DE19944181A1

DE19944181A1 - Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen

Info

Publication number: DE19944181A1
Application number: DE19944181A
Authority: DE
Inventors: Rainer Strohmaier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-09-15
Filing date: 1999-09-15
Publication date: 2001-04-12
Also published as: FR2798466B1; GB0022047D0; FR2798466A1; GB2354332A; IT1318826B1; JP2001099808A; ITMI20001961A1; ITMI20001961A0; KR20010067179A; US6540892B1; GB2354332B

Abstract

Ein Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen mit wenigstens einer dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode und einer Referenzelektrode und mit einer Heizeinrichtung zur Temperierung der wenigstens einen Messelektrode und der Referenzelektrode ist dadurch gekennzeichnet, dass ein an der wenigstens einen Messelektrode abgreifbares Messsignal durch einen Korrekturwert veränderbar ist, der von der zum Erreichen eines vorgebbaren Wertes des Heizwiderstands wenigstens eines Heizelements der Heizeinrichtung erforderlichen Heizleistung der Heizeinrichtung abhängt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in Gasgemischen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher Sensor ist besonders geeignet zur Überwachung der Funktionsfähig keit von Katalysatoren in Abgasentgiftungsanlagen von Brennkraftmaschinen.

Brennkraftmaschinen erzeugen in ihrem Abgas unter ande rem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilweise verbrannte Kohlenwasserstoffe. Mit herkömmli chen Lambda-Sonden durchgeführte Messungen des Sauer stoffgehalts in Abgasen allein liefern nicht immer aus reichende Informationen über die Qualität der Verbren nung des Kraftstoffgemischs. Für verschiedene Anwen dungsfälle ist es besonders wichtig, den Anteil der bei unvollständigen Verbrennungen auftretenden oxidierbaren Gaskomponenten kontrollieren zu können. Neben der Her absetzung der Grenzwerte der Abgasemission gewinnt die Überwachung des Katalysators in Abgasanlagen hinsicht lich seiner Funktion beispielsweise bei der On-Board- Diagnose verstärkt an Bedeutung.

Dabei kommen zunehmend Sensoren, die auf dem Mischpo tentialprinzip basieren, zum Einsatz. Derartige Senso ren gehen beispielsweise aus der DE 44 08 504 A1 sowie aus der DE 196 23 434 A1 hervor. Das Messprinzip derar tiger Sensoren erfordert eine sehr genaue Kontrolle der Temperatur der Messelektroden. Hierfür wird eine Hei zungsregelung verwendet, die den Widerstand der in dem Festelektrolyt des Sensors integrierten Heizungsein richtung, beispielsweise den Widerstand einer Platin- Heizeinrichtung, direkt als Temperatursignal verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung der Tempe raturkontrolle für die Messelektroden eines gattungsge mäßen auf dem Mischpotentialprinzip basierenden Gassen sors. Insbesondere soll der systematische Fehler, der bei derartigen Sensoren dadurch entsteht, dass die Tem peraturmessung nicht am Ort der Messelektroden selbst, sondern davon räumlich getrennt am Heizwiderstand er folgt, korrigierbar sein.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der oben beschrie benen Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs gelöst. Durch Veränderung des Messsignals durch einen Korrekturwert, der von der zum Erreichen eines vorgebbaren Wertes des Heizwiderstands erforderlichen Heizleistung der Heizeinrichtung abhängt, wird eine signifikante Verbesserung der Kor relation zwischen dem Messsignal des Sensors und der Konzentration der zu messenden Abgaskomponente bei un terschiedlichen Messparametern bzw. Betriebspunkten ei ner Brennkraftmaschine, deren Gasgemisch detektiert wird, erreicht.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Sensors möglich. Eine vorteilhaf te Ausführungsform sieht vor, dass der Korrekturwert zur Veränderung des Messsignals in Abhängigkeit von der Änderung der Heizleistung durch Messung im Betriebszu stand bestimmbar und in einem Kennfeld speicherbar ist. Hierdurch kann der von der Temperaturabhängigkeit des Sensorsignals abhängige funktionelle Zusammenhang des Korrekturwerts exakt bestimmt und zur Korrektur des Messsignals verwendet werden.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Korrekturwert der Änderung der Heizleistung direkt proportional ist. In diesem Falle muss lediglich ein Korrekturfaktor durch Messung be stimmt werden.

Die Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs be schriebenen Art ferner erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein vorgebbarer Sollwert des Heizwiderstands we nigstens eines Heizelements der Heizeinrichtung so an hebbar ist, dass ein zuvor bestimmter Temperaturabfall zu der wenigstens einen Messelektrode kompensierbar ist.

In diesem Falle wird anstatt den Temperatureinfluss auf das Signal zu korrigieren, die Temperatur an der Elek trode konstant gehalten. Auch hierdurch kann der syste matische Fehler, der bei solchen Sensoren dadurch ent steht, dass die Temperaturmessung nicht am Ort der Messelektroden selbst, sondern davon räumlich getrennt am Heizwiderstand erfolgt, korrigiert werden. Dabei ist vorteilhafterweise der Sollwert durch Messungen in un terschiedlichen Betriebszuständen des Sensors bestimm bar und in einem Kennfeld speicherbar.

Er wird in Abhängigkeit von dem durch Messung zu erfas senden Temperaturabfall zu den Messelektroden hin be stimmt.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichneri schen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

In Fig. 1 ist schematisch ein Schnitt durch einen er findungsgemäßen Sensor dargestellt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein in der Figur im Schnitt schematisch dargestellter Sensor umfasst ein isolierendes planares keramisches Substrat 6, das auf der einen Großfläche in übereinan derliegenden Schichten eine Referenzelektrode 3 aus beispielsweise Platin, einen Festelektrolyten 4, Mess elektroden 1 und 2 sowie eine gasdurchlässige Schutz schicht 5 trägt. Auf der gegenüberliegenden Großfläche des Substrats 6 ist eine Heizeinrichtung 7 mit einer Abdeckung 8 angeordnet.

Zur Bestimmung der Konzentration oxidierbarer Bestand teile in Gasgemischen, beispielsweise Abgasen von Brennkraftmaschinen, wird der Sensor mittels der Hei zeinrichtung 7 auf eine Temperatur zwischen 300 und 1000°C, vorteilhafterweise auf 600°C erhitzt.

Um die Diffusion des Messgases zur Referenzelektrode 3 und die Einstellung des Sauerstoff-Gleichgewichts potentials zu ermöglichen, kann die Schutzschicht 5 po rös gesintert sein. Darüber hinaus kann aber auch auf an sich bekannte Weise ein Referenzkanal oder eine Re ferenzgasatmosphäre vorgesehen sein (nicht darge stellt).

Der Sensor erzeugt über dem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten 4 ein Messsignal in Form einer Zell spannung durch eine erste mit Hilfe der Referenzelek trode 3 eingestellten Halbzellenreaktion und eine zwei te durch die zu bestimmenden oxidierbaren Gaskomponen ten beeinflusste Halbzellenreaktion an mindestens einer der Messelektroden 1, 2. Über Kalibrierungskurven wer den aus den Spannungswerten in einer Schaltungsanord nung 10 die Konzentrationen der Gaskomponenten ermit telt. Im einfachsten Falle ist der erfindungsgemäße Sensor somit mit einer Referenzelektrode 3, die die Gleichgewichtseinstellung des Gasgemisches katalysiert und einer Messelektrode 1 oder 2, die die Gleichge wichtseinstellung des Gasgemisches nicht oder nur wenig zu katalysieren vermag, einsatzfähig.

Es ist jedoch auch möglich, wie in Fig. 1 dargestellt, zwei Messelektroden 1 und 2 anzuordnen, oder auch meh rere Messelektroden mit jeweils unterschiedlicher kata lytischer Aktivität zur Einstellung von Sauerstoff- Gleichgewichtszuständen. Die Messelektroden 1, 2 rea gieren dann mit unterschiedlicher, von der Gasart ab hängiger Spannung, bezogen auf die Referenzelektrode 3.

Bei Anordnungen mit zwei oder mehr Messelektroden 1, 2 mit unterschiedlicher katalytischer Aktivität besteht auch die Möglichkeit, Spannungen zwischen den Messelek troden 1, 2 zur Bestimmung oxidierbarer Gase auszuwer ten. Bei Spannungsmessungen zwischen Messelektroden, die in der gleichen Ebene und im gleichen Abstand zur Heizeinrichtung 7 angeordnet sind, wie beispielsweise die in Fig. 1 dargestellten Messelektroden 1 und 2, wird zudem der Seebeck-Effekt ausgeschaltet. Durch An ordnung mit mindestens zwei Messelektroden 1, 2 besteht des weiteren die Möglichkeit, wie in Fig. 1 darge stellt, die Querempfindlichkeit einer ersten Messelek trode 1 vollständig oder zumindest teilweise durch das Signal einer weiteren Messelektrode 2 zu kompensieren, indem die Empfindlichkeit dieser weiteren Messelektrode 2 auf die störenden Gaskomponenten entsprechend einge stellt wird.

Zur Messung spezifischer Abgaskomponenten, z. B. HC, ist eine sehr genaue Kontrolle der Temperatur der Messelek troden 1, 2 erforderlich. Hierfür ist eine Regelung der Heizungseinrichtung 7 vorgesehen, die den Widerstand des in den Sensor integrierten Heizelements, beispiels weise eines Platin-Heizelements direkt als Temperatur signal verwendet.

Im stationären Betrieb fließt ein Wärmestrom Φ zwi schen dem Heizelement der Heizeinrichtung 7 und der durch den Abgasstrom gekühlten Sensoroberfläche. Abhän gig vom Wärmewiderstand R, der zwischen dem Heizelement der Heizeinrichtung 7 und den auf der Sensoroberfläche angeordneten Messelektroden 1, 2 besteht, liegt eine Temperaturdifferenz ΔT vor, die sich wie folgt be stimmt:

ΔT = R . Φ.

Ändert sich die Temperatur oder der Volumenstrom des Abgases, muss eine Heizleistung P_Heiz der veränderten Kühlleistung des Abgases angepasst werden, um die Tem peratur der Heizeinrichtung 7 konstant zu halten. Hier durch ändert sich der Wärmestrom durch den Sensor und damit auch die Temperaturdifferenz ΔT. Die Temperatur der Messelektroden 1, 2 ist daher auch bei konstant ge haltener Temperatur der Heizeinrichtung 7 von der Kühl leistung des Abgases abhängig. Da das Signal von Misch potentialsensoren eine starke Temperaturabhängigkeit aufweist, ist eine Korrektur des Sensorsignals, d. h. des zwischen den Messelektroden 1 und 2 oder des zwi schen den Messelektroden 1 bzw. 2 und der Referenzelek trode 3 abgreifbaren Spannungssignals U_Mess erforder lich.

Grundidee der Erfindung ist es nun, die zum Erreichen des Sollwertes des Heizwiderstandes des Heizelements erforderliche Heizleistung P_Heiz dazu zu verwenden, das Sensorsignal zu korrigieren. Die Änderung der Heizlei stung ΔP_Heiz, die erforderlich ist, um eine veränderte Kühlleistung auszugleichen, ist direkt proportional zur Änderung der Temperatur der Messelektroden 1, 2. Eine Stellgröße der Heizungsregelung kann daher direkt als Eingangssignal für die Korrektur des Messsignals U_Mess verwendet werden, wie in der folgenden Gleichung darge stellt:

U_Korr = U_Mess(1 - f(P_Heiz))

Der funktionelle Zusammenhang f(P_Heiz) hängt von der Temperaturabhängigkeit des Messsignals U_Mess ab und muss experimentell, durch Messungen an dem im Betrieb be findlichen Sensor, d. h. bei Einsatz in der Abgasanlage eines Fahrzeugs während des Betriebs der Brennkraftma schine bestimmt werden. Er kann beispielsweise in einem Kennfeld abgespeichert sein.

In einem Ausführungsbeispiel wird von einer linearen Näherung ausgegangen, wobei das Korrektursignal U_Korr dem Messsignal U_Mess abzüglich einem Korrekturwert, der der Änderung der Heizleistung ΔP_Heiz direkt proportional ist, entspricht:

U_Korr = U_Mess(1 - K . ΔP_Heiz).

Der Korrekturfaktor K muss experimentell, durch Messun gen des im Betrieb befindlichen Sensors und damit der im Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine erfolgen, er kann Gegenstand einer Kennlinie sein.

Die Korrektur des Messsignals erfolgt in der Schal tungsanordnung 10. Durch die Verwendung des Stellgrö ßensignals der Regelung der Heizungseinrichtung 7 für die Korrektur der Abhängigkeit des Sensorsignals von der Temperatur und dem Volumenstrom des Abgases wird eine signifikante Verbesserung der Korrelation zwischen dem Messsignal des Sensors und der Konzentration der zu messenden Abgaskomponente bei unterschiedlichen Be triebspunkten des Sensors bzw. unterschiedlichen Be triebspunkten der Brennkraftmaschine, in deren Abgaska nal sich der Sensor befindet, erreicht.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, an statt den Temperatureinfluss auf das Signal zu korri gieren, die Temperatur an den Elektroden 1, 2 konstant zu halten. Hierzu wird bei Betriebspunkten des Sensors mit erhöhtem Heizleistungsbedarf der Sollwert des Heizwiderstands des Heizelements der Heizeinrichtung 7, der von der Schaltungsanordnung 10 zur Heizleistungsre gelung verwendet wird, so angehoben, dass ein damit verbundener größerer Temperaturabfall zu den Messelek troden 1, 2 hin kompensiert wird. Es versteht sich, dass der Temperaturabfall zuvor experimentell bestimmt werden muss.

Der Sollwert wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit von den Betriebszuständen in einem Kennfeld gespei chert.

Claims

1. Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gas komponenten in Gasgemischen mit wenigstens einer dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode (1, 2) und einer Referenzelektrode (3) und mit einer Hei zeinrichtung (7) zur Temperierung der wenigstens einen Messelektrode (1, 2) und der Referenzelek trode (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein an der wenigstens einen Messelektrode (1, 2) abgreifbares Messsignal durch einen Korrekturwert veränderbar ist, der von der zum Erreichen eines vorgebbaren Wertes des Heizwiderstands wenigstens eines Heize lements der Heizeinrichtung (7) erforderlichen Heizleistung der Heizeinrichtung (7) abhängt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Än derung der Heizleistung durch Messung im Betriebs zustand des Sensors bestimmbar und in einem Kenn feld speicherbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert der Änderung der Heizlei stung direkt proportional ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (K) durch Messung im Be triebszustand des Sensors bestimmbar und in einer Kennlinie speicherbar ist.

5. Sensor zur Bestimmung der Konzentration von Gas komponenten in Gasgemischen mit wenigstens einer dem Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode (1, 2) und einer Referenzelektrode (3) und mit einer Hei zeinrichtung (7) zur Temperierung der wenigstens einen Messelektrode (1, 2) und der Referenzelek trode (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein vor gebbarer Sollwert des Heizwiderstands wenigstens eines Heizelements der Heizeinrichtung (7) so ver größerbar ist, dass bei einem Betriebspunkt des Sensors mit erhöhtem Heizleistungsbedarf ein damit verbundener Temperaturabfall zur wenigstens einen Messelektrode (1, 2) hin kompensierbar ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert durch Messung im Betriebszustand des Sensors bestimmbar und in einem Kennfeld spei cherbar ist.