WO2012120063A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zum erfassen einer gaskonzentration und einer partikelkonzentration eines abgasstromes - Google Patents

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Manfred Weigl
Andreas Wildgen
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a sensor device for detecting a concentration of at least one gas component and a particle concentration of an exhaust gas flow, and to a method for determining the concentrations of the at least one gas component and the particle concentration.
  • the object on which the invention is based is to provide a sensor device and a method which enables reliable determination of constituents of a gas mixture.
  • the invention is characterized by a sensor device for detecting a concentration of at least one gas component and a particle concentration of an exhaust gas stream in an exhaust gas passage of an internal combustion engine.
  • the sensor device comprises a particle sensor element for detecting the particle concentration with at least two sensor electrodes, which are arranged at a predetermined distance from each other on an outer side of a carrier substrate.
  • the Senate Sorvoriques a solid state electrolyte sensor element for detecting the concentration of the at least one gas component with a first electrode and a second electrode and a solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode.
  • the sensor device has a heating element that is thermally coupled to the particle sensor element and the solid electrolyte for heating the particle sensor element and the solid electrolyte and that is arranged and configured to be mechanically coupled to the particle sensor element and the solid electrolyte element, respectively.
  • a measurement signal of the particle sensor element is preferably representative of the particle concentration, in particular a soot particle concentration, of the exhaust gas flow.
  • a measurement signal of the solid electrolyte element is preferably representative of the concentration of the at least one gas component of the exhaust gas flow, for.
  • the solid-state electrolyte sensor element can be designed to detect an oxygen concentration and / or the concentration of a further gas component, for example a nitrogen oxide, a carbon monoxide, a hydrocarbon or an ammonia.
  • different concentrations of a gas mixture can be detected with the sensor device and the
  • Heating element can be used for both the particle sensor element and the solid state electrolyte sensor element.
  • the sensor device can be used, for example, for an on-board diagnostic system. For an on-board diagnosis, it may be sufficient if, for example, a measurement signal of a lambda probe is available only temporarily and / or a measurement signal of a soot particle sensor is available only intermittently.
  • the particle sensor element and the solid-state electrolyte sensor element can be produced, for example, by means of a suitably formed control unit are controlled such that during a given driving cycle in each case at least once the particle concentration and at least once the concentration of the gas mixture can be detected.
  • the driving cycle may be, for example, by a predetermined period of time, for. B. 500 s, and a predetermined operating condition during the period of time, for.
  • a mechanical structure of the particle sensor element and the solid electrolyte element may be very similar.
  • the materials and materials that comprise the particle sensor element and the solid-state electrolyte sensor element can also be similar, so that production of the sensor device is possible in comparison to production of a solid-state electrolyte sensor designed only for detecting a gas concentration with only a small additional cost.
  • An adaptation of a specific lambda probe Hei tion to a suitable for the regeneration of the particle sensor element heater can be done with little effort.
  • the solid-state electrolyte sensor element for detecting the concentration of the at least one gas component is designed as a jump lambda probe or broadband lambda probe or proportional lambda probe.
  • the solid-state electrolyte sensor element may, for example, have in each case one or more suitably designed and arranged pump chambers, reference channels, pump electrodes, reference electrodes and / or diffusion barriers.
  • At least one of the two electrodes of the solid-state electrolyte sensor element is designed as a mixed potential electrode.
  • the first and second electrodes of the solid-state electrolyte sensor element can be designed, for example, according to the mixed potential principle.
  • the first electrode may be formed as a platinum electrode doped with gold and / or silver and / or copper and / or zinc.
  • platinum other materials such. As palladium, iridium, tantalum or a combination of these materials can be used.
  • the invention is characterized by a method for determining a concentration of at least one gas component and a particle concentration of a waste gas stream in an exhaust gas passage of an internal combustion engine with a sensor device according to the first aspect.
  • the particle concentration is determined in a time-delayed manner during a first time duration as a function of a detected resistance and / or impedance change between the two sensor electrodes of the particle sensor.
  • the concentration of the at least one gas component is determined as a function of a detected voltage applied to the electrodes of the solid-state electrolyte sensor and / or of a detected pumping current, during which the sensor device is heated to a predefined temperature during the second time duration, so that particles, which have been deposited substantially during the first period of time between and / or on the sensor electrodes are burned.
  • the solid-state electrolyte of the solid-state electrolyte sensor element has an ion conductivity only from a predetermined operating temperature of the solid electrolyte. For example, zirconium oxide has the ionic conductivity only at an operating temperature of approximately above 450 ° C.
  • the solid electrolyte sensor is preferably heated.
  • the predetermined operating temperature of the solid electrolyte may be higher than a predetermined one Limit temperature up to the particles between and / or au the sensor electrodes of the particle sensor element and / or the electrodes of the solid state electrolytic sensor element deposited in sufficient amount for a detection of the resistance and / or impedance change.
  • the limit temperature may for example be dependent on an exhaust gas temperature of the exhaust gas flowing around the sensor electrodes.
  • An exhaust gas temperature of the exhaust gas downstream of a particulate filter may have a value in the range of 250 ° C.
  • the P can be used at least partially simultaneously for the particle sensor element and the solid state electrolyte sensor element.
  • the heating element can be used to heat the Sensorvor direction to the predetermined temperature, so that during the detection of the concentration of the gas component, the first and second sensor electrode of the particle sensor element ge can be cleaned.
  • the predetermined temperature may for example have a value of approximately 800 ° C.
  • a break in time, during which neither the particle concentration nor the concentration of the gas can be detected, is not required from a possible collection phase. After cleaning the first and second sensor electrode by the burning, it may take some time until sufficient particles have deposited on and / or between the at least two sensor electrodes and the particle sensor element delivers a reliably evaluable measuring signal. This time can be called a collection phase.
  • the sensor device can be arranged, for example, in an exhaust tract of an internal combustion engine downstream of the particle filter, in particular a soot particle filter.
  • the particle concentration is detected and evaluated, so for example to check an efficiency of the particulate filter.
  • the concentration of the gas component can be detected.
  • the concentration of the gas component can be used, for example, for a check of a fuel metering and / or an exhaust gas recirculation device.
  • the concentration of the at least one gas component detected in this way can be used for controlling a particle filter regeneration, in particular a soot particle filter regeneration.
  • these particles are preferably burned in the particulate filter. Too fast burning off of the particles in the particle filter can lead to such a strong heating of the particle filter, that this is damaged. This case may occur, in particular, when a loading of the particulate filter exceeds a predetermined limit load due to one or more predetermined, unfavorable operating conditions
  • the exhaust gas may have high exhaust gas temperatures with temperature values above 800 °, so that no particle concentration can be detected with the particle sensor element during this time.
  • the concentration of the at least one gas mixture can be detected and signaled to a suitable engine control, so that the engine control depending on the concentration of the at least one gas mixture by controlling or regulating the fuel metering and / or the exhaust gas recirculation exhaust gas temperature and an oxygen content of the exhaust gas can regulate.
  • this may allow for controlled soot burnup.
  • Figure 1 is a schematic representation of a particle sensor.
  • FIG. 1 schematically shows a first exemplary embodiment of the sensor device SV.
  • the sensor device SV is at least partially disposed in an exhaust passage EXH of an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the sensor device SV is arranged downstream of a particle filter of the motor vehicle.
  • the sensor device SV comprises a particle sensor element PAR_S.
  • the particle sensor element PAR_S comprises a sensor carrier C, which is preferably designed as a glass or ceramic carrier.
  • a first ELI and a second sensor electrode EL2 are arranged on one side so as to be exposed to the exhaust gas flow in the exhaust passage EXH.
  • the direction of the exhaust gas flow is indicated by an arrow in the exhaust duct EXH in FIG. 1 for better understanding.
  • the sensor device SV is preferably aligned in the exhaust passage EXH such that the first ELI and the second sensor electrode EL2 face the exhaust flow.
  • the sensor electrodes ELI, EL2 are preferably formed as platinum electrodes. In principle, however, a different orientation of the sensor device SV in the exhaust duct EXH and another embodiment of the sensor electrodes ELI, EL2 is conceivable.
  • the sensor device SV has a heating element HEAT.
  • the heating element HEAT is arranged, for example, on a side of the sensor carrier C facing away from the sensor electrodes ELI, EL2. In principle, another arrangement of the heating element HEAT is possible.
  • the heating element HEAT is arranged, for example, on a side of the sensor carrier C facing away from the sensor electrodes ELI, EL2. In principle, another arrangement of the heating element HEAT is possible.
  • the heating element HEAT is arranged, for example, on a side of the sensor carrier C facing away from the sensor electrodes ELI, EL2. In principle, another arrangement of the heating element HEAT is possible.
  • the heating element HEAT is arranged, for example, on a side of the sensor carrier C facing away from the sensor electrodes ELI, EL2. In principle, another arrangement of the heating element HEAT is possible.
  • the heating element HEAT is arranged, for example, on a side of the sensor carrier C facing away from the sensor electrodes ELI, EL2. In principle, another arrangement
  • the sensor device SV has a solid-state electrolyte sensor element GAS_S.
  • the solid-state electrolyte sensor element GAS_S is designed, for example, substantially as a broadband lambda probe.
  • the solid-state electrolyte sensor element GAS_S comprises a solid-state electrolyte F, which essentially consists, for example, of zirconium dioxide (ZrÜ 2 ).
  • a pumping chamber P is arranged in the solid electrolyte F.
  • the pumping chamber P has a diffusion barrier D, which separates the pumping chamber P from an exhaust gas space.
  • the diffusion barrier D may for example comprise a porous ceramic material.
  • a first pumping electrode EL_P1 is arranged in the pumping chamber P.
  • a second pump electrode EL_P2 is arranged on the outside of the solid electrolyte F.
  • the solid-state electrolyte sensor element GAS_S has a reference electrode EL_R and an air reference channel CH_R.
  • the reference electrode EL_R is arranged in the air reference channel CH_R.
  • the air reference channel CH_R is pneumatically coupled to an ambient air and therefore has a substantially constant oxygen partial pressure.
  • the solid state electrolyte sensor element GAS_S is thermally and mechanically coupled to the heating element HEAT.
  • the solid electrolyte F is mechanically and thermally coupled via an electrically insulating layer I to the heating element HEAT.
  • the electrically insulating layer I for example, a ceramic material, such as. As alumina (Al 2 O 3 ), or consist essentially of alumina.
  • the sensor device SV in particular the solid-state electrolyte sensor element GAS_S, may comprise a strip-shaped multilayer ceramic substrate comprising zirconium oxide (ZrÜ 2 ). having. Protected or insulated by aluminum oxide substrate layers, electrode structures and heating element structures can be arranged in the multilayer ceramic substrate.
  • the at least two sensor electrodes ELI, EL2 or further sensor electrodes of the particle sensor element PAR_S can, for example, be applied to one or both outer surfaces of the multilayer ceramic substrate in a thick-film screen printing process.
  • Feed lines to the particle sensor element PAR_S and / or the solid electrolyte sensor element GAS_S and / or the heating element HEAT can run on the two outer sides of the multilayer ceramic substrate and can be insulated by means of an aluminum oxide layer or a high-temperature thick-film glass.

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Abstract

Die Sensorvorrichtung (SV) zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal (EXH) einer Brennkraftmaschine umfasst ein Partikelsensorelement (PAR_S) zum Erfassen der Partikelkonzentration mit zumindest zwei Sensorelektroden (EL1, EL2), die auf einer Außenseite eines Trägersubstrats vorgegeben beabstandet zueinander angeordnet sind. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung (SV) ein Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) zum Erfassen der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sowie einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten (F). Die Sensorvorrichtung (SV) weist ein Heizelement (HEAT) auf, das thermisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolyten (F) zum Beheizen des Partikelsensorelements (PAR_S) und des Festkörperelektrolyten (F) und das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es jeweils mechanisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolytelement.

Description

Beschreibung
Sensorvorrichtung und Verfahren zum Erfassen einer Gaskonzentration und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen ei- ner Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Par- tikelkonzentration eines Abgasstromes, sowie ein Verfahren zum Ermitteln der Konzentrationen der zumindest einen Gaskomponente und der Partikelkonzentration.
Zunehmend strengere gesetzliche Vorschriften erfordern eine Reduzierung der von einem Kraftfahrzeug ausgehenden Verbrennungsabgase. In diesem Zusammenhang werden Kraftfahrzeuge zunehmend mit Abgasreinigungsanlagen ausgestattet. Für eine Überwachung und/oder Steuerung solch einer Abgasreinigungsvorrichtung sind eine Vielzahl von Sensoren erforderlich.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die beziehungsweise das eine zuverlässige Bestimmung von Bestandteile eines Gasgemisches ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Die Sensorvorrichtung umfasst ein Partikelsensorelement zum Erfassen der Partikelkonzentration mit zumindest zwei Sensorelektroden, die auf einer Außenseite eines Trägersubstrats vorgegeben beabstandet zueinander angeordnet sind. Ferner umfasst die Sen- sorvorrichtung ein Festkörperelektrolytsensorelement zum Erfassen der Konzentration der zumindest einen Gas komponente mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode sowie einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Fest- körperelektrolyten . Die Sensorvorrichtung weist ein Heizelement auf, das thermisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement und dem Festkörperelektrolyten zum Beheizen des Partikelsensorelements und des Festkörperelektrolyten und das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es jeweils mechanisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement und dem Festkörperelektrolytelement .
Ein Messsignal des Partikelsensorelements ist hierbei vorzugsweise repräsentativ für die Partikelkonzentration, insbesondere eine Rußpartikelkonzentration, des Abgasstromes. Ein Messsignal des Festkörperelektrolytsensorelements ist hierbei vorzugsweise repräsentativ für die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente des Abgas Stromes , z. B. für eine Sauerstoffkonzentrati- on oder Stickstoffoxidkonzentration . Das Festkörperelektrolyt- sensorelement kann ausgebildet sein zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration und/oder die Konzentration einer weiteren Gaskomponente, beispielsweise eines Stickstoffoxids, eines Koh- lenmonoxids, eines Kohlenwasserstoffes oder eines Ammoniaks. Vorteilhafterweise können mit der Sensorvorrichtung verschiede- ne Konzentrationen eines Gasgemisches erfasst werden und das
Heizelement kann sowohl für das Partikelsensorelement als auch das Festkörperelektrolytsensorelement genutzt werden.
Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise für ein On-Board- Diagnose-System genutzt werden. Für eine On-Board-Diagnose kann es ausreichend sein, wenn beispielsweise ein Messsignal einer Lambda-Sonde nur zeitweise zur Verfügung steht und/oder ein Messsignal eines Rußpartikelsensors nur zeitweise zur Verfügung steht. Das Partikelsensorelement und das Festkörperelektrolyt- sensorelement können beispielsweise mittels einer geeignet aus- gebildeten Steuereinheit derart angesteuert werden, dass während eines vorgegebenen Fahrzyklus jeweils zumindest einmal die Partikelkonzentration und zumindest einmal die Konzentration des Gasgemisches erfasst werden können. Der Fahrzyklus kann beispielsweise durch eine vorgegebene Zeitdauer, z. B. 500 s, und einen vorgegebenen Betriebszustand während der Zeitdauer, z. B. einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, charakterisiert werden . Vorteilhafterweise können ein mechanischer Aufbau des Partikelsensorelements und des Festkörperelektrolytsensorelements sehr ähnlich sein. Auch die Werkstoffe und Materialien, die das Partikelsensorelement und das Festkörperelektrolytsensorelement aufweisen, können ähnlich sein, so dass eine Herstellung der Sensorvorrichtung im Vergleich zu einer Herstellung eines nur zur Erfassung einer Gaskonzentration ausgebildeten Festkörperelektrolytsensors mit nur geringen Mehrkosten möglich ist. Eine Anpassung einer spezifischen Lambda-Sonden-Hei zung an eine für die Regeneration des Partikelsensorelements geeignete Heizung kann mit geringem Änderungsaufwand erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Festkörperelektrolytsensorelement zur Erfassung der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente als Sprung-Lambda-Sonde oder Breitband- Lambda-Sonde oder Proportional-Lambda-Sonde ausgebildet. Das Festkörperelektrolytsensorelement kann hierzu beispielsweise jeweils eine oder mehrere geeignet ausgebildete und angeordnete Pumpkammern, Referenzkanäle, Pumpelektroden, Referenzelektroden und/oder Diffusionsbarrieren aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest eine der beiden Elektroden des Festkörperelektrolytsensorelements als Mischpotentialelektrode ausgebildet. Die erste und zweite Elektrode des Festkörperelektrolytsensorelements können bei- spielsweise nach dem Mischpotentialprinzip ausgelegt sein. Hierzu kann die erste Elektrode als eine mit Gold und/oder Silber und/oder Kupfer und/oder Zink dotierte Platinelektrode ausgebildet sein. Anstelle des Platins können auch andere Materialien, wie z. B. Palladium, Iridium, Tantal oder einer Kombina- tion dieser Materialien, genutzt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Ab- gasstromes in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine mit einer Sensorvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt. Hierbei wird zeitversetzt während einer ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration ermittelt abhängig von einer erfassten Widerstandsund/oder Impedanzänderung zwischen den zwei Sensorelektroden des Partikelsensors. Während einer zweiten Zeitdauer wird die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente ermittelt abhängig von einer erfassten an den Elektroden des Festköperelektrolytsensors anliegenden Spannung und/oder eines erfassten Pumpstromes, wobei während der zweiten Zeitdauer die Sensorvor- richtung auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, so dass Partikel, die sich im Wesentlichen während der ersten Zeitdauer zwischen und/oder auf den Sensorelektroden abgelagert haben, verbrannt werden. Der Festkörperelektrolyt des Festkörperelektrolytsensorelements weist eine Ionenleitfähigkeit erst ab einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Festkörperelektrolyten auf. Beispielsweise weist Zirkoniumoxid die Ionenleitfähigkeit erst bei einer Betriebstemperatur von näherungsweise oberhalb 450 °C auf. Bei einer Anordnung eines Festkörperelektrolytsensors in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine in einer Einbauposition, bei der das Abgas eine geringere Temperatur aufweist als die vorgegebene Betriebstemperatur, wird daher der Festkörperelektrolytsensor vorzugsweise beheizt. Die vorgegebene Betriebstemperatur des Festkörperelektrolyten kann höher sein als eine vorgegebene Grenztemperatur, bis zu der sich Partikel zwischen und/oder au den Sensorelektroden des Partikelsensorelements und/oder den Elektroden des Festköperelektrolytsensorelements in ausreichen der Menge für eine Erfassung der Widerstands- und/oder Impedanzänderung ablagern. Die Grenztemperatur kann beispielsweise abhängig sein von einer Abgastemperatur des Abgases, das die Sensorelektroden umströmt. Eine Abgastemperatur des Abgases kann stromabwärts nach einem Partikelfilter einen Wert im Bereich von 250 °C aufweisen. Damit können die Partikelkonzentra tion und die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit der Sensorvorrichtung mit einer Einbauposition der Sensorvorrichtung stromabwärts nach dem Partikelfilter zeitlich versetzt ermittelt werden, und das Heizelement kann zumindest teilweise gleichzeitig für das Partikelsensorelement als auch das Festkörperelektrolytsensorelement genutzt werden. Beispielsweise kann das Heizelement genutzt werden, die Sensorvor richtung auf die vorgegebene Temperatur aufzuheizen, so dass während des Erfassens der Konzentration der Gaskomponente, die erste und zweite Sensorelektrode des Partikelsensorelements ge reinigt werden können. Die vorgegebene Temperatur kann beispielsweise einen Wert von näherungsweise 800 °C aufweisen. Ei ne zeitliche Pause, bei der weder die Partikelkonzentration noch die Konzentration des Gases erfasst werden können, ist ab gesehen von einer möglichen Sammelphase, nicht erforderlich. Nach dem Reinigen der ersten und zweiten Sensorelektrode durch das Abbrennen kann es eine gewisse Zeit dauern, bis sich ausreichend Partikel auf und/oder zwischen den zumindest zwei Sen sorelektroden abgelagert haben und das Partikelsensorelement ein zuverlässig auswertbares Messsignal liefert. Diese Zeit kann als Sammelphase bezeichnet werden.
Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine stromabwärts nach dem Partikelfilter, insbesondere einem Rußpartikelfilter, angeordnet sein. Während des vorgegebenen Fahrzyklus kann während der ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration erfasst und ausgewertet werden, so zum Beispiel zum Überprüfen eines Wirkungsgrades des Partikelfilters. Während der zweiten Zeitdauer kann die Konzentration der Gaskomponente erfasst werden. Die Konzentration der Gaskom- ponente kann beispielsweise für eine Überprüfung einer Kraftstoffdosierung und/oder einer Abgasrückführungsvorrichtung genutzt werden.
Beispielsweise kann die so erfasste Konzentration der zumindest einen Gaskomponente für eine Steuerung einer Partikel filterre- generation, insbesondere einer Rußpartikel filterregeneration, genutzt werden. Um den Partikel filter von angesammelten und/oder gespeicherten Partikeln zu säubern, werden diese Partikel in dem Partikelfilter vorzugsweise verbrannt. Ein zu schnelles Abbrennen der Partikel in dem Partikel filter kann zu einer so starken Erwärmung des Partikel filters führen, dass dieser beschädigt wird. Dieser Fall kann insbesondere eintreten, wenn eine Beladung des Partikel filters eine vorgegebene Grenzbeladung übersteigt aufgrund eines oder mehreren vorgege- benen, für das Abrennen ungünstigen, Betriebs zuständen der
Brennkraftmaschine. Während der Partikelfilterregeneration kann das Abgas hohe Abgastemperaturen mit Temperaturwerten oberhalb 800° aufweisen, so dass während dieser Zeit keine Partikelkonzentration mit dem Partikelsensorelement erfasst werden kann. In dieser Zeit kann jedoch die Konzentration des zumindest einen Gasgemisches erfasst werden und an eine geeignete Motorsteuerung signalisiert werden, so dass die Motorsteuerung abhängig von der Konzentration des zumindest einen Gasgemisches durch ein Steuern oder Regeln der Kraftstoffdosierung und/oder der Abgasrückführung die Abgastemperatur und einen Sauerstoffgehalt des Abgases regeln kann. Vorteilhafterweise kann dies einen kontrollierten Rußabbrand ermöglichen.
Aus führungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Partikelsensors .
In Figur 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Sensorvorrichtung SV dargestellt. Die Sensorvorrichtung SV ist zumindest teilweise in einem Abgaskanal EXH einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Beispielsweise ist die Sensorvorrichtung SV stromabwärts nach einem Partikelfilter des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Die Sensorvorrichtung SV umfasst ein Partikelsensorelement PAR_S . Das Partikelsensorelement PAR_S umfasst einen Sensorträger C, der vorzugsweise als Glas- oder Keramikträger ausgebildet ist. Auf dem Sensorträger C sind eine erste ELI und eine zweite Sensorelektrode EL2 derart auf einer Seite angeordnet, dass sie dem Abgasstrom in dem Abgaskanal EXH ausgesetzt sind. Die Richtung des Abgasstroms ist zum besseren Verständnis durch einen Pfeil in dem Abgaskanal EXH in Figur 1 gekennzeichnet. Der Sensorvorrichtung SV ist vorzugsweise derart in dem Abgaskanal EXH ausgerichtet, dass die erste ELI und die zweite Sensorelektrode EL2 dem Abgasstrom zugewandt sind. Die Sensorelektroden ELI, EL2 sind vorzugsweise als Platinelektroden ausgebildet. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Ausrichtung der Sensorvorrichtung SV in dem Abgaskanal EXH und eine andere Ausführung der Sensorelektroden ELI, EL2 denkbar.
Ferner weist die Sensorvorrichtung SV ein Heizelement HEAT auf. Das Heizelement HEAT ist beispielsweise auf einer der Sensorelektroden ELI, EL2 abgewandten Seite des Sensorträgers C angeordnet. Grundsätzlich ist auch eine andere Anordnung des Heizelements HEAT möglich. Beispielsweise ist das Heizelement
(HEAT) mäanderförmig ausgebildet. Ferner weist die Sensorvorrichtung SV ein Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S auf. Das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S ist beispielsweise im Wesentlichen als Breitband-Lambda- Sonde ausgebildet. Hierzu umfasst das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S einen Festkörperelektrolyten F, der beispielsweise im Wesentlichen aus Zirkoniumdioxid (ZrÜ2) besteht. In dem Festkörperelektrolyten F ist eine Pumpkammer P angeordnet. Die Pumpkammer P weist eine Diffusionsbarriere D auf, die die Pumpkammer P von einem Abgasraum trennt. Die Diffusionsbarriere D kann beispielsweise einen porösen keramischen Werkstoff aufweisen. Durch die Diffusionsbarriere D wird eine nachströmende Gasmenge in die Pumpkammer P begrenzt. Eine erste Pumpelektrode EL_P1 ist in der Pumpkammer P angeordnet. Eine zweite Pumpelektrode EL_P2 ist außen an dem Festkörperelektrolyten F angeordnet .
Ferner weist das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S eine Referenzelektrode EL_R und einen Luftreferenzkanal CH_R auf. Die Referenzelektrode EL_R ist in dem Luftreferenzkanal CH_R angeordnet. Der Luftreferenzkanal CH_R ist pneumatisch mit einer Umgebungsluft gekoppelt und weist daher einen im Wesentlichen konstanten Sauerstoffpartialdruck auf.
Das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S ist thermisch und mechanisch mit dem Heizelement HEAT gekoppelt. Hierbei ist beispielsweise der Festkörperelektrolyt F über eine elektrisch isolierende Schicht I mit dem Heizelement HEAT mechanisch und thermisch gekoppelt. Die elektrisch isolierende Schicht I kann beispielsweise einen keramischen Werkstoff, wie z. B. Aluminiumoxid (AI2O3), aufweisen oder im Wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehen.
Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung SV, insbesondere das Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S, ein streifenförmiges Multilayer-Keramiksubstrat umfassen, das Zirkoniumoxid (ZrÜ2) aufweist. In dem Multilayer-Keramiksubstrat können geschützt oder isoliert durch Aluminiumoxid-Substratschichten Elektrodenstrukturen und Heizelementstrukturen angeordnet sein. Die zumindest zwei Sensorelektroden ELI, EL2 oder weitere Sensorelektroden des Partikelsensorelements PAR_S können beispielsweise in einem Dickschicht-Siebdruckverfahren auf eine oder beide Außenflächen des Multilayer-Keramiksubstrats aufgebracht werden. Zuleitungen zu dem Partikelsensorelement PAR_S und/oder dem Festkörperelektrolytsensorelement GAS_S und/oder dem Heizelement HEAT können auf den beiden Außenseiten des Multilayer- Keramiksubstrats verlaufen und können mittels einer Aluminiumoxid-Schicht oder eines Hochtemperatur-Dickschicht-Glases isoliert sein.

Claims

Sensorvorrichtung (SV) zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal (EXH) einer Brennkraftmaschine, aufweisend:
- ein Partikelsensorelement (PAR_S) zum Erfassen der Partikelkonzentration mit zumindest zwei Sensorelektroden (ELI, EL2), die auf einer Außenseite eines Trägersubstrats vorgegeben beabstandet zueinander angeordnet sind,
- ein Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) zum Erfassen der Konzentration der zumindest einen Gaskomponente mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, und einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten (F) ,
- ein Heizelement (HEAT) , das thermisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolyten (F) zum Beheizen des Partikelsensorelements ( PAR_S ) und des Festkörperelektrolyten (F) und das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es jeweils mechanisch gekoppelt ist mit dem Partikelsensorelement (PAR_S) und dem Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) .
Sensorvorrichtung (SV) nach Anspruch 1, bei der das Festkörperelektrolytsensorelement (GAS_S) zur Erfassung der zumindest einen Gaskomponente als Sprung-Lambda-Sonde oder Breitband-Lambda-Sonde oder Proportional-Lambda- Sonde ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (SV) nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest eine der beiden Elektroden des Festkörperelektrolytsensorelements (GAS_S) als Mischpotentialelektrode ausgebildet ist. Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgasstromes in einem Abgaskanal (EXH) einer Brennkraftmaschine mit einer Sensorvorrichtung (SV) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zeitversetzt
- während einer ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration ermittelt wird abhängig von einer erfassten Widerstands- und/oder Impedanzänderung zwischen den zwei Sensorelektroden (ELI, EL2) des Partikelsensorelements
( PAR_S ) , und
- während einer zweiten Zeitdauer die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente ermittelt wird abhängig von einer erfassten an den Elektroden des Festköper- elektrolytsensorelements (GAS_S) anliegenden Spannung und/oder eines erfassten Pumpstromes, wobei während der zweiten Zeitdauer die Sensorvorrichtung (SV) auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird, so dass Partikel, die sich im Wesentlichen während der ersten Zeitdauer zwischen und/oder auf den Sensorelektroden (ELI, EL2,) abgelagert haben, verbrannt werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014223780A1 (de) * 2014-11-21 2016-05-25 Robert Bosch Gmbh Sensor zum Analysieren eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines solchen Sensors

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005015103A1 (de) * 2004-09-30 2006-04-06 Robert Bosch Gmbh Partikelsensor und Verfahren zum Betrieb desselben
DE102006048354A1 (de) * 2006-10-12 2008-04-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Bestandteilen eines Gasgemisches

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008006417A1 (de) * 2008-01-28 2009-07-30 Volkswagen Ag Rußsensor und Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors
DE102009028283B4 (de) * 2009-08-06 2023-07-27 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Eigendiagnose eines Partikelsensors

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005015103A1 (de) * 2004-09-30 2006-04-06 Robert Bosch Gmbh Partikelsensor und Verfahren zum Betrieb desselben
DE102006048354A1 (de) * 2006-10-12 2008-04-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Bestandteilen eines Gasgemisches

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