DE102004006971A1

DE102004006971A1 - Gassensor und Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004006971A1
Application number: DE200410006971
Authority: DE
Inventors: Eiji Kariya Takemoto; Tomoo Kariya Kawase; Daisuke Kariya Kojima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2004-09-16
Also published as: JP2004245662A

Abstract

Ein Gassensor (S) für eine Brennkraftmaschine ist mit einer Zelle (1c) versehen, die zwei Elektroden (124, 125) aufweist, zwischen denen sich ein Festelektrolytelement (111) befindet. Eine (124) der Elektroden, die einer Kammer (102) gegenüberliegt, in die Abgase eintreten, ist in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig. Der Gassensor gibt ein Messsignal in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration in den Abgasen ab. Außerdem ist der Gassensor mit einem Informationsspeichermedium oder Informationsträger (51) versehen, der Messempfindlichkeitsdaten als eine Messcharakteristik des Gassensors definierende individuelle Daten enthält. Diese individuellen Daten dienen einer elektronischen Steuereinheit (ECU 32) zur Ermittlung der NOx-Konzentration. Auch wenn bei verwendeten Gassensoren herstellungsbedingte Unterschiede der Messcharakteristik vorliegen, lässt sich auf diese Weise die NOx-Konzentration unter Verwendung der individuellen Daten des jeweiligen Gassensors äußerst genau messen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor und einen Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine.
Ein mit einem Gassensor ausgestatteter Gaskonzentrationsdetektor hat bereits in den verschiedensten Bereichen Anwendung gefunden. So ist z.B. ein Gaskonzentrationsdetektor üblicherweise im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet, um die O₂-Konzentration (Sauerstoffmolekül-Konzentration) der Abgase zur Regelung des Luft/Kraftstoff-Gemischverhältnisses zu messen. Darüber hinaus dient ein solcher Gaskonzentrationsdetektor in jüngerer Zeit auch zur Bewältigung von Abgas-Emissionsauflagen, d.h., der Gaskonzentrationsdetektor ist bei einer Brennkraftmaschine mit einem Abgas-Rückführungssystem vorgesehen, bei dem der Rückführungsbetrag der Abgase durch Messung der NOx-Konzentration in den Abgasen geregelt wird. Weiterhin wird der Gaskonzentrationsdetektor auch bei einer Brennkraftmaschine mit einem im Abgasrohr angeordneten NOx-Speicher-/Reduktionskatalysator mit NOx-Speicherfähigkeit zur Regelung der Zeitdauer der Speicherung oder Reduktion der Stickoxide (NOx) verwendet.

Bei dem Gassensor eines solchen Gaskonzentrationsdetektors für eine Brennkraftmaschine wird üblicherweise ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement aus Zirkondioxid usw. eingesetzt. Das Festelektrolytelement dient hierbei z.B. zur Bildung einer Zelle, bei der zwei Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des Festelektrolytelements angeordnet bzw. ausgebildet sind. Die Zelle kann hierbei in Bezug auf O₂ einen Pumpvorgang innerhalb einer Kammer ausführen, der die Zelle gegenüber liegt. Über die Zelle kann somit ein Austausch von O₂ zwischen dem Inneren des Gassensors und seinem Außenbereich erfolgen, in dem sich ein Messgas befindet. Der O₂-Pumpvorgang wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden über mit den Elektroden verbundene Signalleitungen erzielt, wodurch Sauerstoffionen als Ladungsträger innerhalb des Festelektrolytelements bewegt bzw. übertragen werden. Hierbei können zwei Zellen dieser Art zur genauen Messung einer NOx-Konzentration dienen, wobei eine der Kammer einer ersten Zelle gegenüberliegende Elektrode in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist, während eine Elektrode einer zweiten Zelle in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist. Bei einer solchen Anordnung ergibt sich eine Differenz zwischen den an den Oberflächen der Elektroden der beiden Zellen erzeugten Sauerstoffmengen in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration, d.h., durch die in Bezug auf NOx inaktive bzw. nicht reaktionsfähige erste Zelle (Überwachungszelle) wird die Beeinflussung der Messsignale der zweiten Zelle (Sensorzelle) durch in der Kammer verbleibenden Restsauerstoff unterdrückt, wodurch sich eine höhere Messgenauigkeit bei der NOx-Messung ergibt. Dieser Stand der Technik ist aus der JP-A-2002-202 285 bekannt.

Der vorstehend beschriebene Gassensor kann somit eine hohe Messgenauigkeit aufweisen. Wenn jedoch die Fertigungstechnik bzw. Herstellungsqualität bei einem derartigen Gassensor in Bezug auf die gewünschte hohe Messgenauigkeit unzureichend ist, kann die erforderliche Sollgenauigkeit nicht erzielt werden oder die Anforderungen an die hohe Messgenauigkeit führen bei der Herstellung des Gassensors zu einer geringen Gutausbeute.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Gassensor und einen Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine anzugeben, mit deren Hilfe eine äußerst genaue Gaskonzentrations-Präzisionsmessung erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Gassensor für eine Brennkraftmaschine angegeben, der ein die NOx-Konzentration in den Abgasen der Brennkraftmaschine angebendes Messsignal erzeugt. Der Gassensor umfasst hierbei zumindest eine gegebene Zelle, bei der zwei Elektroden an einem Festelektrolytelement ausgebildet sind. Diese gegebene Zelle umfasst eine Sensorzelle, die in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Bei den beiden Elektroden der Sensorzelle ist eine erste Elektrode gegenüber einer Kammer angeordnet, in die die Abgase eintreten. Der Gassensor ist hierbei durch ein Informationsspeichermedium (Datenträger) gekennzeichnet, das individuelle Daten der Messcharakteristik speichert, die hinsichtlich der NOx-Konzentration Messempfindlichkeitsdaten oder Offsetbetragsdaten in Bezug auf einen Nullpunkt umfassen. Diese individuellen Daten der Messcharakteristik dienen zur Kompensation bzw. Korrektur von bei anderen Gassensoren auftretenden Messcharakteristik-Differenzen.

Durch diesen Aufbau lassen sich NOx-Konzentrationsmessfehler kompensieren bzw. korrigieren, die auf Grund individueller Differenzen der Messcharakteristik des jeweiligen Gassensors hinsichtlich der Messempfindlichkeit oder des Offsetbetrages in Bezug auf einen Nullpunkt auftreten, sodass eine höhere Messgenauigkeit bei der Messung der NOx-Konzentration erzielbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors und Gaskonzentrationsdetektors,

2 eine vergrößerte Ansicht des in 1 durch einen Kreis A gekennzeichneten Bereichs,

3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III gemäß 2,

4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2,

5 ein erstes Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors,

6 eine zweite Kennlinie zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors,

7 eine dritte Kennlinie zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors,

8 ein Kennlinienfeld, das eine Modifikation des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors veranschaulicht,

9(A) und 9(B) Ansichten des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors,

10 eine Kennlinie, die eine weitere Modifikation des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors veranschaulicht,

11 eine Kennlinie, die eine weitere Modifikation des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors veranschaulicht,

12 eine schematische Darstellung eines Steuerverfahrens für den Gassensor,

13 eine schematische Darstellung eines weiteren Steuerverfahrens für den Gassensor,

14 eine Schnittansicht eines Hauptbereiches eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensors, und

15 eine Schnittansicht eines Hauptbereiches eines weiteren modifizierten Ausführungsbeispiels des Gassensors.

Nachstehend wird zunächst näher auf den in 1 veranschaulichten erfindungsgemäßen Gaskonzentrationsdetektor eingegangen, der einen Gassensor S sowie eine Steuereinheit 3 mit einer Steuerschaltung 31 und einer elektronischen Steuereinheit ECU 32 umfasst.
Der Gassensor S ragt in ein Abgasrohr 41 einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine hinein und gibt Messsignale in Abhängigkeit von der (nachstehend vereinfacht als "Gaskonzentration" bezeichneten) O₂-Konzentration oder NOx-Konzentration der durch das Abgasrohr 41 strömenden Abgase ab. Der Gassensor S umfasst im wesentlichen ein Gehäuse 21, ein Sensorelement 1, ein Elementgehäuse 22 und ein zylindrisches Bauteil 23. Das Gehäuse 21 ist in einer Montageöffnung des Abgasrohrs 41 befestigt. Das Sensorelement 1 ist in dem Gehäuse 21 in isolierter Anordnung angebracht. Ein Messende des Sensorelements 1 (das untere Ende gemäß 1) ist in dem Elementgehäuse 22 angeordnet, das am unteren Ende (dem unteren Ende gemäß 1) des Gehäuses 21 angebracht ist und in das Abgasrohr 41 hineinragt. Das Elementgehäuse 22 besitzt eine doppelte Struktur, bei der die durch das Abgasrohr 41 strömenden Abgase über in Seiten- und Bodenwänden ausgebildete Abgaseinlassöffnungen 221 eintreten können. Das zylindrische Bauteil 23 ist am oberen Ende (dem oberen Ende gemäß 1) des Gehäuses 21 befestigt und besitzt in seiner Seitenwand eine Lufteinlassöffnung 231. Über diese Lufteinlassöffnung 231 gelangt die außerhalb des Abgasrohrs 41 befindliche Umgebungsluft in in dem Sensorelement 1 angeordnete Luftkanäle 104, 105 (die nachstehend noch näher beschrieben sind) und dient hierbei als O₂-Konzentrations-Referenzgas.
Über die Steuerschaltung 31 der Steuereinheit 3 erfolgt die Ansteuerung von Zellen 1a bis 1c und eines Heizelements 13, die gemeinsam das Sensorelement 1 bilden und nachstehend noch näher beschrieben sind. Außerdem führt die Steuerschaltung 31 der elektronischen Steuereinheit ECU 32 der Steuereinheit 3 Pumpzellenstrom-Messsignale sowie Sensorstrom-Messsignale zu.
Die elektronische Steuereinheit ECU 32 berechnet sodann auf der Basis der von der Steuerschaltung 31 abgegebenen Messsignale die Gaskonzentration, die im Rahmen verschiedener Steuer- und Regelvorgänge wie z.B. zur Steuerung eines Abgasrührführungsventils zur Regelung der Abgasrückführmenge Verwendung findet.
Das Sensorelement 1 besitzt eine in den 2, 3 und 4 veranschaulichte mehrschichtige Struktur, die Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 aus einem Sauerstoffionen leitenden Material wie Zirkondioxid sowie Isolierschichten 113, 114, 115 aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid umfasst. Die zwischen den Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 angeordnete Isolierschicht 114 ist zur Bildung von zwei, über eine Durchgangsöffnung 103 miteinander in Strömungsverbindung stehenden Kammern 101, 102 in Dickenrichtung teilweise ausgestanzt. Die Kammern 101, 102 sind in Längsrichtung des Sensorelements 1 ausgerichtet. Hierbei ist die Kammer 101 näher an dem Messende des Sensorelements 1 als die Kammer 102 angeordnet. Wie 3 zu entnehmen ist, ist die Kammer 102 annähernd doppelt so breit wie die Kammer 101.
Die beiden Kammern 101, 102 sind über die Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 gegenüber den Luftkanälen 104, 105 angeordnet. Die Luftkanäle 104, 105 stehen über ein Anschlussende (das obere Ende gemäß 1) des Sensorelements 1 mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung. Hierbei ist der Luftkanal 105 über die Festelektrolyt-Elementschicht 111 gegenüber der Kammer 102 angeordnet, während der Luftkanal 104 über die Festelektrolyt-Elementschicht 112 nicht nur gegenüber der Kammer 102 sondern auch gegenüber der Kammer 101 angeordnet ist. Die Luftkanäle 104, 105 bilden somit Zwischenräume, die die O₂-Referenzkonzentration enthalten.
Die obere Festelektrolyt-Elementschicht 111 besitzt ein Nadelloch 106, das in Dickenrichtung durch die Festelektrolyt-Elementschicht 111 hindurch bis zu der ersten Kammer 101 verläuft. Über dieses Nadelloch 106 gelangen die das Sensorelement 1 umgebenden Abgase in die erste Kammer 101. Das Nadelloch 106 ist hierbei durch eine poröse Diffusionsschicht 116 aus z.B. porösem Aluminiumoxid verschlossen, wodurch das Eindringen von Abgaspartikeln in die Kammer 101 verhindert wird.
In der Nähe der ersten Kammer 101 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 112 zwei einander gegenüberliegende Elektroden 121, 122 zur Bildung einer Pumpzelle 1a angeordnet. Die der Kammer 101 gegenüberliegende Elektrode 121 besteht hierbei aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung (Reduktion) von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
In der Nähe der zweiten Kammer 102 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 111 zwei Elektroden 123, 125 sowie zwei Elektroden 124, 125 jeweils einander gegenüberliegend angeordnet. Hierbei findet die dem Luftkanal 104 gegenüberliegende Elektrode 125 in der in 4 veranschaulichten Weise als sowohl der Elektrode 123 als auch der Elektrode 124 gegenüberliegende, gemeinsame Elektrode Verwendung. Auf diese Weise wird von der Festelektrolyt-Elementschicht 111 und den Elektroden 123, 125 eine Überwachungszelle 1b gebildet, während von der Festelektrolyt-Elementschicht 111 und den Elektroden 124, 125 eine Sensorzelle 1c gebildet wird. Bei der Überwachungszelle 1b besteht die der Kammer 102 gegenüberliegende Elektrode 123 aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Demgegenüber besteht bei der Sensorzelle 1c die der Kammer 102 gegenüberliegende Elektrode 124 aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Nachstehend werden die jeweiligen Elektroden unter Verwendung einer Kombination der Begriffe kammerseitig/atmosphäreseitig und Überwachungs-/Sensor-/Pump- bezeichnet, d. h. als kammerseitige Pumpelektrode 121, als kammerseitige Sensorelektrode 124 und als atmosphäreseitige Sensor- /Überwachungselektrode 125.
Die Isolierschicht 115, die zusammen mit der Festelektrolyt-Elementschicht 112 die Kanalwände des Luftkanals 104 bildet, enthält ein Leitungsmuster aus einem Metall wie Pt, das ein Heizelement 13 zur Erwärmung des gesamten Sensorelements 1 bildet. Das Heizelement 13 ist hierbei ein elektrisches Bauelement, das Joule'sche Wärme durch Stromführung erzeugt.
Das Heizelement 13 wird durch Zuführung eines elektrischen Stroms durch die Steuerschaltung 31 aufgeheizt. Hierbei wird von der Steuerschaltung 31z.B. die temperaturabhängige Admittanz zwischen den Elektroden 121, 122 berechnet, wobei die Steuerschaltung 31 durch Steuerung der Stromzufuhr zu dem Heizelement 13 das Erreichen eines Soll-Admittanzwertes der berechneten Admittanz herbeiführt, der einem aktiven Temperaturbereich der Festelektrolyt-Elementschichten 111, 112 entspricht. Die Steuerung des Heizelement 13 erfolgt z.B. durch Pulsdauermodulation (PDM) eines Strom-Impulssignals bzw. Strom-Einschaltsignals. Die jeweilige Admittanz kann z.B. dadurch berechnet werden, dass bei einer Änderung der Klemmenspannung der Zellen 1a, 1b, 1c zur Erzeugung von Stromänderungen die Admittanz dann durch Teilung der erhaltenen Stromänderungen durch die Klemmenspannungsänderungen berechnet wird.
Die Steuerschaltung 31 legt eine Spannung ("Pumpzellenspannung VP") an die Elektroden 121, 122 der Pumpzelle 1a an, wobei die atmosphäreseitige Pumpelektrode 122 an positivem Potential liegt. Außerdem misst die Steuerschaltung 31 den zwischen den Elektroden 121, 122 fließenden elektrischen Strom ("Pumpzellenstrom IP").
Wenn die um den Gassensor S herum strömenden Abgase über die poröse Diffusionsschicht 116 und das Nadelloch 106 in die erste Kammer 101 eintreten, wird O₂ in den Abgasen aufgespalten und an der kammerseitigen Pumpelektrode 122 ionisiert. Der ionisierte Sauerstoff tritt durch die Festelektrolyt-Elementschicht 112 hindurch und wird in den Luftkanal 104 abgeführt. Die in die Kammer 101 eintretende O₂-Menge wird von dem Strömungswiderstand des Nadellochs 106 bestimmt. Wenn hierbei die Pumpzellenspannung VP in einem nachstehend noch näher beschriebenen Grenzstrombereich liegt, lässt sich die O₂-Konzentration der Abgase aus dem Pumpzellenstrom IP ableiten. Das NOx in den Abgasen verbleibt in der ersten Kammer 101, da die kammerseitige Pumpelektrode 121 in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
Die Klemmenspannung VP wird in Abhängigkeit von dem Pumpzellenstrom IP gesteuert. Das in 5 dargestellte Kennlinienfeld der Pumpzelle 1a zeigt auch einen Grenzstrombereich, in dem der Pumpzellenstrom IP nicht von der Klemmenspannung VP abhängt. In einem Festspeicher der Steuerschaltung 31 ist eine in 5 durch eine gestrichelte Linie dargestellte Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom IP und der Pumpzellenspannung VP vorgespeichert. Die Steuerschaltung 31 stellt somit die Pumpzellenspannung VP derart ein, dass der Pumpzellenstrom IP in den Grenzstrombereich fällt.
Da die Abgase von der ersten Kammer 101 über die Durchgangsöffnung 103 in die zweite Kammer 102 diffundieren, enthält die zweite Kammer 102 Abgase mit einer niedrigen O₂-Konzentration als Messgas.
Die Steuerschaltung 31 legt an die Elektroden 123, 125 der Überwachungszelle 1b eine Spannung ("Überwachungszellenspannung VM") an, wobei die atmosphäreseitige Sensor-/Überwachungselektrode 125 an positivem Potential liegt, und beaufschlagt auch die Elektroden 124, 125 der Sensorzelle 1c mit einer Spannung ("Sensorzellenspannung VS"). Ferner misst die Steuerschaltung 31 den zwischen den Elektroden 123, 125 fließenden elektrischen Strom ("Überwachungszellenstrom IM") sowie den zwischen den Elektroden 124, 125 fließenden elektrischen Strom ("Sensorzellenstrom IS").
Durch Anlegen der Überwachungszellenspannung VM an die Überwachungszelle 1b und der Sensorzellenspannung VS an die Sensorzelle 1c wird das in der Kammer 102 befindliche restliche O₂ in den Luftkanal 105 abgeführt. Eine entsprechende Einstellung der Überwachungszellenspannung VM und der Sensorzellenspannung VS führt hierbei in den Zellen 1b, 1c zur Erzeugung des Grenzstroms. Bei den der zweiten Kammer 102 gegenüberliegenden Elektroden 123, 124 führt nur die kammerseitige Sensorelektrode 124 eine Aufspaltung von NOx herbei, was zu einer Vergrößerung der ionisierten Sauerstoffmenge an der kammerseitigen Sensorelektrode 124 führt. Der Sensorzellenstrom IS ist daher größer als der Überwachungszellenstrom IM. Die NOx-Konzentration in den Abgasen lässt sich somit auf der Basis der Differenz zwischen dem Überwachungszellenstrom IM und dem Sensorzellenstrom IS erhalten. Hierbei werden der Pumpzellenstrom IP, der Überwachungszellenstrom IM und der Sensorzellenstrom IS jeweils als Spannungsabfälle an Widerständen gemessen, die in den Klemmenspannungsschaltungen der jeweiligen Zellen 1a, 1b, 1c in Reihe geschaltet sind.
Die elektronische Steuereinheit ECU 32 besitzt in ihrem eigenen Computer einen Festspeicher 321, in dem der individuellen Messcharakteristik eines mit der elektronischen Steuereinheit ECU 32 verbundenen Gassensors S entsprechende Daten ("individuelle Daten") gespeichert sind. Der Festspeicher 321 wird hierbei von einem wiedereinschreibbaren EEPROM-Speicher oder dergleichen gebildet.
Nachstehend wird auf diese individuellen Daten unter Bezugnahme auf die 6 und 7 näher eingegangen. 6 veranschaulicht die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpzellenstrom IP und der O₂-Konzentration in Form einer Kennlinie. In dem Festspeicher 321 sind Messempfindlichkeitsdaten gespeichert (d.h., die Änderungsgeschwindigkeit des Pumpzellenstroms IP in Abhängigkeit von einer Änderung der O₂-Konzentration). Diese Messempfindlichkeitsdaten für einen jeweiligen Gassensor S werden durch vorherige Messung der Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpzellenstrom IP und bekannten vorgegebenen O₂-Konzentrationswerten eines Testgases bestimmt.
7 zeigt die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Sensorstrom und der NOx-Konzentration (d.h., die Differenz zwischen dem Sensorzellenstrom IS und dem Überwachungszellenstrom IM). In dem Festspeicher 321 sind Messempfindlichkeitsdaten (d.h., die Änderungsgeschwindigkeit des Sensorstroms (IS – IM) in Bezug auf eine Änderung der NOx-Konzentration) sowie ein Offsetbetrag an einem Nullpunkt des Sensorstroms gespeichert. Diese Daten für einen jeweiligen Gassensor S werden durch vorherige Messung der Korrespondenzbeziehung zwischen dem Sensorstrom und bekannten vorgegebenen NOx-Konzentrationswerten eines Testgases bestimmt.
Bei dieser Messung kann die Korrespondenzbeziehung zwischen dem Sensorstrom und NOx-Konzentrationswerten unter Verwendung einer Vielzahl von NOx-Konzentrationsbereichen erhalten werden (z.B. unter Verwendung eines zwischen 0 bis 100 ppm liegenden unteren Bereiches und eines über 100 ppm liegenden oberen Bereiches), wodurch sich die Messcharakteristik bzw. Messkennlinie eines jeweiligen Gassensors S besser annähern lässt.
Weiterhin kann die Korrespondenzbeziehung zu der NOx-Konzentration in der in 8 veranschaulichten Weise unter Verwendung einer Vielzahl von bekannten vorgegebenen O₂-Konzentrationsbereichen erhalten bzw. gebildet werden. Wenn nämlich die elektronische Steuereinheit ECU 32 eine NOx-Konzentration aus einem Sensorstrom berechnet, wird zunächst aus dem Pumpzellenstrom IP die O₂-Konzentration ermittelt. Auf der Basis der Messempfindlichkeit und des der erhaltenen O₂-Konzentration entsprechenden Offsetbetrags wird sodann die NOx-Konzentration berechnet.
Die in dem Festspeicher 321 gespeicherten, vorstehend beschriebenen Daten müssen in Bezug auf den mit der elektronischen Steuereinheit ECU 32 in Wirkverbindung stehenden Gassensor S jeweils aktualisiert bzw. neu eingeschrieben werden. Nachstehend wird auf die Gewinnung der individuellen Daten des eingebauten Gassensors S und die anschließende Aktualisierung des Festspeichers 321 näher eingegangen.
In der in 9(A) dargestellten Weise ist das Messende des Gassensors S innerhalb des Abgasrohrs 41 angeordnet, während das aus dem Abgasrohr 41 herausragende Anschlussende seitlich mit einem Informationsspeichermedium in Form eines Informationsträgers mit einem sog. QR-Code 51 (Quick response Code) versehen ist. Der QR-Code 51 ist ein zweidimensionaler Code, der an der Außenseite des zylindrischen Bauteils 23 in Form eines den QR-Code tragenden Etiketts oder durch Lasermarkierung angebracht ist. Der QR-Code gibt die individuellen Daten eines gegebenen Gassensors S an, der mit dem QR-Code versehen ist. Die Code-Daten des QR-Codes eines solchen gegebenen Gassensors S werden nach erfolgter Herstellung des Gassensors S in einem Werk im Rahmen eines Messtestes erhalten.
Der QR-Code 51 eines Gassensors S wird von einem Code-Lesegerät 52 z.B. an einem Montageband für Kraftfahrzeuge optisch gelesen, wenn der Einbau des Gassensors S in das Abgasrohr 41 erfolgt. Somit können die individuellen Daten des Gassensors S im Rahmen des Fertigungsablaufs am Montageband ohne Vornahme einer elektrischen Verbindung mit dem Lesegerät oder dergleichen auf einfache Weise ausgelesen werden. Die individuellen Daten des ausgelesenen QR-Codes werden in einem Computer 53 gespeichert und in den Festspeicher 321 der elektronischen Steuereinheit ECU 32 mit Hilfe eines Festspeicher-Schreibgerätes eingeschrieben.
Die individuellen Daten sind einem entsprechenden Gassensor S zugeordnet, sodass Inkompatibilitäten zwischen einem jeweiligen Gassensor S und der zugehörigen elektronischen Steuereinheit ECU 32 verhindert werden müssen. Im Computer 53 sind daher z.B. die individuellen Daten unter gleichzeitiger Zuordnung zu einer Produktionsnummer eines entsprechenden Kraftfahrzeugs abgespeichert. Die dem jeweiligen Gassensor S und der zugehörigen elektronischen Steuereinheit ECU 32 zugeordneten Informationen können somit zurückverfolgt werden, bis der Einschreibvorgang des Festspeichers 321 oder der Einbau der elektronischen Steuereinheit ECU 32 in das entsprechende Kraftfahrzeug erfolgt ist.
Im übrigen sind die Daten der Messcharakteristik nicht auf die vorstehend beschriebenen Daten beschränkt. In 10 ist z.B. ein Klemmenspannungs-Kennfeld in Form einer Kennlinie veranschaulicht, das die Abhängigkeit der Pumpzellenspannung VP vom Pumpzellenstrom IP wiedergibt. Dieses Klemmenspannungs-Kennfeld ist einem jeweiligen Gassensor S zugeordnet und wird auf der Basis des Ergebnisses einer vorherigen Messung der VP-IP-Kennlinie gemäß 5 des jeweiligen Gassensors S festgelegt. Das Klemmenspannungs-Kennfeld wird für den jeweiligen Gassensor S derart vorgegeben, dass die Pumpzelle 1a unabhängig von der O₂-Konzentration im Grenzstrombereich arbeitet. Hierbei wird der Grenzstrombereich für den jeweiligen Gassensor S unter Berücksichtigung von Toleranzen eingestellt. Diese Toleranzen finden Berücksichtigung in Bezug auf einen Bereich, in dem der Pumpzellenstrom IP in einem unteren Spannungsabschnitt mit steigender Pumpzellenspannung VP ansteigt, sowie in Bezug auf einen Bereich, in dem der Pumpzellenstrom IP in einem oberen Spannungsabschnitt bei der Aufspaltung von NOx ansteigt.
11 zeigt eine Korrespondenzbeziehung zwischen der Admittanz der Zellen 1a, 1b, 1c und der Temperatur des Sensorelements 1. Die Admittanz der Zellen 1a, 1b, 1c tritt zwischen den Elektroden 121, 122, zwischen den Elektroden 123, 125 bzw. zwischen den Elektroden 124, 125 auf. Wenn sich diese Korrespondenzbeziehung verändert, führt auch die gleiche Steuerung des Heizelements 13 zum Erreichen einer Solladmittanz zum Auftreten von Temperaturstreuungen bei den Gassensoren S in Bezug auf die Temperatur der Festelektrolytelemente. Im Festspeicher 321 wird daher für einen jeweiligen Gassensor S die Admittanz der Zellen 1a, 1b, 1c bei einer gegebenen Temperatur gespeichert, die innerhalb eines aktiven Bereiches eines Festelektrolytelements liegt. Die mit Hilfe des Heizelements 13 eingeregelte Temperatur der Festelektrolytelemente ist daher auch bei einer Vielzahl von Gassensoren gleich.
Außerdem kann bei den Gassensoren S eine unterschiedliche Temperaturcharakteristik innerhalb eines zwischen Raumtemperatur und einer aktiven Temperatur liegenden Bereiches in Betracht gezogen werden. Hierbei wird ein Verstärkungsfaktor einer PI-Regelung einem jeweiligen Gassensor S zugeordnet und in dem Festspeicher 321 abgespeichert.
Das Klemmenspannungs-Kennfeld, die Solladmittanzwerte usw. werden von der Steuerschaltung 31 benötigt, sodass sie vor dem Start einer Brennkraftmaschine aus dem Festspeicher 321 in den Direktzugriffsspeicher der Steuerschaltung 31 eingespeichert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Pumpzellenspannung VP auf der Basis des Pumpzellenstroms IP unter Verwendung des Klemmenspannungs-Kennfelds eingestellt, was einem Steuer- oder Regelverfahren entspricht, wie es in 12 dargestellt ist. Es kann jedoch auch ein in 13 veranschaulichtes anderes Regelverfahren in Betracht gezogen werden. Hierbei wird die Pumpzellenspannung VP durch Rückkopplung derart geregelt, dass der Überwachungszellenstrom IM einen gegebenen Wert annimmt. Auch bei diesem Regelverfahren wird die NOx-Konzentration über den Sensorstrom (IS – IM) erhalten, während die O₂-Konzentration über den Pumpzellenstrom IP erhalten wird.
Ein weiterer Aufbau eines Gassensors kann z.B. in der in 14 veranschaulichten Meise erhalten werden. Der in 14 dargestellte Gassensor 1A umfasst Festelektrolyt- Elementschichten 151, 152, 153, die von z.B. aus Zirkondioxid bestehenden Festelektrolytelementen gebildet werden, eine aus einem Isoliermaterial wie porösem Aluminiumoxid bestehende Diffusionsraten-Steuerschicht 154 sowie eine aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid bestehende Isolierschicht 155. Diese Schichten sind in Dickenrichtung übereinander angeordnet und bilden ein vielschichtiges Laminat, das in Bezug auf die Schichtflächen Rechteckform aufweist.
Die Festelektrolyt-Elementschicht 152 und die Diffusionsraten-Steuerschicht 154, die in Längsrichtung des Gassensors 1A beide in der gleichen Schicht angeordnet sind, befinden sich zwischen den Festelektrolyt-Elementschichten 151 und 153. Die Diffusionsraten-Steuerschicht 154 ist hierbei auf der Seite des Messendes des Gassensors 1A angeordnet, während sich die Festelektrolyt-Elementschicht 152 auf der Seite des Anschlussendes befindet. Die Festelektrolyt-Elementschicht 152 und die Diffusionsraten-Steuerschicht 154 sind teilweise ausgestanzt und bilden in Dickenrichtung zwischen den Festelektrolyt-Elementschichten 151 und 153 zwei miteinander in Strömungsverbindung stehende Kammern 141 und 142. Über die Diffusionsraten-Steuerschicht 154 treten im Außenbereich befindliche Gase als Messgase in die erste Kammer 141 am Messende des Gassensors 1A ein, wobei durch diese Schicht gleichzeitig eine Strömungs- oder Diffusionsverbindung zwischen der ersten Kammer 141 und der zweiten Kammer 142 hergestellt wird.
Die beiden Kammern 141 und 142 sind über die Festelektrolyt-Elementschicht 153 gegenüber dem Luftkanal 143 angeordnet. Der Luftkanal 143 steht am Anschlussende des Gassensors 1A mit der Atmosphäre bzw. Umgebungsluft in Verbindung.
In der Nähe der ersten Kammer 141 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 151 zwei Elektroden 161 und 162 zur Bildung einer Pumpzelle 1d einander gegenüberliegend angeordnet. Die der Kammer 141 gegenüberliegende Elektrode 161 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
In der Nähe des Bereiches, in dem die erste Kammer 141 dem Luftkanal 143 gegenüberliegt, sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 153 zwei Elektroden 163 und 165 zur Bildung einer Überwachungszelle 1e einander gegenüberliegend angeordnet. Die der Kammer 141 gegenüberliegende Elektrode 163 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Hierbei ist die dem Luftkanal 143 gegenüberliegende Elektrode 165 länger als die Elektrode 163 und verläuft bis zur zweiten Kammer 142, wobei sie eine gemeinsame Elektrode für eine Sensorzelle 1f und eine weitere Pumpzelle 1g bildet.
In der Nähe der zweiten Kammer 142 sind an der Festelektrolyt-Elementschicht 153 die Elektrode 165 und eine weitere Elektrode 164 zur Bildung der Sensorzelle 1f einander gegenüberliegend angeordnet.
Außerdem ist an der Festelektrolyt-Elementschicht 151 eine der zweiten Kammer 142 gegenüberliegende Elektrode 166 ausgebildet. Die weitere Pumpzelle 1g wird somit von den Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153 sowie den Elektroden 166 und 165 gebildet. Hierbei liegt bei der weiteren Pumpzelle 1g die Elektrode 166 des Elektrodenpaars 166, 165 der zweiten Kammer 142 gegenüber, während die Elektrode 165 des Elektrodenpaars 166, 165 dem Luftkanal 143 gegenüberliegt.
Von den der zweiten Kammer 142 gegenüberliegenden Elektroden 164, 166 besteht die Elektrode 164 der Sensorzelle 1f aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig ist. Demgegenüber besteht die Elektrode 166 der weiteren Pumpzelle 1g aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf die Aufspaltung von NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
Die Isolierschicht 155, die zusammen mit der Festelektrolyt-Elementschicht 153 die Kanalwände des Luftkanals 143 bildet, enthält in ähnlicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein Leitungsmuster aus einem Metall wie Pt, das ein Heizelement 17 zur Erwärmung des gesamten Gassensors 1A bildet.
Bei dem Gassensor 1A wird die Klemmenspannung der Pumpzelle 1d durch Rückkopplung auf der Basis einer von der Überwachungszelle 1e erzeugten EMK bzw. Quellenspannung VM1 ("Überwachungszellen-Klemmenspannung") geregelt. Die Überwachungszellen-Quellenspannung VM1 konvergiert hierbei zu einer Referenzspannung, d.h., die O₂-Konzentration in der ersten Kammer 141 nimmt einen niedrigen und konstanten Konzentrationswert an. Der Sauerstoff in der ersten Kammer 141 wird hierdurch abgeführt, was auch für den Sauerstoff in der mit der ersten Kammer 141 in einer Strömungs- oder Diffusionsverbindung stehenden zweiten Kammer 142 zutrifft, sodass deren O₂-Konzentration einen ähnlichen Wert wie die O₂-Konzentration in der ersten Kammer 141 annimmt.
Die in der zweiten Kammer 142 verbleibende restliche O₂-Konzentration wird sodann von der Pumpzelle 1g abgepumpt.
In der Sensorzelle 1f wird der Strom IS in Abhängigkeit von der Aufspaltung von NOx an der der zweiten Kammer 142 gegenüberliegenden Elektrode 164 entsprechend der NOx-Konzentration in der zweiten Kammer 142 erzeugt. In der Pumpzelle 1g wird der Strom IP2 entsprechend der O₂-Konzentration in der zweiten Kammer 142 erzeugt.
Bei diesem Aufbau des Gassensors 1A wird die NOx-Konzentration über den Sensorstrom (IS – IP2) erhalten, während die O₂-Konzentration über den Pumpzellenstrom IP1 der Pumpzelle 1d erhalten wird. In ähnlicher Weise wie bei dem Gassensor S ist auch bei dem Gassensor 1A eine hohe Messgenauigkeit erzielbar, indem bestehende Unterschiede und Differenzen zu anderen Gassensoren durch vorherige Messung seiner Messcharakteristik oder Temperaturcharakteristik korrigiert bzw. kompensiert werden.
Außerdem kann die Erfindung auch in Form des in 15 dargestellten Gassensors 1B Verwendung finden. Der Aufbau des Gassensors 1B entspricht mit Ausnahme der Elektrodenanordnung dem Gassensor 1A gemäß 14. Die Elektrode 163 gemäß 14 ist nämlich bei der Anordnung gemäß 15 nicht mehr vorhanden. Eine erste Pumpzelle 1d wird von der Festelektrolyt-Elementschicht 151 und den an der Schicht 151 einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 161 und 162 gebildet. Eine erste Überwachungszelle 1h wird von den Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153 sowie den Elektroden 162, 165 gebildet. Hierbei wird die Klemmenspannung der ersten Pumpzelle 1d zwischen den Elektroden 161, 162 durch Rückkopplung auf der Basis einer von der ersten Überwachungszelle 1h erzeugten EMK bzw. Quellenspannung VM1 ("Überwachungszellen-Quellenspannung") geregelt. Die Überwachungszellen-Quellenspannung konvergiert auf diese Weise zu einer Referenzspannung, d.h., die O₂-Konzentration in der ersten Kammer 141 nimmt einen niedrigen und konstanten Konzentrationswert an. Auf diese Weise wird der in der ersten Kammer 141 befindliche Sauerstoff abgeführt.
Eine zweite Pumpzelle 1i wird von der Festelektrolyt-Elementschicht 151 und den an der Schicht 151 einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 166 und 162 gebildet. Eine zweite Überwachungszelle 1j wird von den Festelektrolyt-Elementschichten 151, 152, 153 und den Elektroden 166, 165 gebildet. Hierbei wird die Klemmenspannung der zweiten Pumpzelle 1i zwischen den Elektroden 166, 162 durch Rückkopplung auf der Basis einer von der zweiten Überwachungszelle 1j erzeugten EMK bzw. Quellenspannung VM2 ("Überwachungszellen-Quellenspannung") geregelt. Demzufolge konvergiert die Überwachungszellen-Quellenspannung VM2 zu einer Referenzspannung, d.h., die O₂-Konzentration in der zweiten Kammer 142 nimmt einen niedrigen und konstanten Konzentrationswert an. Auf diese Weise wird der in der zweiten Kammer 142 befindliche Sauerstoff abgeführt.
Weiterhin wird eine Sensorzelle 1f von der Festelektrolyt-Elementschicht 153 und den an der Schicht 153 einander gegenüberliegend angeordneten Elektroden 164, 165 gebildet. Bei der Sensorzelle 1f wird der Strom IS in Abhängigkeit von der Aufspaltung von NOx an der der zweiten Kammer 142 gegenüberliegenden Elektrode 164 entsprechend der NOx-Konzentration in der zweiten Kammer 142 erzeugt.
Bei diesem Aufbau des Gassensors 1B wird die NOx-Konzentration über den Sensorzellenstrom IS erhalten, während die O₂-Konzentration über den Pumpzellenstrom IP1 erhalten wird. In ähnlicher Weise wie bei den Gassensoren S und 1A ist auch bei dem Gassensor 1B eine hohe Messgenauigkeit erzielbar, indem bestehende Unterschiede und Differenzen zu anderen Gassensoren durch vorherige Messung ihrer individuellen Messcharakteristik oder Temperaturcharakteristik korrigiert bzw. kompensiert werden.
Obwohl gemäß vorstehender Beschreibung der QR-Code 51 an der Seitenwand des zylindrischen Bauteils 23 des Gassensors S angeordnet ist, kann der QR-Code jedoch auch an der Oberseite des zylindrischen Bauteils 23 vorgesehen werden, wenn die Zuleitungsführung für die Steuerschaltung 31 über die Seitenwand des zylindrischen Bauteils 23 und nicht über die Oberseite erfolgt. Zur Erleichterung der Abtastung bzw. des Lesens des QR-Codes durch das Code-Lesegerät 52 kann die Ausgestaltung des oberen Teils des Gassensors S sowie die Positionierung des QR-Codes unter Berücksichtigung der Montageposition des Gassensors S vorgenommen werden.
Darüber hinaus können als Informationsspeichermedium bzw. Informationsträger auch andere Codes als der QR-Code, wie z.B. ein Strichcode, Verwendung finden.
Außerdem können die Widerstände oder der Festspeicher auch innerhalb des Gassensors angeordnet werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist erfindungsgemäß somit ein Gassensor (S) für eine Brennkraftmaschine mit einer Zelle (1c) versehen, die zwei Elektroden (124, 125) aufweist, zwischen denen sich ein Festelektrolytelement (111) befindet. Eine (124) der Elektroden, die einer Kammer (102) gegenüberliegt, in die Abgase eintreten, ist in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähig. Der Gassensor gibt ein Messsignal in Abhängigkeit von der NOx-Konzentration in den Abgasen ab. Außerdem ist der Gassensor mit einem Informationsspeichermedium oder Informationsträger (51) versehen, der Messempfindlichkeitsdaten als eine Messcharakteristik des Gassensors definierende individuelle Daten enthält. Diese individuellen Daten dienen einer elektronischen Steuereinheit (ECU 32) zur Ermittlung der NOx-Konzentration. Auch wenn bei verwendeten Gassensoren herstellungsbedingte Unterschiede der Messcharakteristik vorliegen, lässt sich auf diese Weise die NOx-Konzentration unter Verwendung der individuellen Daten des jeweiligen Gassensors äußerst genau messen.

Claims

Gassensor (S, 1A, 1B) für eine Brennkraftmaschine, der ein die NOx-Konzentration in den Abgasen der Brennkraftmaschine angebendes Messsignal abgibt, mit zumindest einer gegebenen Zelle (1a bis 1j), die zwei, an einem Festelektrolytelement (111, 112; 151 bis 153) ausgebildete Elektroden (121 bis 125, 161 bis 166) sowie eine in Bezug auf die Aufspaltung von NOx reaktionsfähige Sensorzelle (1c, 1f) aufweist, bei der von den beiden Elektroden (124, 125; 164, 165) eine erste Elektrode (124, 164) einer Kammer (102, 142) gegenüberliegt, in die die Abgase eintreten, gekennzeichnet durch einen Informationsträger (51) zur Speicherung von individuellen Daten einer Messcharakteristik, die Messempfindlichkeitsdaten der NOx-Konzentration und/oder Offset-Betragsdaten eines Nullpunkts der NOx-Konzentration umfassen, wobei die individuellen Daten der Messcharakteristik zur Korrektur von Messcharakteristik-Differenzen dienen, die bei anderen Gassensoren vorliegen.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messempfindlichkeitsdaten eine Vielzahl von Messempfindlichkeits-Datenwerten umfassen, die einer Vielzahl von jeweiligen Konzentrationsbereichen entsprechen.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegebene Zelle eine Pumpzelle (1a, 1d, 1i) umfasst, die einen Pumpvorgang von O₂ in der Kammer (101, 102; 141, 142) durch Anlegen einer elektrischen Spannung (VP, VP1, VP2) an die beiden Elektroden (121, 122; 161, 162; 166, 165; 166, 162) herbeiführt und einen elektrischen Strom (IP, IP1, IP2) in Abhängigkeit von der O₂-Konzentration in den Abgasen erzeugt, und auf dem Informationsträger individuelle Daten der Messcharakteristik gespeichert sind, die Messempfindlichkeitsdaten der O₂-Konzentration und/oder Offset-Betragsdaten eines Nullpunktes der O₂-Konzentration umfassen.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gegebene Zelle eine Pumpzelle (1a, 1d, 1i) umfasst, die einen Pumpvorgang von O₂ in der Kammer (101, 102; 141, 142) durch Anlegen einer elektrischen Spannung (VP, VP1, VP2) an die beiden Elektroden (121, 122; 161, 162; 166, 165; 166, 162) herbeiführt und einen elektrischen Grenzstrom (IP, IP1, IP2) in Abhängigkeit von der O₂-Konzentration in den Abgasen erzeugt, und auf dem Informationsträger individuelle Daten der Messcharakteristik gespeichert sind, die ein Korrelationskennfeld der Klemmenspannung und des zwischen den beiden Elektroden erzeugten elektrischen Stroms der Pumpzelle umfassen.
Gassensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein elektrisches Heizelement (13, 17) zur Erwärmung der gegebenen Zelle, wobei auf dem Informationsträger individuelle Daten der Messcharakteristik gespeichert sind, die Daten der Temperaturcharakteristik einer Admittanz bei einer gegebenen Temperatur umfassen, und die Daten der Temperaturcharakteristik zur Korrektur von Temperaturcharakteristik-Differenzen dienen, die bei anderen Gassensoren vorliegen.
Gassensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Informationsträger aus einem optisch lesbaren Code besteht, dem die individuellen Daten der Messcharakteristik entnehmbar sind.
Gaskonzentrationsdetektor mit einem Gassensor nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine aktualisierbare Speichereinrichtung (321) zur aktualisierbaren Speicherung der individuellen Daten der Messcharakteristik, die auf dem Informationsträger des Gassensors gespeichert sind, und eine Steuereinrichtung (3) zur Ansteuerung des Gassensors und Verarbeitung der Messsignale des Gassensors auf der Basis der in der aktualisierbaren Speichereinrichtung gespeicherten individuellen Daten der Messcharakteristik.