DE102005018436A1

DE102005018436A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE102005018436A1
Application number: DE102005018436A
Authority: DE
Inventors: Berndt Cramer; Bernd Schumann; Helge Schichlein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-01-03
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-07-13
Also published as: WO2006072530A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Betreiben eines Sensorelements (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas (16) von Brennkraftmaschinen, mit einer an einem Festelektrolyten (12) angeordneten ersten Elektrode (21), die über eine Diffusionsbarriere (15) dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und mit einer am Festelektrolyten (12) angeordneten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22), ist durch eine Schaltungsanordnung (50) gekennzeichnet, die in einer ersten Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Außenpumpelektrode (APE) betreibt und mit einem Pumpstrom (I¶P¶) beaufschlagt und die in einer zweiten pumpstromfreien Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Referenzelektrode (RE) betreibt und die zwischen der ersten Elektrode (21) und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) anliegende Nernstspannung (U¶N¶) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensorelements nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Aus der DE 103 16 645 A1 geht eine Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors hervor, der wenigstens eine Pumpzelle und eine Meßzelle aufweist. Hierbei wird ein Pumpstrom von einer Konstantstromquelle bereitgestellt, mit dem eine äußere Elektrode der Pumpzelle beaufschlagt wird. Die Konstantstromquelle stellt wenigstens zwei unterschiedliche Beträge des Pumpstroms bereit und/oder sieht einen wechselnden Betrieb mit Einschaltphasen und Ausschaltphasen vor, wobei die Dauer der Einschaltphasen/Ausschaltphasen vorgebbar ist. Die Vorrichtung kann weitestgehend in digitaler Schaltungstechnik realisiert und unterschiedlichen Anforderungen angepaßt werden. Ein solcher digitaler elektrochemischer Potentiostat weist gegenüber herkömmlichen Potentiostaten in analoger Schaltungstechnik unter anderem folgende Vorteile auf – eine erhöhte Genauigkeit, die dadurch realisiert wird, daß in den Schaltpausen, in denen der Sensor stromlos betrieben wird, die unbelastete Spannung der Nernstzelle gemessen wird. Damit ist eine genauere Einstellung des Nernstpotentials und damit eine genauere Sauerstoffkennlinie erzielbar. Schaltungsmaßnahmen zur Kompensation des IR-Fehleranteils können hierbei entfallen.

Dieser Sensor weist eine hohe Flexibilität auf, da alle Regelkreise auf einfache Weise durch Software realisierbar sind und daher geändert werden können, ohne daß Eingriffe in die Hardware erforderlich werden. Schließlich ist ein geringer Schaltungsbedarf vor Ort erforderlich, die Funktionalität kann ausgelagert werden, Messungen des Innenwiderstands entfallen vollständig, da der Innenwiderstand durch Messungen der Differenz an unbelasteter (ohne Pumpen) und belasteter (mit Pumpen) Nernstspannung bestimmt werden kann.

Die aus der DE 103 16 645 A1 bekannte Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors ist ein Zweizellen-Grenzstromsensor. Ein solcher Gassensor erfordert wenigstens drei Elektroden-Zuleitungen mit dem entsprechenden Schaltungsaufwand. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, daß auch ein Einzellen-Grenzstromsensor mit der gleichen Genauigkeit wie ein Zweizellen-Grenzstromsensor betrieben werden kann. Neben einem wesentlich einfacheren Aufbau des Sensorelementes soll auch der Schaltungsaufwand erheblich reduziert werden.

Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteile der Erfindung

Grundidee der Erfindung ist es, die Zelle eines Einzellen-Grenzstromsensors abwechselnd als Pumpzelle und als Meßzelle zu betreiben. Hierzu ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die in einer ersten Schaltstellung, die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode als Außenpumpelektrode betreibt und mit einem Pumpstrom beaufschlagt und die in einer zweiten, pumpstromfreien Schaltstellung, die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode als Referenzelektrode betreibt und die in diesem Fall zwischen der ersten Elektrode und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode anliegende Nernstspannung ermittelt. Es wird also mit anderen Worten in den Luftreferenzkanal gepumpt, wobei die im Luftreferenzkanal angeordnete dem Referenzgas ausgesetzte und gewöhnlich als Referenzelektrode bezeichnete Elektrode während des Pumpens wie die äußere Pumpelektrode eines Zweizellen-Grenzstromsensors betrieben wird.

Bevorzugt wird dabei mit einem Konstantstrom gepumpt, wobei die Beaufschlagung mit einem intermittierenden Pumpstrom erfolgt. Dabei wird die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode vorzugsweise mit dem konstanten Pumpstrom in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig beaufschlagt. Der Innenwiderstand des Sensorelements wird hierbei aus der Differenz der Spannungen ermittelt, die jeweils zwischen der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode und der ersten Elektrode anliegen, während die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode mit dem Pumpstrom beaufschlagt wird und ohne Beaufschlagung mit dem Pumpstrom. Durch das Pumpen mit gewissermaßen Konstantstrom-Paketen ist es so möglich, in den Schaltpausen die "unbelastete" Nernstspannung zu messen, wobei aus der Differenz von "unbelasteter" (ohne Pumpen) und "belasteter" (mit Pumpen) Zellspannung bei bekanntem Konstantstrom der Innenwiderstand des Sensorelements bestimmt wird.

Hierdurch wird eine wesentlich höhere Genauigkeit der Sauerstoffpumpstromkennlinie im Vergleich mit an sich bekannten (Einzellen-)Sensorelementen erzielt, insbesondere wird wenigstens die gleiche Genauigkeit der Sauerstoffpumpstromkennlinie wie mit der aus der DE 103 16 645 A1 bekannten Vorrichtung zum Betreiben des Gassensors erzielt, gegenüber der eine Zuleitung und eine Kammer eingespart werden können. Darüber hinaus ist es möglich, sowohl im fetten als auch im mageren Bereich des Abgases zu messen.

Als weiterer Vorteil ergibt sich eine verringerte λ = 1-Welligkeit. Hierunter wird ein dynamischer Monotoniebruch bei rampenförmiger Gasanregung um den Stöchiometriepunkt aufgrund des Nernstspannungswechsels an der äußeren Pumpelektrode verstanden, der ausbleibt, wenn sich diese im Luftreferenzkanal befindet.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

Zeichnung

In der Zeichnung zeigen:

1 schematisch ein von der Erfindung Gebrauch machendes Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff im Abgas von Brennkraftmaschinen;

2 schematisch den Zeitverlauf der zwischen den Elektroden anliegenden Spannung bei λ = 1.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Das in der Figur schematisch dargestellte Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas von Brennkraftmaschinen, weist einen dem Abgas 16 der (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine oder einem sonstigen Gasgemisch ausgesetzten, planaren Sensorkörper 10 auf. Der Sensorkörper 10 selbst umfaßt einen Festelektrolyten 12, z.B. eine mit Y₂O₃ stabilisierte ZrO₂-Keramik, in dem ein beispielsweise quaderförmiger Hohlraum 13 ausgebildet ist. Der Hohlraum 13 steht über eine Diffusionsbarriere 15 mit dem Abgas 16 der Brennkraftmaschine in Verbindung.
In dem Hohlraum 13 ist an dem Festelektrolyten 12 eine erste Elektrode 21 angeordnet. In dem Festelektrolyten 12 ist ferner ein weiterer Hohlraum 17 vorgesehen, der mit einer Referenzgasatmosphäre 18 verbunden ist. In dem zweiten Hohlraum 17 ist eine zweite Elektrode an dem Festelektrolyten 12 angeordnet, die dem Referenzgas 18 ausgesetzt ist. Die erste Elektrode 21 ist über eine Leitung 23 mit einer Schaltungsanordnung 50 verbunden, die zweite Elektrode 22 ist über eine Leitung 24 mit der Schaltungsanordnung 50 verbunden.
In dem Festelektrolyten 12 ist des weiteren eine Heizeinrichtung 30 vorgesehen, die über Heizleitungen 31, 32 ebenfalls mit der Schaltungsanordnung 50 verbunden ist. Die Heizeinrichtung 30 heizt den Festelektrolyten 12 auf eine vorgebbare, für die Messung erforderliche Temperatur auf. Hierzu ist in der Schaltungsanordnung 50 eine an sich bekannte Steuerschaltung oder ein an sich bekanntes Steuerprogramm zur Bestimmung und Ausgabe einer Heizspannung U_Heiz vorgesehen.
Das Sensorelement wird durch die Schaltungsanordnung 50 auf die nachfolgend beschriebene und anhand der in 2 beispielhaft erläuterte Weise angesteuert.
Nach Beaufschlagung der Heizeinrichtung 30 mit der Heizspannung U_Heiz wird die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode 22 mit einem intermittierenden, konstanten Pumpstrom beaufschlagt. Die Elektrode 22 wird dabei – wie in 2 dargestellt – in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig mit dem konstanten Pumpstrom I_P beaufschlagt, wobei in 2 die an der Elektrode 22 anliegende Spannung U_RE dargestellt ist, die sich aus dem Produkt des Pumpstroms I_P und dem Innenwiderstand des Sensorelements R_i ergibt. Dabei können sowohl positive Spannungspulse als auch negative Spannungspulse von der Schaltungsanordnung 50 erfaßt werden. In 2 ist lediglich ein Ausschnitt der Messung, die über eine längere Meßzeit erfolgt, dargestellt. In dem Ausschnitt sind sieben positive und zwei negative Pulse dargestellt. Bei einer Luftzahl λ = 1 werden im Mittel gleich viele positive wie negative Pulse erfaßt. Bei einer von λ = 1 abweichenden Luftzahl entsteht dagegen ein Überschuß von positiven oder negativen Pulsen. Durch Zählen der positiven negativen Pulse kann auf an sich bekannte und aus der DE 103 16 645 A1 hervorgehende Weise die Luftzahl λ bestimmt werden.
In den pumpstromfreien Zeiten liegt zwischen der Elektrode 22 und der Elektrode 21 eine vorgebbare Spannung U_RE-IPE, die Nernstspannung U_N an, die beispielsweise 450 mV beträgt. Aus der Differenz der Zellenspannung U_RE während des Pumpens und der in der pumpstromfreien Zeit anliegenden Spannung kann nun bei bekanntem Pumpstrom I_P der Innenwiderstand R_i des Sensorelements 10 bestimmt werden: ΔU = UN + IP·Ri – UN = Ip·Ri.
Das Sensorelement 10 wird – anders ausgedrückt – sowohl als Pumpzelle als auch als Meßzelle betrieben. Hierzu wird während des Pumpvorgangs in den auch als Luftreferenzkanal bezeichneten Hohlraum 17 gepumpt. Die in dem auch als Luftreferenzkanal bezeichneten Hohlraum 17 angeordnete zweite Elektrode 22, die auch als Referenzelek trode RE bezeichnet werden kann, wird während des Pumpens also als äußere Pumpelektrode APE betrieben. Während der Messung dagegen wird diese Elektrode 22 als Referenzelektrode RE betrieben, wohingegen die erste Elektrode 21 als innere Pumpelektrode IPE betrieben wird. Die Schaltungsanordnung 50 ermöglicht ein Umschalten zwischen dem Betrieb als Pumpzelle und dem Betrieb als Meßzelle.
Mit dem vorstehend beschriebenen Sensorelement wird eine sehr hohe Genauigkeit der Sauerstoffpumpstromkennlinie erreicht. Die Genauigkeit entspricht derjenigen eines beispielsweise aus der DE 103 16 645 A1 hervorgehenden Gassensors, wobei gegenüber diesem Sensorelement bei dem hier erläuterten Sensorelement auf eine Zuleitung und auf eine Kammer verzichtet werden kann.
Sehr vorteilhaft ist auch, daß das Sensorelement sowohl im fetten als auch im mageren Bereich des Abgases eingesetzt werden kann.
Da die Pumpelektrode nicht im Abgasraum liegt, ist sie Wechseln der Luftzahl λ nicht ausgesetzt, so daß sich sehr vorteilhaft eine verringerte λ = 1 Welligkeit ergibt. Hierunter wird ein dynamischer Monotoniebruch bei rampenförmiger Gasanregung um den Stöchiometriepunkt aufgrund des Nernstspannungswechsels an der äußeren Pumpelektrode verstanden, der ausbleibt, wenn ich diese im Luftreferenzkanal befindet.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben eines Sensorelements (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas (16) von Brennkraftmaschinen, mit einer an einem Festelektrolyten (12) angeordneten ersten Elektrode (21), die über eine Diffusionsbarriere (15) dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und mit einer am Festelektrolyten (12) angeordneten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22), gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (50), die in einer ersten Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Außenpumpelektrode (APE) betreibt und mit einem Pumpstrom (I_p) beaufschlagt und die in einer zweiten pumpstromfreien Schaltstellung die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) als Referenzelektrode (RE) betreibt und die zwischen der ersten Elektrode (21) und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) anliegende Nernstspannung (U_N) ermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagung mit dem Pumpstrom (I_P) intermittierend erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) mit einem konstanten Pumpstrom (I_P) in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig beaufschlagt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements (10) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, insbesondere der Konzentration von Sauerstoff im Abgas (16) von Brennkraftmaschinen, mit einer ersten an einem Festelektrolyten (12) angeordneten Elektrode (21), die über eine Diffusionsbarriere (15) dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und mit einer an dem Festelektrolyten (12) angeordneten, einem Referenzgas ausgesetztem Elektrode (22), dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) in vorgegebenen Zeiträumen als Außenpumpelektrode (APE) und außerhalb dieser Zeiträume als Referenzelektrode (RE) zur Erfassung einer zwischen der ersten Elektrode (21) und der an der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) anliegenden Nernstspannung (U_N) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) mit intermittierenden Stromimpulsen beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Referenzgas ausgesetzte Elektrode (22) in zyklisch ablaufenden Vorgängen mit einem Konstantstrom (I_p) impulsartig beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand (R_i) des Sensorelements (10) aus der Differenz der zwischen der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode (22) und der ersten Elektrode (21) jeweils anliegenden Spannungen während der Beaufschlagung mit dem Pumpstrom (I_P) und ohne Beaufschlagung mit dem Pumpstrom (I_P) ermittelt wird.