WO2012136753A1 - Sensorvorrichtung zum erfassen einer gaskonzentration und einer partikelkonzentration eines abgases - Google Patents

Sensorvorrichtung zum erfassen einer gaskonzentration und einer partikelkonzentration eines abgases Download PDF

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WO2012136753A1
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sensor device
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Philippe Grass
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Continental Automotive Gmbh
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    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods

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.
  • the sensor device has a sensor carrier with a solid electrolyte.
  • the object underlying the invention is to provide a sensor device which enables a reliable determination of components 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 in an exhaust passage of an internal combustion engine.
  • the sensor device has a sensor carrier with a solid electrolyte.
  • the sensor device comprises a first and a second electrode, which are arranged on a predetermined outer side of the sensor carrier spaced from each other.
  • the sensor device further comprises a substrate which, at least below a predetermined operating limit temperature of the substrate, essentially comprises Chen has no electrical conductivity and is arranged in a predetermined first region of the sensor carrier so that the first and the second electrode are substantially electrically decoupled from each other when the outside of the sensor carrier is substantially free of particles.
  • the sensor device has a third electrode, which is coupled to the solid electrolyte, wherein the solid electrolyte is formed so that it is additionally coupled to the second electrode. Furthermore, the sensor device comprises a diffusion barrier, which is arranged and configured such that it is coupled to the third electrode in a predetermined third region and the third electrode is acted upon by the exhaust gas of the exhaust gas channel only in the third region via the diffusion barrier.
  • the solid-state electrolyte is in particular mechanically coupled to the second electrode and the third electrode.
  • the solid electrolyte is preferably designed such that it can transport oxygen ions electrolytically in a specific operating temperature range.
  • different concentrations of a gas mixture can be detected with the sensor device.
  • the first and second electrodes can preferably be used to detect the particle concentration of the exhaust gas in the exhaust gas channel.
  • the second electrode and the third electrode may be used to detect the concentration of the at least one gas component of the exhaust gas, for example, an oxygen concentration of the exhaust gas.
  • the particle concentration and the concentration of the at least one gas component can be detected offset in time with the sensor device.
  • the sensor device can be used, for example, for an on-board diagnostic system.
  • a measurement signal of a lambda probe is available only temporarily and / or a measurement signal of a soot particle sensor is available only temporarily.
  • the electrodes of the sensors Sorvoriques can be controlled, for example by means of a suitably designed control unit 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 can be characterized, for example, by a predetermined time duration, for example 500 s, and a predetermined operating state during the time duration, for example a cold start of the internal combustion engine.
  • the sensor device according to the invention can make a contribution to increasing the service life and reliability of the sensor device, since the sensor device permits a layer structure without cavities and / or without gas inflow channels.
  • a sensor element in which the second electrode is acted upon by a gas inlet restriction with a cavity and / or a gas inlet channel with the exhaust gas of the exhaust gas channel for example, a condensate in the cavity
  • thermo-mechanical stresses can arise, for example in the solid-state electrolyte surrounding the respective cavity.
  • the thermo-mechanical stresses can lead to damage of the sensor device.
  • the sensor device can be manufactured inexpensively due to the simple mechanical structure.
  • the diffusion barrier to a porous ceramic material.
  • the substrate comprises the porous ceramic material and the diffusion barrier comprises the substrate.
  • the diffusion barrier is arranged in the predetermined region of the sensor carrier in such a way that it substantially electrically electrically connects the first and second electrodes isolated from each other when the outside of the sensor carrier is substantially free of particles. This allows a very simple and thus cost-effective production of the sensor device. Furthermore, a space of the sensor device can be very small.
  • the first and the second electrode have an interdigital structure. This can contribute to a resistance and / or impedance change between the first and the second
  • the sensor device has a heating element which is thermally coupled to the first and the second electrode and the solid electrolyte.
  • the heating element can be advantageously used to heat the solid electrolyte and to burn off particles deposited on and / or between the first and second electrodes.
  • the heating element can be used at least partially simultaneously for heating the solid electrolyte and for burning off particles.
  • the solid electrolyte has an ion conductivity only from a predetermined operating temperature of the solid electrolyte. For example, zirconia has ionic conductivity only at a minimum operating temperature of approximately> 450 ° C.
  • the solid electrolyte sensor is preferably heated.
  • the heating element can furthermore be used to burn the particles accumulated on the sensor device, in particular the particles deposited on and / or between the first and the second electrode, and thus the sensor sensors. to regenerate direction.
  • a control of the heating element takes place when a limit thickness of a particle layer on and / or between the first and second electrodes is reached or exceeded.
  • For the combustion of the particles is a heating of the sensor device in one
  • Required electrode area which includes the first electrode, second electrode and the region between the first and second electrode.
  • a heating of this electrode area to, for example, 800 ° C. is required.
  • the second electrode and the third electrode are arranged on a same first side of the solid electrolyte. This allows a cost-effective production of the sensor device.
  • the sensor device can in this case, for example, a planar
  • the second electrode and the third electrode are predeterminedly spaced along a first axis and along a second axis which is orthogonal to the first axis, vertically offset from each other at least partially embedded in the solid electrolyte.
  • the at least partial embedding of the second and the third electrode can also comprise a seating of the second and / or third electrode on the solid electrolyte.
  • the heating element is arranged in the sensor carrier on a second side remote from the first side of the solid electrolyte.
  • the second electrode and the third electrode to a porous platinum alloy.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an embodiment of a sensor device for detecting a concentration of at least one gas component and a particle concentration of an exhaust gas
  • FIG. 2 is an elevational view of the sensor device.
  • the sensor device 1 can be arranged, for example, at one or more points at least partially in an exhaust gas duct of an internal combustion engine of a motor vehicle, for example downstream of a particle filter of the motor vehicle.
  • the motor vehicle may be, for example, a diesel motor vehicle.
  • the sensor device 1 can be used, for example, to determine an oxygen concentration and a soot particle concentration in the exhaust gas channel.
  • the sensor device 1 may be arranged at least partially in an exhaust gas recirculation passage of an internal combustion engine.
  • the sensor device 1 can be used in an environment with an oxygen concentration of approximately> 2%, in particular> 5%.
  • the sensor device 1 has a sensor carrier 5 with a solid electrolyte 50.
  • the solid electrolyte 50 may comprise, for example, a plurality of oxygen-conducting solid electrolyte layers.
  • the solid state electrolyte 50 may include, for example, yttria stabilized zirconia (YSZ).
  • the sensor carrier 5 may, for example, comprise one or more electrically insulating, thermally conductive layers comprising a ceramic material.
  • the sensor device 1 comprises a first 10 and second electrode 40, which are arranged on an outer side of the sensor carrier 5 predetermined spaced from each other.
  • the sensor device 1 is preferably oriented in the exhaust gas duct in such a way that the first electrode 10 and the second electrode 40 face the exhaust gas flow.
  • the sensor device 1 has a third electrode 20, which is coupled to the solid electrolyte 50, wherein the solid electrolyte 50 is formed so that it is additionally coupled to the second electrode 40.
  • the third electrode 20 and the second electrode 40 are arranged on the same side of the solid-state electrolyte 50.
  • the sensor device 1 may have, for example, a planar layer structure.
  • the third electrode 20 and the second electrode 40 are spaced predetermined along a first axis AI and along a second axis A2, which is orthogonal to the first axis AI, vertically offset from each other at least partially embedded in the solid electrolyte 50.
  • the second electrode 20 and the third electrode 40 may, for example, comprise a porous platinum alloy. Alternatively, the second and third electrodes may comprise another porous metallic alloy.
  • the first electrode 10 may comprise the porous platinum alloy or another porous metallic alloy. Alternatively, the first electrode may comprise a platinum alloy or other metallic alloy with no or substantially no porosity.
  • the sensor device 1 may comprise, for example, a carrier 60 and a heating element 70.
  • a heating Lation 80 which includes, for example, at least one of the electrically insulating, thermally conductive layers may be arranged.
  • the sensor device 1 further comprises a substrate, which has substantially no electrical conductivity at least below a predetermined operating limit temperature of the substrate and is arranged in a predetermined first region of the sensor carrier 5 such that the first 10 and second
  • Electrode 40 are substantially electrically decoupled from each other when the outside of the sensor carrier 5 is substantially free of particles.
  • the sensor device 1 comprises a diffusion barrier 30.
  • the diffusion barrier 30 is arranged and formed such that it is coupled to the third electrode in a predetermined third region and the third electrode 20 is coupled only in the third region via the diffusion barrier 30 and the gas mixture the gas space is acted upon.
  • the diffusion barrier 30 comprises the substrate and the diffusion barrier 30 is arranged in the predetermined region of the sensor carrier 5 so as to substantially electrically insulate the first 10 and second electrodes 40 from each other when the outside of the sensor carrier 5 is substantially free of particles.
  • the first electrode 10 is partially embedded in the diffusion barrier 30.
  • the substrate comprises, for example, a porous ceramic material having a good thermal conductivity, so that the heating element 70 is thermally coupled to the first 10 and the second electrode 40 and the solid electrolyte 50.
  • FIG. 2 shows a top view of the sensor device 1.
  • the first 10 and second electrodes 40 have an interdigital structure.
  • the particle concentration determined in each case during a first period of time depending on a detected resistance and / or impedance change between the first 10 and the second electrode 40 and determined during a second time period, the concentration of the at least one gas component determined from a detected pumping current flowing between the second and third electrodes.
  • the first electrode 10 and the second electrode 40 are acted upon with a predetermined voltage, so that deposited particles from the exhaust gas flow on and / or between the first 10 and the second electrode 40 noticeably .
  • electrically charged particles such as soot particles, are preferably attracted and accumulated on and / or between the first 10 and second electrodes 40.
  • the sensor measuring unit may further be configured to detect a sensor current depending on the voltage applied between the first electrode 10 and the second electrode 40 and the accumulated particles on and / or between the first 10 and second electrodes 40, and depending on the voltage and the sensor current to determine an electrical resistance between the first 10 and the second electrode 40.
  • the electrical resistance between the first electrode 10 and the second electrode 40 in a regenerated, that is cleaned sensor device 1 has a significantly higher resistance than in a non-cleaned sensor device 1. Particles are collected between the first electrode 10 and the second electrode 40, the value of the electrical resistance decreases. The electrical resistance is thus dependent on a thickness of a particle layer which extends to and / or between see the first 10 and the second electrode 40 has accumulated.
  • the third electrode 20 and the second electrode 40 of the sensor device 1 may be electrically coupled to a power source.
  • the current source can then be activated in the sense of switching off and an electrode voltage between the third and the second electrode 40 can be detected.
  • a pumping current can be determined depending on a deviation of the electrode voltage from a predetermined setpoint voltage.
  • the current source can be controlled such that it delivers the pumping current to the second electrode 40 of the sensor element, wherein the steps of the measuring phase and the subsequent driving of the current source for discharging the Pumping current to the second electrode 40 are repeated several times in the sense of minimizing the deviation between the electrode denencies and the predetermined setpoint voltage.
  • the concentration of the exhaust gas in the exhaust duct can be determined.
  • the heating element 70 can be used during a regeneration phase accumulated on the sensor device 1
  • Such a control of the heating element 70 preferably takes place when a limit thickness of a particle layer on and / or between the first electrode 10 and the second electrode 40 is reached or exceeded.
  • the burning off may take place in an intermediate phase that follows the first time period in time and precedes the second time period. In this case, it is sufficient if during the second period of time the solid state electrolyte 50 is heated so that it at least temporarily has a predetermined operating temperature which is greater than a minimum operating temperature at which the solid electrolyte 50 has the ionic conductivity, and which is smaller than a burning temperature, which is for burning off the
  • the heating element 70 is operated such that the operating temperature of the solid electrolyte 50 has a value above the minimum operating temperature and at the same time burning off the soot particles from the first 10 and second electrode 40th can be done.
  • the heating element 70 is also driven in the sense of a shutdown.

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Abstract

Eine Sensorvorrichtung (1) zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgases in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine weist einen Sensorträger (5) mit einem Festkörperelektrolyten (50) auf. Die Sensorvorrichtung (1) umfasst eine erste (10) und eine zweite Elektrode (40), die auf einer Auenseite des Sensorträgers (5) vorgegeben zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Sensorvorrichtung (1) umfasst ein Substrat, das zumindest unterhalb einer vorgegebenen Betriebsgrenztemperatur des Substrats im Wesentlichen keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und in einem vorgegebenen ersten Bereich des Sensorträgers (5) so angeordnet ist, dass die erste (10) und zweite Elektrode (40) im Wesentlichen elektrisch voneinander entkoppelt sind, wenn die Aussenseite des Sensorträgers (5) im Wesentlichen frei ist von Partikeln. Die Sensorvorrichtung (1) weist eine dritte Elektrode (20) auf, die mit dem Festkörperelektrolyten (50) gekoppelt ist, wobei der Festkörperelektrolyt (50) so ausgebildet ist, dass er zusätzlich mit der zweiten Elektrode (40) gekoppelt ist. Die Sensorvorrichtung (1) umfasst eine Diffusionsbarriere (30), die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie mit der dritten Elektrode in einem vorgegebenen dritten Bereich gekoppelt ist und die dritte Elektrode (20) nur in dem dritten Bereich über die Diffusionsbarriere (30) von dem Abgas beaufschlagt wird.

Description

Beschreibung
Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Gaskonzentration und einer Partikelkonzentration eines Abgases
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgases. Die Sensorvorrichtung weist einen Sensorträger mit einem Festkörperelektrolyten auf.
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 ist eine Vielzahl von Sensoren erforderlich.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die eine zuverlässige Bestimmung von Bestandteilen eines Gasgemisches ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgases in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Die Sensorvorrichtung weist einen Sensorträger mit einem Festkörperelektrolyten auf. Ferner um- fasst die Sensorvorrichtung eine erste und eine zweite Elektrode, die auf einer Außenseite des Sensorträgers vorgegeben zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Sensorvorrichtung um- fasst des Weiteren ein Substrat, das zumindest unterhalb einer vorgegebenen Betriebsgrenztemperatur des Substrats im Wesentli- chen keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und in einem vorgegebenen ersten Bereich des Sensorträgers so angeordnet ist, dass die erste und die zweite Elektrode im Wesentlichen elektrisch voneinander entkoppelt sind, wenn die Außenseite des Sensorträgers im Wesentlichen frei ist von Partikeln. Die Sensorvorrichtung weist eine dritte Elektrode auf, die mit dem Festkörperelektrolyten gekoppelt ist, wobei der Festkörperelektrolyt so ausgebildet ist, dass er zusätzlich mit der zweiten Elektrode gekoppelt ist. Ferner umfasst die Sensorvorrich- tung eine Diffusionsbarriere, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie mit der dritten Elektrode in einem vorgegebenen dritten Bereich gekoppelt ist und die dritte Elektrode nur in dem dritten Bereich über die Diffusionsbarriere von dem Abgas des Abgaskanals beaufschlagt wird.
Der Festkörperelektrolyt ist insbesondere mechanisch gekoppelt mit der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode. Der Festkörperelektrolyt ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er in einem spezifischen Betriebstemperaturbereich Sauerstoffionen elektrolytisch transportieren kann. Vorteilhafterweise können mit der Sensorvorrichtung verschiedene Konzentrationen eines Gasgemisches erfasst werden. Die erste und die zweite Elektrode können hierbei vorzugsweise genutzt werden, die Partikelkonzentration des Abgases in dem Abgaskanal zu erfassen. Die zweite Elektrode und die dritte Elektrode können genutzt werden, die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente des Abgases, zum Beispiel eine Sauerstoffkonzentration des Abgases, zu erfassen. Die Partikelkonzentration und die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente können zeitlich versetzt mit der Sensorvorrichtung erfasst werden. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise für ein On-Board-Diagnosesystem genutzt werden. Für eine On-Board-Diagnose kann es ausreichend sein, wenn beispielsweise ein Messsignal einer Lambdasonde nur zeitweise zur Verfügung steht und/oder ein Messsignal eines Rußpartikelsen- sors nur zeitweise zur Verfügung steht. Die Elektroden der Sen- sorvorrichtung können beispielsweise mittels einer geeignet ausgebildeten Steuereinheit derart angesteuert werden, dass während eines vorgegebenen Fahrzyklus jeweils zumindest einmal die Partikelkonzentration und zumindest einmal die Konzentrati- on des Gasgemisches erfasst werden können. Der Fahrzyklus kann beispielsweise durch eine vorgegebene Zeitdauer, zum Beispiel 500 s, und einen vorgegebenen Betriebszustand während der Zeitdauer, zum Beispiel einen Kaltstart der Brennkraftmaschine, charakterisiert werden.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung einen Beitrag leisten, eine Lebensdauer und eine Zuverlässigkeit der Sensorvorrichtung zu erhöhen, da die Sensorvorrichtung einen Schichtaufbau ohne Hohlräume und/oder ohne Gaszuflusskanäle er- möglicht. Bei einem Sensorelement, bei dem die zweite Elektrode über eine Gaszutrittsbegrenzung mit einem Hohlraum und/oder einem Gaszuflusskanal mit dem Abgas des Abgaskanals beaufschlagt wird, kann beispielsweise ein Kondensat in den Hohlraum
und/oder in den Gaszuflusskanal eindringen. Da die Sensorvor- richtung hohen TemperaturSchwankungen ausgesetzt ist, können thermomechanische Spannungen, zum Beispiel in dem Festkörperelektrolyten entstehen, der den jeweiligen Hohlraum umgibt. Die thermomechanische Spannungen können zu einer Beschädigung der Sensorvorrichtung führen. Die Sensorvorrichtung kann aufgrund des einfachen mechanischen Aufbaus kostengünstig hergestellt werden .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Diffusionsbarriere einen porösen keramischen Werkstoff auf.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Substrat den porösen keramischen Werkstoff auf und die Diffusionsbarriere umfasst das Substrat. Die Diffusionsbarriere ist in dem vorgegebenen Bereich des Sensorträgers so angeordnet, dass sie die erste und zweite Elektrode im Wesentlichen elektrisch voneinander isoliert, wenn die Außenseite des Sensorträgers im Wesentlichen frei ist von Partikeln. Dies ermöglicht eine sehr einfache und damit kostengünstige Herstellung der Sensorvorrichtung. Ferner kann ein Bauraum der Sensorvorrichtung sehr gering sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die erste und die zweite Elektrode eine Interdigitalstruktur auf. Dies kann einen Beitrag leisten dazu, dass eine Widerstands- und/oder Impedanzänderung zwischen der ersten und der zweiten
Elektrode sehr präzise erfasst und damit die Partikelkonzentration sehr präzise ermittelt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Sensor- Vorrichtung ein Heizelement auf, das thermisch gekoppelt ist mit der ersten und der zweiten Elektrode und dem Festkörperelektrolyten. Das Heizelement kann vorteilhafterweise genutzt werden zum Beheizen des Festkörperelektrolyten und für einen Abbrennen von Partikeln, die sich auf und/oder zwischen der ersten und zweiten Elektrode abgelagert haben. Insbesondere kann das Heizelement zumindest teilweise gleichzeitig genutzt werden zum Beheizen des Festkörperelektrolyten und für das Abbrennen von Partikeln. Der Festkörperelektrolyt weist eine Ionenleitfähigkeit erst ab einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Festkörperelektrolyten auf. Beispielsweise weist Zirkoniumoxid die Ionenleitfähigkeit erst bei einer minimalen Betriebstemperatur von näherungsweise > 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 minimale Betriebstemperatur, wird daher der Festkörperelektrolytsensor vorzugsweise beheizt. Das Heizelement kann ferner genutzt werden, die auf der Sensorvorrichtung angesammelten Partikel, insbesondere die auf und/oder zwischen der ersten und der zweiten Elektrode abgelagerten Partikel zu verbrennen und somit die Sensorvor- richtung zu regenerieren. Vorzugsweise erfolgt eine derartige Ansteuerung des Heizelements, wenn eine Grenzdicke einer Partikelschicht auf und/oder zwischen der ersten und zweiten Elektrode erreicht oder überschritten ist. Für die Verbrennung der Partikel ist eine Erhitzung der Sensorvorrichtung in einem
Elektrodenbereich erforderlich, der die erste Elektrode, zweite Elektrode sowie den Bereich zwischen der ersten und zweiten Elektrode umfasst. Für die Verbrennung der Partikel ist eine Erhitzung dieses Elektrodenbereichs auf beispielsweise 800 °C erforderlich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweite Elektrode und die dritte Elektrode auf einer gleichen ersten Seite des Festkörperelektrolyten angeordnet. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung kann hierbei beispielsweise einen planaren
Schichtaufbau oder einen kreiszylindrischen Schichtaufbau aufweisen . In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweite Elektrode und die dritte Elektrode entlang einer ersten Achse vorgegeben beabstandet und entlang einer zweiten Achse, die orthogonal zu der ersten Achse ist, vertikal versetzt zueinander zumindest teilweise in dem Festkörperelektrolyten eingebettet. Das zumindest teilweise Eingebettetsein der zweiten und der dritten Elektrode kann auch ein Aufliegen der zweiten und/oder dritten Elektrode auf den Festkörperelektrolyten umfassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Heizele- ment auf einer der ersten Seite des Festkörperelektrolyten abgewandten zweiten Seite in dem Sensorträger angeordnet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die zweite Elektrode und die dritte Elektrode eine poröse Platin-Legierung auf. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgases und
Figur 2 eine AufSichtsansicht der Sensorvorrichtung.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Sensorvorrichtung 1 kann beispielsweise an einer oder meh- reren Stellen zumindest teilweise in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein, zum Beispiel stromabwärts nach einem Partikelfilter des Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise Dieselkraftfahrzeug sein. Die Sensorvorrichtung 1 kann beispielsweise genutzt werden, eine Sauerstoffkonzentration und eine Rußpartikelkonzentration zu ermitteln in dem Abgaskanal. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensorvorrichtung 1 zumindest teilweise in einem Abgasrückführungskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet sein. Vorzugsweise kann die Sensorvorrichtung 1 in einer Umgebung mit einer Sauerstoffkonzentration von näherungsweise > 2 %, insbesondere > 5 %, genutzt werden.
Die Sensorvorrichtung 1 weist einen Sensorträger 5 mit einem Festkörperelektrolyten 50 auf. Der Festkörperelektrolyt 50 kann beispielsweise mehrere Sauerstoffleitende Festkörperelektrolytschichten umfassen. Der Festkörperelektrolyt 50 kann beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) aufweisen. Ferner kann der Sensorträger 5 beispielsweise eine oder mehrere elektrisch isolierende, thermisch leitfähige Schichten aufwei- sen, die ein keramisches Material umfassen. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung 1 eine erste 10 und zweite Elektrode 40, die auf einer Außenseite des Sensorträgers 5 vorgegeben zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Sensorvorrichtung 1 ist vorzugsweise in dem Abgaskanal derart ausgerich- tet, dass die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 40 dem Abgasstrom zugewandt sind. Grundsätzlich ist aber auch eine andere Ausrichtung der Sensorvorrichtung 1 in dem Abgaskanal möglich . Die Sensorvorrichtung 1 weist eine dritte Elektrode 20 auf, die mit dem Festkörperelektrolyten 50 gekoppelt ist, wobei der Festkörperelektrolyt 50 so ausgebildet ist, dass er zusätzlich mit der zweiten Elektrode 40 gekoppelt ist. Bei der in Figur 1 gezeigten Sensorvorrichtung 1 sind die dritte Elektrode 20 und die zweite Elektrode 40 auf einer gleichen Seite des Festkörperelektrolyten 50 angeordnet. Die Sensorvorrichtung 1 kann beispielsweise einen planaren Schichtaufbau aufweisen. Die dritte Elektrode 20 und die zweite Elektrode 40 sind entlang einer ersten Achse AI vorgegeben beabstandet und entlang einer zweiten Achse A2, die orthogonal zu der ersten Achse AI ist, vertikal versetzt zueinander zumindest teilweise in dem Festkörperelektrolyten 50 eingebettet.
Die zweite Elektrode 20 und die dritte Elektrode 40 können bei- spielsweise eine poröse Platin-Legierung aufweisen. Alternativ können die zweite und dritte Elektrode eine andere poröse metallische Legierung aufweisen. Die erste Elektrode 10 kann die poröse Platin-Legierung oder eine andere poröse metallische Legierung aufweisen. Alternativ kann die erste Elektrode eine Platin-Legierung oder eine andere metallische Legierung aufweisen mit keiner oder im Wesentlichen keiner Porosität.
Die Sensorvorrichtung 1 kann beispielsweise einen Träger 60 und ein Heizelement 70 aufweisen. Zwischen dem Heizelement 70 und dem Festkörperelektrolyten 50 kann beispielsweise eine Heiziso- lation 80, die beispielsweise zumindest eine der elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Schichten umfasst, angeordnet sein. Die Sensorvorrichtung 1 umfasst des Weiteren ein Substrat, das zumindest unterhalb einer vorgegebenen Betriebsgrenztemperatur des Substrats im Wesentlichen keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und in einem vorgegebenen ersten Bereich des Sensorträgers 5 so angeordnet ist, dass die erste 10 und zweite
Elektrode 40 im Wesentlichen elektrisch voneinander entkoppelt sind, wenn die Außenseite des Sensorträgers 5 im Wesentlichen frei ist von Partikeln. Ferner umfasst die Sensorvorrichtung 1 eine Diffusionsbarriere 30. Die Diffusionsbarriere 30 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass sie mit der dritten Elek- trode in einem vorgegebenen dritten Bereich gekoppelt ist und die dritte Elektrode 20 nur in dem dritten Bereich über die Diffusionsbarriere 30 und dem Gasgemisch des Gasraumes beaufschlagt wird. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Diffusionsbarriere 30 das Substrat und die Diffusi- onsbarriere 30 ist in dem vorgegebenen Bereich des Sensorträgers 5 so angeordnet, dass sie die erste 10 und zweite Elektrode 40 im Wesentlichen elektrisch voneinander isoliert, wenn die Außenseite des Sensorträgers 5 im Wesentlichen frei ist von Partikeln. Die erste Elektrode 10 ist beispielsweise teilweise in der Diffusionsbarriere 30 eingebettet angeordnet. Das Substrat weist beispielsweise einen porösen keramischen Werkstoff mit einer guten thermischen Leitfähigkeit auf, sodass das Heizelement 70 thermisch gekoppelt ist mit der ersten 10 und der zweiten Elektrode 40 und dem Festkörperelektrolyten 50.
Figur 2 zeigt eine AufSichtsdarstellung der Sensorvorrichtung 1. Die erste 10 und zweite Elektrode 40 weisen eine Interdigi- talstruktur auf. Vorzugsweise wird während einer Betriebsdauer der Sensorvorrichtung 1 zeitlich versetzt jeweils während einer ersten Zeitdauer die Partikelkonzentration ermittelt abhängig von einer erfassten Widerstands- und/oder Impedanzänderung zwischen der ersten 10 und der zweiten Elektrode 40 und während einer zweiten Zeitdauer die Konzentration der zumindest einen Gaskomponente ermittelt abhängig von einem erfassten Pumpstrom, der zwischen der zweiten und dritten Elektrode fließt. Während der ersten Zeitdauer kann beispielsweise mittels einer geeignet ausgebildeten Sensormesseinheit die erste Elektrode 10 und die zweite Elektrode 40 mit einer vorgegebenen Spannung beaufschlagt werden, sodass sich merklich Partikel aus dem Abgasstrom auf und/oder zwischen der ersten 10 und der zweiten Elek- trode 40 ablagern. Während der Beaufschlagung der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 40 mit der Spannung werden vorzugsweise elektrisch geladene Partikel, so zum Beispiel Rußpartikel, angezogen und auf und/oder zwischen der ersten 10 und der zweiten Elektrode 40 angesammelt. Die Sensormesseinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, abhängig von der zwischen der ersten Elektrode 10 und zweiten Elektrode 40 angelegten Spannung und den angesammelten Partikeln auf und/oder zwischen der ersten 10 und zweiten Elektrode 40 einen Sensorstrom zu erfassen und abhängig von der Spannung und dem Sensorstrom einen elektrischen Widerstand zwischen der ersten 10 und der zweiten Elektrode 40 zu ermitteln. Vorzugsweise weist der elektrische Widerstand zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 40 bei einer regenerierten, das heißt gereinigten Sensorvorrichtung 1 einen signifikant höheren Widerstandswert auf, als bei einer nicht gereinigten Sensorvorrichtung 1. Sammeln sich Partikel zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 40 an, so sinkt der Wert des elektrischen Widerstandes. Der elektrische Widerstand ist somit abhängig von einer Dicke einer Partikelschicht, die sich auf und/oder zwi- sehen der ersten 10 und der zweiten Elektrode 40 angesammelt hat .
Zum Erfassen der Konzentration der Gaskomponente in dem Abgas kann die dritte Elektrode 20 und die zweite Elektrode 40 der Sensorvorrichtung 1 mit einer Stromquelle elektrisch gekoppelt werden. Während der zweiten Zeitdauer kann dann während einer Messphase die Stromquelle im Sinne eines Abschaltens angesteuert werden und eine Elektrodenspannung zwischen der dritten und der zweiten Elektrode 40 erfasst werden. Ferner kann abhängig von einer Abweichung der Elektrodenspannung von einer vorgegebenen Sollspannung ein Pumpstrom ermittelt werden. Während einer Betriebsphase der zweiten Zeitdauer, die zeitlich auf die Messphase folgt, kann die Stromquelle derart angesteuert wer- den, dass sie den Pumpstrom an die zweite Elektrode 40 des Sensorelements abgibt, wobei die Schritte der Messphase und das darauffolgende Ansteuern der Stromquelle zur Abgabe des Pumpstroms an die zweite Elektrode 40 mehrfach durchlaufen werden im Sinne einer Minimierung der Abweichung zwischen der Elektro- denspannung und der vorgegebenen Sollspannung. Abhängig von dem Pumpstrom kann die Konzentration des Abgases in dem Abgaskanal ermittelt werden.
Das Heizelement 70 kann während einer Regenerationsphase ge- nutzt werden, die auf der Sensorvorrichtung 1 angesammelten
Partikel, insbesondere die auf und/oder zwischen der ersten 10 und zweiten Elektrode 40 abgelagerten Partikel zu verbrennen und somit die Sensorvorrichtung 1 zu regenerieren. Vorzugsweise erfolgt eine derartige Ansteuerung des Heizelements 70, wenn eine Grenzdicke eine Partikelschicht auf und/oder zwischen der ersten Elektrode 10 und zweiten Elektrode 40 erreicht oder überschritten ist. Das Abbrennen kann in einer Zwischenphase erfolgen, die zeitlich auf die erste Zeitdauer folgt und zeitlich der zweiten Zeitdauer vorangeht. In diesem Fall ist es ausreichend, wenn während der zweiten Zeitdauer der Festkörper- elektrolyt 50 derart beheizt wird, sodass er zumindest zeitweise eine vorgegebene Betriebstemperatur aufweist, die größer ist als eine minimale Betriebstemperatur, bei der der Festkörperelektrolyt 50 die Ionenleitfähigkeit aufweist, und die kleiner ist als eine Abbrenntemperatur , die für einen Abbrennen der
Partikel erforderlich ist. Zusätzlich oder alternativ ist möglich, dass während zumindest einer der Betriebsphasen innerhalb der zweiten Zeitdauer das Heizelement 70 derart betrieben wird, dass die Betriebstemperatur des Festkörperelektrolyten 50 einen Wert oberhalb der minimalen Betriebstemperatur aufweist und gleichzeitig ein Abbrennen der Rußpartikel von der ersten 10 und zweiten Elektrode 40 erfolgen kann. Vorzugsweise wird während der jeweiligen Messphase das Heizelement 70 ebenfalls im Sinne eines Abschaltens angesteuert.

Claims

Patentansprüche
Sensorvorrichtung (1) zum Erfassen einer Konzentration zumindest einer Gaskomponente und einer Partikelkonzentration eines Abgases in einem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine, aufweisend:
- einen Sensorträger (5) mit einem Festkörperelektrolyten (50) ,
- eine erste (10) und zweite Elektrode (40), die auf einer Außenseite des Sensorträgers (5) vorgegeben zueinander beabstandet angeordnet sind,
- ein Substrat, das zumindest unterhalb einer vorgegebenen Betriebsgrenztemperatur des Substrats im Wesentlichen keine elektrische Leitfähigkeit aufweist und in einem vorgegebenen ersten Bereich des Sensorträgers (5) so angeordnet ist, dass die erste (10) und die zweite Elektrode (40) im Wesentlichen elektrisch voneinander entkoppelt sind, wenn die Außenseite des Sensorträgers (5) im Wesentlichen frei ist von Partikeln,
- eine dritte Elektrode (20), die mit dem Festkörperelektrolyten (50) gekoppelt ist, wobei der Festkörperelektrolyt (50) so ausgebildet ist, dass er zusätzlich mit der zweiten Elektrode (40) gekoppelt ist, und
- eine Diffusionsbarriere (30), die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie mit der dritten Elektrode (20) in einem vorgegebenen dritten Bereich gekoppelt ist und die dritte Elektrode (20) nur in dem dritten Bereich über die Diffusionsbarriere (30) von dem Abgas des Abgaskanals beaufschlagt wird.
Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Diffusionsbarriere (30) einen porösen keramischen Werkstoff aufweist .
3. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der - das Substrat den porösen keramischen Werkstoff aufweist,
- die Diffusionsbarriere (30) das Substrat umfasst und
- die Diffusionsbarriere (30) in dem vorgegebenen Bereich des Sensorträgers (5) so angeordnet ist, dass sie die erste (10) und zweite Elektrode (40) im Wesentlichen elektrisch voneinander isoliert, wenn die Außenseite des Sensorträgers (5) im Wesentlichen frei ist von Partikeln .
4. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste (10) und zweite Elektrode (40) eine Interdigital- struktur aufweisen.
5. Sensorvorrichtung (1), nach einem der vorstehenden Ansprüche, die ein Heizelement (70) aufweist, das thermisch gekoppelt ist mit der ersten (10) und zweiten Elektrode (40) und dem Festkörperelektrolyten (50) .
6. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Elektrode (40) und die dritte Elektrode (20) auf einer gleichen ersten Seite des Festkörperelektrolyten (50) angeordnet sind.
7. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Elektrode (40) und die dritte Elektrode (20) entlang einer ersten Achse (AI) vorgegeben beabstandet und entlang einer zweiten Achse (A2), die orthogonal zu der ersten Achse (AI) ist, vertikal versetzt zueinander zumindest teilweise in dem Festkörperelektrolyten (50) eingebettet sind.
8. Sensorvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Heizelement (70) auf einer der ersten Seite des Festkör- perelektrolyten (50) abgewandten zweiten Seite in dem Sensorträger (5) angeordnet ist.
9. Sensorvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die zweite Elektrode (20) und die dritte Elektrode (40) eine poröse Platin-Legierung aufweisen.
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