WO2019170639A1 - Verfahren zum betreiben eines sensors zum nachweis mindestens eines anteils einer messgaskomponente mit gebundenem sauerstoff in einem messgas - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines sensors zum nachweis mindestens eines anteils einer messgaskomponente mit gebundenem sauerstoff in einem messgas Download PDF

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pumping
cell
nernst
cavity
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Emmanuel MORETTON
Berndt Cramer
Peter Gaertner
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
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    • F02D41/1494—Control of sensor heater

Definitions

  • Sensors for detecting at least a portion of the measured gas component with bound oxygen in a gas mixture which are also abbreviated or simply referred to as NO x sensors or nitrogen oxide sensors, are, for example, in Reif, K., Deitsche, KH. et al., Automotive
  • Such a nitrogen oxide sensor comprises a Nernst concentration cell, which also
  • Reference cell is called, a modified Sauerstoffpumpzelle and another modified Sauerstoffpumpzelle, the so-called NO x cell.
  • the first cavity also contains the Nernst electrode and, in a reference gas space, the reference electrode, which together form the Nernst cell.
  • the NO x cell comprises a NO x pumping electrode and a counter electrode.
  • the NO x pumping electrode is located a second cavity connected to and separated from the first inner cavity by a diffusion barrier.
  • the counter electrode is located in the reference gas space. All electrodes in the first and second cavities have a common return conductor.
  • the so-called 02 cell is removed from the oxygen from the first cavity, which is connected to the exhaust gas via a diffusion barrier.
  • the resulting pumping current is then proportional to the oxygen content of the ambient air in the sample gas or
  • the nitrogen oxides are pumped out in the NO x cell.
  • the nitrogen oxide NO c in the atmosphere located in the second cavity is reduced or degraded by applying a constant pumping voltage.
  • the oxygen produced by reduction or degradation of the measurement gas component in the second cavity, which preferably originates from the reduction of the nitrogen oxide NO x is pumped off into a reference gas space.
  • Concentration of the nitrogen oxide NO x or oxygen results in a pumping current, which is proportional to the content of nitrogen oxide NO x or oxygen and represents the NO x - measurement signal.
  • the resulting pumping current lp 2 is thus a measure of the NO x concentration of the ambient air in the sample gas or exhaust stream.
  • any oxygen present in the NOx measuring cell must be removed. This has hitherto been done by pumping off the oxygen present via the NOx electrode.
  • the surface of the NOx electrode is relatively small. Excessive current density damages the electrode.
  • the current available for pumping is therefore relatively low, so that a relatively long time of about 20 s is required for pumping out the oxygen present. Disclosure of the invention
  • a method for operating a sensor for detecting at least a portion of a sample gas component with bound oxygen in a measurement gas, which avoids the disadvantages of known methods for operating these sensors at least largely and in which the time to reach the operational readiness at the start of the sensor is significantly reduced.
  • the sensor comprises a sensor element, wherein the sensor element comprises a first pump cell, which has an outer pumping electrode and an inner pumping electrode and which abuts against a first cavity, which communicates with the measurement gas, a Nernst cell which a Nernst electrode and Having a reference electrode and which abuts a reference gas space, and a second pump cell having a pump electrode and a counter electrode and which abuts a second cavity, a Nernstpressive the Nernst cell is changed from a first target value to a second target value.
  • the second setpoint value is greater than the first setpoint value.
  • Oxygen is removed from the first cavity by means of the first pumping cell or the outer pumping electrode and the inner pumping electrode.
  • Oxygen concentration gradient between the first pump cell (about lppm) and the second pump cell (>> lppm) now diffuses oxygen from the second pumping cell or the second cavity in the first pumping cell or in the first Cavity and is pumped out there. This shortens the time until the second pump cell is ready for operation.
  • the second desired value has an electrical voltage in a range from 425 mV to 800 mV and preferably 430 mV to 650 mV. This voltage is sufficient for a quick removal of oxygen from the second pumping cell.
  • the electronic control unit is connected to the sensor element via at least four electrical connections, wherein the electronic control unit has at least a first separate connection for the first pump cell, a second separate connection for the second pump cell, a connection for the Nernst voltage and a common connection features. This allows different voltages, currents and potentials on the sensor element to be measured, which serve to describe qualitative and quantitative properties of the measurement gas.
  • the Nernst voltage of the Nernst cell is regulated by means of the control unit.
  • the controller thus has a controller which may be integrated in this. This makes it possible to set the Nernst voltage very precisely.
  • the Nernst electrode is connected to the common connection and the reference electrode is connected to the connection for a Nernst voltage. This allows the Nernst cell to be precisely regulated.
  • the sensor element is heated at least during the removal of the oxygen from the first cavity. This additionally accelerates the removal of oxygen, since it ensures that the solid electrolyte is sufficiently conductive for oxygen ions.
  • an electronic storage medium on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored.
  • the invention furthermore encompasses an electronic control unit which contains the electronic storage medium according to the invention with the said computer program for carrying out the method according to the invention.
  • the invention also relates to a sensor for detecting at least a portion of a measuring gas component with bound oxygen in a measuring gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a sensor element, wherein the sensor element comprises a first pumping cell having an outer pumping electrode and an inner pumping electrode and the abuts a first cavity, which is in communication with the measurement gas, a Nernst cell which a Nernst electrode and a
  • Reference electrode and which abuts a reference gas space and a second pumping cell having a pumping electrode and a counter electrode and which abuts a second cavity, wherein the sensor further comprises an inventive electronic control device.
  • a solid electrolyte is a body or article with electrolytic properties, ie with ions conductive properties, to understand.
  • it may be a ceramic solid electrolyte.
  • This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green compact or browning, which only becomes a solid electrolyte after sintering.
  • the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers.
  • a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.
  • an electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode, which may, for example, be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.
  • a heating element is to be understood as meaning an element which is suitable for heating the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their temperature
  • the functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and which is approximately 350 ° C.
  • the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature.
  • the operating temperature may be, for example, from 700 ° C to 950 ° C.
  • the heating element may comprise a heating area and at least two feed tracks.
  • the supply tracks are also referred to below as a supply line.
  • a heating area is to be understood as meaning the area of the heating element which, in the layer structure, extends along one of the heating zones Surface of the sensor element perpendicular direction overlaps with an electrode.
  • the heating area heats up during operation more than the supply line or supply line, so that they are distinguishable.
  • the different heating can for example be realized in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track.
  • the heating area and / or the supply line are designed, for example, as an electrical resistance path and heat up when an electrical voltage is applied, since an electrical current flows through them.
  • Heating element can be made for example of a platinum cermet.
  • the invention is directly detectable by a shortened waiting time until the operational readiness is reached after starting the sensor.
  • Potentials can be measured at the supply lines.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a sensor according to the invention and Figure 2 is a flow chart of a method according to the invention.
  • Figure 1 shows a basic structure of a sensor 100 according to the invention, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the sensor 100 which for detecting at least a portion of a
  • Sample gas component with bound oxygen hereinafter referred to as nitrogen oxide NOx
  • a gas mixture for example, an exhaust gas of an internal combustion engine
  • this includes a sensor element 110, a first pumping cell 112 formed between an outer pumping electrode 114 and an inner pumping electrode 116.
  • the outer one is a sensor element 110, a first pumping cell 112 formed between an outer pumping electrode 114 and an inner pumping electrode 116.
  • Pumping electrode 114 which is separated from the environment of the sensor 100 by means of a porous aluminum oxide layer 118, in this case has a first electrically conductive connection 120, via which a first pumping current I PI can be generated in the first pumping cell 112.
  • the first electrically conductive connection 120 via which a first pumping current I PI can be generated in the first pumping cell 112.
  • Connection 120 is connected to a terminal PI of an external electronic control unit 122 for this purpose.
  • the inner pumping electrode 116 also has a second electrically conductive connection 124, which leads to a common connection COM of the external electronic control device 122.
  • the first pumping cell 112 abuts against a first cavity 126, which is located in the interior of the sensor element 110 and is in communication with the measuring gas.
  • a first portion of oxygen ions which are formed from molecular oxygen from the gas mixture, can be transported between the first cavity 126 and the surroundings of the sensor 100.
  • a diffusion barrier 128 is present.
  • the sensor element 110 furthermore has an electrical Nernst cell 130, which has a Nernst electrode 132 and a reference electrode 134. While the Nernst electrode 132 via the second electrically conductive
  • the reference electrode 134 has a separate electrically conductive connection 136 to a terminal Vs of the external electronic controller 122 for the Nernst voltage Vs.
  • the Nernst cell 130 abuts against a reference gas space 138.
  • a second portion of the oxygen ions from the sample gas space 126 and / or from the environment of the sensor 100 is transported into the reference gas space 138 by applying a reference pumping current between the terminal Vs and the common terminal COM.
  • the value for the reference pumping current is adjusted such that a defined proportion of the oxygen ions in the
  • Reference gas space 138 forms.
  • the value for the first pumping current I PI is adjusted such that a fixed ratio between the first portion of the oxygen ions in the Sample gas chamber 126 and the second portion of the oxygen ions in the
  • the second pumping cell 140 has an NO x pumping electrode 142 and a NO x counterelectrode 144 and abuts against a second cavity 145 in the interior of the sensor element 110.
  • At least one of the two electrodes NO x - pumping electrode 142 and / or NO x -Gegenelektrode 144 are configured such that upon application of a voltage by means of catalysis from the object component NO x further molecular oxygen can be generated, which is formed in the second pumping cell 140th
  • the NO x pumping electrode 142 has an electrically conductive connection 146 which leads to the common connection COM
  • the NO x counterelectrode 144 has an electrically conductive connection 146, via which a second pumping current lp 2 is applied to the second pumping cell 140 can.
  • the electrically conductive connection 146 is connected to a connection P2 of the external electronic control device 122.
  • the sensor element 110 further has a heating element 148, which by means of two supply lines 150 with terminals HTR + and HTR- of
  • Control device 122 is connected, via which a heating current can be introduced into the heating element 148, which can bring the sensor element 110 by means of generating a heating power to the desired temperature.
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method according to the invention for
  • the electronic control unit 122 is connected to the sensor element 110 via the electrical connections described above. This can be done, for example, at the factory. In the present embodiment, the electronic control unit 122 is connected to the sensor element 110 via at least four electrical connections. Thus, the electronic control unit 122 at least via the first separate port PI for the first pumping cell 112, the second separate port P2 for the second pumping cell 140, the connection for a Nernstraw Vs and the common port COM
  • the Nernst electrode 132 is connected to the common terminal COM, and the reference electrode 134 is connected to the Nernst voltage terminal Vs.
  • the pump electrode 142 is connected to the common terminal COM, and the counter electrode 144 is connected to the second separate terminal P2.
  • step S12 the sensor 100 is turned on, which may for example take place at the same time as starting the internal combustion engine. At this time, oxygen is in the second pumping cell 140, and more precisely in the second cavity 145, for example, from a previous operating cycle or production-related. That is why the
  • the controller 122 is adapted to control a nominal value for the Nernst voltage of the Nernst cell 130. For this purpose, the controller 122 on a controller, not shown. The controller 122 outputs for normal operation, i. after establishing the operational readiness, in step S14 a first target value for the
  • step S16 the control unit 122 sets the controller a modified nominal value for a Nernst voltage of the Nernst cell 130.
  • the first setpoint value is changed to a second setpoint value, wherein the second setpoint value is greater than the first setpoint value.
  • the second desired value is an electrical voltage in a range of 425 mV to 800 mV and preferably 430 mV to 650 mV, for example 500 mV.
  • the controller of the controller 122 sets a higher pumping voltage on the first pumping cell 112.
  • the desired operating point with an O 2 concentration of approx. 10 6 mbar lppm reached. If the regulator of the control unit 11 is given a different nominal value for the Nernst voltage, the control unit 122 is simulated quasi a gas with a higher oxygen partial pressure and the first
  • Oxygen partial pressure difference between the first cavity 126 and the second cavity 145 is increased as compared to an oxygen partial pressure difference between the first cavity 126 and the second cavity 145 at the first target value of the Nernst voltage.
  • the pumping out or removal of the oxygen from the first cavity 126 is effected by a first pumping current IPI, which adjusts via the first electrically conductive connection 120 and the connection PI of an external electronic control device 122 when a pumping voltage is set by the controller of the control device 122.
  • the inner pumping electrode 116 has the electrically conductive connection 124, which leads to the common terminal COM of the external electronic control unit 122.
  • oxygen is pumped from the second cavity into the reference gas space 138 by means of the pumping electrode 142 and the counterelectrode 144 of the second pumping cell 140. This shortens the time until the operational readiness of the second pumping cell 140.
  • a further acceleration for producing the operational readiness of the second pumping cell 140 can be achieved if the sensor element 110 is heated by means of the heating element 148 at least during the removal of the oxygen from the first pumping cell 112 or the first cavity 126.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, wobei der Sensor (100) ein Sensorelement (110) umfasst. Das Sensorelement (110) weist eine erste Pumpzelle (112), die eine äußere Pumpelektrode (114) und eine innere Pumpelektrode (116) aufweist und die an einem ersten Hohlraum (126) anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle (130), welche eine Nernst-Elektrode (132) und eine Referenzelektrode (134) aufweist und die an einem Referenzgasraum (138) anliegt, und eine zweite Pumpzelle (140), die eine Pumpelektrode (142) und eine Gegenelektrode (144) aufweist und die an einem zweiten Hohlraum (145) anliegt, auf. Eine Nernstspannung der Nernstzelle (130) wird von einem ersten Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert, wobei der zweite Soll-Wert größer als der erste Soll-Wert ist. Mittels der äußeren Pumpelektrode (114) und der inneren Pumpelektrode (116) wird Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum (126) entfernt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenen Sauerstoff erzeugt wird, bekannt.
Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht als NOx-Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347
beschrieben.
Stickoxid-Sensoren (= NOx-Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst- Konzentrationszelle, die auch
Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die die sogenannte NOx-Zelle. Eine dem Abgas ausgesetzte äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bilden. Die NOx-Zelle umfasst eine NOx- Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NOx-Pumpelektrode befindet sich einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.
Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten 02-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft im Messgas- bzw.
Abgasstrom. In der NOx-Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NOc in der in dem zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NOx stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung gegen den Widerstand der NOx-Zelle und durch die
Konzentration des Stickoxids NOx bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NOx bzw. Sauerstoff ist und das NOx- Messsignal darstellt.
Der dabei resultierende Pumpstrom lp2 ist somit ein Maß für die NOx- Konzentration der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. Eine Gold- Dotierung der Elektrode der 02-Zelle verhindert zusammen mit einer limitierten Pumpspannung die Zersetzung des NOx, welches sich dann als zusätzlicher 02- Pumpstrom bemerkbar machen würde und die eigentliche NOx-Messung der zweiten Zelle verfälschen würde.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch
Verbesserungspotenzial. Zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Stickoxid- Sensors muss vorhandener Sauerstoff aus der NOx-Messzelle entfernt werden. Dies geschieht bislang durch Abpumpen des vorhandenen Sauerstoffs über die NOx-Elektrode. Die Oberfläche der NOx-Elektrode ist relativ klein. Eine zu hohe Stromdichte schädigt die Elektrode. Der zum Abpumpen zur Verfügung stehende Strom ist deshalb relativ gering, so dass für das Abpumpen des vorhandenen Sauerstoffs eine vergleichsweise lange Zeit von ca. 20 s benötigt wird. Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem die Zeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft beim Start des Sensors deutlich reduziert wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor ein Sensorelement umfasst, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle, welche eine Nernst- Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wird eine Nernstspannung der Nernstzelle von einem ersten Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert. Der zweite Soll-Wert ist größer als der erste Soll- Wert. Mittels der ersten Pumpzelle bzw. der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode wird Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum entfernt.
In der ersten Pumpzelle ist bereits nach kurzer Zeit von beispielsweise weniger als 2s der gewünschte Betriebspunkt mit einer 02- Konzentration von ca. 10 6 mbar = lppm erreicht. Wird das Nernstpotenzial der Nernstzelle durch Vorgabe eines neuen Sollwerts für die Nernstspannung so verändert, dass dem Regler ein Gas mit höherem Sauerstoffpartialdruck vorgetäuscht wird, erhöht dieser die Pumpspannung an der ersten Pumpzelle, wodurch ein erhöhter Pumpstrom fließt. Somit versucht die erste Pumpzelle noch stärker Sauerstoff abzupumpen, obwohl die Zelle bereits von Sauerstoff geleert ist. Durch den
Sauerstoffkonzentrationsgradienten zwischen der ersten Pumpzelle (ca. lppm) und der zweiten Pumpzelle (>>lppm) diffundiert nun Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle bzw. dem zweiten Hohlraum in die erste Pumpzelle bzw. in den ersten Hohlraum und wird dort abgepumpt. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle.
Bei einer Weiterbildung weist der zweite Soll-Wert eine elektrische Spannung in einem Bereich von 425 mV bis 800 mV und bevorzugt 430 mV bis 650 mV auf. Diese Spannung ist ausreichend für eine schnelle Entfernung von Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle.
Bei einer Weiterbildung wird das elektronische Steuergerät über mindestens vier elektrische Anschlüsse mit dem Sensorelement verbunden, wobei das elektronische Steuergerät zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss für die erste Pumpzelle, einen zweiten gesonderten Anschluss für die zweite Pumpzelle, über einen Anschluss für die Nernstspannung und über einen gemeinsamen Anschluss verfügt. Damit lassen sich verschiedene Spannungen, Ströme und Potentiale an dem Sensorelement messen, die zur Beschreibung qualitativer und quantitativer Eigenschaften des Messgases dienen.
Bei einer Weiterbildung wird auf die Nernstspannung der Nernstzelle mittels des Steuergeräts geregelt. Das Steuergerät weist somit einen Regler auf, der in diesem integriert sein kann. Damit lässt sich die Nernstspannung besonders genau einstellen.
Bei einer Weiterbildung wird die Nernst- Elektrode mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden und die Referenzelektrode wird mit dem Anschluss für eine Nernstspannung verbunden. Damit lässt sich die Nernstzelle genau regeln.
Bei einer Weiterbildung wird die Pumpelektrode mit dem gemeinsamen
Anschluss verbunden, wobei die Gegenelektrode mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei an die Pumpelektrode und die Gegenelektrode eine elektrische Pumpspannung angelegt wird. Dabei stellt sich ein Pumpstrom zwischen der Pumpelektrode und der Gegenelektrode ein. Damit wird ein geeigneter Pumpbetrieb der zweiten Pumpzelle sichergestellt.
Bei einer Weiterbildung wird mittels des zweiten Soll-Werts der Nernstspannung der Nernstzelle ein Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum im Vergleich zu einem Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum bei dem ersten Soll-Wert der Nernstspannung vergrößert. Dadurch kann besonders gut bzw. schnell Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum in den ersten Hohlraum durch die Diffusionsbarriere gelangen.
Bei einer Weiterbildung wird das Sensorelement zumindest während des Entfernens des Sauerstoffs aus dem ersten Hohlraum beheizt. Dies beschleunigt das Entfernen von Sauerstoff zusätzlich, da sichergestellt wird, dass der Festelektrolyt ausreichend für Sauerstoffionen leitend ist.
Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.
Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.
Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die einer äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle, welcher eine Nernst- Elektrode und eine
Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei der Sensor weiterhin ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät aufweist.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Bräunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird.
Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall- Keramik- Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet- Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre
Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens zwei Zuleitungsbahnen umfassen. Die Zuleitungsbahnen werden nachfolgend auch als Zuleitung bezeichnet.
Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn bzw. Zuleitung, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung, da durch diese ein elektrischer Strom fließt. Das
Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die Erfindung ist direkt durch eine verkürzte Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft nach Start des Sensors nachweisbar. Die jeweiligen
Potenziale können an den Zuleitungen gemessen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors und Figur 2 Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.
Der Sensor 100, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer
Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, umfasst hierzu ein Sensorelement 110 eine erste Pumpzelle 112, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist. Die äußere
Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der Umgebung des Sensors 100 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom IPI in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die erste elektrisch leitende
Verbindung 120 ist hierzu mit einem Anschluss PI eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine zweite elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Die erste Pumpzelle 112 liegt an einem ersten Hohlraum 126 an, der sich im Inneren des Sensorelements 110 befindet und mit dem Messgas in Verbindung steht. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms IPI in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen dem ersten Hohlraum 126 und der Umgebung des Sensors 100 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem ersten Hohlraum 126 ist eine Diffusionsbarriere 128 vorhanden.
Das Sensorelement 110 weist weiterhin eine elektrische Nernstzelle 130 auf, welche eine Nernst- Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst- Elektrode 132 über die zweite elektrisch leitende
Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einem Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 für die Nernstspannung Vs auf. Die Nernstzelle 130 liegt an einem Referenzgasraum 138 an. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem Messgasraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 100 wird in den Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz- Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz-Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem
Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom IPI derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem Messgasraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem
Referenzgasraum 138 ergibt.
Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NOx mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140 des Sensorelements 110, welche auch als„NOx-Pumpzelle“ bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle 140 weist eine NOx-Pumpelektrode 142 und eine NOx- Gegenelektrode 144 auf und liegt an einem zweiten Hohlraum 145 im Inneren des Sensorelements 110 an. Wenigstens eine der beiden Elektroden NOx- Pumpelektrode 142 und/oder NOx-Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NOx weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.
Während die NOx-Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung 146 aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NOx- Gegenelektrode 144 eine elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom lp2 an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms lp2 an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert. Der zweite Hohlraum 145 ist von dem ersten Hohlraum 126 durch eine Diffusionsbarriere 147 getrennt.
Das Sensorelement 110 verfügt weiterhin über ein Heizelement 148, welches mittels zweier Zuleitungen 150 mit Anschlüssen HTR+ und HTR- des
Steuergeräts 122 verbunden ist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung das Sensorelement 110 auf die gewünschte Temperatur bringen kann.
Figur 2 zeigt Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betreiben des Sensors 100. Zunächst wird in Schritt S10 das elektronische Steuergerät 122 über die oben beschriebenen elektrischen Anschlüsse mit dem Sensorelement 110 verbunden. Dies kann beispielsweise werkseitig geschehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das elektronische Steuergerät 122 über mindestens vier elektrische Anschlüsse mit dem Sensorelement 110 verbunden. So wird das elektronische Steuergerät 122 zumindest über den ersten gesonderten Anschluss PI für die erste Pumpzelle 112, den zweiten gesonderten Anschluss P2 für die zweite Pumpzelle 140, über den Anschluss für eine Nernstspannung Vs und über den gemeinsamen Anschluss COM
verbunden. Die Nernst- Elektrode 132 wird mit dem gemeinsamen Anschluss COM verbunden und die Referenzelektrode 134 wird mit dem Anschluss für eine Nernstspannung Vs verbunden. Außerdem wird die Pumpelektrode 142 mit dem gemeinsamen Anschluss COM verbunden und die Gegenelektrode 144 wird mit dem zweiten gesonderten Anschluss P2 verbunden.
In Schritt S12 wird der Sensor 100 eingeschaltet, was beispielsweise zeitgleich mit einem Starten der Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich in der zweiten Pumpzelle 140 und genauer in dem zweiten Hohlraum 145 Sauerstoff, beispielsweise aus einem vorhergehenden Betriebszyklus oder herstellungsbedingt. Aus diesem Grund ist die
Pumpelektrode 142 noch mit Sauerstoff belegt. Das Steuergerät 122 ist geeignet auf einen Sollwert für die Nernstspannung der Nernstzelle 130 zu regeln. Zu diesem Zweck weist das Steuergerät 122 einen nicht näher dargestellten Regler auf. Das Steuergerät 122 gibt für den normalen Betrieb, d.h. nach Herstellung der Betriebsbereitschaft, in Schritt S14 einen ersten Soll-Wert für die
Nernstspannung der Nernstzelle 130 vor. Der erste Soll-Wert ist beispielsweise eine elektrische Spannung von 420 mV und entspricht einem Lambda = 1 der Nernstzelle 130.
Daraufhin wird in Schritt S16 in dem Steuergerät 122 dem Regler ein geänderter Soll-Wert für eine Nernstspannung der Nernstzelle 130 vorgegeben. So wird der erste Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert, wobei der zweite Soll-Wert größer als der erste Soll-Wert ist. Der zweite Soll-Wert ist eine elektrische Spannung in einem Bereich von 425 mV bis 800 mV und bevorzugt 430 mV bis 650 mV, beispielsweise 500 mV. Dadurch stellt der Regler des Steuergeräts 122 eine höhere Pumpspannung an der ersten Pumpzelle 112 ein.
In der ersten Pumpzelle 112 ist bereits nach kurzer Zeit von beispielsweise weniger als 2s der gewünschte Betriebspunkt mit einer 02- Konzentration von ca. 10 6 mbar = lppm erreicht. Wird dem Regler des Steuergeräts 11 ein anderer Soll-Wert für die Nernstspannung vorgegeben, wird dem Steuergerät 122 quasi ein Gas mit höherem Sauerstoffpartialdruck vorgetäuscht und die erste
Pumpzelle 112 versucht noch stärker Sauerstoff abzupumpen, obwohl die erste Pumpzelle 112 bereits von Sauerstoff geleert ist. Mittels des zweiten Soll-Werts der Nernstspannung der Nernstzelle 130 wird ein
Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Hohlraum 145 im Vergleich zu einem Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Hohlraum 145 bei dem ersten Soll-Wert der Nernstspannung vergrößert. Durch den
Konzentrationsgradienten zwischen der ersten Pumpzelle 112 von ca. lppm und der zweiten Pumpzelle 140 von deutlich mehr als lppm diffundiert nun Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle 140 bzw. dem zweiten Hohlraum 145 durch die Diffusionsbarriere 147 zwischen dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Hohlraum 145 in die erste Pumpzelle 112 bzw. den ersten Hohlraum 126 und wird dort abgepumpt. Das Abpumpen bzw. Entfernen des Sauerstoffs aus dem ersten Hohlraum 126 geschieht durch einen ersten Pumpstrom IPI, der sich über die erste elektrisch leitende Verbindung 120 und dem Anschluss PI eines externen elektronischen Steuergeräts 122 bei Vorgabe einer Pumpspannung durch den Regler des Steuergeräts 122 einstellt. Um einen vollständigen
Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 über die elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Zugleich wird Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum in den Referenzgasraum 138 mittels der Pumpelektrode 142 und der Gegenelektrode 144 der zweiten Pumpzelle 140 gepumpt. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle 140.
Eine weitere Beschleunigung zur Herstellung der Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle 140 lässt sich erzielen, wenn das Sensorelement 110 mittels des Heizelements 148 zumindest während des Entfernens des Sauerstoffs aus der ersten Pumpzelle 112 bzw. dem ersten Hohlraum 126 beheizt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer
Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement (110), wobei das Sensorelement (110) eine erste Pumpzelle (112), die eine äußere
Pumpelektrode (114) und eine innere Pumpelektrode (116) aufweist und die an einem ersten Hohlraum (126) anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle (130), welche eine Nernst- Elektrode (132) und eine Referenzelektrode (134) aufweist und die an einem
Referenzgasraum (138) anliegt, und eine zweite Pumpzelle (140), die eine Pumpelektrode (142) und eine Gegenelektrode (144) aufweist und die an einem zweiten Hohlraum (145) anliegt, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (130) von einem ersten Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert wird, wobei der zweite Soll-Wert größer als der erste Soll-Wert ist, wobei mittels der äußeren Pumpelektrode (114) und der inneren
Pumpelektrode (116) Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum (126) entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Soll-Wert eine elektrische Spannung in einem Bereich von 425 mV bis 800 mV und bevorzugt 430 mV bis 650 mV ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektronische Steuergerät (122) über mindestens vier elektrische Anschlüsse mit dem Sensorelement (110) verbunden wird, wobei das elektronische Steuergerät (122) zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss (PI) für die erste Pumpzelle (112), einen zweiten gesonderten Anschluss (P2) für die zweite Pumpzelle (140), über einen Anschluss für eine Nernstspannung (Vs) und über einen gemeinsamen Anschluss (COM) verfügt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei auf die Nernstspannung der Nernstzelle (130) mittels des Steuergeräts (122) geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Nernst- Elektrode (132) mit dem gemeinsamen Anschluss (COM) verbunden wird und die Referenzelektrode (134) mit dem Anschluss für eine Nernstspannung (Vs) verbunden wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Pumpelektrode (142) mit dem gemeinsamen Anschluss (COM) verbunden wird, wobei die
Gegenelektrode (144) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbunden wird, wobei an die Pumpelektrode (142) und die Gegenelektrode (144) eine elektrische Pumpspannung angelegt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mittels des zweiten Soll- Werts der Nernstspannung der Nernstzelle (130) ein
Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum (126) und dem zweiten Hohlraum (145) im Vergleich zu einem
Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum (126) und dem zweiten Hohlraum (145) bei dem ersten Soll-Wert der Nernstspannung vergrößert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sensorelement (110) zumindest während des Entfernens des Sauerstoffs aus dem ersten Hohlraum (126) beheizt wird.
9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
10. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
11. Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
12. Sensor (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer
Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement (110), wobei das Sensorelement (110) eine erste
Pumpzelle (112), die eine äußere Pumpelektrode (114) und eine innere Pumpelektrode (116) aufweist und die an einem ersten Hohlraum (126) anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle
(130), welcher eine Nernst- Elektrode (132) und eine Referenzelektrode (134) aufweist und die an einem Referenzgasraum (138) anliegt, und eine zweite Pumpzelle (140), die eine Pumpelektrode (142) und eine Gegenelektrode (144) aufweist und die an einem zweiten Hohlraum (145) anliegt, wobei der Sensor (100) weiterhin ein elektronisches Steuergerät nach dem
vorhergehenden Anspruch aufweist.
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