schutz desselben Sensors 10 ist möglich durch eine Grundrobustheit des Sensorelements 32. Kleine Flüssigkeitsmengen im Schutzrohr 30 oder am Sensorelement 32 führen nicht unmittelbar zum Ausfall. Die Nutzung der gemessenen Information zum Schutz desselben Sensors 10 ist außerdem möglich, weil hohe Flüssigkeitsmengen, welche das Potential haben das Sensorelement 32 zu zerstören, eine gewisse Zeitspanne benötigen, um durchs Schutzrohr 30 bis an das Sensorelement 32 zu gelangen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist bereits wirksam, bevor es zum Ausfall des Sensors 10 kommt. Das Wiedereinschalten erfolgt dann zu einem späteren Zeitpunkt, wenn von einer geringeren Belastung durch flüssiges Medium ausgegangen werden kann.
3 zeigt beispielhafte Signalverläufe über die Zeit. Auf der X-Achse 52 ist die Zeit in s aufgetragen. Auf der oberen linken Y-Achse 54 sind Temperaturen in °C aufgetragen. Auf der oberen rechten Y-Achse 56 ist der Sauerstoffgehalt in % aufgetragen. Auf der unteren linken Y-Achse 58 ist die Abgasgeschwindigkeit und Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h aufgetragen. Auf der unteren rechten Y-Achse 60 ist das Tropfenvolumen von Flüssigkeit in µl aufgetragen. Die Kurve 62 stellt die NOx-Konzentration gemessen durch einen ersten Stickoxidsensor dar. Die Kurve 64 stellt die NOx-Konzentration gemessen durch einen zweiten Stickoxidsensor dar. Die Kurve 66 stellt den Wandtemperaturverlauf gemessen durch einen Temperatursensor nahe der Einbauposition des Sensors 10 dar. Die Kurve 68 stellt den Gastemperaturverlauf gemessen durch einen Temperatursensor nahe der Einbauposition des Sensors 10 dar. Die Kurve 70 stellt den Sauerstoffgehaltverlauf gemessen durch einen weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum dar. Die Kurve 72 stellt den Sauerstoffgehaltverlauf gemessen durch den Sensor 10 dar. Die Kurve 74 stellt den zeitlichen Verlauf der Abgasgeschwindigkeit dar. Die Kurve 76 stellt den zeitlichen Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit dar. Die Kurve 78 stellt den zeitlichen Verlauf des Auftretens von Flüssigkeit dar.
Die dargestellten Kurven 62 bis 78 zeigen den Signaleinfluss von Feuchte bzw. Flüssigkeit im Messgas bzw. Abgas auf die detektierte Sauerstoffkonzentration. Der volumetrische Anteil von Wasser in Dieselabgas bewegt sich zwischen 0 (reine trockene Ansaugluft) und etwa 13% (Lambda 1 mit hoher Feuchte der Ansaugluft, Ansaugluftfeuchte 0-3 Vol.-%). Dieser Anteil ist in der Kalibrierung der Sensorkennlinie berücksichtigt und dadurch teilweise kompensiert. Bei heißem Abgas kann sich der volumetrische Anteil von Wasser durch Verdampfen von vorhandenem flüssigen Kondensat in den Bereich von 50 %und mehr erhöhen, was bedeutet, dass sich die Anteile der bereits vorhandenen Komponenten durch die Befeuchtung um denselben Anteil reduziert. Starke Befeuchtung zeigt sich also durch einen Unterschied des lokal gemessenen Sauerstoffanteils und dem einer Referenzmessung des reinen Verbrennungsabgases oder eines Modellwerts, durch einen Unterschied im Bereich um den Faktor2.
3 zeigt das Ergebnis einer beispielhaften Messung mit hoher Flüssigkeitsmenge in der Abgasanlage. Deutlich erkennbar ist anhand der Kurve 72 die Reduktion der gemessenen Sauerstoffkonzentration ab dem ersten Wasserkontakt, wie beispielsweise teilweises oder vollständiges Eintauchen des Sensors bei einem Zeitpunkt von ca. 25s, im Vergleich zum Referenzsignal angegeben durch die Kurve 70. Der wahrscheinliche Wasserkontakt des überwachten Sensors 10 ist durch einen Liquid Impact Sensor als weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum in vergleichbarer Position dokumentiert wie durch den unteren Teil der 3 veranschaulicht ist. Mit abnehmender Flüssigkeitsmenge steigen Niveau und Signaldynamik der Kurve 72 ab einem Zeitpunkt von ca. 270s wieder deutlich an und ist dann ab ca. 300s wieder mit dem Referenzsignal der Kurve 70 vergleichbar. Es kommt zu keinem Ausfall des beobachteten Sensors 10 in dieser Messung. Mit dieser Situation vergleichbare Situationen können jedoch durchaus zum Sensorausfall durch Sensorelementbruch führen, wobei der Defekt, abhängig vom verwendeten Sensor, erst nach mehreren Minuten Belastung eintritt. Das Zeitfenster ist also groß genug, die Belastungssituation zu detektieren, durch Abschalten des Heizelements 44 die Belastung deutlich zu reduzieren und möglichweise einen Defekt des Sensors 10 zu verhindern.
4 zeigt weitere beispielhafte Signalverläufe über die Zeit. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu 3 erläutert und gleiche oder vergleichbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen angegeben. Auf der linken mittleren Y-Achse 80 ist der standardisierte Sauerstoffgehalt aufgetragen. Die Kurve 82 stellt den zeitlichen Verlauf der Signalgültigkeit des Sauerstoffgehalts gemessen durch den Sensor 10 dar. Die Kurve 84 stellt den zeitlichen Verlauf der Signalgültigkeit des Sauerstoffgehalts gemessen durch den zweiten Stickoxidsensor dar. Die Kurve 86 stellt den zeitlichen Verlauf des Status für erreichte Betriebstemperatur des Sensorelements des Sensor 10 dar.
4 stellt ein Ausfallereignis durch vorherige Belastung des Sensors mit in der Abgasanlage vorhandener Flüssigkeit dar. So liefert der Sensor 10 ab einem Zeitpunkt von ca. 220s kein plausibles Signal mehr für den Sauerstoff- und NOx-Gehalt, wie durch die Kurven 72, 64 und 84 dargestellt ist. Gleichzeitig wird durch den zusätzlichen Liquid Impact Sensor eine große Wassermenge detektiert, am Signal 86 kann man weiterhin erkennen, dass die in diesem Moment auf das Element treffende Wassermenge das Sensorelement so stark abkühlt, dass der Heizer das Element kurzzeitig nicht auf Betriebstemperatur halten kann. In der Folge fällt die NOx-Messung dauerhaft aus. Eine Komponentenschutzfunktion auf Basis der Signalabweichung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hätte hier bereits nach kurzer Zeit das Heizelement 44 abschalten und möglicherweise den Defekt verhindern können.
5 zeigt weitere beispielhafte Signalverläufe über die Zeit. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu 3 erläutert und gleiche oder vergleichbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen angegeben. 5 zeigt dabei eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei dem Sensor 10. So zeigt 5 die Messung bei Kaltstart mit niedriger Flüssigkeitsmenge in der Abgasanlage nach mehreren Wiederholstarts. Das beobachtete Sensorsignal 72 und Referenzsignal 70 sind sowohl im Niveau als auch dynamisch vergleichbar und verlaufen annähernd identisch. Der Wasseranteil im Abgas während einem kaltgestarteten Fahrzyklus ohne vorherige Akkumulation von größeren Flüssigkeitsmengen reicht somit nicht aus, um einen signifikanten Einfluss auf die gemessene Sauerstoffkonzentration zu haben.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an Signalverfügbarkeit, wie beispielsweise bei Emissionsstufe Euro7 und vergleichbar oder Onboardmonitoring, mit einem oder mehreren Abgassensoren zur Messung von Stickoxiden und/oder Sauerstoff in Abgasanlagen ohne, mit einem oder mehreren Katalysatoren oder Partikelfiltern.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (50), wobei der Sensor (10) ein Sensorelement (32) aufweist, wobei das Sensorelement (32) ein Substrat (38), mindestens eine erste Elektrode (40) mindestens eine zweite Elektrode (42) und ein elektrisches Heizelement (44) aufweist, wobei die erste Elektrode (40), die zweite Elektrode (42) und das Heizelement (44) an dem Substrat (38) angeordnet sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Beheizen des Sensorelements (32) mittels des Heizelements (44), - Erfassen der Eigenschaft des Messgases mittels des Sensorelements (32), - Ausgeben eines Sensorsignals, das die erfasste Eigenschaft des Messgases anzeigt, - Ermitteln einer Abweichung eines Werts des Sensorsignals von einem ersten Referenzwert, und - Abschalten des Heizelements (44) und/oder Anpassen eines Modells zum Ermitteln eines zweiten Referenzwerts, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem Referenzwert mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Referenzwert identisch zu dem ersten Referenzwert oder eine Menge an Flüssigkeit in dem Messgasraum ist, wobei die Menge an Flüssigkeit bevorzugt mittels eines Models ermittelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Referenzwert von einem weiteren Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases zur Verfügung gestellt wird, und/oder wobei der erste Referenzwert mittels eines Modells ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Messgas Abgas einer Brennkraftmaschine ist, wobei der erste Referenzwert mittels eines Modell basierend auf einer Ansaugluftmenge und Kraftstoffmenge der Brennkraftmaschine ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Anpassen des Modells zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts mittels eines Algorithmus, insbesondere eines selbstlernenden Algorithmus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Ermitteln von einer Wassermenge in dem Messgasraum (50) basierend auf der Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Anpassen des Modells zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts eine Verschiebung in Richtung geringerem Wassergehalt oder in Richtung höheren Wassergehalt umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modell zum Ermitteln des zweiten Referenzwerts angepasst wird, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert einen vorbestimmten ersten Schwellwert überschreitet, wobei das Heizelement (44) abgeschaltet wird, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem zweiten Referenzwert einen vorbestimmten zweiten Schwellwert überschreitet, wobei der zweite vorbestimmte Schwellwert größer als der erste vorbestimmte Schwellwert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abweichung einen Absolutwert des Sensorsignals und/oder eine Dynamik des Sensorsignals umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eigenschaft des Messgases ein Sauerstoffgehalt in dem Messgas ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Abschalten mindestens eines weiteren Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, oder Freigeben des mindestens eines weiteren Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, falls die Abweichung des Werts des Sensorsignals von dem ersten Referenzwert den mindestens einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Detektion von Teilchen eines Messgases in einem Messgasraum (50), wobei der Sensor (10) ein Sensorelement (32) und mindestens eine mit dem Sensorelement (32) verbundene Steuerung aufweist, wobei das Sensorelement (32) ein Substrat (38), mindestens eine erste Elektrode (40), mindestens eine zweite Elektrode (42) und ein elektrisches Heizelement (44) aufweist, wobei die erste Elektrode (40), die zweite Elektrode (42) und das Heizelement (44) an dem Substrat (38) angeordnet sind, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der ein Verfahren betreffenden Ansprüche durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.