DE102004006875A1

DE102004006875A1 - Abgassensorvorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102004006875A1
Application number: DE200410006875
Authority: DE
Inventors: Roland Stahl; Andy Tiefenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-09-01

Abstract

Vorgestellt wird eine Abgassensorvorrichtung (54) mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (70), der Abgas von einer Referenzatmosphäre trennt und der mit einer ersten abgasseitigen Elektrode (72) und einer Referenzatmosphären-seitigen Elektrode (76) eine Nernstzelle bildet. Die Abgassensorvorrichtung zeichnet sich durch eine zweite abgasseitige Elektrode (74) aus, die mit der ersten abgasseitigen Elektrode (72) eine Pumpzelle bildet. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Abgassensorvorrichtung (54) vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgassensorvorrichtung mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten, der Abgas von einer Referenzatmosphäre trennt und der mit einer ersten abgasseitigen Elektrode und einer Referenzatmosphären-seitigen Elektrode eine Nernstzelle bildet, und mit einer Schutzschicht, die die erste abgasseitige Elektrode im eingebauten Zustand vom Abgas trennt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgassensorvorrichtung mit einer Betriebs- und Auswerteschaltung, die eine zwischen den Elektroden der Nernstzelle bestehende Nernstspannung misst.

Eine solche Abgassensorvorrichtung und ein solches Verfahren sind bekannt, zum Beispiel aus dem Kraftfahrtechnischen Taschenbuch, 23. Auflage (ISBN 3-528-03876-4), Seite 523.

Unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen im Abgas und in der Referenzatmosphäre rufen einen Sauerstoffionenstrom durch den Festelektrolyten hervor, der zu einer Potentialdifferenz zwischen einer abgasseitigen Elektrode und der Referenzelektrode führt. Diese Potentialdifferenz wird als Nernstspannung bezeichnet.

Nach dem Nernstprinzip arbeitende Abgassensoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Empfindlichkeit in der Nähe von Lambda = 1 aus. Dabei bezeichnet die Luftzahl Lambda das Verhältnis von zwei jeweils auf eine gleiche Kraftstoffmasse bezogenen Luftmassen. Im Zähler steht die tatsächlich für die Verbrennung der Kraftstoffmasse benötigte Luftmasse und im Nenner steht die für eine stöchiometrische Verbrennung der Kraftstoffmasse erforderliche Luftmasse.

Katalytisch aktive abgasseitige Elektroden sorgen für eine chemische Gleichgewichtseinstellung der Abgasbestandteile an den Elektroden. Bei Lambda gleich 1 zeigt die Nernstspannung einen sehr steilen Gradienten. Der steile Gradient rührt von der chemischen Gleichgewichtseinstellung her, weil sich der Gleichgewichts-Sauerstoff-Partialdruck in einer engen Umgebung des stöchiometrischen Punkt um mehrere Größenordnungen ändert.

Der Einsatz dieses Sensortyps im Abgas von Verbrennungsmaschinen kann prinzipiell verschiedenen Zwecken dienen.

Ein erster Zweck besteht darin, als schneller Regelsensor für einen Regelkreis das Kraftstoff/Luft-Verhältnis in Brennräumen von Verbrennungsmotoren zu dienen. Als Maß für das Kraftstoff/-Luft-Verhältnis erfasst ein erster Abgassensor eine Sauerstoffkonzentration vor einem Katalysator. Die aus unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen im Abgas und in der Referenzatmosphäre resultierende Nernstspannung wird hochohmig erfasst und als Eingangsignal für den ersten Regelkreis benutzt.

Ein Rückschluss von der Potentialdifferenz/Nernstspannung auf das Kraftstoff/Luft-Verhältnis ist nur dann möglich, wenn sich im Abgas ein thermodynamisches Gasgleichgeweicht einstellt. Diese Bedingung wird mit Hilfe katalytisch aktiver Elektroden erfüllt, die lokal an der dem Abgas zugewandten Elektrode eine vollständige Umsetzung zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser herbeiführen. In diesem Fall zeigt die Sondenkennlinie den genannten steilen Gradienten. Wenn hohe Konzentrationen von Abgaskomponenten, die nicht im thermischen Gleichgewicht sind, nur unvollständig umgesetzt werden, zeigt die Kennlinie der Sonde Verschiebungen der Lage des Sprungs.

Ein zweiter Zweck besteht darin, als Führungssonde für einen zweiten Regelkreis zu dienen, der dem ersten Regelkreis überlagert ist. Für diesen Zweck wird der Abgassensor hinter einem Katalysatorvolumen angeordnet. Das Katalysatorvolumen bringt das Abgas weitgehend in das thermische Gleichgewicht, so dass der zweite Abgassensor die Sauerstoffkonzentration im Abgas mit erhöhter Genauigkeit erfassen kann. Neben diesem Vorteil hat die Anordnung des zweiten Abgassensors hinter dem katalytischen Volumen jedoch den Nachteil, dass Änderungen der Sauerstoffkonzentration im verbrennungsmotorischen Rohabgas gewissermaßen durch Speichereffekte des Katalysatorvolumens gedämpft werden, so dass der zweite Abgassensor nur vergleichsweise langsam auf solche Änderungen reagiert. Aus diesem Grunde verwendet man für die Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches primär den ersten Abgassensor und benutzt den zweiten Regelkreis zur überlagerten Korrektur, beispielsweise zu einer korrigierenden Sollwertverschiebung für den ersten Regelkreis.

Weiter sind Konzepte für den Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen der Verbrennungsmotor nur bei mittlerer und hoher Last mit stöchiometrischem Kraftstoff/Luftgemisch betrieben wird und bei denen bei niedriger Last ein Betrieb mit Luftüberschuss bevorzugt wird. Bei einem solchen Magerbetrieb entstehen in größerem Umfang Stickoxide, die bei gleichzeitig hohen Sauerstoffkonzentrationen nur schwer zu konvertieren sind. Zur Konvertierung großer Stickoxidmengen ist das kontinuierliche SCR-Verfahren (selective catalytic reduction) bekannt, für dessen Betrieb und Überwachung wohl ein NO_x-Sensor oder NH₃-Sensor benötigt wird. Ein anderes, jedoch diskontinuierliches Verfahren, nutzt einen NO_x-Speicherkatalysator, der im mageren Abgas Stickoxide einspeichert und diese in konvertierter Form in kurzen Regenerierungsphasen abgibt, die sich durch eine reduzierende Abgasatmosphäre auszeichnen.

Man kann die Phase, in der Stickoxide eingespeichert werden, durch einen NO_x-Sensor überwachen. Alternativ oder ergänzend kann die Regenerierungsphase durch einen sauerstoffempfindlichen Abgassensor überwacht werden. Ein dritter Zweck besteht daher darin, als Überwachungssonde für die Regenerierung des NO_x-Speicherkatalysators zu dienen.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass beim Einsatz herkömmlicher Abgassensoren mit Sprungcharakteristik zur Überwachung der Regenerierungsphasen überempfindliche Reaktionen in den Sondensignalverläufen auftreten können, die eine genaue Steuerung der Regenerierungsphase erschweren. Der Vorteil einer extrem hohen Empfindlichkeit bei der Verwendung als Führungssonde ist daher für die Verwendung zur Überwachung der Regenerierung eines Speicherkatalysators eher hinderlich.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer Abgassensorvorichtung und eines Verfahrens zum Betreiben einer Abgassensorvorrichtung, die für die drei genannten Zwecke geeignet ist, ohne die genannten Nachteile aufzuweisen. Dabei soll die Empfindlichkeit im Betrieb als Überwachungssonde so reduziert werden, dass die genannten Überempfindlichkeitsreaktionen zumindest verringert werden. Dabei soll aber insbesondere die Eignung als Führungssonde erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird bei einer Abgassensorvorichtung der eingangs genannten Art durch eine zweite abgasseitige Elektrode gelöst, die mit der ersten abgasseitigen Elektrode eine Pumpzelle bildet.

Ferner wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung einen Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten abgasseitigen Elektrode erzeugt und ein Ausmaß des Potentialunterschiedes zwischen wenigstens zwei Werten umsteuert.

Durch diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Die Pumpzelle erlaubt das Pumpen von Sauerstoff zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden. Dadurch kann gezielt eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden eingestellt werden. Als Folge ergibt sich bei einer Erfassung der Nernstspannung zwischen der Referenzelektrode und einer der beiden abgasseitigen Elektroden eine definierte Verschiebung des Verlaufs der Nernstspannung sowohl im Vergleich zu einer Messung zwischen der Referenzelektrode und der anderen abgasseitigen Elektrode als auch im Vergleich zu einer Messung ohne Pumpstrom. Die Verschiebung erfolgt bevorzugt so, dass an der abgasseitigen Elektrode, die zur Messung verwendet wird, eine erhöhte Sauerstoffkonzentration eingestellt wird. Dadurch wird die Empfindlichkeit, mit der die Messung auf kurzzeitige Störungen der Sauerstoffkonzentrationen an der beteiligten abgasseitigen Elektrode reagiert, verringert.

Der im Zusammenhang mit dem Verfahren genannte Potentialunterschied treibt den Pumpstrom. Dadurch, dass der Potentialunterschied umgesteuert werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, die Abgassensorvorrichtung zeitweise mit jeweils angepasster Empfindlichkeit zur Führung eines Regelkreises und zeitweise zur Überwachung der Regenerierung eines Speicherkatalysators zu verwenden. Dadurch kann bei Abgasreinigungskonzepten, bei denen der Sensorteil der Abgassensorvorrichtung hinter einem Speicherkatalysator angeordnet ist, sowohl eine Führungsaufgabe, als auch eine Überwachungsaufgabe erfüllt werden. Zur Führung und Überwachung werden in diesem Fall verschiedene Potentialunterschiede eingestellt.

Mit anderen Worten: Durch einen bedarfsweise einzustellenden Pumpstrom wird die Gasatmosphäre an der abgasseitigen Elektrode etwas verändert. Dieser Pumpstrom wird zum Beispiel nur im Speicher- und Regenerierbetrieb eingeschaltet und bei Lambda=1-Betrieb bleibt er abgeschaltet. Dadurch benötigt man keinen teuren NOx-Sensor. Durch die mehrfache Verwendungsmöglichkeit der Abgassensorvorrichtung können die drei Aufgaben mit gleichen Sensoren erfüllt werden. Diese Sensoren können daher in erhöhten Stückzahlen gefertigt werden. Außerdem wird die Vorratshaltung für den Ersatzteilmarkt vereinfacht.

Es ist bevorzugt, dass die erste abgasseitige Elektrode neben der zweiten abgasseitigen Elektrode auf dem Festelektrolyten angeordnet ist.

Diese Anordnung ist leicht herstellbar, da die zusätzliche zweite abgasseitige Elektrode im gleichen Prozessschritt wie die erste abgasseitige Elektrode auf dem Festelektrolyten angeordnet werden kann.

Bevorzugt ist auch, dass die zweite abgasseitige Elektrode von einer porösen Schutzschicht bedeckt ist.

Die Schutzschicht schützt die darunterliegende Elektrode vor dem Aufprall von Partikeln, die mit dem Abgasstrom transportiert werden. Darüber behindert sie den Gaszutritt aus dem Abgas zur Elektrode durch einen erwünschten Diffusionswiderstand. Durch Variation des Diffusionswiderstandes, zum Beispiel durch unterschiedliche Porengrößen der Schutzschicht der ersten abgasseitigen Elektrode und der zweiten abgasseitigen Elektrode kann die Einstellung der gewünschten Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen beiden abgasseitigen Elektroden gegebenenfalls unterstützt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Betriebs- und Auswerteschaltung aus, die eine zwischen den Elektroden der Nernstzelle bestehende Nernstspannung misst.

Durch diese Ausgestaltung kann der steile Signalgradient, der eine sehr genaue Messung von Sauerstoffkonzentrationsunterschieden zwischen der Referenzelektrode und der zur Messung verwendeten abgasseitigen Elektrode ermöglicht, für die Auswertung verwendet werden.

Bevorzugt ist auch, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung einen Potentialunterschied zwischen der ersten und der zweiten abgasseitigen Elektrode erzeugt.

Dieser aufgezwungene oder eingeprägte Potentialunterschied sorgt für eine definierte Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden. Als Folge wird die Kennlinie der Abgassensorvorrichtung und damit der Sprung im Signalverhalten definiert verschoben, wobei die Genauigkeit, mit der der definiert verschobene Sprung erfasst wird, erhalten bleibt.

Ferner ist bevorzugt, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung ein erstes Potential an die erste abgasseitige Elektrode anlegt und ein zweites Potential an die zweite abgasseitige Elektrode anlegt.

Bevorzugt ist auch, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung ein erstes Potential an die Referenzelektrode anlegt und ein zweites Potential an die zweite Abgaselektrode anlegt.

In ersten Fall ist die Referenzelektrode frei von eingeprägten Potentialen, während im zweiten Fall die erste abgasseitige Elektrode von eingeprägten Potentialen frei bleibt. In jedem Fall lassen sich die eingeprägten Potentiale so einstellen, dass sich eine Verschiebung der Sauerstoffkonzentration an der zu Messung verwendeten abgasseitigen Elektrode und damit eine Verschiebung des Sprungs in der Kennlinie einstellt.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung an der ersten abgasseitigen Elektrode ein höheres Potential erzeugt als an der zweiten abgasseitigen Elektrode.

Auf diese Weise wird Sauerstoff von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode gepumpt. Als Folge wird an der zur Messung verwendeten ersten abgasseitigen Elektrode die Sauerstoffkonzentration definiert erhöht, so das kurzzeitige Störungen der Sauerstoffkonzentration (sogenannte Spitzen), die sonst bereits einen störenden Sprung in der Nernstspannung zur Folge hätten, noch keinen Sprung erzeugen. Auf diese Weise können kurzzeitige störende Effekte gewissermaßen ausgefiltert werden.

Ferner ist bevorzugt, dass der Potentialunterschied kleiner als 200 mV ist.

Die Größe des Pumpstroms muss in angemessener Relation zu den Diffusionsströmen, also zu den durch Sauerstoffkonzentrationsgradienten getriebenen Teilchenströmen durch die porösen Schutzschichten, stehen. Zu große Pumpspannungen (z.B. > 200 mV) sind zu vermeiden. Wenn diese Pumpspannung für die gewünschte "Pumpverschiebung" des Sondensprungs nicht ausreichen sollte, können Modifikationen beim Diffusionswiderstand der Elektrode oder der Schutzschicht vorgenommen werden.

Mit Blick auf Ausgestaltungen des Verfahrens ist bevorzugt, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung den Potentialunterschied bei einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen kleinen Wert umsteuert und den Potentialunterschied bei einem geringen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen hohen Wert umsteuert.

Mit anderen Worten: Bei einem Lambda = 1 Betrieb kann die Abgassensorvorrichtung als hochgenaue Führungssensorik arbeiten und beim Betrieb mit Luftüberschuss und zwischenzeitlichen kurzen Regenerationsphasen kann die Abgassensorvorrichtung mit definiert eingeschränkter Empfindlichkeit zur Überwachung der Regenerierung eines Speicherkatalysators verwendet werden.

Bevorzugt ist auch, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung den Potentialunterschied bei geringem Sauerstoffgehalt im Abgas so steuert, dass sich ein konstanter Strom von Sauerstoffionen von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode einstellt.

Ein konstanter Strom erzeugt eine definierte Verschiebung der Sauerstoffkonzentration. Alternativ kann man bei hinreichend konstanten Widerstandsverhältnissen auch eine konstante Potentialdifferenz vorgeben. Der Widerstand hängt stark von der Abgastemperatur ab, die im Betrieb eines Verbrennungsmotors stark schwanken kann. Bei hinter einem Speicherkatalysator angeordneten Abgassonden ist die Temperatur jedoch wegen der ausgleichenden Wärmekapazität der davor liegenden Katalysatorvolumina in vielen Fällen hinreichend konstant.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem;

2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgassensorvorrichtung; und

3 Verläufe von Potentialen an einer abgasseitigen Nernstelektrode und einer Referenzelektrode als Funktion eines zwischen abgasseitiger Gegenelektrode und Referenzelektrode eingeprägten elektrischen Feldes.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgassystem 12. Brennräume 14, 16, 18, 20 des Verbrennungsmotors 10 werden aus einem Ansaugsystem 22 mit Luft gefüllt, wobei die Masse der in die Brennräume 14, 16, 18, 20 strömenden Luft mit einem Luftmassenmesser 24 erfasst wird. Aus dem Signal des Luftmassenmessers 24 und/oder eines Fahrpedalgebers 26 sowie aus dem Signal eines Drehzahlsensors 28 werden in einem Steuergerät 30 Basiswerte für Kraftstoffmengen bestimmt, die über Einspritzventile 32, 34, 36 und 38 zur Füllung der Brennräume 14, 16, 18, 20 mit Luft dosiert werden. Gegebenenfalls steuert das Steuergerät 30 auch die Stellung einer optional vorhandenen Drosselklappe 40 durch einen Steller 42.
Abgase aus Verbrennungsprozessen in den Brennräumen 14, 16, 18 und 20 werden durch das Abgassystem 12 gesammelt und im Abgas enthaltene Schadstoffe werden durch wenigstens ein Katalysatorvolumen 44 konvertiert. Das Katalysatorvolumen 44 kann beispielsweise als herkömmlicher 3-Wege-Katalysator realisiert sein. Hinter dem ersten Katalysatorvolumen 44 kann ein weiteres Katalysatorvolumen 46 angeordnet sein, das zum Beispiel als NO_x-Speicherkatalysator zur Konvertierung der bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit Luftüberschuss emittierten Stickoxide dient.
Ein erster Abgassensor 48 erfasst die Sauerstoffkonzentration im Abgas vor dem ersten Katalysatorvolumen 44. Der erste Abgassensor 48 bildet zusammen mit dem Steuergerät 30 als Regler und den Einspritzventilen 32, 34, 36, 38 als Stellglieder einen schnellen Kraftstoff/Luft-Verhältnis-Regelkreis für den Verbrennungsmotor 10. Ein zweiter Abgassensor 50 ist hinter dem katalytischen Volumen 44 im Abgassystem 12 angeordnet und bildet zusammen mit dem Steuergerät 30 einen zweiten Regelkreis, der den ersten Regelkreis führt. Ist zum Beispiel der erste Abgassensor 48 wegen eines ungleichgewichtigen Abgases systematisch falsch, so wird die Abweichung vom richtigen Wert durch den zweiten Abgassensor 50 erfasst und über das Steuergerät 30 beispielsweise zur Änderung eines Sollwertes für den ersten Regelkreis verwendet, so dass der erste Regelkreis trotz Fehlmessungen des ersten Abgassensors 48 auf den richtigen Sollwert regelt. Ein weiterer zweiter Abgassensor 52 ist alternativ oder ergänzend zu dem zweiten Abgassensor 50 hinter dem zweiten katalytischen Volumen 46 angeordnet. Die Abgassensoren 48, 50 und 52 sind bevorzugt gegeneinander austauschbar und erfüllen verschiedene Aufgaben jeweils dadurch, dass sich ihre individuellen Betriebs- und Auswerteschaltungen voneinander unterscheiden. Die individuellen Betriebs- und Auswerteschaltungen sind bevorzugt in das Steuergerät 30 integriert. Die Katalysatoren 44 und 46 können zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein. In diesem Fall ist an Stelle der beiden Abgassensoren 50, 52 prinzipiell nur der Abgassensor 52 erforderlich, wenn er auch die Führungsaufgabe erfüllen kann. Die erfindungsgemäße Abgassensorvorrichtung ist dazu in der Lage.
2 zeigt einen Abgassensor 54 im Schnitt zusammen mit einer in das Steuergerät 30 integrierten Betriebs- und Auswerteschaltung 56. Die Betriebs- und Auswerteschaltung 56 ist mit Rechner- und Speicherbausteinen 58 des Steuergerätes 30 verbunden, die darüber hinaus über einen Eingang 60 Eingangssignale der Sensoren 26, 28 empfangen und über einen Ausgang 62 die Stellglieder 32, 34, 36, 38 und 42 ansteuern. Der Abgassensor 54 nach der 2 kann als Abgassensor 48 oder 50 oder 52 nach 1 verwendet werden. Die Eignung für die jeweilige Verwendung ergibt sich durch verschiedene Betriebsweisen der Betriebs- und Auswerteschaltung 56.
So stellt die Betriebs- und Auswerteschaltung 56 den Potentialunterschied bei einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen kleinen Wert ein, während sie den Potentialunterschied bei einem geringen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen hohen Wert umsteuert.
Insbesondere stellt sie den Potentialunterschied bei geringem Sauerstoffgehalt im Abgas so ein, dass sich ein konstanter Strom von Sauerstoffionen von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode einstellt.
Der Abgassensor 54 weist bevorzugt einen Aufbau aus mehreren Schichten oder Folien auf. Eine Heizerfolie 64 trägt eine Heizerstruktur 66, auf der eine Referenzkanalfolie 68 aufgebracht ist. Über der Referenzkanalfolie 68 ist eine Zwischenfolie 70 angeordnet.
Die genannten Folien 64, 68, und 70, wenigstens jedoch die Zwischenfolie 70, bestehen aus einem Sauerstoffionen leitenden Material, beispielsweise aus einem Zirkon-Dioxid-Festkörperelektrolyten.
Der in der 2 dargestellte Abgassensor 54 weist eine erste abgasseitige Elektrode 72, eine zweite abgasseitige Elektrode 74 und eine Referenzelektrode 76 auf. Die Elektroden 72, 74 und 76 sind durch den Festelektrolyten der Zwischenfolie 70 gekoppelt, der eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen besitzt. Dabei sind die beiden abgasseitigen Elektroden 72, 74 auf einer ersten Seite 78 und die Referenzelektrode 76 auf einer zweiten Seite 80 der Zwischenfolie 70 angeordnet.
Die Referenzelektrode 76 ist einer Referenzatmosphäre ausgesetzt, die in dem Referenzkanal 69 herrscht. Über eine Verbindung des Referenzkanals 69 zur Umgebungsluft außerhalb des Abgassystems 12 kann die Referenzatmosphäre beispielsweise aus Luft bestehen. Ein Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen im Abgas 82 und im Referenzkanal 69 ruft dann einen ausgleichenden Sauerstoffionen-Diffusionsstrom durch den Festelektrolyten der Schicht 70 hervor, der zu unterschiedlichen elektrischen Potentialen an der Referenzelektrode 76 auf der einen Seite und den beiden abgasseitigen Elektroden 72, 74 führt.
Der auch als Nernstspannung bezeichnete Potentialunterschied zwischen der ersten abgasseitigen Elektrode 72 und der Referenzelektrode 76 wird durch den Operationsverstärker 84 der Betriebs- und Auswerteschaltung 56 hochohmig erfasst und an den Rechner 58 übergeben.
Die Erfassung einer solchen Nernstspannung ist bekannt. Bei der Erfassung von Nernstspannung mit hinter einem NO_x- Speicherkatalysator 46 gemäß 1 angeordneten Abgassensor hat sich in Versuchen herausgestellt, dass der Nernstsensor bereits auf eine Fettanzeige springt, obwohl das angebotene Gas noch einen Sauerstoffüberschuss aufweist. Der Signalverlauf zeigt damit eine Überempfindlichkeitsreaktion. Ein solcher Durchbruch ist also auf eine Fehlfunktion des Nernstsensors zurückzuführen (Methanverschiebung) und nicht etwa auf einen Sauerstoffmangel hinter dem Speicherkatalysator 46. Es hat sich speziell bei einem bestimmten Speicherkatalysator gezeigt, dass am Ende einer Regenerierung, die durch eine fette Abgasatmosphäre am Katalysatoreingang erfolgt, eine Methanspitze hinter dem Speicherkatalysator auftrat, bei dem die Nernstsonde trotz nachgewiesenem Sauerstoffüberschuss am Katalysatorausgang (z.B. Lambda = 1,003) schon eine Fettspannung anzeigt. Würde man der Nernstsonde noch ein weiteres katalytisches Volumen vorschalten, so könnte man ohne die erfindungsgemäße Pumpverschiebung bestenfalls einen Sprung bei Lambda gleich 1 erzielen. Es ist aber damit zu rechnen, dass kurzzeitige, relativ unschädliche Fettdurchbrüche auf z.B. Lambda = 0,997 vorkommen.
Einer solchen Fehlanzeige wird beim Gegenstand der 2 dadurch entgegengewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration an der ersten abgasseitigen Elektrode 72 durch einen Sauerstoffpumpstrom Ip von der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 erhöht wird. Poröse Schutzschichten 84, 86 schützen beide abgasseitigen Elektroden vor Beschädigungen durch mit dem Abgas transportierte Partikel. Eine weitere Aufgabe der Schutzschichten 84, 86 besteht in der Verhinderung eines zu schnellen Ausgleichs von Sauerstoffkonzentrationsdifferenzen zwischen beiden abgasseitigen Elektroden 72, 74 durch das Abgas 82. Dazu können beide Schutzschichten 84, 86 einen gleichen Diffusionswiderstand oder einen verschiedenen Diffusionswiderstand aufweisen, wobei der Diffusionswiderstand zum Beispiel durch Porengrößen des Schutzschichtmaterials bestimmt wird.
Eine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz wird bei dem Ausführungsbeispiel der 2 durch eine Pumpstromquelle 88 erzeugt, die vom Rechner 58 des Steuergerätes 30 bedarfsweise gesteuert wird. Die Pumpstromquelle 88 kann eine steuerbare oder schaltbare Konstantstromquelle oder eine steuerbare oder schaltbare Spannungsquelle sein. Der Pluspol der Pumpstromquelle 88 ist mit der ersten abgasseitigen Elektrode 72 verbunden, während der Minuspol der Pumpstromquelle 88 an die zweite abgasseitige Elektrode 74 angeschlossen ist. Der Stromkreis wird über den Festkörperelektrolyten in der Schicht 70 geschlossen, wobei der Strom im Festkörperelektrolyten durch Sauerstoffionen getragen wird. Die von der Pumpstromquelle 88 erzeugte Potentialdifferenz zwischen beiden abgasseitigen Elektroden treibt damit den Strom Ip (negativer) Sauerstoffionen durch den Elektrolyten der Schicht 70 von der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 zur ersten abgasseitigen Elektrode 72 und erhöht so die Sauerstoffkonzentration an der ersten abgasseitigen Elektrode. Die mit dem Einprägen des Sauerstoffionen-Pumpstroms verbundene Anreicherung von Sauerstoff an der ersten abgasseitigen Elektrode 72 verschiebt die Kennlinie der Nernstzelle aus den Elektroden 72 und 76 mit der dazwischen liegenden Zwischenfolie 70 so, dass eine Fettanzeige nicht bei einem Lambdawert von größer oder gleich 1, sondern bei einem Lambdawert < 1 auftritt.
Damit lassen sich die genannten Fettdurchbrüche, die mit einem üblichen, idealen Lambda = 1,000 Sensor nicht ausgefiltert werden können, durch die eingeprägte Pumpverschiebung beseitigen. Durch die Pumpverschiebung lassen sich damit sowohl Methanverschiebungen des Sensors als auch kurzzeitige Fettdurchbrüche durch den Katalysator 44, 46 kompensieren, so dass es nicht zu unerwünschten Reaktionen der Regelung kommt.
3 zeigt Verläufe von Potentialen an einer abgasseitigen Nernstelektrode und einer Referenzelektrode als Funktion eines zwischen abgasseitiger Gegenelektrode und Referenzelektrode eingeprägten Feldes, das den Pumpstrom treibt. Dabei sind Potentiale φ über dem Pumpstrom Ip zwischen den beiden abgasseitigen Elektroden 72 und 74 aufgetragen. Positive Pumpstromwerte entsprechen einem Sauerstoffionenstrom von der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 zur ersten abgasseitigen Elektrode 72. Negative Pumpstromwerte entsprechen der umgekehrten Stromrichtung.
Die Linie 90 bezeichnet das hohe Potential der Luftreferenz, also das Potential an der Referenzelektrode 76. Die Linie 92 bezeichnet das Potential an der ersten abgasseitigen Elektrode 72 bei hohem Sauerstoffanteil am Abgas und die Linie 94 bezeichnet das Potential der ersten abgasseitigen Elektrode 72 bei Sauerstoffmangel im Abgas. Die erste Abgaselektrode 72 liegt bei magerem Abgas, also wenn das Abgas relativ viel Sauerstoff enthält, auf einem ähnlich hohen Potential wie die Referenzelektrode 76. Es kann auf einem knapp 1 Volt niedrigeren Potential liegen, wenn das Abgas fett ist. Die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden 72, 76 wird hochohmig als Sensorspannung gemessen.
Die Referenzelektrode ist bei Nernstsonden normalerweise als Pluspol geschaltet, so dass man, ohne Pumpstrom (Ip = 0), bei magerem Abgas ca. 50 mV und bei fettem Abgas z.B. 800 mV Sensorspannung U 0 erhält. Bei Pumpbetrieb aus der zweiten abgasseitigen Elektrode 74 heraus erhält man (bei verschobenen Lambdawerten) einen Sprung U K von z.B. – 50 mV auf + 700 mV.
Die Referenzelektrode 76 wird bei modernen Sensoren als "gepumpte Referenz" ausgeführt, bei der eine weitere Pumpstromquelle Sauerstoffionen aus dem Abgas zur Referenzelektrode 76 pumpt. Wenn man die zum Ausfiltern kurzzeitiger Störungen dienende Pumpverschiebung nur durch die abgasseitigen Elektroden 72, 74 realisiert, greift man in das Management der gepumpten Referenz nicht ein. Die Sensorspannung beinhaltet dann nur die Polarisation der Abgaselektrode 72.
Man kann in besonders einfacher Weise, statt einen Pumpstrom vorzugeben, eine konstante Pumpspannung von z.B. 200 mV anlegen. Die gepumpte Referenz kann man zwischen Gegen- und Luftelektrode arbeiten lassen.
Wenn die Nernstsonde ungleichgewichtigem Abgas ausgesetzt wird, gibt es unter Umständen eine Diffusionsverschiebung, die ohne geometrische Größen von Schutzschicht oder Elektrode bestimmt werden kann. Es ist nicht bekannt, ob der zugepumpte Sauerstoff direkt auf die erste abgasseitige Elektrode 72 einwirkt oder in eine katalytische Schicht der Elektrode einströmende Fettgase, wie z.B. CO, H2 und Methan, oxidiert und dadurch den Gleichgewichts-Sauerstoff-Partialdruck verschiebt. In jedem Fall ist bei der oben beschriebenen Pumpverschiebung nicht mehr so, dass die absolute Größe der Diffusionsströme keine Rolle spielt. Die Größe des Pumpstroms muss in angemessener Relation zu den Diffusionsströmen stehen. Zu große Pumpspannungen (z.B. > 200 mV) sind zu vermeiden. Wenn diese Pumpspannung für die gewünschte "Pumpverschiebung" des Sondensprungs nicht ausreichen sollte, müssten Modifikationen beim Diffusionswiderstand der Elektrode oder der Schutzschicht vorgenommen werden. Hier ist ein praktisch-experimenteller Abgleich erforderlich.
Alternativ zu einem Pumpen von der zweiten abgasseitigen Elektrode zur ersten abgasseitigen Elektrode kann der Sauerstoff prinzipiell auch von der Referenzelektrode zur Abgaselektrode gepumpt werden. Diese Ausführungsart bedingt kaum Änderungen am herkömmlichen Sensorelement. Allerdings ist die Sauerstoffzufuhr über den Referenzluftkanal allein schon durch den langen Diffusionsweg begrenzt. Außerdem werden die Sensorelemente oft so eingebaut, dass fast kein Sauerstoff aus der Umgebungsluft an die Referenzelektrode gelangt. Undichtigkeiten zwischen den Einzeldrähten eines Litzenkabels sind oft die einzige Verbindung zur Umgebung. Damit soll das Vordringen von Kraftstoff- oder Öldämpfen usw. zur Referenzelektrode verringert werden. Die Bestandteile solcher Dämpfe würden bei ihrer Oxidation an der katalytischen Referenzelektrode Sauerstoff verbrauchen und damit die Referenzatmosphäre verfälschen.
Es ist daher besonders vorteilhaft, die zweite abgasseitige Elektrode 74 zu verwenden, um Sauerstoff zur ersten abgasseitigen Elektrode 72 zu pumpen. Wenn bei der Regeneration des Speicherkatalysators 46 nur wenig Sauerstoff im Abgas enthalten ist, wird H₂O und CO₂ zersetzt.
Die Porosität der Schutzschichten 84, 86 kann bei Abgas- und Gegenelektrode, also bei der ersten abgasseitigen Elektrode 72 und zweiter abgasseitiger Elektrode 74 verschieden sein. Ebenso können Elektrodenmaterial und Morphologie unterschiedlich sein.
Bei Lambda=1-Betrieb kann man mit der Abgaselektrode oder der Gegenelektrode oder beiden zusammengeschaltet messen.
Die zusätzliche Elektrode 74 kann weitere Vorteile ermöglichen, z.B. für eine die Temperaturregelung als Widerstandstemperaturfühler dienen.

Claims

Abgassensorvorrichtung (54) mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (70), der Abgas von einer Referenzatmosphäre trennt und der mit einer ersten abgasseitigen Elektrode (72) und einer Referenzatmosphären-seitigen Elektrode (76) eine Nernstzelle bildet, gekennzeichnet durch eine zweite abgasseitige Elektrode (74), die mit der ersten abgasseitigen Elektrode (72) eine Pumpzelle bildet.
Abgassensorvorrichtung (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste abgasseitige Elektrode (72) neben der zweiten abgasseitigen Elektrode (74) auf dem Festelektrolyten (70) angeordnet ist.
Abgassensorvorrichtung (54) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die zweite abgasseitige Elektrode (74) von einer Schutzschicht (86) bedeckt ist.
Abgassensorvorrichtung (54) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Betriebs- und Auswerteschaltung (56), die eine zwischen den Elektroden (72, 76) der Nernstzelle bestehende Nernstspannung misst.
Abgassensorvorrichtung (54) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung (56) einen Potentialunterschied zwischen der ersten abgasseitigen Elektrode (72) und der zweiten abgasseitigen Elektrode (74) erzeugt.
Abgassensorvorrichtung (54) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung (56) ein erstes Potential an die erste abgasseitige Elektrode (72) anlegt und ein zweites Potential an die zweite abgasseitige Elektrode (74) anlegt.
Abgassensorvorrichtung (54) nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung (56) an der ersten abgasseitigen Elektrode (72) ein höheres Potential erzeugt als an der zweiten abgasseitigen Elektrode (74).
Abgassensorvorrichtung (54) nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Potentialunterschied kleiner als 200 mV ist.
Verfahren zum Betreiben einer Abgassensorvorrichtung (54) mit einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten (70), der Abgas von einer Referenzatmosphäre trennt und der mit einer ersten abgasseitigen Elektrode (72) und einer Referenzatmosphären-seitigen Elektrode (76) eine Nernstzelle bildet, und mit einer Betriebs- und Auswerteschaltung (56), die eine zwischen den Elektroden (72, 76) der Nernstzelle bestehende Nernstspannung misst, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung (56) einen Potentialunterschied zwischen der ersten abgasseitigen Elektrode (72) und der zweiten abgasseitigen Elektrode (76) erzeugt und ein Ausmaß des Potentialunterschiedes zwischen wenigstens zwei Werten umsteuert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung (56) den Potentialunterschied bei einem hohen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen kleinen Wert umsteuert und den Potentialunterschied bei einem geringen Sauerstoffgehalt im Abgas auf einen hohen Wert umsteuert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebs- und Auswerteschaltung (56) den Potentialunterschied bei geringem Sauerstoffgehalt im Abgas so steuert, dass sich ein konstanter Strom von Sauerstoffionen von der zweiten abgasseitigen Elektrode (74) zur ersten abgasseitigen Elektrode (72) einstellt.