Die Erfindung bezieht sich auf einen
Gassensor und einen Gaskonzentrationsdetektor für eine Brennkraftmaschine.The invention relates to a
Gas sensor and a gas concentration detector for an internal combustion engine.
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.A gas concentration detector equipped with a gas sensor has already been used in a wide variety of areas. For example, a gas concentration detector is usually arranged in the exhaust pipe of an internal combustion engine in order to measure the O 2 concentration (oxygen molecule concentration) of the exhaust gases for regulating the air / fuel mixture ratio. In addition, such a gas concentration detector has recently also been used to deal with exhaust gas emission requirements, ie the gas concentration detector is provided in an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation system in which the amount of recirculation of the exhaust gases is regulated by measuring the NOx concentration in the exhaust gases. Furthermore, the gas concentration detector is also used in an internal combustion engine with a NOx storage / reduction catalytic converter with NOx storage capacity arranged in the exhaust pipe to regulate the duration of the storage or reduction of the nitrogen oxides (NOx).
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.In the gas sensor of such a gas concentration detector for an internal combustion engine, an oxygen ion-conducting solid electrolyte element made of zirconium dioxide etc. is usually used. The solid electrolyte element is used, for example, to form a cell in which two electrodes are arranged or formed on opposite sides of the solid electrolyte element. The cell can perform a pumping operation with respect to O 2 within a chamber, which is opposite the cell. An exchange of O 2 between the inside of the gas sensor and its outside area, in which a measurement gas is located, can thus take place via the cell. The O 2 pumping process is achieved by applying an electrical voltage to the electrodes via signal lines connected to the electrodes, as a result of which oxygen ions as charge carriers are moved or transmitted within the solid electrolyte element. In this case, two cells of this type can be used to precisely measure a NOx concentration, an electrode opposite the chamber of a first cell being inactive or non-reactive with respect to NOx, while an electrode of a second cell being reactive with respect to NOx. With such an arrangement, there is a difference between the amounts of oxygen generated on the surfaces of the electrodes of the two cells as a function of the NOx concentration, ie the first cell (monitoring cell), which is inactive or non-reactive with respect to NOx, influences the Measurement signals of the second cell (sensor cell) are suppressed by residual oxygen remaining in the chamber, which results in a higher measurement accuracy in the NOx measurement. This prior art is known from JP-A-2002-202 285.
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.The gas sensor described above can
thus have a high measuring accuracy. However, if the manufacturing technology
or manufacturing quality
with such a gas sensor in relation to the desired high
Measurement accuracy is insufficient, the required target accuracy can not
can be achieved or the requirements for high measurement accuracy
to lead
in the production of the gas sensor to a low yield.
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.The invention is therefore the object
based, a gas sensor and a gas concentration detector for an internal combustion engine
specify with the help of an extremely accurate
Gas concentration measurement precision
is achievable.
Diese Aufgabe wird mit den in den
Patentansprüchen
angegebenen Mitteln gelöst.This task is carried out in the
claims
specified means solved.
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.According to claim 1 is a
Gas sensor for
an internal combustion engine specified that the the NOx concentration
generated measurement signal in the exhaust gases of the internal combustion engine.
The gas sensor here comprises at least one given cell, at
the two electrodes are formed on a solid electrolyte element.
This given cell includes a sensor cell that is related to
the decomposition of NOx is reactive. With the two electrodes
the sensor cell has a first electrode arranged opposite a chamber,
into which the exhaust gases enter. The gas sensor is through an information storage medium
(Volume)
marked, which stores individual data of the measurement characteristic,
the measurement sensitivity data regarding the NOx concentration
or include offset amount data related to a zero point. This
individual data of the measurement characteristic serve for compensation
or correction of measurement characteristic differences occurring with other gas sensors.
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.This construction allows NOx concentration measurement errors
compensate or correct that due to individual differences
the measurement characteristics of the respective gas sensor with regard to the
Sensitivity or the offset amount in relation to a zero point
occur so that a higher
Measurement accuracy can be achieved when measuring the NOx concentration
is.
Die Erfindung wird nachstehend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:The invention is illustrated below
of preferred embodiments
with reference to the related
Drawings closer
described. Show it:
1 den
Aufbau eines erfindungsgemäßen Gassensors
und Gaskonzentrationsdetektors, 1 the construction of a gas sensor and gas concentration detector according to the invention,
2 eine
vergrößerte Ansicht
des in 1 durch einen
Kreis A gekennzeichneten Bereichs, 2 an enlarged view of the in 1 area marked by a circle A,
3 eine
Schnittansicht entlang der Linie III-III gemäß 2, 3 a sectional view taken along the line III-III 2 .
4 eine
Schnittansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2, 4 a sectional view taken along the line IV-IV 2 .
5 ein
erstes Kennlinienfeld zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des
Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors, 5 a first characteristic field to illustrate the mode of operation of the gas sensor and the gas concentration detector,
6 eine
zweite Kennlinie zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gassensors
und des Gaskonzentrationsdetektors, 6 a second characteristic curve to illustrate the mode of operation of the gas sensor and the gas concentration detector,
7 eine
dritte Kennlinie zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Gassensors
und des Gaskonzentrationsdetektors, 7 a third characteristic curve to illustrate the mode of operation of the gas sensor and the gas concentration detector,
8 ein
Kennlinienfeld, das eine Modifikation des Gassensors und des Gaskonzentrationsdetektors
veranschaulicht, 8th a characteristic diagram illustrating a modification of the gas sensor and the gas concentration detector,
9(A) und 9(B) Ansichten des Gassensors
und des Gaskonzentrationsdetektors, 9 (A) and 9 (B) Views of the gas sensor and the gas concentration detector,
10 eine
Kennlinie, die eine weitere Modifikation des Gassensors und des
Gaskonzentrationsdetektors veranschaulicht, 10 a characteristic curve which illustrates a further modification of the gas sensor and the gas concentration detector,
11 eine
Kennlinie, die eine weitere Modifikation des Gassensors und des
Gaskonzentrationsdetektors veranschaulicht, 11 a characteristic curve which illustrates a further modification of the gas sensor and the gas concentration detector,
12 eine
schematische Darstellung eines Steuerverfahrens für den Gassensor, 12 1 shows a schematic representation of a control method for the gas sensor,
13 eine
schematische Darstellung eines weiteren Steuerverfahrens für den Gassensor, 13 1 shows a schematic representation of a further control method for the gas sensor,
14 eine
Schnittansicht eines Hauptbereiches eines modifizierten Ausführungsbeispiels
des Gassensors, und 14 a sectional view of a main portion of a modified embodiment of the gas sensor, and
15 eine
Schnittansicht eines Hauptbereiches eines weiteren modifizierten
Ausführungsbeispiels
des Gassensors. 15 a sectional view of a main portion of another modified embodiment of the gas sensor.
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.In the following, we will first refer to the in 1 illustrated gas concentration detector received according to the invention, a gas sensor S and a control unit 3 with a control circuit 31 and an electronic control unit ECU 32 includes.
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.The gas sensor S protrudes into an exhaust pipe 41 into an internal combustion engine (not shown) and gives measurement signals as a function of the O 2 concentration or NOx concentration (hereinafter simply referred to as "gas concentration") through the exhaust pipe 41 flowing exhaust gases. The gas sensor S essentially comprises a housing 21 , a sensor element 1 , an element housing 22 and a cylindrical member 23 , The housing 21 is in an assembly opening of the exhaust pipe 41 attached. The sensor element 1 is in the housing 21 attached in an isolated arrangement. A measuring end of the sensor element 1 (the lower end according to 1 ) is in the element housing 22 arranged at the lower end (according to the lower end 1 ) of the housing 21 is attached and in the exhaust pipe 41 protrudes. The element housing 22 has a double structure where the through the exhaust pipe 41 flowing exhaust gases through exhaust gas inlet openings formed in side and bottom walls 221 can occur. The cylindrical component 23 is at the top (according to the top) 1 ) of the housing 21 attached and has an air inlet opening in its side wall 231 , Via this air inlet opening 231 gets outside the exhaust pipe 41 ambient air in the sensor element 1 arranged air channels 104 . 105 (which will be described in more detail below) and serves here as an O 2 concentration reference gas.
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.Via the control circuit 31 the control unit 3 cells are controlled 1a to 1c and a heating element 13 that together the sensor element 1 form and are described in more detail below. In addition, the control circuit leads 31 the electronic control unit ECU 32 the control unit 3 Pump cell current measurement signals and sensor current measurement signals.
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.The electronic control unit ECU 32 then computes based on that from the control circuit 31 emitted measurement signals the gas concentration, which is used in various control processes such as for controlling an exhaust gas recirculation valve to regulate the exhaust gas recirculation quantity.
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.The sensor element 1 owns one in the 2 . 3 and 4 illustrated multi-layer structure, the solid electrolyte element layers 111 . 112 Made of a material that conducts oxygen ions such as zirconium dioxide and insulating layers 113 . 114 . 115 made of an insulating material such as aluminum oxide. The between the solid electrolyte element layers 111 . 112 arranged insulating layer 114 is to form two, through a through hole 103 chambers in fluid communication 101 . 102 partially punched out in the thickness direction. The chambers 101 . 102 are in the longitudinal direction of the sensor element 1 aligned. Here is the chamber 101 closer to the measuring end of the sensor element 1 than the chamber 102 arranged. How 3 can be seen is the chamber 102 almost twice as wide as the chamber 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.The two chambers 101 . 102 are over the solid electrolyte element layers 111 . 112 towards the air ducts 104 . 105 arranged. The air ducts 104 . 105 stand over a connection end (the upper end according to 1 ) of the sensor element 1 in connection with the atmosphere or ambient air. Here is the air duct 105 over the solid electrolyte element layer 111 opposite the chamber 102 arranged while the air duct 104 over the solid electrolyte element layer 112 not just opposite the chamber 102 but also towards the chamber 101 is arranged. The air ducts 104 . 105 thus form gaps that contain the O 2 reference concentration.
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.The upper solid electrolyte element layer 111 has a pinhole 106 that in the thickness direction through the solid electrolyte element layer 111 through to the first chamber 101 runs. About this pinhole 106 get the sensor element 1 surrounding exhaust gases in the first chamber 101 , The pinhole 106 is here through a porous diffusion layer 116 made of, for example, porous aluminum oxide, which prevents the ingress of exhaust gas particles into the chamber 101 is prevented.
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.Near the first chamber 101 are on the solid electrolyte element layer 112 two electrodes facing each other 121 . 122 to form a pump cell 1a arranged. That of the chamber 101 opposite electrode 121 consists of a noble metal such as Au-Pt, which is inactive or non-reactive with regard to the decomposition (reduction) of NOx.
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.Near the second chamber 102 are on the solid electrolyte element layer 111 two electrodes 123 . 125 and two electrodes 124 . 125 arranged opposite each other. This takes place in the air duct 104 opposite electrode 125 in the in 4 illustrated way as both the electrode 123 as well as the electrode 124 opposite, common electrode use. In this way, the solid electrolyte element layer 111 and the electrodes 123 . 125 a monitoring cell 1b formed while from the solid electrolyte element layer 111 and the electrodes 124 . 125 a sensor cell 1c is formed. At the monitoring cell 1b is that of the Chamber 102 opposite electrode 123 from a precious metal such as Au-Pt, which is inactive or non-reactive with regard to the splitting of NOx. In contrast, the sensor cell 1c that of the Chamber 102 opposite electrode 124 from a precious metal such as Pt, which is reactive with respect to the decomposition of NOx. In the following, the respective electrodes are referred to using a combination of the terms chamber-side / atmosphere-side and monitoring / sensor / pump, ie as a chamber-side pump electrode 121 , as a chamber-side sensor electrode 124 and as an atmosphere-side sensor / monitoring electrode 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.The insulation layer 115 that together with the solid electrolyte element layer 112 the duct walls of the air duct 104 forms a wiring pattern made of a metal such as Pt, which is a heating element 13 for heating the entire sensor element 1 forms. The heating element 13 is an electrical component that generates Joule heat by conducting current.
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.The heating element 13 is achieved by supplying an electrical current through the control circuit 31 heated. This is from the control circuit 31z .B. the temperature-dependent admittance between the electrodes 121 . 122 calculated, the control circuit 31 by controlling the power supply to the heating element 13 the target admittance value of the calculated admittance is reached, which corresponds to an active temperature range of the solid electrolyte element layers 111 . 112 equivalent. The control of the heating element 13 is done, for example, by pulse duration modulation (PDM) of a current pulse signal or current switch-on signal. The respective admittance can be calculated, for example, by changing the terminal voltage of the cells 1a . 1b . 1c to generate current changes, the admittance is then calculated by dividing the current changes obtained by the terminal voltage changes.
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").The control circuit 31 applies a voltage ("pump cell voltage VP") to the electrodes 121 . 122 the pump cell 1a at, the atmosphere-side pump electrode 122 is due to positive potential. The control circuit also measures 31 the one between the electrodes 121 . 122 flowing electrical current ("pump cell current 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.When the exhaust gases flowing around the gas sensor S through the porous diffusion layer 116 and the pinhole 106 in the first chamber 101 occur, O 2 is split up in the exhaust gases and at the chamber-side pump electrode 122 ionized. The ionized oxygen passes through the solid electrolyte element layer 112 through and gets into the air duct 104 dissipated. The one in the chamber 101 amount of O 2 entering is determined by the flow resistance of the pinhole 106 certainly. If the pump cell voltage VP is in a limit current range described in more detail below, the O 2 concentration of the exhaust gases can be derived from the pump cell current IP. The NOx in the exhaust gases remains in the first chamber 101 , because the chamber-side pump electrode 121 is inactive or non-reactive with regard to the decomposition of NOx.
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.The terminal voltage VP is controlled depending on the pump cell current IP. This in 5 Characteristic field of the pump cell shown 1a also shows a limit current range in which the pump cell current IP does not depend on the terminal voltage VP. In a permanent memory of the control circuit 31 is one in 5 pre-stored by a dashed line relationship between the pump cell current IP and the pump cell voltage VP. The control circuit 31 thus sets the pump cell voltage VP in such a way that the pump cell current IP falls within the limit current range.
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.Because the exhaust gases from the first chamber 101 through the through opening 103 to the second chamber 102 diffuse, contains the second chamber 102 Exhaust gases with a low O 2 concentration as sample gas.
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").The control circuit 31 attaches to the electrodes 123 . 125 the monitoring cell 1b a voltage ("monitor cell voltage VM"), with the atmosphere-side sensor / monitor electrode 125 positive potential, and also acts on the electrodes 124 . 125 the sensor cell 1c with a voltage ("sensor cell voltage VS"). The control circuit also measures 31 the one between the electrodes 123 . 125 flowing electrical current ("monitoring cell current IM") and between the electrodes 124 . 125 flowing electrical current ("sensor cell current 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.By applying the monitoring cell voltage VM to the monitoring cell 1b and the sensor cell voltage VS to the sensor cell 1c it will be in the chamber 102 remaining O 2 in the air duct 105 dissipated. A corresponding setting of the monitoring cell voltage VM and the sensor cell voltage VS leads in the cells 1b . 1c to generate the limit current. In the second chamber 102 opposite electrodes 123 . 124 only leads the sensor electrode on the chamber side 124 decomposition of NOx, which leads to an increase in the amount of ionized oxygen at the chamber-side sensor electrode 124 leads. The sensor cell current IS is therefore greater than the monitoring cell current IM. The NOx concentration in the exhaust gases can thus be obtained on the basis of the difference between the monitoring cell current IM and the sensor cell current IS. In this case, the pump cell current IP, the monitoring cell current IM and the sensor cell current IS are each measured as voltage drops across resistors which are present in the terminal voltage circuits of the respective cells 1a . 1b . 1c are connected in series.
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.The electronic control unit ECU 32 has a permanent memory in her own computer 321 , in which the individual measurement characteristic of a with the electronic control unit ECU 32 connected gas sensor S corresponding data ("individual data") are stored. The permanent memory 321 is formed here by a rewritable EEPROM memory or the like.
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.Below is based on this individual data with reference to the 6 and 7 discussed in more detail. 6 illustrates the correspondence relationship between the pump cell current IP and the O 2 concentration in the form of a characteristic curve. In the permanent memory 321 measurement sensitivity data is stored (ie the rate of change of the pump cell current IP as a function of a change in the O 2 concentration). These measurement sensitivity data for a respective gas sensor S are determined by previously measuring the correspondence relationship between the pump cell current IP and known predetermined O 2 concentration values of a test gas.
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. 7 shows the correspondence relationship between the sensor current and the NOx concentration (ie, the difference between the sensor cell current IS and the monitor cell current IM). In the permanent memory 321 measurement sensitivity data (ie the rate of change of the sensor current (IS - IM) in relation to a change in the NOx concentration) and an offset amount at a zero point of the sensor current are stored. These data for a respective gas sensor S are determined by previously measuring the correspondence relationship between the sensor current and known predetermined NOx concentration values of a test gas.
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.In this measurement, the correspondence relationship
between the sensor current and NOx concentration values using
a variety of NOx concentration ranges (e.g.
using a lower one between 0 and 100 ppm
Area and one over
100 ppm lying upper range), whereby the measurement characteristics
or measurement characteristic of a respective gas sensor S can be better approximated.
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.Furthermore, the correspondence relationship to the NOx concentration in the in 8th illustrated manner can be obtained using a variety of known predetermined O 2 concentration ranges. Namely, when the electronic control unit ECU 32 If a NOx concentration is calculated from a sensor current, the O 2 concentration is first determined from the pump cell current IP. The NOx concentration is then calculated on the basis of the measurement sensitivity and the offset amount corresponding to the O 2 concentration obtained.
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.Those in the permanent memory 321 Stored data described above must be related to that with the electronic control unit ECU 32 gas sensor S in operative connection can be updated or rewritten. The following is the acquisition of the individual data of the built-in gas sensor S and the subsequent updating of the permanent memory 321 discussed in more detail.
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.In the in 9 (A) shown way is the measuring end of the gas sensor S within the exhaust pipe 41 arranged while that from the exhaust pipe 41 protruding connection end on the side with an information storage medium in the form of an information carrier with a so-called QR code 51 (Quick response code) is provided. The QR code 51 is a two-dimensional code that is on the outside of the cylindrical component 23 in the form of a label bearing the QR code or by laser marking. The QR code specifies the individual data of a given gas sensor S which is provided with the QR code. The code data of the QR code of such a given gas sensor S are obtained after the gas sensor S has been produced in a factory as part of a measurement test.
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.The QR code 51 a gas sensor S is from a code reader 52 For example, optically read on an assembly line for motor vehicles when installing the gas sensor S in the exhaust pipe 41 he follows. Thus, the individual data of the gas sensor S can be carried out on the assembly line as part of the production process without making an electrical one Connection with the reader or the like can be read out in a simple manner. The individual data of the read QR code are stored in a computer 53 saved and in the permanent memory 321 the electronic control unit ECU 32 enrolled using a read-only memory device.
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.The individual data are assigned to a corresponding gas sensor S, so that incompatibilities between a respective gas sensor S and the associated electronic control unit ECU 32 must be prevented. In the computer 53 For example, the individual data are stored with simultaneous assignment to a production number of a corresponding motor vehicle. The respective gas sensor S and the associated electronic control unit ECU 32 assigned information can thus be traced back to the writing process of the read-only memory 321 or the installation of the electronic control unit ECU 32 into the corresponding motor vehicle.
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.Otherwise, the data of the measurement characteristic are not limited to the data described above. In 10 For example, a terminal voltage map is illustrated in the form of a characteristic curve that shows the dependence of the pump cell voltage VP on the pump cell current IP. This terminal voltage map is assigned to a respective gas sensor S and is based on the result of a previous measurement of the VP-IP characteristic 5 of the respective gas sensor S. The terminal voltage map is specified for the respective gas sensor S such that the pump cell 1a works in the limit current range regardless of the O 2 concentration. The limit current range for the respective gas sensor S is set taking into account tolerances. These tolerances are taken into account in relation to a range in which the pump cell current IP increases in a lower voltage section with increasing pump cell voltage VP, and in relation to a range in which the pump cell current IP increases in an upper voltage section when NOx is split up.
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. 11 shows a correspondence relationship between the admittance of the cells 1a . 1b . 1c and the temperature of the sensor element 1 , The admittance of the cells 1a . 1b . 1c occurs between the electrodes 121 . 122 , between the electrodes 123 . 125 or between the electrodes 124 . 125 on. If this correspondence relationship changes, the same control of the heating element leads 13 to achieve a target admittance for the occurrence of temperature scatter in the gas sensors S in relation to the temperature of the solid electrolyte elements. In the permanent memory 321 is therefore the admittance of the cells for a respective gas sensor S. 1a . 1b . 1c stored at a given temperature that is within an active area of a solid electrolyte element. That with the help of the heating element 13 The regulated temperature of the solid electrolyte elements is therefore the same even with a large number of gas sensors.
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.In addition, a different temperature characteristic within a range between room temperature and an active temperature can be taken into account with the gas sensors S. Here, a gain factor of a PI control is assigned to a respective gas sensor S and in the read-only memory 321 stored.
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.The terminal voltage map, the target admittance values etc. are from the control circuit 31 needed so that it before the start of an internal combustion engine from the permanent memory 321 into the random access memory of the control circuit 31 be saved.
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.In the exemplary embodiment described above, the pump cell voltage VP is set on the basis of the pump cell current IP using the terminal voltage map, which corresponds to a control method as described in FIG 12 is shown. However, it can also be an in 13 illustrated other control method can be considered. Here, the pump cell voltage VP is regulated by feedback in such a way that the monitoring cell current IM assumes a given value. With this control method too, the NOx concentration is obtained via the sensor current (IS - IM), while the O 2 concentration is obtained via the pump cell current IP.
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.A further construction of a gas sensor can, for example, in the 14 illustrated titmouse can be obtained. The in 14 shown gas sensor 1A comprises solid electrolyte element layers 151 . 152 . 153 formed by zirconia solid electrolyte elements, a diffusion rate control layer made of an insulating material such as porous alumina 154 and an insulating layer made of an insulating material such as alumina 155 , These layers are arranged one above the other in the thickness direction and form a multilayer laminate which has a rectangular shape with respect to the layer surfaces.
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.The solid electrolyte element layer 152 and the diffusion rate control layer 154 that are in the longitudinal direction of the gas sensor 1A both in the same layer are located between the solid electrolyte element layers 151 and 153 , The diffusion rate control layer 154 is on the side of the measuring end of the gas sensor 1A arranged while the solid electrolyte element layer 152 located on the side of the connection end. The solid electrolyte element layer 152 and the diffusion rate control layer 154 are partially punched out and form in the thickness direction between the solid electrolyte element layers 151 and 153 two cams in fluid communication numbers 141 and 142 , Via the diffusion rate control layer 154 outside gases enter the first chamber as measurement gases 141 at the measuring end of the gas sensor 1A a, through this layer simultaneously a flow or diffusion connection between the first chamber 141 and the second chamber 142 will be produced.
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.The two chambers 141 and 142 are over the solid electrolyte element layer 153 opposite the air duct 143 arranged. The air duct 143 is at the connection end of the gas sensor 1A in connection with the atmosphere or ambient air.
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.Near the first chamber 141 are on the solid electrolyte element layer 151 two electrodes 161 and 162 to form a pump cell 1d arranged opposite each other. That of the chamber 141 opposite electrode 161 consists of a noble metal such as Au-Pt, which is inactive or non-reactive with regard to the decomposition of NOx.
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.Near the area where the first chamber 141 the air duct 143 opposite, are on the solid electrolyte element layer 153 two electrodes 163 and 165 to form a monitoring cell 1e arranged opposite each other. That of the chamber 141 opposite electrode 163 consists of a noble metal such as Au-Pt, which is inactive or non-reactive with regard to the decomposition of NOx. Here is the air duct 143 opposite electrode 165 longer than the electrode 163 and runs to the second chamber 142 , being a common electrode for a sensor cell 1f and another pump cell 1g forms.
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.Near the second chamber 142 are on the solid electrolyte element layer 153 the electrode 165 and another electrode 164 to form the sensor cell 1f arranged opposite each other.
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.In addition, is on the solid electrolyte element layer 151 one of the second chamber 142 opposite electrode 166 educated. The further pump cell 1g is thus from the solid electrolyte element layers 151 . 152 . 153 as well as the electrodes 166 and 165 educated. Here lies the further pump cell 1g the electrode 166 of the electrode pair 166 . 165 the second chamber 142 opposite while the electrode 165 of the electrode pair 166 . 165 the air duct 143 opposite.
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.Of the second chamber 142 opposite electrodes 164 . 166 there is the electrode 164 the sensor cell 1f from a precious metal such as Pt, which is reactive with respect to the decomposition of NOx. In contrast, there is the electrode 166 the further pump cell 1g from a precious metal such as Au-Pt, which is inactive or non-reactive with regard to the splitting of NOx.
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.The insulation layer 155 that together with the solid electrolyte element layer 153 the duct walls of the air duct 143 forms, contains in a similar manner as in the embodiment according to 2 a wiring pattern made of a metal like Pt, which is a heating element 17 for heating the entire gas sensor 1A forms.
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.With the gas sensor 1A becomes the terminal voltage of the pump cell 1d by feedback based on one from the monitoring cell 1e generated EMF or source voltage VM1 ("monitoring cell terminal voltage") regulated. The monitoring cell source voltage VM1 converges to a reference voltage, that is, the O 2 concentration in the first chamber 141 assumes a low and constant concentration value. The oxygen in the first chamber 141 is thereby removed, which also for the oxygen in the first chamber 141 in a flow or diffusion connection second chamber 142 applies, so that their O 2 concentration has a value similar to the O 2 concentration in the first chamber 141 accepts.
Die in der zweiten Kammer 142 verbleibende restliche
O2-Konzentration
wird sodann von der Pumpzelle 1g abgepumpt.The one in the second chamber 142 Remaining remaining O 2 concentration is then from the pump cell 1g pumped out.
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.In the sensor cell 1f the current IS is dependent on the splitting of NOx at that of the second chamber 142 opposite electrode 164 according to the NOx concentration in the second chamber 142 generated. In the pump cell 1g the current IP2 corresponds to the O 2 concentration in the second chamber 142 generated.
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.With this construction of the gas sensor 1A the NOx concentration is obtained via the sensor current (IS - IP2), while the O 2 concentration is obtained via the pump cell current IP1 of the pump cell 1d is obtained. The gas sensor is similar to the gas sensor S 1A A high measuring accuracy can be achieved by correcting or compensating for existing differences and differences to other gas sensors by measuring its measuring characteristic or temperature characteristic beforehand.
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.In addition, the invention can also be in the form of 15 shown gas sensor 1B Find use. The structure of the gas sensor 1B corresponds to the gas sensor with the exception of the electrode arrangement 1A according to 14 , The electrode 163 according to 14 is namely according to the arrangement 15 not available anymore. A first pump cell 1d is from the solid electrolyte element layer 151 and the one on the shift 151 electrodes arranged opposite one another 161 and 162 educated. A first monitoring cell 1h is from the solid electrolyte element layers 151 . 152 . 153 as well as the electrodes 162 . 165 educated. Here, the terminal voltage of the first pump cell 1d between the electrodes 161 . 162 by feedback based on one from the first monitoring cell 1h generated EMF or source voltage VM1 ("monitoring cell source voltage") regulated. The monitor cell source voltage thus converges to a reference voltage that is, the O 2 concentration in the first chamber 141 assumes a low and constant concentration value. This way the one in the first chamber 141 located oxygen removed.
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.A second pump cell 1i is from the solid electrolyte element layer 151 and the one on the shift 151 electrodes arranged opposite one another 166 and 162 educated. A second monitoring cell 1j is from the solid electrolyte element layers 151 . 152 . 153 and the electrodes 166 . 165 educated. Here, the terminal voltage of the second pump cell 1i between the electrodes 166 . 162 by feedback based on one of the second monitoring cell 1j generated EMF or source voltage VM2 ("monitoring cell source voltage") regulated. As a result, the monitor cell source voltage VM2 converges to a reference voltage, that is, the O 2 concentration in the second chamber 142 assumes a low and constant concentration value. This way the one in the second chamber 142 located oxygen removed.
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.Furthermore, a sensor cell 1f from the solid electrolyte element layer 153 and the one on the shift 153 electrodes arranged opposite one another 164 . 165 educated. With the sensor cell 1f the current IS is dependent on the splitting of NOx at that of the second chamber 142 opposite electrode 164 according to the NOx concentration in the second chamber 142 generated.
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.With this construction of the gas sensor 1B the NOx concentration is obtained via the sensor cell current IS, while the O 2 concentration is obtained via the pump cell current IP1. In a similar way to the gas sensors S and 1A is also with the gas sensor 1B A high level of measurement accuracy can be achieved by correcting or compensating for existing differences and differences from other gas sensors by measuring their individual measurement characteristics or temperature characteristics beforehand.
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.Although according to the description above the QR code 51 on the side wall of the cylindrical component 23 of the gas sensor S, the QR code can also be on the top of the cylindrical component 23 be provided if the supply line for the control circuit 31 over the side wall of the cylindrical component 23 and not done over the top. To facilitate the scanning or reading of the QR code by the code reader 52 the design of the upper part of the gas sensor S and the positioning of the QR code can be carried out taking into account the mounting position of the gas sensor S.
Darüber hinaus können als
Informationsspeichermedium bzw. Informationsträger auch andere Codes als der
QR-Code, wie z.B. ein Strichcode, Verwendung finden.In addition, as
Information storage medium or information carrier also other codes than that
QR code, such as a barcode, find use.
Außerdem können die Widerstände oder
der Festspeicher auch innerhalb des Gassensors angeordnet werden.In addition, the resistors or
the fixed memory can also be arranged within the gas sensor.
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.As described above, a gas sensor (S) for an internal combustion engine with a cell ( 1c ), the two electrodes ( 124 . 125 ), between which there is a solid electrolyte element ( 111 ) is located. A ( 124 ) of the electrodes that are in one chamber ( 102 ), into which exhaust gases enter, is reactive with regard to the decomposition of NOx. The gas sensor emits a measurement signal depending on the NOx concentration in the exhaust gases. In addition, the gas sensor is equipped with an information storage medium or information carrier ( 51 ) which contains measurement sensitivity data as individual data defining a measurement characteristic of the gas sensor. These individual data are used by an electronic control unit (ECU 32 ) to determine the NOx concentration. Even if there are production-related differences in the measurement characteristics of the gas sensors used, the NOx concentration can be measured extremely precisely using the individual data of the respective gas sensor.