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DE102016209075A1 - Gas sensor with power limitation - Google Patents

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DE102016209075A1
DE102016209075A1 DE102016209075.5A DE102016209075A DE102016209075A1 DE 102016209075 A1 DE102016209075 A1 DE 102016209075A1 DE 102016209075 A DE102016209075 A DE 102016209075A DE 102016209075 A1 DE102016209075 A1 DE 102016209075A1
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DE
Germany
Prior art keywords
heater
limit
heating power
heating
main body
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102016209075.5A
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German (de)
Inventor
Christian Heidtkamp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gassensor für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors. Der erfindungsgemäße Gassensor weist einen Hauptkörper aus einem Feststoffelektrolyten, eine im und/oder am Hauptkörper angeordnete Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, elektrische Heizleistung zum Erwärmen des Hauptkörpers aufzunehmen, und eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Heizleistung zu steuern. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgebildet, während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine, während der der Taupunkt des Abgases im Auslasstrakt noch nicht erreicht ist, die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Heizleistung auf einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) zu begrenzen, der kleiner als ein maximaler Heizleistungswert (Pmax) der Heizvorrichtung ist.The invention relates to a gas sensor for an internal combustion engine and to a method for operating a gas sensor. The gas sensor according to the present invention comprises a main body made of a solid electrolyte, a heater disposed in and / or on the main body configured to receive electric heating power for heating the main body, and a control unit configured to supply the electric heater power supplied to the heater Taxes. The control unit is further configured, during a warm-up phase of the internal combustion engine during which the dew point of the exhaust gas is not yet reached in the exhaust tract, to limit the electrical heating power supplied to the heating device to a predetermined heating power limit which is less than a maximum heating power value (Pmax ) of the heating device is.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet werden kann, und ein Verfahren zum Betreiben eines Gassensors, der in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet werden kann. The present invention relates to a gas sensor that can be arranged in an exhaust tract of an internal combustion engine, and a method for operating a gas sensor, which can be arranged in an exhaust tract of an internal combustion engine.

Gassensoren können in Auslasstrakten von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden und stehen somit hohen Temperaturen stand. Beispielsweise können Stickoxidsensoren (NOx), Ammoniaksensoren (NH3) und Kohlenwasserstoffsensoren (HC) als Gassensoren bezeichnet werden. Gas sensors can be used in the exhaust tracts of internal combustion engines and thus withstand high temperatures. For example, nitrogen oxide sensors (NOx), ammonia sensors (NH3) and hydrocarbon sensors (HC) may be referred to as gas sensors.

Stickoxidsensoren werden zum Ermitteln des Stickoxidgehalts im Abgas eingesetzt. Beispielsweise wird der ermittelte Stickoxidgehalt zum Steuern einer eingespritzten Harnstoffmenge für einen sogenannten SCR-Katalysator verwendet. Außerdem kann der ermittelte Stickoxidgehalt zum Steuern einer Abgasrückführung verwendet. Nitrogen oxide sensors are used to determine the nitrogen oxide content in the exhaust gas. For example, the determined nitrogen oxide content is used to control an amount of injected urea for a so-called SCR catalyst. In addition, the determined nitrogen oxide content can be used to control exhaust gas recirculation.

Es ist bekannt, Stickoxidsensoren mit einem aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörper bereitzustellen, an dem eine Heizvorrichtung zum Erwärmen des Hauptkörpers auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur angeordnet ist. Im Allgemeinen weisen Gassensoren häufig einen thermoschockempfindlichen Hauptkörper auf. It is known to provide nitrogen oxide sensors having a main body formed of a solid electrolyte on which a heater for heating the main body to a predetermined operating temperature is disposed. In general, gas sensors often have a thermal shock sensitive main body.

Die WO 2015/091273 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben mindestens eines Abgassensors zur Überwachung der Funktionalität einer Abgasreinigungsanlage im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Der Abgassensor wird zumindest teilweise mit hohen Temperaturen betrieben und weist bauartbedingt eine Thermoschockempfindlichkeit auf. Bei den Abgasen kann zumindest zeitweise vor einer Regenerationsphase oder vor einer Messbetriebsphase eine Heizphase durchgeführt werden. In der Heizphase wird eine im Vergleich zur Regenerationstemperatur deutlich niedrigere Temperatur eingeregelt. Ferner ist vorgesehen, dass die Funktion einer Taupunkterkennung und die Wiederfreigabe eines Taupunktendes adaptiv durchgeführt und von mindestens einem Waterkennungskriterium oder mindestens einem Fluterkennungskriterium beeinflusst werden. The WO 2015/091273 A1 discloses a method and an apparatus for operating at least one exhaust gas sensor for monitoring the functionality of an exhaust gas purification system in the exhaust gas tract of an internal combustion engine. The exhaust gas sensor is at least partially operated at high temperatures and has a thermal shock sensitivity due to the design. In the case of the exhaust gases, a heating phase can be carried out at least temporarily before a regeneration phase or before a measuring operation phase. In the heating phase, a significantly lower temperature compared to the regeneration temperature is adjusted. Furthermore, it is provided that the function of a dew point detection and the re-release of a dew point end are carried out adaptively and are influenced by at least one water recognition criterion or at least one flood detection criterion.

Die DE 10 2004 057 929 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einer Abgasanlage und einem darin angeordneten Abgasreinigungselement und einem dem Abgasreinigungselement zugeordneten Gassensor. Bei dem Verfahren wird der elektrische Widerstand eines in den Gassensor integrierten elektrischen Heizelements und aus dem Widerstand die Temperatur des elektrischen Heizelements ermittelt, während das elektrische Heizelement deaktiviert ist. Bei Überschreiten eines vorgebbaren ersten Schwellenwerts für die Temperatur des elektrischen Heizelements in Verbindung mit einem Kaltstart und/oder einem Warmlauf der Brennkraftmaschine wird eine Heizfunktion für das Heizelement aktiviert und danach ein gassensorgeregelter Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt. Ferner werden in Verbindung mit einem Sonderbetrieb der Brennkraftmaschine mit erhöhter Temperatur des Abgasreinigungselements ausgewählte Betriebsparameter der Brennkraftmaschine derart angepasst, dass die Temperatur des Heizelements in einen vorgebbaren Bereich gelangt und/oder darin verbleibt. The DE 10 2004 057 929 A1 discloses a method for operating an internal combustion engine of a motor vehicle with an exhaust system and an exhaust gas purification element arranged therein and a gas sensor associated with the exhaust gas purification element. In the method, the electrical resistance of an electrical heating element integrated in the gas sensor and from the resistance the temperature of the electric heating element is determined while the electrical heating element is deactivated. When a predeterminable first threshold value for the temperature of the electric heating element in connection with a cold start and / or warm-up of the internal combustion engine, a heating function for the heating element is activated and then carried out a gassensorgeregelter operation of the internal combustion engine. Furthermore, in connection with a special operation of the internal combustion engine with an elevated temperature of the exhaust gas purification element, selected operating parameters of the internal combustion engine are adjusted such that the temperature of the heating element reaches and / or remains within a predeterminable range.

Aus der DE 102 23 963 A1 ist eine Heizsteuerungsvorrichtung zur Verwendung für einen Gaskonzentrationssensor zum Aufheizen eines Sensorelements mit einem Feststoffelektrolytkörper auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur bekannt. Die Heizeinrichtungssteuerungsvorrichtung bestimmt einen tatsächlichen Widerstandswert des Sensorelements, steuert eine Leistungszufuhr zur Heizeinrichtung als eine Funktion einer Differenz zwischen einem tatsächlichen Widerstandswert und einem Sollwert, bestimmt die Zuführung einer Leistung zu der Heizeinrichtung und bestimmt einen Bezugswiderstandswert des Sensorelements auf der Basis einer vorbestimmten Grundbeziehung zwischen einer in der Heizeinrichtung verwendeten Leistung und einem Widerstandswert des Soll-Widerstandswerts als eine Funktion der Differenz zwischen dem Bezugswiderstandswert und dem tatsächlichen Widerstandswert. From the DE 102 23 963 A1 For example, a heating control apparatus for use with a gas concentration sensor for heating a sensor element having a solid electrolyte body to a desired activation temperature is known. The heater control device determines an actual resistance value of the sensor element, controls a power supply to the heater as a function of a difference between an actual resistance value and a target value, determines the supply of power to the heater, and determines a reference resistance value of the sensor element based on a predetermined basic relationship between an in power used by the heater and a resistance value of the target resistance value as a function of the difference between the reference resistance value and the actual resistance value.

Aus der JP 2013 228 231 A ist ferner ein Gassensorsystem bekannt. From the JP 2013 228 231 A Furthermore, a gas sensor system is known.

Folglich weisen Gassensoren häufig sowohl eine thermische Anfälligkeit gegenüber schnellen Temperaturänderungen der Umgebung als auch gegenüber Wasser- und/oder Tröpfchenschlag, wie z. B. Öltröpfchen, auf. Diese können zu einem Bruch des Hauptkörpers des Sensors führen, falls sie einen genügend großen thermischen Stress auf den zumeist aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörper des Gassensors ausüben. Insbesondere während einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine besteht ein erhöhtes Wasser- und/oder Tröpfchenschlagrisiko sowohl durch Kondenswasserbildung im und/oder um den Sensor als auch Tröpfchenbildung im Abgas. Dabei können die Tröpfchen durch den Gasstrom auf den Hauptkörper treffen und aufgrund des thermischen Schocks Brüche in demselben hervorrufen. Consequently, gas sensors often have both a thermal susceptibility to rapid changes in temperature of the environment as well as against water and / or droplet strike, such. As oil droplets on. These can lead to a breakage of the main body of the sensor, if they exert a sufficiently large thermal stress on the main body of the gas sensor, which is usually formed from a solid electrolyte. In particular, during a cold start phase of the internal combustion engine there is an increased risk of water and / or droplet impact both by condensation in and / or around the sensor and droplet formation in the exhaust gas. In this case, the droplets can hit the main body through the gas flow and cause breaks in it due to the thermal shock.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zum Betreiben eines Gasensors einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem das Bruchrisiko des Hauptkörpers, insbesondere währende einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine, zumindest teilweise reduziert werden kann. The present invention is based on the object, a gas sensor for an internal combustion engine and a method for operating a gas sensor of an internal combustion engine to provide, with the risk of breakage of the main body, in particular during a cold start phase of the internal combustion engine, at least partially reduced.

Diese Aufgabe wird mit einem Gassensor gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved with a gas sensor according to claim 1 and a method according to claim 7. Preferred embodiments are specified in the subclaims.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Heizleistungszufuhr an die Heizvorrichtung des Gassensors auf einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert zu begrenzen, der kleiner ist als die der Heizvorrichtung maximal zuführbare Heizleistung. Insbesondere kann durch die Heizleistungsbegrenzung während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine die Vorheiztemperatur des Hauptkörpers in einem Bereich liegen, der oberhalb von ungefähr 100°C liegt. Wenn während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine im Abgas noch Wasser und/oder Öl vorhanden ist, und dieses auf den Hauptkörper des Gassensors auftrifft, wird durch die Heizleistungsbegrenzung ein Einbruch des Heizwiderstands der Heizvorrichtung zugelassen, was gleichzeitig zu einer niedrigeren Temperatur der Heizvorrichtung führt. Dadurch kann der thermische Stress innerhalb des Hauptkörpers zumindest teilweise reduziert werden und somit die thermische Anfälligkeit gegenüber Wasser- und/oder Tröpfchenschlag reduziert werden. Insbesondere wird der thermische Stress zwischen der Hauptkörperspitze und der Heizvorrichtung reduziert. The present invention is based on the idea of limiting the heating power supply to the heating device of the gas sensor to a predetermined heating power limit, which is smaller than the maximum power that can be supplied to the heating device. In particular, by the Heizleistungsbegrenzung during a warm-up phase of the internal combustion engine, the preheat temperature of the main body may be in a range which is above about 100 ° C. If water and / or oil is still present in the exhaust gas during the warm-up phase of the internal combustion engine, and this impinges on the main body of the gas sensor, limiting the heating power limit allows the heating resistance of the heating device to break down, which simultaneously leads to a lower temperature of the heating device. As a result, the thermal stress within the main body can be at least partially reduced and thus the thermal susceptibility to water and / or droplet impact can be reduced. In particular, the thermal stress between the main body tip and the heater is reduced.

Ein erfindungsgemäßer Gassensor zum Ermitteln eines Gasgehalts in einem Abgas in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine weist einen Hauptkörper aus einem Feststoffelektrolyten, eine im und/oder am Hauptkörper angeordnete Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, elektrische Heizleistung zum Erwärmen des Hauptkörpers aufzunehmen, und eine Steuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Heizleistung zu steuern. Dabei ist die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet, während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine, während der der Taupunkt des Abgases im Auslasstrakt noch nicht erreicht ist, die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Heizleistung auf einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert zu begrenzen, der kleiner als ein maximaler Heizleistungswert der Heizvorrichtung ist. A gas sensor according to the present invention for detecting a gas content in an exhaust gas in an exhaust passage of an internal combustion engine includes a main body made of a solid electrolyte, a heater disposed in and / or on the main body configured to receive electric heating power for heating the main body, and a control unit; which is adapted to control the electrical heating power supplied to the heater. In this case, the control unit is further configured, during a warm-up phase of the internal combustion engine, during which the dew point of the exhaust gas is not reached in the exhaust tract, to limit the electric heater power supplied to the heater to a predetermined heating power limit, which is smaller than a maximum heating power value of the heater.

Durch die Begrenzung der elektrischen Heizleistung der Heizvorrichtung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert kann der thermische Stress auf den Hauptkörper bei einem potentiellen Wasser- und/oder Tröpfchenschlag auf den Hauptkörper während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine zumindest teilweise reduziert werden. Insbesondere wird bei einem auftrtetenden Wasser- und/oder Tröpfchenschlag auf den Heizkörper kurzzeitig die der Heizvorrichtung zugeführte Leistung derart gesteuert, dass ein Anstieg der der Heizvorrichtung zugeführten Leistung zum Konstanthalten der Temperatur des Heizelements auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert beschränkt wird. Das heißt, dass ein kurzzeitiges Abkühlen des Hauptkörpers zugelassen wird. Dies führt dazu, dass der thermische Stress auf den Hauptkörper insbesondere im Bereich zwischen dem Auftreffpunkt des Wassers und der Heizvorrichtung zumindest teilweise reduziert wird. By limiting the electric heating power of the heater to the predetermined heating power limit, the thermal stress on the main body can be at least partially reduced in the event of a potential water and / or droplet impact on the main body during the warm-up phase of the internal combustion engine. In particular, in the event of a water and / or droplet impact on the radiator, the power supplied to the heater is briefly controlled so as to limit an increase in the power supplied to the heater to maintain the temperature of the heating element constant at the predetermined heating power limit. This means that a brief cooling of the main body is allowed. As a result, the thermal stress on the main body is at least partially reduced, in particular in the region between the impact point of the water and the heating device.

In einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der vorbestimmte Heizleistungsgrenzwert ungefähr 50%, vorzugsweise ungefähr 30%, des maximalen Heizleistungswerts. In a preferred embodiment, the predetermined heating power limit is about 50%, preferably about 30%, of the maximum heating power value.

Durch geeignete Auswahl eines relativ niedrigen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwerts kann während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine bei einem potenziellen Tröpfchen- und/oder Wasserschlag auf den Hauptkörper der thermische Stress auf den Heizkörper noch weiter reduziert werden. By suitably selecting a relatively low predetermined heating power limit, during a warm-up phase of the engine in the event of a potential droplet and / or water hammer on the main body, the thermal stress on the heater can be further reduced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt der vorbestimmte Heizleistungsgrenzwert zwischen ungefähr 1 Watt und ungefähr 10 Watt, insbesondere zwischen 2 Watt und ungefähr 5 Watt. In a further advantageous embodiment, the predetermined heating power limit is between about 1 watt and about 10 watts, in particular between 2 watts and about 5 watts.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine ferner dazu ausgebildet, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführte Heizleistung derart zu steuern, dass ein Heizwiderstand der Heizvorrichtung auf einem vorbestimmten Heizwiderstandswert gehalten wird, solange kein Wasser- und/oder Tröpfchenschlag auf den Hauptköper auftritt. Bei einem Wasser- und/oder Tröpfchenschlag auf den Hauptkörper während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine ist die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet, durch Begrenzen der der Heizvorrichtung zugeführten Heizleistung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert eine kurzzeitige Verringerung des Heizwiderstands der Heizvorrichtung zumindest teilweise zuzulassen. In a further preferred refinement, during the warm-up phase of the internal combustion engine, the control unit is further configured to control the heating power supplied to the electric heater such that a heating resistor of the heating device is maintained at a predetermined heating resistance, as long as there is no water and / or droplet impact on the main body occurs. Upon a water and / or droplet impact on the main body during the warm-up phase of the internal combustion engine, the control unit is further adapted to at least partially allow a short-term reduction in the heating resistance of the heater by limiting the heater power supplied to the heater to the predetermined heater power limit.

Mittels der Begrenzung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert und dem Ermöglichen einer Verringerung des elektrischen Heizwiderstands bei einem auftretenden Wasser- bzw. Tröpfchenschlag auf den Hauptkörper des Gassensors wird die Temperatur der Heizvorrichtung zumindest zeitweise verringert, wodurch die thermische Belastung auf den Hauptkörper zumindest teilweise reduziert wird. Insbesondere ist der elektrische Heizwiderstand direkt proportional zur Heizvorrichtungstemperatur. By limiting to the predetermined heating power limit and allowing a reduction in the electrical heating resistance in the event of a drop of water on the main body of the gas sensor, the temperature of the heater is at least temporarily reduced, thereby at least partially reducing the thermal load on the main body. In particular, the electrical heating resistor is directly proportional to the heater temperature.

Vorzugsweise ist die Steuereinheit während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine ferner dazu ausgebildet, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführte Heizleistung derart zu steuern, dass eine Temperatur des Hauptkörpers an seiner Außenoberfläche auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten wird. During the warm-up phase of the internal combustion engine, the control unit is preferably designed to be that of the electric motor To control heater supplied heating power such that a temperature of the main body is kept at its outer surface at a predetermined temperature.

In einer derart bevorzugten Ausgestaltung liegt die vorbestimmte Temperatur des Hauptkörpers während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine zwischen ungefähr 150°C und 300°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 200°C und ungefähr 250°C. In such a preferred embodiment, the predetermined temperature of the main body during the warm-up phase of the internal combustion engine is between about 150 ° C and 300 ° C, preferably between about 200 ° C and about 250 ° C.

Durch die Begrenzung der Heizleistung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert kann die Steuertemperatur des Hauptkörpers während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine auf einen Wert festgelegt werden, der oberhalb des Siedepunkts von Wasser, das heißt oberhalb von ungefähr 100°C, liegt. By limiting the heating power to the predetermined heating power limit value, the control temperature of the main body during the warm-up phase of the internal combustion engine can be set to a value above the boiling point of water, that is, above about 100 ° C.

Durch das Steuern der Temperatur des Hauptkörpers des Sensors während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine auf über 100°C kann beispielsweise das Vergiftungsrisiko des aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörpers verringert werden, wobei gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit, dass sich beim Aufheizen des Hauptkörpers nach dem Erreichen des Taupunkts Kondenswasserreste am Hauptkörper befinden, die dann zu einem Bruch des Elements führen könnten, verringert wird. Zudem verbessern sich die Lebensdauer und das Alterungsverhalten des Sensors. By controlling the temperature of the main body of the sensor during the warm-up of the internal combustion engine to over 100 ° C, for example, the risk of poisoning of the formed of a solid electrolyte main body can be reduced, while the likelihood that when heating the main body after reaching the dew point condensate on the Main body, which could then lead to breakage of the element, is reduced. In addition, the lifetime and the aging behavior of the sensor improve.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Gassensors, der zum Ermitteln eines Gasgehalts in einem Abgas in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist und einen Hauptkörper aus einem Feststoffelektrolyten und eine im und/oder am Hauptkörper angeordnete Heizvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, elektrische Heizleistung zum Erwärmen des Hauptkörpers aufzunehmen, umfasst ein Zuführen von elektrischer Heizleistung an die Heizvorrichtung während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine, während der der Taupunkt des Abgases im Auslasstrakt noch nicht erreicht ist, und, wenn die der Heizvorrichtung zugeführte Heizleistung einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert überschreitet, Begrenzen der der Heizvorrichtung zugeführten elektrischen Heizleistung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert, der kleiner als ein maximaler Heizleistungswert der Heizvorrichtung ist. An inventive method for operating a gas sensor, which is designed for determining a gas content in an exhaust gas in an exhaust tract of an internal combustion engine and having a main body of a solid electrolyte and a heating device arranged in and / or on the main body, which is adapted to electric heating power for heating of the main body comprises supplying electric heating power to the heating device during a warm-up phase of the internal combustion engine during which the dew point of the exhaust gas is not reached in the exhaust tract, and if the heating power supplied to the heating device exceeds a predetermined heating power limit, limiting the heating device supplied electric heating power to the predetermined heating power limit, which is smaller than a maximum heating power value of the heater.

Dem Fachmann werden weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen Other features and objects of the present invention will be apparent to those skilled in the art by considering the attached drawings, in which:

1A ein schematisches Diagramm darstellt, das den zeitlichen Verlauf des Heizvorrichtungswiderstands einer aus dem Stand der Technik bekannten Heizvorrichtung bei einem Wasser- bzw. Öltröpfchenschlag zeigt, 1A FIG. 4 is a schematic diagram showing the timing of the heater resistance of a prior art heater in a water or oil droplet blow; FIG.

1B ein schematisches Diagramm darstellt, das den zeitlichen Verlauf einer Heizleistung einer aus dem Stand der Technik bekannten Heizvorrichtung bei einem Wasser- bzw. Öltröpfchenschlag zeigt, 1B FIG. 3 is a schematic diagram showing the time course of heating power of a prior art heater in a water or oil droplet impact; FIG.

2A ein schematisches Diagramm darstellt, das den zeitlichen Verlauf des elektrischen Heizvorrichtungswiderstands eines erfindungsgemäßen Gassensors bei einem Wasser bzw. Öltröpfchenschlag zeigt, 2A FIG. 4 is a schematic diagram showing the time history of the electric heater resistance of a gas sensor according to the present invention in a water or oil droplet impact. FIG.

2B ein schematisches Diagramm darstellt, das den zeitlichen Verlauf einer Heizleistung einer Heizvorrichtung eines erfindungsgemäßen Gassensors bei einem Wasser- bzw. Öltröpfchenschlag zeigt, und 2 B is a schematic diagram showing the time course of a heating power of a heater of a gas sensor according to the invention in a water or oil droplet impact, and

3 ein schematisches Diagramm darstellt, das den zeitlichen Verlauf der Temperatur eines aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörpers eines Gassensors zeigt. 3 FIG. 12 is a schematic diagram showing the time history of the temperature of a main body of a gas sensor formed of a solid electrolyte. FIG.

Unter Verweis auf die 1a und 1b sind beispielhaft zeitliche Verläufe von einem elektrischen Heizwiderstand (1A) und einer Heizleistung (1B) einer Heizvorrichtung eines aus dem Stand der Technik bekannten Gassensors dargestellt, bei dem zum Zeitpunkt t1 ein Wasserschlag auf den Hauptkörper auftritt. Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf einen Stickoxidsensor ein erfindungsgemäßer Gassensor und ein erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Gassensors mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Neben einem Stickoxidsensor kann die vorliegende Erfindung überall dort Anwendung finden, wo ein Gassensor erhöhten Temperaturen ausgebildet ist, wie beispielsweise ein Ammoniaksensor und ein Kohlenwasserstoffsensor, die in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine angeordnet werden können. With reference to the 1a and 1b are exemplary temporal courses of an electrical heating resistor ( 1A ) and a heating power ( 1B ) of a heating device of a gas sensor known from the prior art, in which at the time t 1, a water hammer on the main body occurs. In the following, with reference to a nitrogen oxide sensor, a gas sensor according to the invention and a method according to the invention for operating a gas sensor will be explained with reference to the accompanying drawings. In addition to a nitrogen oxide sensor, the present invention can find application wherever a gas sensor is formed at elevated temperatures, such as an ammonia sensor and a hydrocarbon sensor, which can be arranged in an exhaust tract of an internal combustion engine.

Die Heizleistung, die der Heizvorrichtung des Stickoxidsensors zugeführt wird, wird dabei derart gesteuert, dass der elektrische Heizwiderstand der Heizvorrichtung nahezu konstant bleibt (siehe 1A). Das heißt, dass bei einem auftretenden Wasserschlag zum Zeitpunkt t1 die Heizleistung auf einen Maximalwert Pmax erhöht werden muss, damit der elektrische Heizwiderstand der Heizvorrichtung weiterhin auf dem Heizwiderstandswert Rconst konstant gehalten werden kann. Das Konstanthalten des Heizwiderstands der Heizvorrichtung bedeutet ein Konstanthalten der Heizvorrichtungstemperatur und somit ein nahezu Konstanthalten der Hauptkörpertemperatur. The heating power which is supplied to the heating device of the nitrogen oxide sensor is controlled in such a way that the electrical heating resistance of the heating device remains almost constant (see 1A ). This means that when a water hammer occurs at the time t 1, the heating power must be increased to a maximum value P max , so that the electrical heating resistance of the heater can continue to be kept constant on the heating resistor value R const . Keeping constant the heating resistance of the heater means keeping the heater temperature constant and thus keeping the main body temperature almost constant.

Wenn jedoch zum Zeitpunkt t1 Wasser auf den Hauptkörper auftrifft, führt dies zu einer lokalen Temperaturverringerung am Auftreffpunkt des Wassertropfens. Insbesondere wird der Hauptkörper am Auftreffpunkt des Wassertropfens zumindest teilweise abgekühlt und entzieht dem Hauptkörper Verdampfungswärme. Gleichzeitig wird die Temperatur in der Heizvorrichtung durch eine Widerstandsregelung konstant gehalten. Zwischen der Heizvorrichtung und dem Auftreffpunkt von Wasser entsteht dabei ein sehr hoher Temperaturgradient, der zu einem erhöhten Stress des Hauptkörpers zwischen diesen beiden Punkten führt. Im ungünstigsten Fall kann der erhöhte thermische Stress auf den Hauptkörper zu einem Bruch desselben führen. However, if water hits the main body at time t 1 , this results in a local temperature decrease at the point of impact of the water droplet. In particular, the main body at the point of impact of the water droplet is at least partially cooled and withdraws heat of vaporization from the main body. At the same time, the temperature in the heater is kept constant by a resistance control. There is a very high temperature gradient between the heater and the impingement point of water, which leads to increased stress on the main body between these two points. In the worst case, the increased thermal stress on the main body may cause it to break.

Erfindungsgemäß ist nun unter Verweis auf die 2A und 2B vorgesehen, dass bei einem Wasser- und/oder Tröpfchenschlag auf den Hauptkörper zum Zeitpunkt t2 die Heizleistung auf einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert PGrenz begrenzt wird. Dadurch verringert sich gleichzeitig zum Zeitpunkt t2 der Heizwiderstand und die Temperatur der Heizvorrichtung des erfindungsgemäßen Stickoxidsensors vorübergehend auf einen niedrigeren Wert als der konstante Wert Rconst. Der Heizleistungsgrenzwert PGrenz beträgt ungefähr 50%, vorzugsweise ungefähr 30%, des maximalen Heizleistungswerts Pmax. According to the invention is now with reference to the 2A and 2 B provided that in a water and / or droplet impact on the main body at time t 2, the heating power is limited to a predetermined heating power limit P limit . As a result, at the same time, the heating resistance and the temperature of the heating device of the nitrogen oxide sensor according to the invention are temporarily reduced to a lower value than the constant value R const at time t 2 . The heating power limit P limit is approximately 50%, preferably approximately 30%, of the maximum heating power value P max .

Durch das Zulassen einer Verringerung des Heizwiderstands der Heizvorrichtung während eines Wasser- und/oder Tröpfchenschlags wird auch die Temperatur an der Heizvorrichtung ebenfalls vorübergehend verringert, was zu einem niedrigeren Temperaturgradienten zwischen dem Auftreffpunkt des Wassers auf den Hauptkörper und dem Bereich des Hauptkörpers, in dem die Heizvorrichtung angeordnet ist, führt. Ein niedrigerer Temperaturgradient zwischen diesen beiden Punkten führt demnach auch zu einem geringeren thermischen Stress, was wiederum die Gefahr eines Bruchs des Hauptkörpers reduzieren kann. By allowing a reduction in the heating resistance of the heater during a water and / or droplet strike, the temperature at the heater is also temporarily reduced, resulting in a lower temperature gradient between the impact of the water on the main body and the region of the main body in which the Heating device is arranged leads. A lower temperature gradient between these two points therefore also leads to a lower thermal stress, which in turn can reduce the risk of breakage of the main body.

Die Zeitspanne, während der die Heizleistung der Heizvorrichtung auf den Heizleistungsgrenzwert begrenzt ist, entspricht derjenigen Zeit, in der das auf den Hauptkörper auftreffende Wasser verdampft und der Hauptköper wieder seine Aufwärmtemperatur T1 (siehe 3) erreicht hat. Zum schnellen Verdampfen des aufgetroffenen Wassers kann auch eine untere Temperaturgrenze von z. B. 100°C eingeführt werden, unterhalb der keine Leistungsbegrenzung besteht. Unterhalb dieser Temperaturgrenze kann die Bruchgefahr des Hauptkörpers durch thermischen Stress vernachlässigt werden. The period of time during which the heating power of the heating device is limited to the heating power limit corresponds to the time in which the water impinging on the main body evaporates and the main body returns to its warming-up temperature T 1 (see FIG 3 ) has reached. For rapid evaporation of the impacted water can also be a lower temperature limit of z. B. 100 ° C are introduced, below which there is no power limitation. Below this temperature limit, the risk of breakage of the main body due to thermal stress can be neglected.

Die Aufwärmtemperatur T1 wird während der Aufwärmphase bis zum Erreichen des Taupunkts derart voreingestellt, dass das Vergiftungsrisiko des Hauptkörpers, beispielsweise mit Schwefel, reduziert ist. Gleichzeitig kann durch das Vorsehen der Heizleistungsbegrenzung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert TGrenz die vorbestimmte Vorheiztemperatur T1 oberhalb des Siedepunkts Tw (siehe 3) von Wasser liegen, da bei ausgeprägtem Wasserschlag der thermische Stress auf den Hauptkörper des Stickoxidsensors reduziert werden kann. The warm-up temperature T 1 is preset during the warm-up phase until the dew point has been reached in such a way that the risk of poisoning of the main body, for example with sulfur, is reduced. At the same time, by providing the heating power limitation to the predetermined heating power limit T limit, the predetermined preheating temperature T 1 above the boiling point T w (see FIG 3 ) of water, since with pronounced water hammer the thermal stress on the main body of the nitrogen oxide sensor can be reduced.

Unter Verweis auf die 3 ist ein zeitlicher Verlauf der Temperatur eines aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörpers des erfindungsgemäßen Stickoxidsensors dargestellt. Vor dem Zeitpunkt t3 befindet sich die Brennkraftmaschine, in der der erfindungsgemäße Stickoxidsensor im Auslasstrakt angeordnet ist, in einem ausgeschalteten Zustand, so dass die Temperatur des Hauptkörpers im Wesentlichen der Umgebungstemperatur der Brennkraftmaschine entspricht. With reference to the 3 is a time course of the temperature of a formed from a solid electrolyte main body of the nitrogen oxide sensor according to the invention shown. Before time t 3 , the internal combustion engine, in which the nitrogen oxide sensor according to the invention is arranged in the outlet tract, is in an off state, so that the temperature of the main body essentially corresponds to the ambient temperature of the internal combustion engine.

Am Zeitpunkt t3 wird die Brennkraftmaschine mittels Aktivieren der Zündung gestartet, wobei gleichzeitig mittels Stromzufuhr an den Stickoxidsensor und folglich auch an die Heizvorrichtung, die im und/oder am Hauptkörper angeordnet ist, aktiviert werden. Der Heizvorrichtung wird folglich eine Heizleistung zugeführt und kann den Hauptkörper auf die Aufwärmtemperatur T1 erwärmen. Während der Zeitspanne, die sich vom Zeitpunkt t3 bis zu einem späteren Zeitpunkt t4 erstreckt, wird der Hauptkörper mittels der Heizvorrichtung auf eine Aufwärmtemperatur T1 erwärmt und während einer weiteren Zeitspanne, die sich vom Zeitpunkt t4 bis zu einem späteren Zeitpunkt t5 erstreckt, auf dieser Aufwärmtemperatur T1 gehalten. At time t 3 , the internal combustion engine is started by activating the ignition, being activated at the same time by means of power supply to the nitrogen oxide sensor and consequently also to the heating device, which is arranged in and / or on the main body. The heater is thus supplied with a heating power and can heat the main body to the warm-up temperature T 1 . During the time period t from the time point 3 to a later time t 4 extends, the main body is heated by the heater to a heating temperature T 1 and for a further period of time t from the time point 4, until a later time t 5 extends, held at this warm-up temperature T 1 .

Gemäß dem erfindungsgemäßen Gassensor und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Gassensors liegt die Aufwärmtemperatur T1 oberhalb der Siedetemperatur Tw von Wasser, die üblicherweise bei ungefähr 100°C liegt. Der Zeitpunkt t5 beschreibt denjenigen Zeitpunkt, an dem der Taupunkt im Abgas erreicht ist. Als Taupunkt wird derjenige Zeitpunkt bezeichnet, an dem die Aufheizphase des Sensors auf die volle Betriebstemperatur T2 beginnt. Der Taupunkt wird in der Regel extern ausgelöst. According to the gas sensor according to the invention and the method according to the invention for operating a gas sensor, the warm-up temperature T 1 is above the boiling temperature T w of water, which is usually about 100 ° C. The time t 5 describes that point in time at which the dew point in the exhaust gas is reached. The dew point is the point in time at which the heating phase of the sensor begins at the full operating temperature T 2 . The dew point is usually triggered externally.

Sobald der Taupunkt am Zeitpunkt t5 erreicht ist, kann die Heizvorrichtung derart gesteuert werden, dass diese den Hauptkörper auf seine Betriebstemperatur T2 erwärmen kann. Üblicherweise liegt die Betriebstemperatur des Stickoxidsensors in einem Bereich zwischen ungefähr 700°C und ungefähr 900°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 750°C und ungefähr 850°C. Once the dew point is reached at time t 5 , the heater can be controlled so that it can heat the main body to its operating temperature T 2 . Typically, the operating temperature of the nitrogen oxide sensor is in a range between about 700 ° C and about 900 ° C, preferably between about 750 ° C and about 850 ° C.

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Claims (10)

Gassensor zum Ermitteln eines Gasgehalts in einem Abgas in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine, wobei der Gassensor aufweist: – einen Hauptkörper aus einem Feststoffelektrolyten, – eine im und/oder am Hauptkörper angeordnete Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, elektrische Heizleistung zum Erwärmen des Hauptkörpers aufzunehmen, und – eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Heizleistung zu steuern, wobei die Steuereinheit ferner dazu ausgebildet ist, während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine, während der der Taupunkt des Abgases im Auslasstrakt noch nicht erreicht ist, die der Heizvorrichtung zugeführte elektrische Heizleistung auf einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) zu begrenzen, der kleiner als ein maximaler Heizleistungswert (Pmax) der Heizvorrichtung ist. A gas sensor for determining a gas content in an exhaust gas in an exhaust tract of an internal combustion engine, the gas sensor comprising: a main body made of a solid electrolyte, a heating device arranged in and / or on the main body and adapted to receive electric heating power for heating the main body, and a control unit configured to control the electric heater power supplied to the heater, wherein the controller is further configured to supply the heater to the heater during a warm-up phase of the internal combustion engine during which the dew point of the exhaust gas in the exhaust passage has not yet been reached to limit the electric heating power to a predetermined heating power limit (P limit ), which is smaller than a maximum heating power value (P max ) of the heater. Gassensor nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) ungefähr 50 %, vorzugsweise ungefähr 30 %, des maximalen Heizleistungswerts (Pmax) beträgt. Gas sensor according to claim 1, wherein the predetermined heating power limit (P limit ) is about 50%, preferably about 30%, of the maximum heating power value (P max ). Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) zwischen ungefähr 1 W und ungefähr 10 W, insbesondere zwischen ungefähr 2 W und ungefähr 5 W liegt. Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the predetermined heating power limit (P limit ) is between about 1 W and about 10 W, in particular between about 2 W and about 5 W. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine ferner dazu ausgebildet ist, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführte Heizleistung derart zu steuern, dass ein Heizwiderstand der Heizvorrichtung auf einem vorbestimmten Heizwiderstandswert (Rconst) gehalten wird, wobei sich der auf den vorbestimmten Heizwiderstand (Rconst) gesteuerte Heizwiderstand der Heizvorrichtung bei einem Begrenzen der der Heizvorrichtung zugeführten Heizleistung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) zumindest teilweise verringert. Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the control unit during the warm-up phase of the internal combustion engine is further adapted to control the heating power supplied to the electric heater so that a heating resistance of the heater is maintained at a predetermined heating resistance value (R const ), wherein the the predetermined heating resistance (R const ) controlled heating resistance of the heater at a limit of the heating power supplied to the heater to the predetermined heating power limit (P limit ) is at least partially reduced. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine ferner dazu ausgebildet ist, die der elektrischen Heizvorrichtung zugeführte Heizleistung derart zu steuern, dass eine Temperatur des Hauptkörpers auf einer vorbestimmten Aufwärmtemperatur (T1) gehalten wird. Gas sensor according to one of the preceding claims, wherein the control unit during the warm-up phase of the internal combustion engine is further adapted to control the heating power supplied to the electric heater such that a temperature of the main body is maintained at a predetermined warm-up temperature (T 1 ). Gassensor nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Aufwärmtemperatur (T1) des Hauptkörpers während der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine zwischen ungefähr 150 C und 300°C, vorzugsweise zwischen ungefähr 200°C und ungefähr 250°C, liegt. A gas sensor according to claim 5, wherein the predetermined warm-up temperature (T 1 ) of the main body during the warm-up phase of the internal combustion engine is between about 150 C and 300 ° C, preferably between about 200 ° C and about 250 ° C. Verfahren zum Betreiben eines Gassensors, der zum Ermitteln eines Gasgehalts in einem Abgas in einem Auslasstrakt einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, wobei der Gassensor einen Hauptkörper aus einem Feststoffelektrolyten und eine im und/oder am Hauptkörper angeordnete Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, elektrische Heizleistung zum Erwärmen des Hauptkörpers aufzunehmen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Zuführen von elektrischer Heizleistung an die Heizvorrichtung während einer Aufwärmphase der Brennkraftmaschine, während der der Taupunkt des Abgases im Auslasstrakt noch nicht erreicht ist, und – wenn die der Heizvorrichtung zugeführte Heizleistung einen vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) überschreitet, Begrenzen der der Heizvorrichtung zugeführten elektrischen Heizleistung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert (PGrenz), der kleiner als ein maximaler Heizleistungswert (Pmax) der Heizvorrichtung ist. A method of operating a gas sensor configured to detect a gas content in an exhaust gas in an exhaust tract of an internal combustion engine, the gas sensor comprising a main body of a solid electrolyte and a heater disposed in and / or on the main body configured to heat electric power of the main body, the method comprising the steps of: supplying electric heating power to the heating device during a warm-up phase of the internal combustion engine during which the dew point of the exhaust gas in the exhaust tract has not yet been reached, and if the heating power supplied to the heating device has a predetermined heating power limit ( P limit ), limiting the electric heater power supplied to the heater to the predetermined heater power limit (P limit ) which is smaller than a maximum heater power value (P max ) of the heater. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der vorbestimmte Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) ungefähr 50 %, vorzugsweise ungefähr 30 %, des maximalen Heizleistungswerts (Pmax) beträgt. The method of claim 7, wherein the predetermined heating power limit (P limit ) is about 50%, preferably about 30%, of the maximum heating power value (P max ). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8, wobei der vorbestimmte Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) zwischen ungefähr 1 W und ungefähr 10 W, insbesondere zwischen ungefähr 2 W und ungefähr 5 W liegt. Method according to one of claims 7 and 8, wherein the predetermined heating power limit (P limit ) is between about 1 W and about 10 W, in particular between about 2 W and about 5 W. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ferner mit: – Steuern der der elektrischen Heizvorrichtung zugeführten Heizleistung derart, dass ein Heizwiderstand der Heizvorrichtung auf einem vorbestimmten Heizwiderstandswert (Pconst) gehalten wird, wobei sich der auf den vorbestimmten Heizwiderstand gesteuerte Heizwiderstand der Heizvorrichtung bei einem Begrenzen der der Heizvorrichtung zugeführten Heizleistung auf den vorbestimmten Heizleistungsgrenzwert (PGrenz) zumindest teilweise verringert. A method according to any one of claims 7 to 9, further comprising: controlling the heating power supplied to the electric heater such that a heating resistance of the heater is maintained at a predetermined heating resistance value (P const ), wherein the heating resistance of the heating device controlled at the predetermined heating resistance becomes limiting the heating power supplied to the heating device to the predetermined heating power limit (P limit ) at least partially reduced.
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