DE19513490A1

DE19513490A1 - Beheizbarer Gassensor

Info

Publication number: DE19513490A1
Application number: DE19513490A
Authority: DE
Inventors: Edelbert Dr Haefele
Original assignee: Roth Technik GmbH
Current assignee: Heraeus Electro Nite International NV
Priority date: 1995-04-14
Filing date: 1995-04-14
Publication date: 1996-10-17
Also published as: FR2733053A1; US5696313A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Kon zentration von Gaskomponenten im Abgas von Kraftfahrzeugen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Ver fahren zum Betrieb eines Abgassensors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14.

Gassensoren, insbesondere λ-Sonden, sind seit längerem bekannt. Die DE-OS 36 10 363 zeigt beispielsweise eine λ-Sonde mit einem rohrförmigen Festelektrolyten, der eine separate elektrische Beheizung aufweist. Diese Beheizung ist notwendig, um den Fest elektrolyten auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Außerdem ist aus der DE 91 03 547 U1 ein Gassensor bekannt, bei dem eine elektrische Widerstandsheizung mit dem aktiven Sensorelement auf einem gemeinsamen Träger angeordnet ist und die gesamte Masse des aktiven Bereichs klein gehalten ist, um eine schnelle Aufheizung zu gewährleisten. Die Aufheizung dieses Sensors ist um einige 10 Sekunden schneller als die der älteren λ-Sonden, jedoch beträgt die Zeit zum Aufheizen auch bei diesem Sensor bis zu 20 Sekunden.

Bei den Bestrebungen, den Gesamtschadstoffausstoß eines Kraft fahrzeugs über einen festgelegten Testzyklus zu minimieren, kommt der Kaltstartphase größte Bedeutung zu. Es sind zwar elektrisch beheizbare Katalysatoren bekannt, die unmittelbar nach dem Kaltstart wirksam werden. Ein einwandfreies Funktio nieren des Dreiwegekatalysators setzt aber nicht eine gesteuer te Warmlaufphase mit angefettetem oder abgemagertem voraus, sondern eine geregelte Warmlaufphase, bei der das dem Verbren nungsmotor zugeführte Gemisch einen λ-Wert im Bereich von 1 aufweist. In dem Zeitraum vor Wirksamwerden der Abgassensoren befindet sich die Abgasreinigung in einem unwirksamen Betriebs zustand, weil die für eine Regelung erforderlichen Signale nicht verfügbar sind. Wenn diese Zeit länger ist als einige Se kunden, kann der Schadstoffausstoß in den ersten Sekunden der Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors bereits den gesamtzulässi gen Schadstoffausstoß für den Testzyklus überschreiten, so daß die vollwirksame Abgasreinigung nicht mehr zum Einhalten der vorgeschriebenen Grenzwerte führen kann. Es ist deshalb ange strebt, die eingesetzten Abgassensoren innerhalb weniger Sekun den betriebsbereit zu machen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich tung und ein Verfahren für die Bestimmung der Konzentration der Gaskomponenten im Abgas von Kraftfahrzeugen anzugeben, die be reits etwa 5 Sekunden nach dem Kaltstart brauchbare Meßergeb nisse liefern.

Diese Aufgabe wird von der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von dem Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 14 gelöst.

Weil bei der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von einer Steuereinrichtung mit einer ersten Spannungsquelle sowie mit wenigstens einer zweiten Spannungs quelle verbindbar ist, kann die Aufheizung des Abgassensors in der Kaltstartphase auf einer anderen Spannungsquelle gespeist werden als die Heizung für den Dauerbetrieb des Abgassensors. Dabei kann die erste Spannungsquelle die ungeregelte Generator spannung der Lichtmaschine, abgegriffen vor dem Spannungsreg ler, und die zweite Spannungsquelle das Bordnetz des Kraftfahr zeugs sein. Es ist auch möglich, nach Erreichen der Betrieb stemperatur des Sensors über eine zeitlich getaktete Spannungs zufuhr die zugeführte Heizleistung auf den Wert zu begrenzen, der für die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur des Abgas sensors im warmen Zustand des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Die Nennspannung der zweiten Spannungsquelle beträgt dabei je nach Ausführung des Kraftfahrzeugs beispielsweise 13,6 V (12- Volt-Anlage) oder 27,2 V (24-Volt-Anlage) - In Zukunft sind aber auch Bordnetze mit anderen Nennspannungen möglich.

Wenn die Spannung der ersten Spannungsquelle um mindestens 30% über der Nennspannung der zweiten Spannungsquelle liegt, ist eine besonders schnelle Beheizung des Sensorelements möglich, weil die zur Vorheizung nötige elektrische Leistung quadratisch mit dem Anstieg der Spannung steigt. Als erste Spannungsquelle kann vorteilhaft der Generator des Kraftfahrzeugs verwendet werden, der bei einem Abgriff vor dem Spannungsregler etwa das Doppelte der üblichen Bordspannung von Kraftfahrzeugen abgibt.

Unmittelbar nach dem Kaltstart ist die Heizeinrichtung dieses Abgassensors mit der ersten Spannungsquelle verbunden, um die Heizeinrichtung mit einer ausreichenden elektrischen Leistung versorgen zu können. Nach Erreichen der Betriebstemperatur wird die Heizeinrichtung vorzugsweise mit der zweiten Spannungsquel le verbunden, die mit geringerer elektrischer Leistung ledig lich die für die Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur not wendige Spannung zur Verfügung stellt. Es kann auch vorgesehen sein, weiterhin die erste Spannungsquelle zur Beheizung zu ver wenden, wobei dann zur Reduzierung der zugeführten Heizleistung die Stromzufuhr beispielsweise zeitlich getaktet ist.

Die Umschaltung von der ersten Spannungsquelle auf die zweite Spannungsquelle kann in besonders einfacher Weise in Abhängig keit von der seit dem Kaltstart verstrichenen Zeit erfolgen. Eine zuverlässigere Umschaltung, insbesondere bei sehr hohen elektrischen Heizleistungen ergibt sich, wenn die Umschaltung in Abhängigkeit von der Temperatur der Heizeinrichtung erfolgt.

Dabei kann in einfacher Weise als Indikator für die Temperatur des Sensorelements die Stromaufnahme der Heizvorrichtung be nutzt werden, deren elektrischer Widerstand von der erreichten Temperatur abhängt.

Eine gute Temperaturbeständigkeit und eine reproduzierbare Ab hängigkeit des elektrischen Widerstands von der Temperatur ist erreichbar, wenn die Heizeinrichtung einen Heizleiter umfaßt, der im wesentlichen Platinmetalle enthält. Die Aufheizung des Sensorelements erfolgt besonders schnell, wenn die Heizeinrich tung und das Sensorelement auf einem gemeinsamen Substrat auf gebracht sind. Eine Heizeinrichtung mit einem Heizleiter, des sen elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur steigt, hat dabei den Vorteil, daß insbesondere bei kalter Umge bungstemperatur und somit niedriger Starttemperatur die elek trische Heizleistung hoch ist. Je kälter der Sensor also beim Start ist, desto stärker wird er aufgeheizt.

Ein Verfahren zum Betrieb eines Abgassensors mit einem zugehö rigen Heizelement in einem mit einem Verbrennungsmotor versehe nen Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14 löst eben falls die gestellte Aufgabe.

Weil nach einem Start des Verbrennungsmotors die Heizeinrich tung des Abgassensors zunächst von der ersten Spannungsquelle mit der höheren Nennspannung versorgt wird und danach von der zweiten Spannungsquelle mit der niedrigeren Nennspannung ver sorgt werden kann, kann zunächst eine schnelle Aufheizung des Sensorelements erfolgen, während die für die Aufrechterhaltung der erreichten Betriebstemperatur zugeführte elektrische Lei stung niedriger ist und von der zweiten Spannungsquelle mit der niedrigeren Nennspannung aufgebracht werden kann. Je nach Ein bausituation kann aber auch auf eine weitere elektrische Behei zung des Sensors ganz verzichtet werden, wenn nämlich die Ab gastemperatur so hoch ist, daß der Sensor im Betrieb die nötige Temperatur ohne Beheizung behält.

Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Umschaltung zwi schen der ersten Spannungsquelle und der zweiten Spannungsquel le zwischen 2,5 und 20 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgt. Es kann bei einer besonders hohen elektrischen Heizleistung schon vorteilhaft sein, wenn die Umschaltung zwischen 1 Sekunde und 2,5 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgt. Bei einer anderen Kon figuration kann die Umschaltung zwischen 3 Sekunden und 10 Se kunden nach dem Kaltstart erfolgen. Dabei wird das Verfahren vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß für die Bestimmung des Zeitpunkts der Umschaltung zwischen der ersten Spannungsquelle und der zweite Spannungsquelle die Stromaufnahme der Heizein richtung ermittelt wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Abgassensor zur Verwendung in der erfindungsge mäßen Vorrichtung mit einem Sensorelement und einem Heizelement, die gemeinsam auf einem Substrat aufge bracht sind; sowie

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der elektrischen Beschaltung des Abgassensors gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Abgassensor 1 ohne Gehäuse und Befesti gung dargestellt. Der Sensor umfaßt in an sich bekannter Weise ein Substrat 2, z. B. ein Trägerplättchen aus Aluminiumoxid. Auf das Substrat ist ein Pad 3 mit dem Sensormaterial (Strontiumtitanat etc.) in Siebdrucktechnik aufgebracht und mit zwei Elektroden 4 und 5 versehen. Die Elektroden 4 und 5 sind über Leiter 6 mit Anschlußpads 7 und 8 verbunden, die für den Anschluß der (nicht dargestellten) externen elektrischen Be schaltung dienen.

Das Sensormaterial 3 ist umgeben von einem Heizleiter 10, der wiederum über Leiter 11 mit Anschlußpads 12 für die elektrische Beheizung verbunden sind. Auch die Anschlußpads 12 dienen der externen elektrischen Beschaltung des Abgassensors.

Die Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Ab gassensors, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwend bar ist.

An den Anschlußpads 7 und 8 des dargestellten Abgassensors mit resistivem Sensorelement 3 ist im Betrieb der Widerstand R_S ab greifbar, der für die Konzentration eines bestimmten Gases kennzeichnend ist. An die Anschlußpads 12 der elektrischen Wi derstandsheizung 10 ist die elektrische Versorgungsspannung für die Beheizung des Sensors anzulegen. Der elektrische Widerstand R_H des Heizleiters 10 ist von der Temperatur abhängig.

Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs arbeitet die erfin dungsgemäße Vorrichtung wie folgt.

Unmittelbar nach dem Start des Motors wird die ungeregelte Spannung des Generators (bis zu 30 Volt bei einer Bordspannung von 12 Volt) auf die Heizvorrichtung 3 des Sensors gegeben. De ren elektrischen Widerstand ist bei niedriger Temperatur klein, so daß ein hoher Strom fließt. Die zugeführte Heizleistung ist hoch und dementsprechend heizt sich der Sensor schnell auf. Mit Erreichen der Betriebstemperatur gibt der Sensor verwertbare Signale über die Abgaszusammensetzung ab. Die Motorsteuerung kann sodann in einen geregelten Betrieb übergehen, bei dem die Gemischzusammensetzung im Sollbereich gehalten wird. Die Abgas katalysatoren können in diesem Bereich wirksam arbeiten.

Die bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Sensors ver gangene Zeit beträgt bei dem als Beispiel gewählten planaren Sensor gem. Fig. 1 etwa 2 bis 3 Sekunden. Die zugeführte Heiz leistung ist bei Erreichen der Betriebstemperatur bereits um etwa 40% gesunken, weil der Widerstand R_H des Heizleiters 3 be reits gestiegen ist.

Sodann wird die Heizvorrichtung 3 mit der Bordspannung des Fahrzeug verbunden. Die zugeführte elektrische Heizleistung ist dann ausreichend, um den Sensor auf der Betriebstemperatur zu halten. Der Zeitpunkt für die Umschaltung der zugeführten elek trischen Heizleistung kann etwa nach der Stromaufnahme des Heizleiters 3 bestimmt werden, die mit Erreichen der Betriebs temperatur aufgrund des steigenden Widerstandes R_H einen be stimmten Schwellwert unterschreitet, oder einfach nach Ver streichen einer bestimmten Zeit nach dem Kaltstart erfolgen. Je temperaturunabhängiger das Sensorsignal von der tatsächlichen Temperatur des Sensors ist, desto unkritischer ist die Einhal tung einer bestimmten Temperatur. Entsprechend ist dann auch ein geringerer Aufwand für die Steuerung oder Regelung der Be heizung erforderlich.

Die insoweit beschriebene Vorrichtung kann insbesondere zusam men mit schnell ansprechenden, ebenfalls elektrisch beheizten Metallkatalysatoren zu einer erheblichen Reduzierung des Schad stoffausstoßes eines Kraftfahrzeugs bei einem Kaltstart führen.

Die Erfindung ist außer bei den planaren Sensoren dieses Aus führungsbeispiels auch bei den herkömmlichen Lambdasonden mit einem rohrförmigen Festelektrolyten und einer anders aufgebau ten elektrischen Beheizung mit Vorteil anwendbar, auch wenn die Zeiten bis zum Erreichen der Betriebstemperatur bei dieser Aus führungsform nicht so kurz sein werden, wie beim planaren Sen sor mit aufgedrucktem Heizleiter.

Die zweite Spannungsversorgung muß auch nicht notwendig mit ei ner niedrigeren Spannung arbeiten. Ein Übergang von einem Dau erstrombetrieb in einen gepulsten Betrieb würde ebenso die zu geführte elektrische Heizleistung in geeigneter Weise reduzie ren.

Claims

1. Vorrichtung für die Bestimmung der Konzentration von Gaskom ponenten im Abgas von Kraftfahrzeugen, mit einem Sensorele ment sowie mit einer dem Sensorelement zugeordneten und aus einer Spannungsquelle gespeisten elektrischen Heizeinrich tung, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung in Ab hängigkeit von einer Steuereinrichtung mit einer ersten Span nungsquelle sowie mit wenigstens einer zweiten Spannungsquel le verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung der zweiten Spannungs quelle 12 Volt bis 14 Volt oder 24 Volt bis 28 Volt beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der ersten Spannungsquelle um mindestens 30% über der Nennspannung der zweiten Span nungsquelle liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Spannungsquelle der Generator des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung unmittelbar nach dem Kaltstart mit der ersten Spannungsquelle verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung nach Erreichen der Betriebstemperatur des Sensorelements mit der zweiten Span nungsquelle verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der ersten Spannungs quelle zu der zweiten Spannungsquelle in Abhängigkeit von der seit dem Kaltstart vergangenen Zeit erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der ersten Spannungs quelle zu der zweiten Spannungsquelle in Abhängigkeit von der Temperatur des Sensorelements erfolgt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der ersten Spannungs quelle zu der zweiten Spannungsquelle in Abhängigkeit von der Temperatur der Heizvorrichtung erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von der ersten Spannungs quelle zu der zweiten Spannungsquelle in Abhängigkeit von der Stromaufnahme des Sensorelements erfolgt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung einen Heizleiter um faßt, der einen mit steigender Temperatur ansteigenden elek trischen Widerstand aufweist, vorzugsweise im wesentlichen Platinmetalle enthält.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement und die Heizeinrichtung auf einem gemeinsamen Substrat auf gebracht sind.

14. Verfahren zum Betrieb eines Abgassensors mit einem zugeord neten Heizelement in einem mit einem Verbrennungsmotor verse henen Kraftfahrzeug mit einer ersten Spannungsquelle und mit einer zweiten Spannungsquelle, wobei die Nennspannung der er sten Spannungsquelle höher ist als die Nennspannung der zwei ten Spannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Start des Verbrennungsmotors die Heizeinrichtung des Abgas sensors zunächst für eine begrenzte Zeit von der ersten Span nungsquelle mit höherer Nennspannung versorgt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung nach der begrenzten Zeit von der zweiten Spannungsquelle mit der niedrigeren Nennspannung versorgt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen der ersten Span nungsquelle und der zweiten Spannungsquelle zwischen 2,5 Se kunden und 20 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen der ersten Span nungsquelle und der zweiten Spannungsquelle zwischen 1 Sekun de und 2,5 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen der ersten Span nungsquelle und der zweiten Spannungsquelle zwischen 3 Sekun den und 10 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Umschaltung zwischen der ersten Span nungsquelle und der zweiten Spannungsquelle zwischen 5 Sekun den und 10 Sekunden nach dem Kaltstart erfolgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Bestimmung des Zeitpunktes der Um schaltung zwischen der ersten Spannungsquelle und der zweiten Spannungsquelle die Stromaufnahme der Heizeinrichtung ermit telt wird