EP1285262A1 - Messeinrichtung zur konzentrationsbestimmung von gaskomponenten im abgas einer brennkraftmaschine und verfahren zur steuerung eines betriebs der messeinrichtung - Google Patents

Messeinrichtung zur konzentrationsbestimmung von gaskomponenten im abgas einer brennkraftmaschine und verfahren zur steuerung eines betriebs der messeinrichtung

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Publication number
EP1285262A1
EP1285262A1 EP01945084A EP01945084A EP1285262A1 EP 1285262 A1 EP1285262 A1 EP 1285262A1 EP 01945084 A EP01945084 A EP 01945084A EP 01945084 A EP01945084 A EP 01945084A EP 1285262 A1 EP1285262 A1 EP 1285262A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
chamber
oxygen
gas
pump
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01945084A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Loeck
Uwe Kammann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP1285262A1 publication Critical patent/EP1285262A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes

Definitions

  • Measuring device for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of an internal combustion engine and method for controlling a
  • the invention relates to a measuring device for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of an internal combustion engine with the features mentioned in claim 1 and a method for controlling an operation of the measuring device with the features mentioned in claim 8.
  • a double-chamber HC sensor is known from EP 731 351 A3, which makes it possible to determine the concentration of HC even in the presence of H 2 and CO.
  • the sensor has a first chamber to which an oxygen pump is assigned and which can come into contact with an engine exhaust gas via a first diffusion channel. The measurement gas can then enter a second chamber via a diffusion channel adjoining the first chamber.
  • An oxygen pump and an additional hydrogen pump are also housed here.
  • the pump systems each consist of a pair of electrodes, the inner electrodes of which face the chambers and the outer electrodes of which are separated from the measurement gas by a solid electrolyte.
  • oxygen pumps that is Solid electrolyte conducts oxygen ions and, in the case of the hydrogen pump, proton conducts.
  • the oxygen is extracted from the sample gas in the first chamber.
  • hydrogen and a hydrogen portion of any gaseous water that may be present are removed from the measuring gas via the hydrogen pump.
  • the oxygen pump in the second chamber provides oxygen for the oxidation of HC and an HC concentration is determined in accordance with the pump current detected for this process.
  • a disadvantage of the solution shown is the high concentration of hydrogen and gaseous water, at least at the beginning of the measurement, which leads to a disruption of the oxidative decomposition of HC. This ultimately results in an imprecise determination of the concentration of HC.
  • Another disadvantage of the sensor shown is that it is only used to determine the HC concentration.
  • the object of the present invention is to provide a measuring device with which the concentration of various gas components in the exhaust gas of internal combustion engines can be determined with high accuracy.
  • the measurement should take place with only a single sensor element which is arranged in the exhaust line.
  • this object is achieved by the measuring device for determining the concentration of gas components in the exhaust gas of the internal combustion engine with the features mentioned in claim 1 and with the method for controlling the operation of the measuring device according to the features mentioned in claim 8.
  • the measuring device consists of at least
  • At least one electrochemical oxygen pump in the region of the two chambers which consists of an inner electrode exposed to the measuring gas in the chamber and a second electrode which can be conductively contacted with the inner electrode via an oxygen ion-conducting layer, the second electrode being in a reference chamber is exposed to the oxygen-containing reference gas,
  • an evaluation unit that detects a current flow of the hydrogen pumps and / or the oxygen pump of the second chamber as a function of the measurement mode and determines the concentration of at least one gas component from this.
  • a measurement mode of the claimed measuring device is specified as a function of the gas component or components to be determined, the voltages to be specified by the control unit and the evaluation parameters to be observed in the evaluation unit being determined via the measurement mode. It is possible to determine a concentration of NO x in a first measurement mode and a concentration of hydrogen and / or HC in a second measurement mode.
  • the proton-conducting layer of the measuring device is preferably a solid electrolyte, in particular based on perovskites containing barium.
  • a solid electrolyte is also preferably used as the oxygen ion-conducting layer.
  • the diffusion channels of the measuring device preferably consist of a porous ceramic, the porosity of which can be adapted to the desired application. It has also proven advantageous to form the inner electrode of the oxygen pump of the first chamber from a cermet consisting of platinum and zirconium dioxide. With such an electrode, reducing agents such as carbon monoxide, HC and Hydrogen are oxidized in a lean atmosphere. It is also preferred that an additional oxygen pump (auxiliary pump) is arranged in the area of the second chamber, which removes excess oxygen from the second measuring chamber.
  • auxiliary pump is arranged in the area of the second chamber, which removes excess oxygen from the second measuring chamber.
  • the first measurement mode the first measurement mode
  • the oxygen pump formed on the inner electrode of the oxygen pump in the second chamber by reducing NO x is withdrawn from the sample gas via the oxygen pump and
  • the remaining oxygen is removed via the auxiliary pump of the second chamber during the determination of the NO x concentration.
  • the NO x concentration can be determined with very high measurement accuracy in the manner shown.
  • the second measurement mode is preferably carried out for determining the concentration of hydrogen in such a way that
  • the oxygen pump maintains an at least slightly rich oxygen ratio in the measurement gas of the first chamber
  • the hydrogen concentration is determined in the evaluation unit on the basis of the pump currents of the hydrogen pumps of the first and the second chamber and a correction factor for the water content.
  • the correction factor for compensating the water content is preferably in the range from 12 to 16%, in particular 14%.
  • an HC concentration is determined in the evaluation unit on the basis of the pump currents of the oxygen pump of the second chamber.
  • the concentration of hydrogen or HC can therefore be determined in the second measurement mode, while the first measurement mode allows the NO x concentration to be determined with high accuracy.
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a sensor element as part of a
  • Measuring device for determining the concentration of gas components
  • Figure 2 is a schematic representation of the procedure in the area of
  • Figure 3 is a schematic representation of the procedure in the area of
  • Chamber of the sensor element during a measurement in a second measurement mode Chamber of the sensor element during a measurement in a second measurement mode.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a sensor element 10, as can be used for the measuring device according to the invention.
  • the sensor element 10 is arranged at a suitable position in an exhaust line of an internal combustion engine and is used to determine a concentration of nitrogen oxides NO x , hydrogen and incompletely burned hydrocarbons HC.
  • the internal combustion engine can be a diesel engine and a gasoline engine, in particular a direct injection gasoline engine.
  • the exhaust gas of the internal combustion engine can enter a first chamber 12 via a diffusion channel 14 and subsequently diffuse into a second chamber 18 via a subsequent second diffusion channel 16.
  • a reference gas chamber 20 extends below the two chambers 12, 18 and is usually filled with a gas of known oxygen concentration.
  • An upper side of the measuring chambers 12, 18 is usually also formed on the basis of a solid electrolyte by a proton-conducting layer 24.
  • the oxygen pump 26 includes an inner electrode 30 that is exposed to the measurement gas in the first chamber 12 and an outer electrode 32 that is exposed to the reference gas.
  • the inner electrode 30 is formed from a platinum cermet to support oxidation of reducing agents to be explained in more detail in a slightly lean atmosphere.
  • the electrodes 34, 36 are arranged in an analogous manner in the second chamber 18 or the reference gas chamber 20.
  • the inner electrode 36 is also based on a noble metal cermet realizable.
  • platinum-based alloys are suitable as noble metals, since these catalyze the decomposition of nitrogen oxides NO x, which is explained in more detail, or the oxidation of HC.
  • the chambers 12, 18 are each assigned a hydrogen pump 38, 40, which in turn consist of inner electrodes 42, 46 and outer electrodes 44, 48.
  • a catalytically active component is added to the inner electrodes 42, 46 to support the decomposition of gaseous water which may be present in the measurement gas.
  • the sensor element 10 is part of a measuring device which is not shown completely here for reasons of clarity.
  • the measuring device additionally comprises a control unit with which a voltage to the oxygen pumps 26, 28 and the hydrogen pumps 38, 40 can be predetermined as a function of a predeterminable measuring mode.
  • a control unit with which a voltage to the oxygen pumps 26, 28 and the hydrogen pumps 38, 40 can be predetermined as a function of a predeterminable measuring mode.
  • an evaluation unit with which, depending on the measurement mode, a current flow at the hydrogen pumps 38, 40 and / or the oxygen pump 28 of the second measurement chamber is detected and from which the concentration of at least one gas component can be determined.
  • a first measuring mode in which the NO x concentration is determined by the measuring device, can be seen in FIG. 2 in its sequence.
  • the two chambers 12, 18 and the partial processes taking place in this area are shown schematically here. Arrows pointing upward indicate a pumping process in the direction of exhaust gas and arrows pointing downward indicate a pumping process against air.
  • the exhaust gas diffuses through the diffusion channel 14 into the first chamber 12.
  • the pump 26 is given a voltage via the control unit, with which a constant, slightly lean oxygen ratio in the measurement gas of the first chamber 12 can be maintained.
  • the hydrogen is withdrawn from the measurement gas of the first chamber 12 via the hydrogen pump 38 - by oxidation of hydrogen to water.
  • the NO x on the inner electrode 36 of the oxygen pump 28 is reduced and the oxygen which is produced is removed from the measurement gas by the oxygen pump 28.
  • a further oxygen pump (auxiliary pump), not shown here, can be used to remove the residual oxygen fraction from the first chamber 12 into the second chamber 18 after the measurement gas has diffused.
  • auxiliary pump can be used to remove the residual oxygen fraction from the first chamber 12 into the second chamber 18 after the measurement gas has diffused.
  • the pumping current of the oxygen pump 28 is detected by the evaluation unit and the NO x concentration is determined as a function thereof.
  • the hydrogen pump 40 is deactivated during the NO x concentration determination, that is to say in the first measurement mode.
  • FIG. 3 A schematic representation of the processes that take place during a second measurement mode for determining hydrogen and / or HC can be seen in FIG. 3.
  • An at least slightly rich oxygen ratio in the measurement gas of the first chamber 12 is maintained via the acid pump 26 during the second measurement mode.
  • oxygen and an oxygen portion of any gaseous water that may be present are therefore pumped out of the first chamber 12.
  • decomposition of HC and hydrogen on the inner electrode 30 of the oxygen pump 26 is avoided.
  • Existing nitrogen oxide components are extracted from the sample gas by reaction with carbon monoxide.
  • hydrogen and a hydrogen portion of the water are extracted from the measurement gas by specifying a suitable voltage by means of the hydrogen pump 38.
  • oxygen pump 28 After diffusion into the second measuring chamber 18, oxygen is now pumped into the chamber 18 via the oxygen pump 28, to the extent that oxygen is used to oxidize HC. At the same time, a residual hydrogen portion of the measurement gas is pumped out via the hydrogen pump 40.
  • the pump current of the oxygen pump 28 is a measure of the HC concentration and is therefore used to determine the same in the evaluation unit.
  • the cumulative pump currents of the hydrogen pumps 38, 40 still have to be corrected in the evaluation unit to compensate for the water content. If the water content cannot be determined directly, a fixed correction factor can be used, which is in the range of 12 to 16%, in particular 14%.
  • Sensor element chamber first diffusion channel, first diffusion channel, second chamber, second reference gas chamber oxygen ion-conducting layer proton-conducting layer oxygen pump of the first chamber oxygen pump of the second chamber inner electrode of the first chamber outer electrode of the first chamber inner electrode of the second chamber outer electrode of the second chamber hydrogen pump of the first Chamber hydrogen pump of the second chamber inner electrode of the first chamber outer electrode of the first chamber inner electrode of the second chamber outer electrode of the second chamber

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest (a) einer über einen ersten Diffusionskanal (14) mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer (12) und einer über einen zweiten Diffusionskanal (16) mit der ersten Kammer (12) verbundenen zweiten Kammer (18), (b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe (38, 40) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (42, 46) und einer über eine protonenleitende Schicht (24) mit der inneren Elektrode (42, 46) leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode (44, 48) besteht, (c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (26, 28) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (30, 36) und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht (22) mit der inneren Elektrode (30, 36) leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode (32, 34) besteht, wobei die zweite Elektrode (32, 34) einem in einer Referenzgaskammer (20) vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist, (d) einer Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen (26, 28) und die Wasserstoffpumpen (38, 40) vorgebbar ist, sowie (e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Messmodus einen Stromfluss der Wasserstoffpumpen (38, 40) und/oder der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt.

Description

Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Steuerung eines
Betriebs der Messeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Betriebs der Messeinrichtung mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen.
Während eines Verbrennungsvorgangs eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in Brennkraftmaschinen entstehen in unterschiedlichen Anteilen Schadstoffkomponenten wie Kohlenmonoxid CO, unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Wasserstoff H2 und Stickoxide NOx. Es ist bekannt, im Abgasstrang der Brennkraftmaschinen sogenannte Abgasreinigungsanlagen zu installieren. Der Betrieb derartiger Abgasreinigungsanlagen wird im Allgemeinen unter dem Gesichtspunkt eines möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauchs bei gleichzeitig möglichst hoher Schadstoffkonvertierung geregelt oder gesteuert. Dazu muss in dem Abgasstrang eine ausreichend empfindliche Sensorik vorhanden sein. Eine solche Sensorik umfasst zumeist auch spezifische Messeinrichtungen, mit denen eine Konzentration einer Gaskomponente im Abgas der Brennkraftmaschine bestimmt werden kann. So sind Sensoren bekannt, mit denen eine Sauerstoff-, eine Wasserstoff-, eine Stickoxid- oder eine Kohlenmonoxidkonzentration bestimmt werden kann.
Aus der EP 731 351 A3 ist ein doppelkammeriger HC-Sensor bekannt, der es ermöglicht, eine Konzentrationsbestimmung von HC auch in Gegenwart von H2 und CO durchzuführen. Dabei weist der Sensor eine erste Kammer auf, der eine Sauerstoffpumpe zugeordnet ist und die über einen ersten Diffusionskanal mit einem Motorabgas in Kontakt treten kann. Über einen sich der ersten Kammer anschließenden Diffusionskanal kann das Messgas anschließend in eine zweite Kammer eintreten. Auch hier ist eine Sauerstoffpumpe sowie eine zusätzliche Wasserstoffpumpe untergebracht. Die Pumpsysteme bestehen jeweils aus einem Elektrodenpaar, deren innere Elektroden den Kammern zugewandt sind und deren äußere Elektroden durch einen Festelektrolyten von dem Messgas getrennt sind. Im Falle der Sauerstoffpumpen ist der Festelektrolyt sauerstoffionenleitend und im Falle der Wasserstoffpumpe protonenleitend.
Während der Messung wird in der ersten Kammer dem Messgas der Sauerstoff entzogen. In der zweiten Messkammer wird Wasserstoff und ein Wasserstoffanteil an eventuell vorhandenem gasförmigen Wasser über die Wasserstoffpumpe aus dem Messgas entfernt. Durch die Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer wird Sauerstoff zur Oxidation von HC bereit gestellt und entsprechend dem für diesen Prozess detektierten Pumpstrom eine HC-Konzentration bestimmt. Nachteilig an der aufgezeigten Lösung ist die zumindest zu Beginn der Messung noch hohe Konzentration von Wasserstoff und von gasförmigem Wasser, was zu einer Störung der oxidativen Zersetzung von HC führt. Hieraus resultiert letztendlich eine ungenauere Konzentrationsbestimmung von HC. Weiterhin ist nachteilig an dem aufgezeigten Sensor, dass er lediglich zur Bestimmung der HC-Konzentration genutzt wird. Zur Optimierung der Betriebssteuerung der Abgasreinigungsanlage kann es jedoch vorteilhaft sein, auch die Konzentration von Wasserstoff und NOx zu kennen. Dies ist zur Zeit nur möglich, wenn entsprechende zusätzliche Gassensoren vorhanden sind. Diese sind zum einen kostspielig und zum anderen benötigen sie einen erheblichen Bauraum.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messeinrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der verschiedene Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen in ihrer Konzentration mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Die Messung soll dabei mit nur einem einzigen Sensorelement, das im Abgasstrang angeordnet ist, erfolgen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas der Brennkraftmaschine mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie mit dem Verfahren zur Steuerung des Betriebs der Messeinrichtung nach den in dem Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst. Die Messeinrichtung besteht dabei aus zumindest
(a) einer über einen ersten Diffusionskanal mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer und einer über einen zweiten Diffusionskanal mit der ersten Kammer verbundenen zweiten Kammer,
(b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe im Bereich der beiden Kammern, die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode und einer über eine protonenleitende Schicht mit der inneren Elektrode leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode besteht,
(c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe im Bereich der beiden Kammern, die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht mit der inneren Elektrode leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode besteht, wobei die zweite Elektrode einem in einer Referenzkammer vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist,
(d) einer Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen und die Wasserstoffpumpen vorgebbar ist, sowie
(e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Messmodus einen Stromfluss der Wasserstoffpumpen und/oder der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt.
Damit ist es erstmalig möglich, verschiedene Gaskomponenten mit einer einzigen Messeinrichtung in ihrer Konzentration zu bestimmen.
Nach dem Verfahren wird ein Messmodus der beanspruchten Messeinrichtung in Abhängigkeit von der oder den zu bestimmenden Gaskomponenten vorgegeben, wobei über den Messmodus die durch die Steuereinheit vorzugebenden Spannungen und die in der Auswerteeinheit zu beachtenden Auswerteparameter festgelegt werden. Dabei ist es möglich, in einem ersten Messmodus eine Konzentration von NOx und in einem zweiten Messmodus eine Konzentration von Wasserstoff und/oder HC zu bestimmen.
Vorzugsweise ist die protonenleitende Schicht der Messeinrichtung ein Festelektrolyt, insbesondere auf Basis bariumhaltiger Perowskiten. Auch als sauerstoffionenleitende Schicht wird vorzugsweise ein Festelektrolyt eingesetzt. Die Diffusionskanäle der Messeinrichtung bestehen bevorzugt aus einer porösen Keramik, deren Porosität jeweils der gewünschten Applikation angepasst werden kann. Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die innere Elektrode der Sauerstoffpumpe der ersten Kammer aus einem Cermet, das aus Platin und Zirkoniumdioxid besteht, zu formen. Mit einer solchen Elektrode können besonders effektiv Reduktionsmittel wie Kohlenmonoxid, HC und Wasserstoff in magerer Atmosphäre oxidiert werden. Bevorzugt ist auch, dass im Bereich der zweiten Kammer eine zusätzliche Sauerstoffpumpe (Hilfspumpe) angeordnet wird, die überschüssigen Sauerstoff aus der zweiten Messkammer entfernt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im ersten Messmodus
mittels der Sauerstoffpumpe ein konstantes, leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer aufrecht erhalten und die Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und HC weitestgehend an der inneren Elektrode aufoxidiert,
mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff dem Messgas der ersten Kammer entzogen,
der an der inneren Elektrode der Sauerstoff pumpe der zweiten Kammer durch Reduktion von NOx entstehende Sauerstoff über die Sauerstoffpumpe dem Messgas entzogen und
in der Auswerteeinheit anhand des Pumpstromes der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer die NOx-Konzentration bestimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird während der Bestimmung der NOx-Konzentration über die Hilfspumpe der zweiten Kammer der restliche Sauerstoff entfernt. Insgesamt kann auf die gezeigte Weise die NOx- Konzentration mit sehr hoher Messgenauigkeit bestimmt werden.
Der zweite Messmodus wird zur Konzentrationsbestimmung von Wasserstoff bevorzugt derart ausgeführt, dass
mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer aufrecht erhalten wird,
mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer und der zweiten Kammer entzogen wird, mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer aufrecht erhalten wird, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und
in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Wasserstoffpumpen der ersten und der zweiten Kammer sowie einem Korrekturfaktor für den Wasseranteil die Wasserstoff-Konzentration bestimmt wird.
Der Korrekturfaktor zur Kompensation des Wasseranteils liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 12 bis 16 %, insbesondere bei 14 %.
Wird der zweite Messmodus zur Konzentrationsmessung von HC benutzt, so wird bevorzugt
mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer aufrecht erhalten,
mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer und der zweiten Kammer entzogen,
mittels der Sauerstoffpumpe ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer aufrecht erhalten, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und
in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer eine HC-Konzentration bestimmt.
Im zweiten Messmodus kann daher alternativ oder in Kombination die Konzentration von Wasserstoff oder HC bestimmt werden, während der erste Messmodus eine Bestimmung der NOx-Konzentration mit hoher Genauigkeit erlaubt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittansicht durch ein Sensorelement als Teil einer
Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten;
Figur 2 eine schematische Darstellung der Vorgehensweise im Bereich der
Kammer des Sensorelementes während einer Messung in einem ersten Messmodus und
Figur 3 eine schematische Darstellung der Vorgehensweise im Bereich der
Kammer des Sensorelementes während einer Messung in einem zweiten Messmodus.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Sensorelement 10, wie es für die erfindungsgemäße Messeinrichtung Verwendung finden kann. Das Sensorelement 10 wird an geeigneter Position in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine angeordnet und dient zur Bestimmung einer Konzentration von Stickoxiden NOx, Wasserstoff und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen HC. Die Brennkraftmaschine kann ein Dieselmotor und eine Ottomotor, insbesondere ein direkt einspritzender Ottomotor, sein.
Über einen Diffusionskanal 14 kann das Abgas der Brennkraftmaschine in eine erste Kammer 12 eintreten und nachfolgend über einen sich anschließenden zweiten Diffusionskanal 16 in eine zweite Kammer 18 diffundieren. Unter den beiden Kammern 12, 18 erstreckt sich eine Referenzgaskammer 20, die üblicherweise mit einem Gas bekannter Sauerstoffkonzentration befüllt wird. Zwischen den Kammern 12, 18 und der Referenzgaskammer 20 erstreckt sich eine sauerstoffionenleitende Schicht 22, üblicherweise auf Basis eines Festelektrolyten geformt. Eine Oberseite der Messkammern 12, 18 wird durch eine protonenleitende Schicht 24 zumeist ebenfalls auf Basis eines Festelektrolyten gebildet.
Den Kammern 12, 18 ist jeweils eine Sauerstoffpumpe 26, 28 zugeordnet. Die Sauerstoffpumpe 26 umfasst eine innere Elektrode 30, die dem Messgas in der ersten Kammer 12 ausgesetzt ist, und eine äußere Elektrode 32, die dem Referenzgas ausgesetzt ist. Die innere Elektrode 30 ist zur Unterstützung einer noch näher erläuterten Oxidation von Reduktionsmitteln in leicht magerer Atmosphäre aus einem Platincermet geformt. Auch bei der Sauerstoffpumpe 28 sind die Elektroden 34, 36 in analoger Weise in der zweiten Kammer 18 beziehungsweise der Referenzgaskammer 20 angeordnet. Die innere Elektrode 36 ist ebenfalls auf Basis eines Edelmetallcermets realisierbar. Als Edelmetalle kommen dabei insbesondere Legierungen auf Platinbasis in Frage, da diese die noch näher erläuterte Zersetzung von Stickoxiden NOx beziehungsweise die Oxidation von HC katalysieren. Zur Verbesserung einer Offset- Adaption kann es gegebenenfalls sinnvoll sein, golddotierte Elektroden einzusetzen, da deren katalytische Aktivität gemindert ist.
Weiterhin sind den Kammern 12, 18 jeweils eine Wasserstoff pumpe 38, 40 zugeordnet, die ihrerseits aus inneren Elektroden 42, 46 und äußeren Elektroden 44, 48 bestehen. Den inneren Elektroden 42, 46 wird zur Unterstützung einer Zersetzung von gegebenenfalls im Messgas befindlichen gasförmigen Wasser eine katalytisch aktive Komponente beigemengt.
Das Sensorelement 10 ist Teil einer hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht vollständig dargestellten Messeinrichtung. Die Messeinrichtung umfasst zusätzlich eine Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoff pumpen 26, 28 und die Wasserstoffpumpen 38, 40 vorgegeben werden kann. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit vorhanden, mit der in Abhängigkeit von dem Messmodus ein Stromfluss an den Wasserstoffpumpen 38, 40 und/oder der Sauerstoffpumpe 28 der zweiten Messkammer erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt werden kann.
Ein erster Messmodus, bei dem die NOx-Konzentration durch die Messeinrichtung ermittelt wird, lässt sich in seinem Ablauf der Figur 2 entnehmen. Schematisch sind hier die beiden Kammern 12, 18 und die in diesem Bereich stattfindenden Teilprozesse dargestellt. Nach oben gerichtete Pfeile zeigen einen Pumpvorgang in Richtung Abgas und nach unten gerichtete Pfeile einen Pumpvorgang gegen Luft an.
Zunächst diffundiert das Abgas durch den Diffusionskanal 14 in die erste Kammer 12. Der Pumpe 26 wird über die Steuereinheit eine Spannung vorgegeben, mit der ein konstantes, leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer 12 aufrecht erhalten werden kann. Dies führt dazu, dass an der inneren Elektrode 30 der Sauerstoffpumpe 26 die Reduktionsmittel CO und HC weitestgehend aufoxidiert werden können. Hierdurch wird ein störender Einfluss der Komponenten auf die Bestimmung von NOx in der zweiten Kammer 18 vermieden. Weiterhin wird zur Vermeidung eines Wasserstoffquerempfindlichkeit - durch Aufoxidation von Wasserstoff zu Wasser - dem Messgas der ersten Kammer 12 über die Wasserstoffpumpe 38 der Wasserstoff entzogen. Nachdem das Messgas aus der ersten Kammer 12 in die zweite Kammer 18 diffundiert ist, wird das NOx an der inneren Elektrode 36 der Sauerstoffpumpe 28 reduziert und der entstehende Sauerstoff durch die Sauerstoffpumpe 28 dem Messgas entzogen. Gegebenenfalls kann durch eine hier nicht dargestellte, weitere Sauerstoffpumpe (Hilfspumpe) der Restsauerstoffanteil nach Diffusion des Messgases von der ersten Kammer 12 in die zweite Kammer 18 entfernt werden. Eine solche Vorgehensweise erhöht die Empfindlichkeit des Sensorelementes 10 für NOx. Durch die Auswerteeinheit wird der Pumpstrom der Sauerstoffpumpe 28 erfasst und in Abhängigkeit von diesem die NOx-Konzentration bestimmt. Die Wasserstoffpumpe 40 ist während der NOx- Konzentrationsbestimmung - also im ersten Messmodus - deaktiviert.
Eine schematische Darstellung der Prozesse, die während eines zweiten Messmodus zur Bestimmung von Wasserstoff und/oder HC stattfinden, ist der Figur 3 zu entnehmen. Über die Sauerpumpe 26 wird während des zweiten Messmodus ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer 12 aufrecht erhalten. Im Allgemeinen wird also Sauerstoff und ein Sauerstoffanteil an gegebenenfalls vorhandenem gasförmigen Wasser aus der ersten Kammer 12 gepumpt. Unter derartigen Bedingungen wird eine Zersetzung von HC und Wasserstoff an der inneren Elektrode 30 der Sauerstoffpumpe 26 vermieden. Vorhandene Stickoxidanteile werden durch Reaktion mit Kohlenmonoxid dem Messgas entzogen. Weiterhin wird Wasserstoff und ein Wasserstoffanteil am Wasser durch Vorgabe einer geeigneten Spannung mittels der Wasserstoffpumpe 38 dem Messgas entzogen.
Nach Diffusion in die zweite Messkammer 18 wird nun über die Sauerstoffpumpe 28 Sauerstoff in die Kammer 18 hinein gepumpt und zwar in dem Umfang, in dem Sauerstoff zur Oxidation von HC verbraucht wird. Gleichzeitig wird über die Wasserstoffpumpe 40 noch ein Restwasserstoffanteil des Messgases abgepumpt.
Der Pumpstrom der Sauerstoffpumpe 28 ist ein Maß für die HC-Konzentration und dient daher zur Bestimmung derselben in der Auswerteeinheit. Die kumulierten Pumpströme der Wasserstoffpumpen 38, 40 müssen in der Auswerteeinheit noch zur Kompensation des Wasseranteils korrigiert werden. Wenn der Wasseranteil nicht direkt bestimmbar ist, kann auf einen festen Korrekturfaktor zurück gegriffen werden, der im Bereich von 12 bis 16 %, insbesondere bei 14 %, liegt. BEZUGSZEICHENLISTE
Sensorelement Kammer, erste Diffusionskanal, erster Diffusionskanal, zweiter Kammer, zweite Referenzgaskammer sauerstoffionenleitende Schicht protonenleitende Schicht Sauerstoffpumpe der ersten Kammer Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer innere Elektrode der ersten Kammer äußere Elektrode der ersten Kammer innere Elektrode der zweiten Kammer äußere Elektrode der zweiten Kammer Wasserstoff pumpe der ersten Kammer Wasserstoffpumpe der zweiten Kammer innere Elektrode der ersten Kammer äußere Elektrode der ersten Kammer innere Elektrode der zweiten Kammer äußere Elektrode der zweiten Kammer

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten im Abgas einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest
(a) einer über einen ersten Diffusionskanal (14) mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer (12) und einer über einen zweiten Diffusionskanal (16) mit der ersten Kammer (12) verbundenen zweiten Kammer (18),
(b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe (38, 40) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (42, 46) und einer über eine protonenleitende Schicht (24) mit der inneren Elektrode (42, 46) leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode (44, 48) besteht,
(c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (26, 28) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (30, 36) und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht (22) mit der inneren Elektrode (30, 36) leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode (32, 34) besteht, wobei die zweite Elektrode (32, 34) einem in einer Referenzgaskammer (20) vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist,
(d) einer Steuereinheit, mit der in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Messmodus eine Spannung an die Sauerstoffpumpen (26, 28) und die Wasserstoffpumpen (38, 40) vorgebbar ist, sowie
(e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von dem Messmodus einen Stromfluss der Wasserstoffpumpen (38, 40) und/oder der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt.
2. Messeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die protonenleitende Schicht (24) ein Festelektrolyt ist.
3. Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der protonenleitende Festelektrolyt aus einem bariumhaltigen Perowskiten besteht.
4. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sauerstoffionenleitende Schicht (22) ein Festelektrolyt ist.
5. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionskanäle (14, 16) aus einer porösen Keramik bestehen.
6. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Elektrode (30) der Sauerstoff pumpe (26) der ersten Kammer (12) aus einem Cermet besteht, das Platin und Zirkoniumdioxid beinhaltet.
7. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Sauerstoffpumpe im Bereich der zweiten Kammer (18) untergebracht ist (Hilfspumpe).
8. Verfahren zur Steuerung eines Betriebs einer Messeinrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten in einem Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Messeinrichtung aus zumindest
(a) einer über einen ersten Diffusionskanal (14) mit dem Abgas verbundenen ersten Kammer (12) und einer über einen zweiten Diffusionskanal (16) mit der ersten Kammer (12) verbundenen zweiten Kammer (18),
(b) je wenigstens einer elektrochemischen Wasserstoffpumpe (38, 40) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer einem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (42, 46) und einer über eine protonenleitende Schicht (24) mit der inneren Elektrode (42, 46) leitend kontaktierbaren äußeren Elektrode (44, 48) besteht,
(c) je wenigstens einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (26, 28) im Bereich der beiden Kammern (12, 18), die aus einer dem in der Kammer befindlichen Messgas ausgesetzten inneren Elektrode (30, 36) und einer über eine sauerstoffionenleitende Schicht (22) mit der inneren Elektrode (30, 36) leitend kontaktierbaren zweiten Elektrode (32, 34) besteht, wobei die zweite Elektrode (32, 34) einem in einer Referenzgaskammer (20) vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt ist,
(d) einer Steuereinheit, mit der eine Spannung an die Sauerstoffpumpen (26, 28) und die Wasserstoffpumpen (38, 40) vorgebbar ist, sowie
(e) einer Auswerteeinheit, die in Abhängigkeit von einem Stromfluss der Wasserstoffpumpen (38, 40) und/oder der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) erfasst und hieraus die Konzentration von wenigstens einer Gaskomponente bestimmt, besteht und bei dem
(f) ein Messmodus in Abhängigkeit von der oder den zu messenden Gaskomponenten bestimmt wird, wobei über den Messmodus die durch die Steuereinheit vorzugebenden Spannungen und die in der Auswerteeinheit zu beachtenden Auswerteparameter festgelegt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Messmodus eine Konzentration von Stickoxiden NOx und in einem zweiten Messmodus eine Konzentration von Wasserstoff und/oder unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen HC bestimmt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Messmodus
mittels der Sauerstoffpumpe (26) ein konstantes, leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer (12) aufrecht erhalten wird und die Reduktionsmittel Kohlenmonoxid und HC weitestgehend an der inneren Elektrode (30) aufoxidiert werden,
mittels der Wasserstoff pumpe (38) Wasserstoff dem Messgas der ersten Kammer (12) entzogen wird,
der an der inneren Elektrode (36) der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) durch Reduktion von NOx entstehende Sauerstoff über die Sauerstoffpumpe (28) dem Messgas entzogen wird und in der Auswerteeinheit anhand des Pumpstroms der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) die NOx-Konzentration bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine weitere Sauerstoff pumpe in der zweiten Kammer (18) (Hilfspumpe) der restliche Sauerstoff dem Messgas entzogen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Messmodus zur Konzentrationsmessung von Wasserstoff
mittels der Sauerstoffpumpe (26) ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer (12) aufrecht erhalten wird,
mittels der Wasserstoffpumpe (38) Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer (12) und der zweiten Kammer (18) entzogen wird,
mittels der Sauerstoffpumpe (28) ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer (18) aufrecht erhalten wird, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und
in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Wasserstoffpumpen (38, 40) der ersten und der zweiten Kammer (12, 18) sowie einem Korrekturfaktor für den Wasseranteil die Wasserstoff-Konzentration bestimmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfaktor zur Kompensation des Wasseranteils im Bereich von 12 bis 16 %, insbesondere 14 %, liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Messmodus zur Konzentrationsmessung von HC
mittels der Sauerstoff pumpe (26) ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis im Messgas der ersten Kammer (12) aufrecht erhalten wird, mittels der Wasserstoff pumpe (38) Wasserstoff und ein H-Anteil an gasförmigem Wasser der ersten Kammer (12) und der zweiten Kammer (18) entzogen wird,
mittels der Sauerstoffpumpe (28) ein zumindest leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas der zweiten Kammer (18) aufrecht erhalten wird, um einen HC-Anteil des Messgases zu oxidieren, und
in der Auswerteeinheit anhand der Pumpströme der Sauerstoffpumpe (28) der zweiten Kammer (18) eine HC-Konzentration bestimmt wird.
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