DE102009001839A1

DE102009001839A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements und Sensorelement

Info

Publication number: DE102009001839A1
Application number: DE200910001839
Authority: DE
Inventors: Peer Kruse; Jens Schneider; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-09-30
Also published as: RU2011142617A; WO2010108732A1; CN102362175A; EP2411795A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere einer Lambdasonde, ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: - es wird der Innenwiderstand des Sensorelements bestimmt; - der Regelpunkt des Sensorelements wird an den Innenwiderstand angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen und ein Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, das bei einem solchen Verfahren zum Einsatz kommen kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt, welche zur Durchführung des Verfahrens geeignet sind.
Stand der Technik
Derartige Sensoren werden auch als Lambdasonden bezeichnet und gehen beispielsweise aus der Buchveröffentlichung „Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch" 25. Auflage, Seiten 133 ff hervor. Ein Sensor zur Bestimmung von Gaskomponenten und/oder der Konzentration von Gasbestandteilen in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer Referenzelektrode, die über einen Referenzgaskanal mit einem Referenzgas, insbesondere Luft oder einem sauerstoffhaltigen Gas, beaufschlagbar ist, ist ferner aus der DE 100 43 089 C2 bekannt geworden.
Sensorelemente für Lambdasonden, die üblicherweise planar aufgebaut sind, weisen einen Referenzgaskanal auf, in dem eine Referenzelektrode angeordnet ist. Diese Sensoren werden beispielsweise als Sprungsonden eingesetzt. Der Ausdruck „Sprungsonde” ist von der Kennlinie derartiger Lambdasensoren abgeleitet, die bei einer Luftzahl λ = 1 einen „Sprung” von einem ersten Spannungswert im Bereich von etwa 900 mV auf einen zweiten Spannungswert im Bereich von wenigen mV ausführt. Dieser Sprung wird detektiert und zur Bestimmung des korrekten Luft-Kraftstoff-Gemisches bei λ = 1, bei dem eine optimale, stöchiometrische Verbrennung vorliegt, ausgewertet.
Darüber hinaus werden diese Sensoren auch mit einer sogenannten gepumpten Referenz bzw. mit einer Referenzelektrode betrieben, die mit einer Pumpspannung beaufschlagt ist, sodass über den dadurch aufgeprägten anodischen Strom der Referenzkanal aus dem Abgas heraus mit Sauerstoff durchströmt wird.
Beim Betrieb derartiger Lambdasonden tritt nun das Problem auf, dass an der Referenzelektrode bzw. in einem benachbarten Referenzgasvolumen unverbrannte Kohlenwasserstoffe auftreten, die beispielsweise von verschmutzten und/oder überhitzten Bauteilen oder einer undichten Packung der Sonde herrühren. Durch diese unverbrannten Kohlenwasserstoffe wird ein nicht vernachlässigbarer Teil des der Referenzelektrode zugeführten Sauerstoffs verbraucht, sodass die Sauerstoffkonzentration an der Referenzelektrode herabgesetzt und damit die Sondenfunktion gestört ist. Dieses Phänomen ist als CSD-Verhalten („Characteristic-Shift-Down”) bekannt. In diesem Zusammenhang ist es weiter störend, dass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe vorzugsweise an den heißen, katalytisch aktiven Flächen, d. h. insbesondere an der Referenzelektrode in dem heißen Bereich der Sonde („Hot-Spot-Bereich”) oxidiert werden. Darüber hinaus diffundieren die unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Referenzgaskanal zwar meist langsamer als Sauerstoff, jedoch setzt ein einzelnes Kohlenwasserstoffmolekül in der Regel mehr als ein einzelnes Sauerstoffmolekül um, sodass die effektive Sauerstoffverbrauchsrate durch eindiffundierte unverbrannte Kohlenwasserstoffe größer ist als die Diffusionsrate für Sauerstoff. Damit kommt es an der Referenzelektrode zu einer relativen Anreicherung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen bzw. zu einem relativen Sauerstoffmangel, also zu CSD.
Dem CSD-Verhalten kann nun dadurch entgegengewirkt werden, dass eine elektrische Spannung an dem Sensorelement beziehungsweise ein Elektronenstrom durch das Sensorelement angelegt wird, der dadurch einen Sauerstoffionenstrom antreibt. Der Sauerstoffionenstrom geht an der Referenzelektrode in einen Sauerstoffstrom über und führt von der Referenzelektrode über den Referenzkanal in den Außenbereich des Sensorelementes. Dabei wird ein ausrei chender Sauerstoffpartialdruck erzeugt, um Fettgaskomponenten zu oxidieren oder abzutransportieren, sodass das CSD-Verhalten aktiv beseitigt wird.
Der Innenwiderstand derartiger Lambdasonden ist darüber hinaus temperaturabhängig. Sofern derartige Sonden mit einem Pumpstrom betrieben werden, führt ein Pumpstrom zu einem Spannungsabfall am Innenwiderstand und damit zu einer Verschiebung des Messsignals. Bei konstanter Versorgungsspannung und konstantem Innenwiderstand (der durch eine konstante Temperatur bedingt ist) ist auch der Spannungsabfall konstant und kann so vorab im Steuergerät berücksichtigt werden. Bei unbeheizten Sensoren ist jedoch der Innenwiderstand abhängig von der Abgastemperatur. Hierdurch kann es zu einem temperaturabhängigen Spannungsabfall am Innenwiderstand kommen, der einem Signalverzug entspricht. Dieser ist proportional zum Pumpstrom.
Aus dem Stand der Technik bekannte unbeheizte Lambdasensoren werden gewöhnlich ohne Pumpstrom betrieben. Dies führt zwar einerseits aufgrund der Proportionalität des Signalverzuges zum Pumpstrom zu einem Verschwinden des temperaturabhängigen Signalverzuges. Andererseits kann auf diese Weise keine Pumpwirkung zur Beseitigung des CSD-Verhaltens durch Spülen des Referenzkanals erreicht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines unbeheizten Sensorelements, insbesondere einer Lambdasonde, und eine derartige Lambdasonde zu vermitteln, bei der das CSD-Verhalten beseitigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen und ein Sensorelement mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Grundidee der Erfindung ist es, das CSD-Verhalten, also einen Signalverzug bei unbeheizten Lambdasonden, dadurch zu minimieren, dass der Regelpunkt dy namisch an die jeweiligen Innenwiderstandsverhältnisse angepasst wird. Der Regelpunkt beschreibt hier den Wert der Sondenspannung, oberhalb von dem das Abgas in Richtung Magergas und unterhalb von dem das Abgas in Richtung Fettgas nachgeregelt wird. Dies erlaubt den Betrieb des Sensors mittels eines konstanten Stroms, der durch eine Konstantstromquelle bereitgestellt wird. Der Regelpunkt des Sensorelements wird dabei an den Innenwiderstand des Sensorelements angepasst, der wiederum bestimmt wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Verfahrens und des Sensorelements möglich.
So wird beispielsweise der Innenwiderstand des Sensorelements bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens durch eine RI-Puls-Innenwiderstandsmessung bestimmt.
Bei einer wiederum anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird der Innenwiderstand auf der Basis von Abgasmengenverhältnissen bzw. des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur mittels eines Kennfeldes, das den Zusammenhang von Innenwiderstand und Abgasmengenverhältnis bzw. Abgasmassenstrom und Abgastemperatur repräsentiert, bestimmt. Dieses Kennfeld wird zuvor empirisch bestimmt.
Für das erfindungsgemäße Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen mit wenigstens einer Elektrolytschicht wird als Elektrolyt anstelle von Yttrium-stabilisiertem Zirkonoxid Scandium-stabilisiertes Zirkonoxid verwendet.
Um einen verbesserten Gesamtwiderstand herzustellen, können dabei Lokalbereiche mit jeweils unterschiedlichem, Yttrium- oder Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid verwendet werden, um die Widerstandsbeiträge der Einbaureaktion der Sauerstoffionen an den Elektroden und der Ionenleitung im Festkörper separat zu optimieren. Hierdurch sind vor allem im Niedertemperaturbereich bei gleicher Schichtdicke niedrigere Innenwiderstandswerte erreichbar.
Weiterhin ist zur Reduktion des Gleichstrominnenwiderstands vorgesehen, die Elektrodenflächen zu maximieren und die Referenzelektrode nahe an der äußeren, dem Abgas zugewandten Oberfläche zu positionieren, um den dazwischen angeordneten Elektrolyten möglichst gut an das heiße Abgas zu koppeln.
Eine derartige Lambdasonde wird darüber hinaus mit einem sehr geringen Pumpstrom betrieben der zu einem möglichst geringen Spannungsverzug führt und dennoch eine CSD- und Nebenschlussfestigkeit gewährleistet. Die Pumpströme liegen dabei im Bereich zwischen 0 μA und 10 μA, bevorzugt zwischen 2 μA und 5 μA.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Sensorelement schematisch im Schnitt dargestellt.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Sensorelement dargestellt, welches durch einen Elektrolyten 100 gebildet wird, der auf einen Träger 105 aufgebracht ist. Der Elektrolyt weist eine Dicke von etwa 500 bis 600 μm auf. Ein Teil des Elektrolyten 100 unter der Außenelektrode im Bereich 101 kann statt durch Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid durch Scandium stabilisiertes Zirkonoxid gebildet werden.
Zur Herstellung des Elektrolyten wird erfindungsgemäß eine Druckschicht eingesetzt, um eine geringe Schichtdicke im Bereich 101 zu erzielen und dadurch den Innenwiderstandsanteil durch die Einbaureaktion zu minimieren. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten, rein durch vorgefertigte keramische Grünfolien hergestellten Elektrolyten wird damit eine Reduktion des Widerstands realisiert.
Die Lambdasonde weist eine dem (nicht dargestellten) Abgas ausgesetzte Außenelektrode 110 auf, die mit einem Steuergerät SG über eine in der 1 nur schematisch dargestellte elektrische Leitung 111 verbunden ist und eine in einem Referenzgasvolumen 130 angeordnete Referenzelektrode 120, die ebenfalls über eine Leitung 140 mit dem Steuergerät SG verbunden ist. Zur Reduktion des Gleichstrominnenwiderstands ist die Elektrodenfläche der dem Abgas ausgesetzten Elektrode 110 möglichst groß gewählt, im Idealfall ist sie unter Berücksichtigung der baulichen Gegebenheiten maximal gewählt. Die Referenzelektrode 120 ist möglichst nahe an der äußeren Oberfläche der Sonde positioniert, um den dazwischen angeordneten Elektrolyten möglichst gut an das heiße Abgas zu koppeln. Die Sonde kann mit einem Pumpstrom betrieben werden, der möglichst klein gewählt wird, um einen geringen Spannungsverzug zu verursachen und dennoch die CSD- und Nebenschlussfähigkeit zu gewährleisten. Die Pumpströme liegen im Bereich zwischen 0 μA und 10 μA, insbesondere und bevorzugt im Bereich zwischen 2 μA und 5 μA.
Rein prinzipiell ist es auch möglich, einen Pumpstrom erst bei einer höheren Temperatur, beispielsweise > 500°C, zuzuschalten, der dazu dient, eine „Abreaktion” des aus der Dichtpackung ausdampfenden Fettgases herbeizuführen. Ein Auslass 132 des Pumpgases wird klein dimensioniert, um ein Vordringen von Fettgas zur Referenzelektrode 120 möglichst zu unterbinden. Er muss allerdings so groß gewählt werden, dass ein Druckausgleich mit der Umgebung gewährleistet ist. Hierbei müssen poröse Schichten mit hohem Strömungswiderstand vermieden werden. Zu bevorzugen ist ein offener Kanal mit entsprechend kleinem Querschnitt. Der Referenzkanal kann durch eine einfache Druckschicht mit einer Opferschicht der Dicke 20 bis 30 μm und einer Kanalbreite zwischen 0,5 und 1 mm realisiert werden (nicht dargestellt). Rein prinzipiell ist es auch möglich, eine nicht ganz dicht gedruckte Elektrodenzuleitung als Referenzkanal zu nutzen (nicht dargestellt). Darüber hinaus kann vorgesehen sein, mit einer porösen Druckschicht 133 im Eingangsbereich des Referenzkanals ein weiteres Eindringen von Fettgaskomponenten in den Referenzgaskanal zu unterdrücken und gleichzeitig den Strömungswiderstand und somit den Druckaufbau im Referenzbereich einzustellen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Lambdasensors zur Kompensation des Signalverzugs, die sich durch ein CSD-Verhalten ergibt, beschrieben. Die Kompensation des Signalverzugs setzt die Kenntnis des Innenwiderstands als Leitgröße voraus. Aus diesem Grunde wird zunächst der Innenwiderstand des Sensorelements bestimmt. Dies kann beispielsweise durch eine RI-Puls-Innenwiderstandsmessung erfolgen. Dieses Verfahren ist an sich zur Heizerregelung von Breitbandlambdasonden bekannt. Der Innenwiderstand kann darüber hinaus auch durch Bestimmung der Abgasmengenverhältnisse bzw. des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur beispielsweise mittels anderer Sensoren oder aufgrund der Kenntnis eines im Steuergerät SG hinterlegten Kennfeldes bezüglich Drehzahl und Last erfolgen. Es ist zu bemerken, dass die Kenntnis der Abgastemperatur allein nicht ausreicht, da der Volumenstrom wesentlich für den Energieeintrag in das Sensorelement ist. Aus diesem Grund ist die Kenntnis des Abgasmassenstroms bzw. der Abgasmengenverhältnisse erforderlich.
In Kenntnis des Innenwiderstands des Sensorelements wird nun der Regelpunkt des Sensorelements an den Innenwiderstand angepasst. Dies hat den Vorteil, dass die Lambdasonde mit einem konstanten Strom betreibbar ist, das heißt, es kann eine Konstantstromquelle zum Betreiben der Lambdasonde verwendet werden.
Durch den Pumpstrom kann ein CSD durch Spülen des Referenzkanals mit Sauerstoff unterdrückt werden. Durch die Veränderung des Regelpunkts, der innerhalb einer Regelsoftware im Steuergerät SG erfolgt, können auch nicht temperaturbedingte Signalverzüge durch den Innenwiderstand (die beispielsweise auch im Rahmen der Alterung auftreten) kompensiert werden.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm im Steuergerät der Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät SG lesen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10043089 C2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch” 25. Auflage, Seiten 133 ff [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen, insbesondere einer Lambda-Sonde, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – es wird der Innenwiderstand des Sensorelements bestimmt; – der Regelpunkt des Sensorelements wird an den Innenwiderstand angepasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand des Sensorelements durch eine Innenwiderstandsmessung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand auf der Basis von Abgasmengenverhältnissen bzw. des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur mittels eines Kennfeldes, welches den Zusammenhang von Innenwiderstand und Abgasmengenverhältnis bzw. Abgasmassenstrom und Abgastemperatur bei definierten Drehzahl- und Lastwerten der Brennkraftmaschine repräsentiert, bestimmt wird.
Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten im Abgas von Brennkraftmaschinen mit wenigstens einer Elektrolytschicht (100, 101), dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche (101) des Elektrolyts aus Yttrium- oder Scandium-stabilisiertem Zirkonoxid, oder einer Mischung daraus, bestehen.
Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Minimierung des Gleichstrominnenwiderstands des Sensorelements die Elektrodenflächen (110, 120) so an dem Elektrolyten (100) ausgebildet sind, dass sie eine geometrisch maximal mögliche Oberfläche aufweisen
Sensorelement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (120) nahe der äußeren, dem Abgas ausgesetzten Oberfläche des Sensorelements angeordnet ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Pumpstrom beaufschlagt wird, der zwischen 0 μA und 10 μA beträgt, vorzugsweise zwischen 2 μA und 5 μA beträgt.
Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät, insbesondere dem Steuergerät einer Brennkraftmaschine abläuft.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät eines Fahrzeugs ausgeführt wird.