DE19982982B4

DE19982982B4 - Gassensor

Info

Publication number: DE19982982B4
Application number: DE19982982A
Authority: DE
Inventors: Yunzhi Gao; Akira Kunimoto; Masaharu Hasai
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: DE19982982T1; WO2000037930A1; JP3664980B2; DE19982982B8; US6471840B1

Abstract

Kombinierter Gassensor, umfassend:
eine erste Gaskammer (1), die durch einen ersten und einen zweiten Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyt (3a, 3b) gebildet ist;
einen ersten Gaseinlaß (11) mit einem Diffusionswiderstand zur Beschränkung einer Flußmenge von in die erste Gaskammer eintretenden Gasen;
eine erste nur auf Sauerstoff aktive Sauerstoffmeßelektrode (4), die auf einer Oberfläche des ersten Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolytsubstrats (3a) innerhalb der ersten Gaskammer (1) angeordnet ist;
eine auf zumindest Zielgase und Sauerstoff aktive Gasmeßelektrode (6), die auf derselben Oberfläche des ersten Elektrolytsubstrats (3a) wie die erste Sauerstoffmeßelektrode (4) innerhalb der ersten Gaskammer (1) angeordnet ist;
eine auf Sauerstoff aktive Referenzelektrode (7), die derart auf dem ersten Festelektrolytsubstrat (3a) angeordnet ist, daß sie in Kontakt mit einer von der ersten Gaskammer (1) getrennten Atmosphärenluft (14) gebracht wird;
eine Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) zur elektrochemischen Umwandlung oder Zersetzung der Gase, von der eine Gasreformierungselektrode (9a) auf Sauerstoff und die Zielgase aktiv...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und insbesondere einen kombinierten Gassensor zum Erfassen der Konzentration eines sauren Gases wie Stickoxide usw, in Abgasen und einer Sauerstoffkonzentration in einer zu erfassenden Gasatmosphäre.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es ist allgemein bekannt, dass von Verbrennungsmotoren, einschließlich solchen von Kraftfahrzeugen, und Verbrennungsapparaturen von Wärmekraftanlagen und Fabrikanlagen usw. zahlreiche giftige Gase, einschließlich Stickoxide (NO_x), Kohlenwasserstoffgase (HC), Schwefeloxide (SO_X), CO, CO₂ usw., ausgestoßen werden. Es werden immer strengere gesetzliche Vorschriften erlassen, um die Emission von derartigen sogenannten Umweltgasen zu beschränken. Somit wird ein Gassensor benötigt, der in der Lage ist, auch niedrige Konzentrationen der ausgestoßenen Umweltgase bei geringen Kosten zu erfassen.
Inzwischen wurde die Entwicklung eines Gassensors vom Festelektrolyt-Typ betrieben, der eine kontinuierliche Messung durch eine direkte Einführung in die Abgase von Kraftfahrzeugmotoren usw. durchführen kann. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch bereits einen NO_x-Sensor vom Mischpotential-Typ vorgeschlagen, der in der Lage ist, die Gesamt-NO_x- Konzentrationen in Abgasen in Echtzeit zu messen. Zum Beispiel wird in der nachveröffentlichten japanischen Offenlegungsschrift Nr. 201942/1999 eine NO_x-Meßelektrode vom Mischpotential-Typ in einer aus Zirconiumoxid-Festelektrolyt gebildeten Gaskammer angeordnet, und es ist auch eine NO_x-Umwandlungselektrode in derselben Kammer derart angeordnet, daß sie der NO_x-Meßelektrode gegenübersteht. Das heißt, in diesem Aufbau werden NO_x (NO und NO₂) in Abgasen elektrochemisch zu einem NO₂-Einsubstanzgas umgewandelt, und die Konzentration an umgewandeltem NO₂ wird durch die NO_x-Meßelektrode als die Gesamt-NO_X-Konzentration erfaßt. Gemäß einer Ausführungsform dieser japanischen Offenlegungsschrift sind eine Sauerstoffpumpe zur Umwandlung von NO_x in der Gaskammer zu NO₂ und eine andere Sauerstoffpumpe zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in einer Gaskammer angeordnet. In derselben Gaskammer sind auch eine Referenzelektrode zu der oben beschriebenen NO_x-Meßelektrode und eine Sauerstoffmeßelektrode zur Messung der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer angeordnet. Unter Bezug auf das Potential der Sauerstoffmeßelektrode, das auf die Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer zurückzuführen ist, als einem Referenzpotential der NO_x-Meßelektrode, wird das Ausgangssignal des NO_x-Sensors kaum beeinflußt, sogar wenn die Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer fluktuiert.
Die Fluktuation der Sauerstoffkonzentration ist jedoch in den Abgasen aus z.B. einem Kraftfahrzeug groß und plötzlich. Daher ist es in dem NO_x-Sensorelement mit dem in der Offenlegungsschrift JP 201942/1999 vorgeschlagenen Aufbau notwendig, die Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer auf ein Niveau zu bringen, bei dem störende Gase wie HC, CO usw., welche zusammen mit NO_x in die Gaskammer eintreten, zu nicht störenden Gasen oxidiert werden. Die Sauerstoffkonzentration um die auf einem Mischpotential basierende Meßelektrode herum sollte auch auf einem im wesentlichen konstanten Wert von einigen Prozent gehalten werden. Das Auftreten einer Störung in einem solchen System, in welchem die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in einer Gaskammer durchgeführt und die Sauerstoffpumpensteuerung durch eine Rückkopplung des Signals der Sauerstoffkonzentration gesteuert wird, führt zu einem relativ großen Fehler der Genauigkeit des Sensorausgangssignals, wobei es erforderlich ist, für eineGasdichtheit der Gaskammer und des Luftkanals zu sorgen.
Darüber hinaus nimmt die Temperatur der Abgase von Kraftfahrzeugen mehr und mehr zu, und die Gastemperatur ändert sich in großem Maße in Abhängigkeit vom Betriebszustand dessen Motors. Auch sind in Abgasen in erheblichem Umfang für die Elektroden giftige Komponenten enthalten. Weil ferner beim Einbau in Kraftfahrzeugen generell Vibrationen der Karosserie oder des Motors Zu beachten sind, kommt es darauf an, dieVerläßlichkeit des Gassensors unter diesen erschwerten Umständen zu verbessern.
Bei dem in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 201942/1999 vorgeschlagenen herkömmlichen NO_x-Sensor ist selbst dann, wenn eine Störung in dem die Erfassung der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer durchführenden System auftritt und die Sauerstoffpumpensteuerung durch Regelung ausgeführt wird, eine Selbstdiagnose bezüglich der Funktion des Sensors nicht möglich. Wenn ferner die Gasdichtheit der Gaskammer und des Luftkanals während der Verwendung verloren gegangen ist, wodurch das Sensorausgangssignal beeinflusst worden ist, bestehenbei dem vorstehend beschriebenen NO_x-Sensor keinerlei Mittel, um eine Aussage darüber zu treffen, ob diese Signalveränderung die Folge einer Sensorstörung ist.
Das heißt, bei dem vorstehend erläuterten NO_x-Sensor tritt also das Problem auf, dassbei einer Verschlechterung der Elektroden, bei einer Störung in der Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer und/oder bei einem Verlust der Gasdichtheit der Gaskammer oder des Luftkanals, nicht bestimmt werden kann, ob dies eine Folge einer Störung des Sensors ist oder nicht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, dass die oben beschriebenen Probleme gelöst werden. Im einzelnen soll ein Gassensor geschaffen werden, der mit einem verhältnismäßig einfachen Aufbau und mit einfachen Maßnahmen eine Selbstdiagnose zulässt. Ein weiter Aspekt ist die Schaffung eines einfachen Selbstdiagnoseverfahrens.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Gassensors durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Selbstdiagnoseverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 13 gelöst.
Gemäß der Erfindung kann in dem Gassensor mit der durch den Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyt gebildeten Gaskammer die Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer oder der Sauerstoffpumpenstrom mit der Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Gasatmosphäre in Beziehung gesetzt werden, um einen Vergleich und eine Beurteilung vorzunehmen, wodurch die Störung des Gassensorelements in Selbstdiagnose bestimmt werden kann. Somit kann der Betriebszustand des Gassensors immer automatisch überwacht werden. Insbesondere wenn die Erfindung auf einen Gassensor für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug bei rauher Umgebung angewendet wird, wird die Verläßlichkeit des Sensors in großem Maße verbessert. Weil mit dem Gassensor der Erfindung die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Gasatmosphäre direkt gemessen werden kann, können fürden Fall, daß der Gassensor als NO_x-Sensor dient, die Konzentrationen von NO_x und Sauerstoff in den Abgasen gleichzeitig gemessen werden.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Selbstdiagnosverfahrens besteht darin, dass zwei oder mehr Messwerte aus der Gruppe des Pumpenstroms, der Sauerstoffkonzentration im zu untersuchenden Gas (Zielgas) und der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer miteinander verglichen werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit der Ausbildung des Gassensors nach Anspruch 2 ergibt sich eine vereinfachte Auswertung der Selbstdiagnossignale.
Zwar ist aus dem nachveröffentlichten Dokument EP 0 892 265 A1 bereits ein Gassensor bekannt geworden, der mit einer Selbstdiagnoseeinrichtung ausgestattet ist. Allerdings unterscheidet sich dieser Gassensor hinsichtlich des Aufbaus vom erfindungsgemäßen Gassensor dadurch, dass keine Gasreformierungspumpenzelle einer Gasmesselektrode gegenüberliegt, und dass keine Sauerstoffmesselektrode vorgesehen ist, die auf dem die Messelktrode tragenden Festelektrolyt ausgebildet ist und mit dem zu messenden Gas direkt in Kontakt steht. Im weiteren Unterschied zum erfindungsgemäßen Aufbau des Gassensors ist neben der Messelktrode für das Zielgas eine Elektrode angeordnet, mit der der Sauerstoffgehalt in einer gesonderten Messkammer gesteuert und die zur Selbstdiagnose herangezogen wird. Die Referenzelektrode für die Zielgasbestimmung ist im übrigen identisch mit derjenigen für die Hilfs-Pumpenelektrode und für die Sauerstoffpumpenelektrode.
Dementsprechend unterschiedlich ist auch die Funktionsweise der Diagnoseeinrichtung, mit der das Verhalten des Ausgangssignals, d.h. der Wert des Pumpstroms der Hilfs-Pumpenzelle im Ansprechen auf ein Triggersignal überwacht wird. Eine Auswertung mehrerer Messwerte findet zur Diagnose der Funktionsfähigkeit des Sensors nicht statt.
Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
1 ist eine Schnittsansicht, die den Aufbau einer Ausführungsform des Sensors der Erfindung aufzeigt;
2 ist eine Schnittsansicht, die den Aufbau einer anderen Ausführungsform des Sensors der Erfindung aufzeigt;
3 ist eine Schnittsansicht, die den Aufbau noch einer anderen Ausführungsform des Sensors der Erfindung aufzeigt;
4 ist eine Ansicht eines Schaltungsprinzips, das eine Ausführungsform des Selbstdiagnoseverfahrens des Sensors der Erfindung aufzeigt;
5 ist eine Diagnoselogik, die eine Ausführungsform des Selbstdiagnoseverfahrens des Sensors der Erfindung aufzeigt;
6 ist eine Diagnoselogik, die eine andere Ausführungsform des Selbstdiagnoseverfahrens des Sensors der Erfindung aufzeigt;
7 zeigt die Kennlinien auf, die für das Selbstdiagnoseverfahren des Sensors der Erfindung verwendet werden;
8 ist eine Diagnoselogik, die noch eine andere Ausführungsform des Selbstdiagnoseverfahrens des Sensors der Erfindung aufzeigt;
9 zeigt andere Kennlinien auf, die für das Selbstdiagnoseverfahren des Sensors der Erfindung verwendet werden; und
10 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau noch einer anderen Ausführungsform des Sensors der Erfindung aufzeigt.
In 1 ist ein Grundaufbau des Gassensors der Erfindung aufgezeigt. Der Sensoraufbau umfaßt eine erste Gaskammer 1, die aus zwei Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolytsubstraten 3a, 3b gebildet ist; einen ersten Gaseinlaß 11 mit einem Gasdiffusionswiderstand zur Beschränkung der Flußmenge an in die erste Gaskammer eintretenden Gasen; eine erste nur auf Sauerstoff aktive Sauerstoffmeßelektrode 4, welche auf einer Oberfläche des ersten Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolytsubstrats 3a innerhalb der ersten Gaskammer angeordnet ist; eine auf zumindest Zielgase und Sauerstoff aktive Gasmeßelektrode 6, welche auf derselben Oberfläche des ersten Elektrolytsubstrats wie bei der ersten Sauerstoffmeßelektrode innerhalb der ersten Gaskammer angeordnet ist; eine auf Sauerstoff aktive Referenzelektrode 7, welche derart auf dem ersten Festelektrolytsubstrat 3a angeordnet ist, daß sie in Kontakt mit einer von der ersten Gaskammer 1 getrennten Atmosphärenluft gebracht wird; eine Sauer stoffpumpenzelle (8a, 8b) zur Steuerung einer Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer, deren Elektroden aus Materialien gemacht sind, die nur auf Sauerstoff aktiv sind, und auf dem zweiten Festelektrolytsubstrat 3b gegenüber dem ersten Festelektrolytsubstrat angeordnet sind; eine Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) zur chemischen oder elektrochemischen Umwandlung oder Zersetzung der Gase, von der eine Gasreformierungselektrode 9a auf Sauerstoff und die Zielgase aktiv ist und derart auf dem zweiten Festelektrolytsubstrat 3b in der ersten Gaskammer angeordnet ist, daß sie der Gasmeßelektrode 6 gegenüber steht, und eine Gasreformierungsgegenelektrode 9b derart auf dem zweiten Festelektrolytsubstrat 3b außerhalb der Gaskammer angeordnet ist, daß sie in Kontakt mit der Atmosphärenluft gebracht wird; und eine nur auf Sauerstoff aktive zweite Sauerstoffmeßelektrode 5, welche derart auf dem ersten Festelektrolytsubstrat angeordnet ist, daß sie direkt der zu erfassenden Gasatmosphäre ausgesetzt ist.
Der Gassensor mit diesem Aufbau wird ausführlich im Fall eines kombinierten NO_x-Sensors, der eine spezifische Ausführungsform zur Verwendung ist, beschrieben. Der oben beschriebene NO_x-Sensor, der in 1 aufgezeigt ist, kann eine Gesamt-NO_x-Konzentration in den Abgasen von Kraftfahrzeugen erfassen.
Als erstes werden reduzierende Gase wie HC (Kohlenwasserstoffgase) und CO aus NO_x (NO und NO₂), HC, CO, CO₂, SO_x, H₂O, O₂ usw., die in den Abgasen enthalten sind, die in die erste Gaskammer 1 durch den Gaseinlaß 11 diffundieren und strömen, zu nicht-störenden Gasen oxidiert, indem unter Verwendung der Sauerstoffpumpenzelle durch einen Luftkanal 13 Sauerstoff hinein und heraus gepumpt wird und die Atmosphäre innerhalb der ersten Gaskammer 1 auf einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration gehalten wird. Da der Gassensor für gewöhnlich auf 500°C oder mehr erwärmt und dabei betrieben wird, werden die reduzierenden Gase wie HC und CO aufgrund katalytischer Wirkungen des Festelektrolyts, der die Gaskammer und die Elektrodenmaterialien bildet, sofort zu nicht-störenden Gasen wie CO₂ und H₂O oxidiert.
Folglich wird durch eine NO_x-Umwandlungselektrode, welche die Gasreformierungselektrode 9a ist, NO im NO_x elektrochemisch zu NO₂ umgewandelt. Die NO_x-Umwandlungselektrode 9a ist auf NO_x und Sauerstoff aktiv, und zumindest auf der Elektrode kann NO zu NO₂ umgewandelt werden. Der Gassensor wird betrieben, indem die NO_x-Umwandlungselektrode 9a, die in der ersten Gaskammer 1 angeordnet ist, als eine Kathode und die NO_x-Umwandlungsgegenelektrode 9b, die in dem zur Atmosphärenluft führenden Luftkanal 13 angeordnet ist, als eine Anode verwendet wird, und indem ein vorbestimm tes Potential daran angelegt wird. Die NO_x-Umwandlungszelle mit der NO_x-Umwandlungselektrode 9a und deren Gegenelektrode 9b ist grundsätzlich dieselbe wie die Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b), ist jedoch hinsichtlich der Aktivität der in der ersten Gaskammer angeordneten Elektrode auf NO_x verschieden.
In der Folge wird NO_x, das durch die NO_x-Umwandlungselektrode zu NO₂ umgewandelt wurde, durch die NO_x-Meßelektrode 6, die der NO_x-Umwandlungselektrode gegenüber steht, als ein Mischpotential erfaßt. Das Ausgangssignal von NO_x wird in diesem Fall erhalten durch Messen einer Potentialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 7 und der NO_x-Meßelektrode 6 oder einer Potentialdifferenz zwischen der NO_x-Meßelektrode 6 und der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4. Das heißt, die Gesamt-NO_x-Konzentrationen in den Abgasen können durch den Sensor der Erfindung erfaßt werden, ohne irgendeinem Einfluß der Störgase wie HC usw.
Bei dem in 2 aufgezeigten Sensoraufbau ist eine Gasreformierungskatalysatorschicht 10 anstelle der Gasreformierungspumpenzelle angeordnet. Durch Erhöhen der Temperatur des Sensors und Einstellen der Sauerstoffkonzentration auf ein niedriges Niveau kann das NO_x in den Abgasen zu NO-Gas umgewandelt werden, als einem Gleichgewichtszustand für die Erfassung des Gesamt-NO_x. Das heißt, der Sensor besitzt eine solche Wirkung, daß NO_x in den Abgasen in der ersten Gaskammer 1 zu einem NO-Gas umgewandelt wird. Das umgewandelte NO wird durch die oben beschriebene NO_x-Meßelektrode 6 als ein Mischpotential erfaßt. Hinsichtlich der Erfassung der Störung des Sensors geschieht dies in diesem Fall genauso wie im Fall des Erfassens von NO₂.
Wie oben beschrieben, ist es bei dem in 1 oder 2 gezeigten Sensoraufbau notwendig, die Sau erstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 auf einer vorbestimmten (Sauerstoff-)Konzentration auf einem Niveau von einigen Prozent zu halten, um die störenden Gase wie HC usw. zu oxidieren und zu entfernen und ein verläßliches Mischpotentialausgangssignal zu erhalten. Zu diesem Zweck wird eine elektromotorische Kraft, die auf den Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwischen der in der ersten Gaskammer 1 angeordneten Sauerstoffmeßelektrode 4 und der Referenzelektrode 7 zurückzuführen ist, erfaßt und das Ausgangssignal 1 (das Spannungsausgangssignal bei V₀₂ in den Figuren) für eine Rückkopplungssteuerung der Steuerspannung der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) verwendet. Wenn zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 auf 2% eingestellt wird, beträgt die Einstellspannung –43 mV bei 600°C.
Wenn das Ausgangssignal 1, welches die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 erfaßt, aufgrund einer Störung des Sensors einen unzuverlässigen Zustand erreicht, tritt ein großer Fehler in dem NO_x-Konzentrationsausgangssignal des NO_x-Sensors auf. Das heißt, in dem Fall, daß die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 abnormal erniedrigt ist, ist das NO_x-Meßausgangssignal stark verringert, da HC in den Abgasen die NO_x-Meßelektrode erreicht, ohne ausreichend oxidiert und entfernt zu werden. Die NO₂-Empfindlichkeit der NO_x-Meßelektrode wird ebenfalls proportional zum Logarithmus der Sauerstoffkonzentration verändert. Folglich erhöht die durch die Störung bedingte Verringerung der Sauerstoffkonzentration in der Gaskammer 1 das NO_x-Meßausgangssignal. Andererseits wird in dem Fall, daß die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 abnormal erhöht wird, das NO_x-Meßausgangssignal aufgrund der Abhängigkeit von den Sauerstoffkonzentrationen verringert. Eine der Ursachen der oben beschriebenen Störung im Sensor ist zum Beispiel eine Störung der Sauerstoffmeßelektroden 4, 5 durch Vergiften und dergleichen. In diesem Fall kann leicht in übermäßigem Maße das Herauspumpen oder Hineinpumpen von Sauerstoff stattfinden, sogar bei einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration, da das Erfassungspotential (Ausgangssignal 1, 2) verändert ist. In dem Fall, daß die Gasdichtheit des Luftkanals 13 verloren geht, wird die Sauerstoffpumpfähigkeit verringert und die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer erreicht nicht einen vorbestimmten Wert. In dem Fall, daß die Gasdichtheit eines Luftkanals 14 verloren geht, wird ferner das Potential der Referenzelektrode 7 für gewöhnlich abhängig von der Sauerstoffkonzentration in den Abgasen verringert. Somit wird ein Absolutwert der elektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 7 und der Sauerstoffmeßelektrode 4 in der ersten Gaskammer 1 verringert, was zu einer Störung der Steuerung des Sauerstoffpumpens führt.
Bei dem in 1 oder 2 aufgezeigten Sensoraufbau dieser Erfindung ist daher die zweite Sauerstoffmeßelektrode 5, die nur auf Sauerstoff aktiv ist, auf dem ersten Festelektrolytsubstrat 3a angeordnet, welches direkt der zu erfassenden Gasatmosphäre ausgesetzt ist. Die elektromotorische Kraft (Ausgangssignal 2) zwischen der Referenzelektrode 7 und der zweiten Sauerstoffmeßelektrode 5 wird als die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas erfaßt und mit dem oben beschriebenen Ausgangssignal 1 oder dem Ausgangssignal des Pumpenstroms der Sauerstoffpumpenzelle verglichen, wodurch die Störung des Sensors erfaßt werden kann.
In Bezug auf ein spezifisches Diagnoseverfahren des in 1 oder 2 aufgezeigten Gassensors, der die Sauerstoffkonzentrationssteuerung in der Gaskammer 1 durchführt, wird das in 4 veranschaulichte Schaltungsprinzip der Diagnose zur Erfassung der Störung vorgeschlagen. Das in 4 aufgezeigte Diagnoseschaltungsprinzip ist aus vier Abschnitten aufgebaut: Der erste Ab schnitt ist ein Eingabe- und Spannungsvergleichungsabschnitt; der zweite Abschnitt ist ein Steuerabschnitt für den Diagnosebetrieb; der dritte Abschnitt ist ein Signalbedienungsabschnitt; und der vierte Abschnitt ist ein Ausgabeabschnitt von Diagnoseergebnissen. Ein Stromsignal V_ip der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) wird als ein Signal I, ein Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 als Signal II bzw. ein Sauerstoffkonzentrationssignal V^* ₀₂ in der zu erfassenden Gasatmosphäre als Signal III definiert. Wenn das Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 gleich einem vorbestimmten Einstellwert Vs ist, d.h. das Ausgangssignal von einem Fenstercomparator gleich Null ist (v₀₂ = V_s), wird der Diagnosebetrieb als Diagnose-A definiert.
Wenn andererseits die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 von dem vorbestimmten Einstellwert verschieden ist, d.h. das Ausgangssignal des Fenstercomparators nicht Null ist (V₀₂ ≠ V_s), wird der Diagnosebetrieb als Diagnose-B definiert. Im Fall der Diagnose-A, wenn der Pumpenstrom der Sauerstoffpumpe gleich Null ist und die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 gleich der in den zu erfassenden Gasen ist (V₀₂ = V^* ₀₂), wird der Betrieb des Sensorsystems als in Ordnung beurteilt. Ist der Sauerstoffpumpenstrom dennoch gleich Null, wird der Betrieb des Sensorsystems im Gegensatz dazu als gestört bewertet und das Ergebnis angezeigt, wenn die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 von der in den zu erfassenden Gasen verschieden ist (V₀₂ = V^* ₀₂). Ist dennoch die Sauerstoffkonzentration V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 gleich der Sauerstoffkonzentration in den zu erfassenden Gasen (V₀₂ = V^* ₀₂), wird der Betrieb des Sensorsystems gleichermaßen als gestört bewertet und das Ergebnis angezeigt, wenn der Sauerstoffpumpenstrom nicht Null ist.
Als nächstes werden die Fälle der Diagnose-B betrachtet. Wenn das Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 geringer als ein vorbestimmter Sauerstoffkonzentrationseinstellwert V_s ist, muß das Sauerstoffpumpen im Zustand des Zuführens von Sauerstoff in die erste Gaskammer 1 vorliegen. Wenn im Gegensatz dazu das Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ größer ist als der Einstellwert Vs, ist das Sauerstoffpumpen in dem Zustand des Evakuierens von Sauerstoff aus der ersten Gaskammer 1. Die Diagnose, in welcher diese Sauerstoffpumprichtungen, die Differenz (V₀₂ – V_s) des Sauerstoffkonzentrationssignals in der Gaskammer von dem Einstellwert und das Sauerstoffpumpenstromsignal V_ip verglichen werden, wird durchgeführt, um als in Ordnung/gestört bewertet zu werden. Diese Diagnosevorgänge können in der Praxis unter Verwendung eines Analogschaltkreises realisiert werden, und durch Verwenden eines Mikrocomputers werden kompliziertere Diagnosevorgänge möglich sein.
In 3 ist ein anderer Sensoraufbau der Erfindung aufgezeigt. In diesem Sensoraufbau wird, da die in 1 aufgezeigte, Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) entfernt wurde, das Sauerstoffpumpen durch die Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) durchgeführt. Ein anderer Unterscheidungspunkt von dem Sensoraufbau aus 1 ist ferner der, daß das Sauerstoffkonzentrationssignal in der ersten Gaskammer 1 nicht zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration rückgekoppelt wird. Das heißt, durch die Gasreformierungspumpenzelle ist die eingeleitete Menge an gepumptem Sauerstoff konstant.
Bei dem Sensoraufbau gemäß 3 wird die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer in einem gewissen Ausmaß durch deren Fluktuation im Abgas beeinflußt, da der Sensor kein Mittel zur Sauerstoffsteuerung besitzt. Aus diesem Grund wirdauch keine Potentialdifferenz V_NOx zwischen der NO_x-Meß- elektrode 6 und der Referenzelektrode 7 als dem NO_x-Meß-ausgangssignal direkt verwendet. Es wird allerdings eine Potentialdifferenz V'_NO _x zwischen der NO_x-Meßelektrode 6 und der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4 gemessen. Von Fall zu Fall kann es sinnvoll sein, eine Differenz zwischen der Potentialdifferenz V₀₂ zwischen der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4 und der Referenzelektrode 7 einerseits und der Potentialdifferenz V_NOx zwischen der NO_x-Meßelektrode 6 und der Referenzelektrode 7 andererseits zu ermitteln.
Eine Störung in dem in 3 aufgezeigten Sensor ist grundsätzlich gleich der in dem in 1 oder 2 aufgezeigten Sensor. Da jedoch in diesem Sensoraufbau die Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration weggelassen ist, kann der Sauerstoffpumpenstrom i_p nicht als das Signal für die Selbstdiagnose verwendet werden. Somit wird das Selbstdiagnoseverfahren der Sensorstörung bei diesem Aufbau wie folgt durchgeführt: δV₀₂, das erhalten wird als eine Differenz zwischen dem Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 und dem Sauerstoffkonzentrationssignal V^* ₀₂ in der zweiten Gaskammer 2 (Sauerstoffkonzentrationssignal in der zu erfassenden Atmosphäre), wird verglichen mit dem Einstellwert, wodurch zumindest eine ernste Störung erfaßt werden kann. Eine grundlegende Ausführungsform dieser Selbstdiagnoselogik ist in 5 aufgezeigt.
Mit der Selbstdiagnoselogik, wie sie in 5 aufgezeigt ist, kann gegebenfalls eine nur geringfügige Verschlechterung der Gasdichtigkeitseigenschaft nicht ausreichend erfasst werden. Für diesen Fall wird die in 6 aufgezeigte Selbstdiagnoselogik vorgeschlagen. In diesem System werden das Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 und das Sauerstoffkonzentrationssignal V^* ₀₂ in der zweiten Gaskammer 2 (Sauer stoffkonzentrationssignal in der zu erfassenden Atmosphäre) laufend mit gespeicherten map- oder Kennwertdaten, im Folgenden Abbildungsdaten genannt, verglichen, und wenn das Ergebnis an einer Stelle außerhalb eines vorbestimmten Abweichungsbetrags liegt, wird die Sensorstörung erfaßt. Das heißt, wie in 6 aufgezeigt, V₀₂ und V^* ₀₂, die zu jeder Zeit überwacht werden, werden einer Abbildungsbehandlung (MESDAT) unterzogen, und die Positionsdaten werden verglichen (COMPDAT) mit Abbildungsdaten (NORDAT) in einem bereits gespeicherten ordentlichen Zustand, um die Sensorstörung zu bestimmen. Zum Beispiel werden die Abbildungsdaten (NORDAT) für den Pumpenstromwert i^* _p der NO_x-Umwandlungszelle unter Verwendung von V₀₂ und V^* ₀₂ als Variable wie in 7 aufgezeigt erhalten. In dem Fall, daß Abbildungsdaten für i^* _p1 von dem Bereich abweichen, innerhalb dem ein vorbestimmter Fehlbetrag erlaubt ist, wird die Sensorstörung erfaßt.
Durch Verwendung ähnlicher Abbildungsdaten kann die Gasdichtheit des Luftkanals, in dem die Referenzelektrode 7 angeordnet ist, diagnostiziert werden. Zum Beispiel werden, wie in 8 aufgezeigt, δV₀₂-Daten, die erhalten werden als eine Differenz zwischen dem Sauerstoffkonzentrationssignal V₀₂ in der ersten Gaskammer 1 und dem Sauerstoffkonzentrationssignal V^* ₀₂ in der zweiten Gaskammer 2 (in der zu erfassenden Atmosphäre), erhalten für i^* _p mit V^* ₀₂, wie in 9 aufgezeigt. In dem Fall, daß die Abbildungsdaten für i^* _p1 von der Fläche abweichen, die angibt, daß ein Fehler von einem vorbestimmten Ausmaß erlaubt ist, wird die Sensorstörung erfaßt.
Das Selbstdiagnoseverfahren für den Sensor nach 3 kann auch auf den Sensor nach 1 angewendet werden. Erfindungsgemäß wird zusätzlich dazu, daß die Messung der Konzentration der zu erfassenden Gase und die Selbstdiagnose des Sensors durchgeführt werden können, die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Gasat mosphäre direkt erfaßt, wobei dieser Wert für andere Auswertungssysteme verwendet werden kann.
Die Querschnittsstrukturen der Sensoren der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind in 1 bis 3 aufgezeigt. Zur Herstellung des Sensors wirdvorzugsweise ein Rohling durch Laminieren von Sauerstoffionen-leitfähigem Festelektrolytschichten hergestellt. Als Sauerstoffionen-leitfähiger Festelektrolyt wird für gewöhnlich mit Yttriumoxid (Y₂O₃) versetztes Zirconiumoxid verwendet. Die Menge an Yttriumoxidadditiv reicht im allgemeinen von 3 bis 8 Mol-%. Anstelle von Yttriumoxid kann als die Additivsubstanz Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeO) usw. verwendet werden.
Die Zirconiumoxidschicht wird aus Zirconiumoxidpulver hergestellt, wobei ein Zirconiumoxidpulver verwendet wird, dem eine vorbestimmte Menge an Y₂O₃, MgO usw. zugesetzt ist. Bei der Herstellung der Sensoren von 1 bis 3 werden Pasten für verschiedene Elektroden (4, 5, 6, 7, 8a, 8b, 9a, 9b, 10) mittels eines Siebdruckverfahrens usw. auf die Zirconiumoxidrohschicht als Schicht aufgetragen. Durch Bedrucken werden ebenfalls Anschlußleitungen zum Herausführen von Signalen aus den verschiedenen Elektroden, Isolierschichten, Heizungen usw. getrennt ausgebildet. Nach dem Siebdruck werden die Rohschichten der entsprechenden Schichten unter Erwärmen laminiert und gepreßt. Der laminierte Körper wird bei ungefähr 600°C entfettet und bei 1400°C oder höher gesintert. Schließlich werden Anschlußdrähte aus Pt usw. an Anschlußpole geschweißt, und der resultierende Sensor wird für eine Messung bereitgestellt.
Die folgenden Materialien werden für die Elektroden ausgewählt. Für die Sauerstoffmeßelektroden 4, 5, die Referenzelektrode 7, die Sauerstoffpumpenelektroden 8a, 8b und die Gasreformierungsgegenelektrode 9b wird Platin, das nur auf Sauerstoff aktiv ist, verwendet. Es ist wesentlich, daß die Gasreformierungselektrode 9a und die Gasmeßelektrode 6 eine Aktivität auf zumindest Zielgase und Sauerstoff besitzen. In dem Fall des NO_x-Sensors werden für die Gasreformierungselektrode (NO_x-Umwandlungselektrode) Rh, Pt-Rh-Legierung usw. verwendet. Für die NO_x-Meßelektrode werden verschiedene Metallmaterialen und Metalloxidmaterialien wie Rh, Pt-Rh-Legierung, NiCr₂O₄, MgCr₂O₄, Cr₂O₃ usw. verwendet.
Bei den Sensoren mit den in 1 bis 3 aufgezeigten Strukturen ist eine Heizeinrichtung nicht aufgezeigt, jedoch wird bei einer praktischen Verwendung des Sensors solchen Strukturen für gewöhnlich ein Heizsubstrat hinzugefügt. Im Hinblick auf den Wärmeübergang und die Temperatursteuerung wird das Heizsubstrat mit dem Sensorsubstratabschnitt integral verbunden. Im Hinblick auf die Temperaturverteilung und die Relaxation von thermischer Spannung in der laminierten Sensorstruktur ist es von Vorteil, Heizsubstrate mit beiden Oberflächen (obere und untere Flächen in der Figur) des Sensors, wie in 10 gezeigt, zu verbinden.
Als Stromversorgung für die Steuerung der Sensoren dient eine Gleichstromversorgung 15, wobei mit einer variierbaren Spannung für die Sauerstoffpumpenzelle gearbeitet wird. Die Spannung der Stromversorgung 15 wird durch Rückkoppeln der elektromotorischen Kraft zwischen der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4 und der Referenzelektrode 7 gesteuert.
Andererseits wird die Gasreformierungspumpenzelle mit einer Gleichstromenergieversorgung mit konstanter Spannung verbunden, um konstant eine vorbestimmte Spannung anzulegen. Unter Berücksichtigung einer Gasreformierungs- und Sauerstoffpumpfähigkeit wird die optimale angelegte Spannung gewählt.
Mit Ausnahme des Pumpenstroms werden die verschiedenen Signale des Sensors der Erfindung als die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gemessen. Die Sauerstoffkonzentrationen in der ersten Gaskammer 1 und der zu erfassenden Atmosphäre (der zweiten Gaskammer 2) werden als Konzentrations-elektromotorische Kräfte gemessen, die entsprechend zwischen den Sauerstoffmeßelektroden 4, 5 und der Referenzelektrode 7 erzeugt werden. Demgegenüber ist die Potentialdifferenz zwischen der Gasmeßelektrode 6 und der Referenzelektrode 7 oder der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4 auf ein Mischpotential zurückzuführen. Eine Konzentrationsdifferenz derselben Gasart wird mittels einer Potentialdifferenz gemessen. Für diese Potentialmessungen wird als ein einfaches Verfahren ein Potentiometer (Schaltkreis) verwendet, und in diesem Fall ist es vom Standpunkt der Genauigkeit aus bevorzugt, daß das Potentiometer eine Eingangsimpedanz besitzt, die mindestens drei Stellen höher ist als die Elektrodenimpedanz. Der Sauerstoffpumpenstrom wird mittels eines Amperemeters gemessen, der Pumpenstrom als Spannungssignal abgegriffen.
Das Selbstdiagnoseverfahren der Erfindung wird unter Bezug auf die folgenden Beispiele ausführlich erläutert.
Beispiel 1
Durch das folgende Verfahren wurde ein NO_x-Sensor mit einem in 10 aufgezeigten Aufbau hergestellt. Auf eine Rohschicht aus mit Y₂O₃ dotiertem Zirconiumoxid wurden Pt-Elektroden (4, 5, 7, 8a, 9b, 9b) und Pt-Rh-Legierungselektroden (6, 9a) gedruckt, gefolgt von einem Laminieren und Pressen zu dem oben beschriebenen Sensoraufbau. Der laminierte Körper wurde bei einer Temperatur von 1400°C gesintert, um ein Sensorelement herzustellen. Der Sensor wurde unter Verwendung von Heizungen 17a, 17b auf 600°C erwärmt und dort gehalten, und es wurden NO_x-Meßausgangssignale für zu erfassende Gase mit verschiedenen Sauerstoff- und NO_x-Konzentrationen gemessen.
Als dem NO_x-Ausgangssignal wurde eine Potentialdifferenz zwischen der NO_x-Meßelektrode 6 und der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. In diesem Fall wurde die Rückkopplungssteuerung des Sauerstoffkonzentrationssignals in der ersten Gaskammer 1 zu einer variablen Energieversorgung einer Sauerstoffpumpenzelle durchgeführt. Da die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer auf einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration gehalten wurde (in diesem Fall 2,0%), sogar wenn die Sauerstoffkonzentration in den zu erfassenden Gasen verändert wurde, wurde bestätigt, daß der Einfluß des Störgases (in diesem Fall ein Sauerstoffgas) in den zu erfassenden Gasen verhindert wurde und die Messung der NO_x-Konzentration mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt wurde.
Tabelle 1
Es wurde eine Selbstdiagnoseschaltung des in 4 aufgezeigten Prinzips hergestellt und zusammen mit einem Steuerkreis und einer Meßschaltung des Sensors mit dem Sensor verbunden. Für den Fall, in dem die Sauerstoffkonzentration in den zu erfassenden Gasen auf 2%, gleich der eingestellten Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1, eingestellt wurde, wurde die Diagnosebeurteilung „in Ordnung"/"gestört" bestätigt. Das heißt, basierend auf einer elektromotorischen Kraft zwischen der ersten Sauerstoffmeßelektrode 4 und der Referenzelektrode 7 wird die Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) so betrieben, daß die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 immer 2% beträgt. Es wird folglich unnötig, die Sauerstoffpumpenzelle zu betreiben, wenn die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer 1 2% beträgt. Gleichzeitig kann aus einer elektromotorischen Kraft zwischen der zweiten Sauerstoffmeßelektrode 5 und der Referenzelektrode 7 festgestellt werden, daß die Sauerstoffkonzentration in den zu erfassenden Gasen gleich 2% beträgt. In diesem Fall wird der Sauerstoffpumpenstrom gleich Null. Es wurde aus dem Ausgangssignal der Diagnoseschaltung daher bestätigt, daß die erste Sauerstoffmeßelektrode 4 in der ersten Gaskammer 1 und die Sauerstoffpumpenzelle ordentlich arbeiteten.
Beispiel 2
Es wurde ein NO_x-Sensor, der ähnlich zu dem in Beispiel 1 war, hergestellt und mit der oben beschriebenen Selbstdiagnoseschaltung verbunden. Die Sauerstoffkonzentration in den zu erfassenden Gasen wurde auf 0,1% eingestellt. In diesem Fall wurde anhand des Ausgangssignals der Diagnoseschaltung bestätigt, daß der Ausgangsstrom der Sauerstoffpumpe mit ungefähr 400 μA in die positive Richtung floß, um so der Gaskammer 1 Sauerstoff zuzu führen. Das Potential der ersten Sauerstoffmeßelektrode in der ersten Gaskammer 1 stieg jedoch nicht auf das Potential an, das 2% entspricht, d.h. der vorbestimmten Sauerstoffkonzentration, wodurch die Störung des Sensors aufgezeigt werden konnte. Bei genauer Analyse des Sensorelements wurde ein Bruch an einem Teil des Zirconiumoxidsubstrats festgestellt.

Claims

Kombinierter Gassensor, umfassend: eine erste Gaskammer (1), die durch einen ersten und einen zweiten Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolyt (3a, 3b) gebildet ist; einen ersten Gaseinlaß (11) mit einem Diffusionswiderstand zur Beschränkung einer Flußmenge von in die erste Gaskammer eintretenden Gasen; eine erste nur auf Sauerstoff aktive Sauerstoffmeßelektrode (4), die auf einer Oberfläche des ersten Sauerstoffionen-leitfähigen Festelektrolytsubstrats (3a) innerhalb der ersten Gaskammer (1) angeordnet ist; eine auf zumindest Zielgase und Sauerstoff aktive Gasmeßelektrode (6), die auf derselben Oberfläche des ersten Elektrolytsubstrats (3a) wie die erste Sauerstoffmeßelektrode (4) innerhalb der ersten Gaskammer (1) angeordnet ist; eine auf Sauerstoff aktive Referenzelektrode (7), die derart auf dem ersten Festelektrolytsubstrat (3a) angeordnet ist, daß sie in Kontakt mit einer von der ersten Gaskammer (1) getrennten Atmosphärenluft (14) gebracht wird; eine Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) zur elektrochemischen Umwandlung oder Zersetzung der Gase, von der eine Gasreformierungselektrode (9a) auf Sauerstoff und die Zielgase aktiv ist und derart auf dem zweiten Festelektrolytsubstrat (3b) innerhalb der ersten Gaskammer (1) angeordnet ist, daß sie der Gasmeßelektrode (6) gegenüber steht, und von der eine Gasreformierungsgegenelektrode (9b) derart auf dem zweiten Festelektrolytsubstrat (3b) außerhalb der ersten Gaskammer (1) angeordnet ist, daß sie in Kontakt mit der Atmosphärenluft (13) gebracht wird; und eine nur auf Sauerstoff aktive zweite Sauerstoffmeßelektrode (5), welche derart auf dem ersten Festelektrolytsubstrat (3a) angeordnet ist, daß sie direkt einer zu erfassenden Gasatmosphäre (2) ausgesetzt ist.
Gassensor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) zur Steuerung einer Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer (1), deren Elektroden aus Materialien hergestellt sind, die nur auf Sauerstoff aktiv sind und auf einem dem ersten Festelektrolytsubstrat (3a) gegenüber liegenden zweiten Festelektrolytsubstrat (3b) angeordnet sind.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite nur auf Sauerstoff aktive Sauerstoffmeßelektrode (5) in einer zweiten Gaskammer (2) angeordnet ist, die einen Gaseinlaß (12) besitzt und an einen Luftkanal (14) angrenzt, in dem die Referenzelektrode (7) angeordnet ist, wobei die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Gasatmosphäre unter Verwendung einer Konzentrations-elektromotorischen Kraft zwischen der zweiten Sauerstoffmeßelektrode (5) und der Referenzelektrode (7) gemessen wird.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Zielgase Stickoxide sind, die als Hauptbestandteile NO und NO₂ umfassen.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend: einen Zellensteuerkreis, bei dem eine variable Gleichstromversorgung (ip) zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer (1) auf ein konstantes Niveau durch eine Rückkopplungssteuerung von Pumpenströmen auf eine angelegte Spannung der Sauerstoffpumpenzelle gemäß einer elektromotorischen Kraft zwischen der ersten Sauerstoffmeßelektrode (4) und der Referenzelektrode (7) als einem Ausgangssignal mit der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) verbunden ist, und eine Gleichstromversorgung (i*p) mit konstanter Spannung zum Konstanthalten eines Sauerstoffpumpenstroms der Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) und zum Konstanthalten eines Betrags der elektrochemischen Zersetzung oder Umwandlung des Zielgases mit der Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) verbunden ist.
Gassensor nach Anspruch 5, bei dem die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Gasatmosphäre durch die elektromotorische Kraft zwischen der zweiten Sauerstoffmeßelektrode (5) und der Referenzelektrode (7) direkt derart gemessen wird, dass eine Selbstdiagnose einer Sensorstörung unter Verwendung eines Ausgangssignals der Sauerstoffkonzentration durchführbar ist.
Gassensor nach Anspruch 5, bei dem ein Ausgangssignal (V*O2), das auf die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Gasatmosphäre zurückzuführen ist, das Ausgangssignal (VO2), das auf die Sauerstoffkonzentration in der ersten Gaskammer (1) zurückzuführen ist, ein Pumpenstrom (ip) der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) und ein Pumpenstrom (i*p) der Gasreformierungspumpenzelle (9a, )b) als Spannungssignale erfassbar sind und eine Selbstdiagnose über eine Störung der Sauerstoffmeßzelle mit der ersten Sauerstoffmeßelektrode (4) und der Referenzelektrode (7), der Sauerstoffpumpenzelle (8a, (b) und der Gasreformierungspumpenzelle (9a, )b) oder über die Gasdichtheit der Gaskammer (1) und des Luftkanals (13) durch Vergleichsoperationen zwischen den Spannungssignalen durchführbar ist.
Gassensor nach Anspruch 5, bei dem der Gassensor eine Selbstdiagnoseeinrichtung über eine Störung der Sauerstoffmeßzelle (4, 7) mit der ersten Sauerstoffmeßelektrode (4) und der Referenzelektrode (7), der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) und der Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) oder über eine Gasdichtheit der Gaskammer (1) und des Luftkanals (13) besitzt, wobei die Selbstdiagnosen durch einen Vergleich und die Beurteilung von einem Ausgangssignal, das auf die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Atmosphäre zurückzuführen ist, von Erfassungsdaten, welche das Ausgangssignal verwenden, und von zuvor gespeicherten Abbildungsdaten (map-Daten) durchführbar sind.
Gassensor nach Anspruch 8, bei dem die Selbstdiagnoseeinrichtung zur Beurteilung einer Sensorstörung in der Lage ist, ein Stromsignal der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b), ein erstes, von der ersten Sauerstoffmesselektrode (4) erfasstes Sauerstoffkonzentrationssignal und/oder ein zweites, von der zweiten Sauerstoffmesselektrode (5) erfasstes Sauerstoffkonzentrationssignal mit einem Abbildungsdatensatz zu vergleichen, der auf entsprechenden Signalen eines unversehrten Sensors beruht.
Gassensor nach Anspruch 1, bei dem der Gassensor eine Selbstdiagnoseeinrichtung über eine Störung der Sauerstoffmeßzelle (4, 7) mit der ersten Sauerstoffmeßelektrode (4) und der Referenzelektrode (7) und der Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b) oder über eine Gasdichtheit der Gaskammer (1) und des Luftkanals (13) besitzt, wobei die Selbstdiagnosen durch einen Vergleich und die Beurteilung von einem Ausgangssignal, das auf die Sauerstoffkonzentration in der zu erfassenden Atmosphäre zurückzuführen ist, von Erfassungsdaten, welche das Ausgangssignal verwenden, und von zuvor gespeicherten Abbildungsdaten (map-Daten) durchführbar sind.
Gassensor nach Anspruch 10, bei dem die Selbstdiagnoseeinrichtung zur Beurteilung einer Sensorstörung in der Lage ist, einen Pumpstromwert der Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b), ein erstes, von der ersten Sauerstoffmesselektrode (4) erfasstes Sauerstoffkonzentrationssignal und/oder ein zweites, von der zweiten Sauerstoffmesselektrode (5) erfasstes Sauerstoffkonzentrationssignal mit einem Abbildungsdatensatz zu vergleichen, der auf entsprechenden Signalen eines unversehrten Sensors beruht.
Gassensor nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Selbstdiagnoseeinrichtung einen Eingangs- und Vergleichsabschnitt, der mit dem Stromsignal der Sauerstoffpumpenzelle (8a, 8b) oder der Gasreformierungspumpenzelle (9a, 9b), dem ersten Sauerstoffkonzentrationssignal und dem zweiten Sauerstoffkonzentrationssignal verbunden ist, einen Steuerabschnitt für den Diagnosebetrieb, einen Signalbetriebsabschnitt, in dem die Abbildungsdaten gespeichert sind, und einen Ausgabeabschnitt zur Anzeige des Diagnoseergebnisses aufweist
Verfahren zur Durchführung einer Selbstdiagnose eines Gassensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Differenz (δVO2) zwischen einem den Sauerstoffgehalt in der ersten Gaskammer (1) widergebenden Sauerstoffkonzentrationssignal (VO2) und einem Sauerstoffkonzentrationssignal (V*O2) der zweiten Sauerstoffmesselektrode (5) mit einem Einstellwert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das den Sauerstoffgehalt in der ersten Gaskammer (1) widergebende Sauerstoffkonzentrationssignal (VO2) und das Sauerstoffkonzentrationssignal (V*O2) der zweiten Sauerstoffmesselektrode (5) laufend mit einem gespeicherten Abbildungsdatensatz (map-Datensatz) verglichen werden, der auf entsprechenden Signalwerten eines unversehrten Sensors beruht.