-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration
an verschiedenen Orten eines Abgassystems eines Verbrennungsmotors,
mit einem ersten Abgassensor, der vor einem Katalysatorvolumen angeordnet
ist und ein erstes Signal für
einen schnellen Kraftstoff/Luft-Verhältnis-Regelkreis des Verbrennungsmotors
bereitstellt, und mit einem zweiten Abgassensor, der hinter dem
Katalysatorvolumen angeordnet ist und ein zweites Signal bereitstellt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer
solchen Sensorvorrichtung.
-
Eine
solche Sensorvorrichtung und ein solches Verfahren sind zum Beispiel
aus der
DE 35 00 594
C2 bekannt. Bei einer vollständigen, stöchiometrischen Verbrennung
von Kohlenwasserstoffgemischen, wie Benzin und/oder Dieselkraftstoff
mit Luft, werden als Verbrennungsprodukte nur molekularer Stickstoff,
Kohlendioxid und Wasser erzeugt. Wenn die zugeführte Verbrennungsluft im Verhältnis zum zugeführten Brennstoff
zwar stöchiometrisch
dosiert ist, aber nicht ausreichend Zeit zum Durchreagieren vorhanden
war, treten außer
diesen drei Gasen weitere Gase auf, denen im Vergleich zu den genannten Endprodukten
entweder noch Sauerstoff fehlt, oder die Sauerstoff im Überschuss
enthalten.
-
Nach
dem aus der
DE 35 00
594 C2 bekannten 2-Sonden-Konzept wird die in den Verbrennungsmotor
strömende
Luftmasse gemessen und mit dem schnellen Regelkreis eine dazu passende
Kraftstoffmenge dosiert. Als Maß für das Kraftstoff/-Luft-Verhältnis in
Brennräumen
des Verbrennungsmotors erfasst der erste Abgassensor eine Sauerstoffkonzentration
vor einem Katalysator. Zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration
wird ein Festelektrolyt, zum Beispiel Zirkon-Dioxid, verwendet,
der für
Sauerstoffionen leitfähig
ist und das Abgas von einer Referenzatmosphäre, in der Regel der Umgebungsluft,
trennt. Unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen im Abgas und
in der Referenzatmosphäre
rufen einen Sauerstoffionenstrom durch den Festelektrolyten hervor, der
zu einer Potentialdifferenz zwischen einer dem Abgas zugewandten
Außenelektrode
und einer der Referenzatmosphäre
zugewanden Innenelektrode führt.
Diese Potentialdifferenz wird hochohmig erfasst und als Eingangsignal
für den
ersten Regelkreis benutzt.
-
Ein
Rückschluss
von der Potentialdifferenz auf das Kraftstoff/Luft-Verhältnis ist
nur dann möglich,
wenn sich im Abgas ein thermodynamisches Gasgleichgeweicht einstellt.
Diese Bedingung wird mit Hilfe katalytisch aktiver Elektroden erfüllt, die
lokal an der dem Abgas zugewandten Elektrode eine vollständige Umsetzung
zu Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser herbeiführen. In diesem Fall hat die Kennlinie
dieser Sonde bei stöchiometrischen
Bedingungen (Lambda = 1) eine Sprungcharakteristik. Wenn hohe Konzentrationen
von Abgaskomponenten, die nicht im thermischen Gleichgewicht sind,
nur unvollständig
umgesetzt werden, zeigt die Kennlinie der Sende Verschiebungen der
Lage des Sprungs.
-
Nach
der
DE 35 00 594 C2 ist
dem ersten Regelkreis ein zweiter Regelkreis überlagert, wobei der zweite
Regelkreis einen zweiten Abgassensor aufweist, der hinter einem
Dreiwegekatalysator als Katalysatorvolumen angeordnet ist. Das Katalysatorvolumen
bringt das Abgas vollständig
in das thermische Gleichgewicht, so dass der zweite Abgassensor die
Sauerstoffkonzentration im Abgas mit erhöhter Genauigkeit erfassen kann.
Neben diesem Vorteil hat die Anordnung des zweiten Abgassensors
hinter dem katalytischen Volumen jedoch den Nachteil, dass Änderungen
der Sauerstoffkonzentration im verbrennungsmotorischen Rohabgas
gewissermaßen
durch Speichereffekte des Katalysatorvolumens gedämpft werden,
so dass der zweite Abgassensor nur vergleichsweise langsam auf solche Änderungen reagiert.
Aus diesem Grunde verwendet man für die Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches
primär
den ersten Abgassensor und benutzt den zweiten Regelkreis zur überlagerten
Korrektur, beispielsweise durch eine Sollwertverschiebung für den ersten
Regelkreis.
-
Neben
diesem bekannten Konzept, das zwei Abgassensoren mit Sprungcharakteristik
verwendet, gibt es auch Konzepte, bei denen ein so genannter Breitbandsensor
als Regelsensor vor dem Katalysatorvolumen angeordnet wird. Eine
solche Breitbandsonde wird zum Beispiel im Kraftfahrtechnischen
Taschenbuch, 23. Auflage, Seite 524, erläutert. Der Breitbandsensor
besitzt eine stetige, nicht sprungartig verlaufende Kennlinie. Im
Gegensatz zu einem Sensor mit Sprungcharakteristik, der gewissermaßen nur
eine Information über
das Vorzeichen der Abweichung einer Sauerstoffkonzentration von
einem Sollwert liefert, erlaubt der stetige Kennlinienverlauf auch Rückschlüsse über den
Betrag der Abweichung. Außerdem
steht die Sauerstoffkonzentrations-Information kontinuierlich zur
Verfügung
und nicht etwa nur kurzzeitig bei einem Durchgang durch den stöchiometrischen
Punkt. Ein Sensor mit einer Sprungcharakteristik hat gegenüber einem
solchen Breitbandsensor jedoch den Vorteil, dass die Lage des stöchiometrischen
Punktes wegen des sprungartigen Signalverlaufs genauer erfasst werden
kann. Aus diesem Grund wird ein Sensor mit Sprungcharakteristik auch
bei 2-Sonden-Konzepten
mit einem Breitbandsensor als vor dem Katalysatorvolumen angeordnete Regelsonde
als Führungssonde
verwendet.
-
Weiter
sind Konzepte für
den Betrieb eines Verbrennungsmotors bekannt, bei denen der Verbrennungsmotor
nur bei mittlerer und hoher Last mit stöchiometrischem Kraftstoff/Luftgemisch
betrieben wird und bei denen bei niedriger Last ein Betrieb mit Luftüberschuss
bevorzugt wird. Bei einem solchen Magerbetrieb entstehen in größerem Umfang
Stickoxide, die bei gleichzeitig hohen Sauerstoffkonzentrationen
nur schwer zu konvertieren sind. Zur Konvertierung großer Stickoxidmengen
ist das kontinuierliche SCR-Verfahren (selective catalytic reduction)
bekannt, für
dessen Betrieb und Überwachung
wohl ein NOx-Sensor benötigt wird. Ein anderes, jedoch
diskontinuierliches Verfahren, nutzt einen NOx-Speicherkatalysator,
der im mageren Abgas Stickoxide einspeichert und diese in konvertierter
Form in kurzen Regenerierungsphasen abgibt, die sich durch eine
reduzierende Abgasatmosphäre
auszeichnen.
-
Man
kann die Phase, in der Stickoxide eingespeichert werden, durch einen
NOx-Sensor überwachen. Alternativ oder ergänzend kann
die Regenerierungsphase durch einen sauerstoffempfindlichen Abgassensor überwacht
werden. Eine sehr kostengünstige
Methode sieht vor, die Führungssonde
des Lambda=1-Betriebs auch als Überwachungssonde für die Regenerierung
des NOx-Speicherkatalysators zu verwenden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass beim Einsatz herkömmlicher
Abgassensoren mit Sprungcharakteristik zur Überwachung der Regenerierungsphasen überempfindliche
Reaktionen in den Sondensignalverläufen auftreten können, die
eine genaue Steuerung der Regenerierungsphase erschweren. Alternativ
zur Führungssonde
mit Sprungcharakteristik könnte
man auch an einen Einsatz der Breitbandsonde zur Steuerung der Regenerierung
und zur Führung
des ersten Regelkreises denken. Aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderung
für die
Führung wird
der Einsatz des Breitbandsensors als Führungssonde jedoch kritisch
gesehen. Vor diesem Hintergrund sind zur Erfüllung verschiedener Regel-
und Überwachungsaufgaben
im Abgassystem eines Verbrennungsmotors Abgassensoren mit verschiedener Charakteristik
erforderlich. Bisher wurden dafür strukturell
verschiedene Abgassensoren verwendet.
-
Aus
Gründen
einer Kostensenkung in der Fertigung und in einer Lagerhaltung im
Ersatzteilmarkt wäre
es jedoch wünschenswert,
die Anzahl verschiedener Typen von Abgassensoren in einem Abgasnachbehandlungssystem
zu reduzieren. Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung
in der Angabe einer Sensorvorrichtung zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration
an verschiedenen Orten eines Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors,
mit der die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt werden können und
die mit einer verringerten Zahl verschiedener Typen von Abgassensoren
auskommt. Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Verfahrens zum Betreiben einer solchen Sensorvorrichtung mit einer
reduzierten Zahl unterschiedlicher Sensoren.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Sensorvorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass
sowohl der erste als auch der zweite Sensor eine äußere Pumpelektrode,
eine innere Pumpelektrode, eine Nernstelektrode und eine Referenzelektrode
aufweist, dass der erste Abgassensor mit einer ersten Betriebs-
und Auswerteschaltung verbunden ist und der zweite Abgassensor mit
einer zweiten Betriebs- und Auswerteschaltung verbunden ist, wobei zumindest
die erste oder die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung den verbundenen
ersten oder zweiten Abgassensor als Nernstsonde betreibt. Ferner
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
dadurch gelöst,
dass zumindest einer der Abgassensoren einer solchen Sensorvorrichtung
durch seine sensorindividuelle Betriebs- und Auswerteschaltung als
Nernstsonde betrieben wird. Die innere Pumpelektrode und die Nernstelektrode können als
gemeinsame Elektrode realisiert sein. Die gemeinsame Elektrode übt dann
beide Funktionen, also die Funktion einer inneren Pumpelektrode
und die Funktion einer Nernstelektrode aus. Die Erfindung benötigt somit
mit der Referenzelektrode, der äußeren Pumpelektrode
und der gemeinsamen inneren Pump- und Nernstelektrode nur drei baulich
verschiedene Elektroden.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Durch
diese Merkmale wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst. Dadurch,
dass sowohl der erste als auch der zweite Abgassensor die genannten
Elektroden aufweisen, ergibt sich die Option, jeden der beiden Abgassensoren
durch Auslegung seiner Betriebs- und Auswerteschaltung an einen
vorgegebenen Einsatzzweck anzupassen. Je nach Auslegung seiner Betriebs-
und Auswerteschaltung arbeitet ein solcher Abgassensor entweder
als Abgassensor mit Sprungcharakteristik oder als Breitbandsensor. Überdies
ergibt sich bei einer Funktion als Sensor mit Sprungcharakteristik
die Möglichkeit, die
Lage des Sprungs so zu verändern,
dass ein solcher Abgassensor auch für eine Überwachung und Steuerung der
Regenerierung eines NOx-Speicherkatalysators verwendet werden
kann. Damit lassen sich die weiter oben beschriebenen Anforderungen sämtlich mit
einer einzigen Bauart eines Abgassensors erfüllen. Als Folge wird sowohl
die Herstellung einer Sensorvorrichtung mit mehreren Abgassensoren
als auch die Lagerhaltung der Abgassensoren für einen Ersatzteilemarkt wesentlich
vereinfacht.
-
Es
ist bevorzugt, dass die erste Betriebs- und Auswerteschaltung den
ersten Abgassensor als Nernstsonde, also als Sensor mit einer Sprungcharakteristik,
betreibt und eine Nernstspannung als Unterschied eines Potentials
der äußeren Pumpelektrode
und eines Potentials der Referenzelektrode abgreift. Durch diese
Ausgestaltung wird ein schnell reagierender Abgassensor bereitgestellt,
der sich insbesondere als Regelsensor für eine Anordnung vor dem Katalysatorvolumen
im Rahmen einer so genannten 2-Punkt-Regelung,
bei der nur das Vorzeichen der Regelabweichung ausgewertet wird,
eignet.
-
Alternativ
ist bevorzugt, dass die erste Betriebs- und Auswerteschaltung den
ersten Abgassensor als Breitbandsonde betreibt, wobei die äußere Pumpelektrode
mit der inneren Pumpelektrode und/oder der Nernstelektrode und einem
zwischen den genannten Elektroden angeordneten ionenleitfähigen Volumen
eine Pumpzelle bildet, die mit einem vom Unterschied eines Potentials
der Nernstelektrode und/oder der inneren Pumpelektrode von dem Potential
der Referenzelektrode abhängigen Pumpstrom
betrieben wird.
-
Durch
diese Ausgestaltung wird ein Breitbandsensor realisiert, der als
vor dem Katalysatorvolumen angeordneter Regelsensor eine Regelung
erlaubt, bei der neben dem Vorzeichen einer Regelabweichung auch
der Betrag einer Regelabweichung verarbeitet werden kann.
-
Weiter
ist bevorzugt, dass die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung den
zweiten Abgassensor als Nernstsonde betreibt.
-
Dadurch
wird der zweite Abgassensor mit einer maximalen Genauigkeit betrieben,
wie es für
eine Verwendung als Führungssonde
wünschenswert
ist.
-
Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung den zweiten Abgassensor ohne
Anschluss an eine äußere Pumpelektrode
als Führungssensor
für den
ersten Regelkreis betreibt, wobei die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung eine
Nernstspannung als Unterschied eines Potentials der Nernstelektrode
und/oder der inneren Pumpelektrode und eines Potentials der Referenzelektrode abgreift.
-
Bei
einer solchen Beschaltung des Abgassensors als Nernst-Führungssonde kann auf einen Anschluss
der äußeren Pumpelektrode
an die Betriebs- und Auswerteschaltung verzichtet werden. Durch
diese Beschaltung wird die Genauigkeit, mit der der Abgassensor
die Sauerstoffkonzentration hinter dem Katalysatorvolumen erfasst,
auf Kosten seiner Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Die Einbußen bei
der Reaktionsgeschwindigkeit sind jedoch unkritisch, da die Führungssonde
ohnehin nicht schnell sein muss. Bei höheren Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit
kann auch im Fall der Führungssonde
hinter dem Katalysatorvolumen eine Nernstspannung zwischen der äußeren Pumpelektrode
und der Referenzelektrode gemessen werden. Eventuell kann man auch
durch abwechselndes oder gleichzeitiges Messen und Vergleichen der
zwischen der äußeren Pumpelektrode
und der Referenzelektrode sowie der zwischen der inneren Pumpelektrode und/oder
der Nernstelektrode und der Referenzelektrode erfassten Spannungen
zusätzliche
Informationen für
eine On-board-Diagnose erhalten.
-
Bevorzugt
ist auch, dass die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung den zweiten
Abgassensor mit an einem über
die äußere Pumpelektrode
fließenden
Pumpstrom betreibt und eine Nernstspannung als Unterschied eines
Potentials der Nernstelektrode und/oder der inneren Pumpelektrode
von einem Potential der Referenzelektrode abgreift.
-
Der
besondere Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass der über die äußere Pumpelektrode
fließende
Pumpstrom die Sauerstoffkonzentration und damit das Potential an
der Nernstelektrode und/oder an der inneren Pumpelektrode in definierter Weise
beeinflusst, was zu einem definierten Verschieben des Sprungs in
der Sondenkennlinie führt. Durch
diese Verschiebung des Sprungs kann die eingangs im Zusammenhang
mit einer Überwachung und/oder
Steuerung einer Regenerierphase eines NOx-Speicherkatalysators
genannte Überempfindlichkeit
gedämpft
oder sogar überkompensiert
werden. Dadurch kann der Abgassensor auch die Anforderungen erfüllen, die
an eine Überwachung und/oder
Steuerung solcher Regenerierphasen gestellt werden.
-
Ferner
ist bevorzugt, dass die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung einen
konstanten Pumpstrom bereitstellt.
-
Alternativ
ist bevorzugt, dass die zweite Betriebs- und Auswerteschaltung ein
konstantes Pumppotential an die äußere Pumpelektrode
anlegt.
-
In
der Regel ist ein konstanter Strom notwendig, um eine definierte
Verschiebung zu erreichen. Bei konstantem Widerstand, also insbesondere
bei konstanter Sensortemperatur, treibt ein konstantes Potential
der äußeren Pumpelektrode
jedoch einen konstanten Strom durch den Festelektrolyten. Daher sind
beide Ausgestaltungen austauschbar, wenn die Temperatur des Abgassensors
im Betrieb hinreichend konstant ist, was in vielen Fällen der
Fall ist.
-
Eine
weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der erste
Abgassensor und der zweite Abgassensor gleich sind. Diese Ausgestaltung
hat den Vorteil, dass beide Abgassensoren gegeneinander austauschbar
sind. Daher reicht die Herstellung eines einzelnen Abgassensortyps
in einer einzigen Fertigungslinie aus, um Abgassensoren mit für verschiedene
Aufgaben geforderten Eigenschaften bereitzustellen.
-
Alternativ
ist bevorzugt, dass sich der erste Abgassensor nur durch eine geänderte Diffusionsbarriere
von dem zweiten Abgassensor unterscheidet.
-
Diese
Ausgestaltung ist dann von Vorteil, wenn der zweite Abgassensor
für eine Überwachung eines
NOx-Speicherkatalysators
verwendet werden soll, ohne ihn durch einen zu hohen Pumpstrom zu belasten.
Auch diese Ausgestaltung kann auf der gleichen Fertigungslinie hergestellt
werden wie die für
andere Verwendungen gedachten Abgassensoren. Die Diffusionsbarriere
wird in der Regel durch Aufbringen einer porösen Paste erzeugt, so dass innerhalb
des Herstellungsprozesses nur der Schritt des Aufbringens der porösen Paste
verändert
werden muss.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
-
1 einen
Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem, das einen Regelsensor,
einen Führungssensor
und einen weiteren Sensor zur Überwachung
und/oder Steuerung der Regenerierung eines NOx-Speicherkatalysators
aufweist;
-
2 eine
Schnittdarstellung des Abgassensors mit einer ersten Ausgestaltung
einer sensorindividuellen Beschaltung;
-
3 den
Abgassensor mit einer zweiten Ausgestaltung einer Beschaltung;
-
4 den
Abgassensor mit einer dritten Ausgestaltung der Beschaltung; und
-
5 den
Abgassensor mit einer vierten Ausgestaltung der Beschaltung.
-
1 zeigt
einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgassystem 12.
Brennräume 14, 16, 18, 20 des
Verbrennungsmotors 10 werden aus einem Ansaugsystem 22 mit
Luft gefüllt,
wobei die Masse der in die Brennräume 14, 16, 18, 20 strömenden Luft
mit einem Luftmassenmesser 24 erfasst wird. Aus dem Signal
des Luftmassenmessers 24 und/oder eines Fahrpedalgebers 26 sowie
aus dem Signal eines Drehzahlsensors 28 werden in einem
Steuergerät 30 Basiswerte
für Kraftstoffmengen
bestimmt, die über Einspritzventile 32, 34, 36 und 38 zur
Füllung
der Brennräume 14, 16, 18, 20 mit
Luft dosiert werden. Gegebenenfalls steuert das Steuergerät 30 auch
die Stellung einer optional vorhandenen Drosselklappe 40 durch
einen Steller 42.
-
Abgase
aus Verbrennungsprozessen in den Brennräumen 14, 16, 18 und 20 werden
durch das Abgassystem 12 gesammelt und im Abgas enthaltene
Schadstoffe werden durch wenigstens ein Katalysatorvolumen 44 konvertiert.
Das Katalysatorvolumen 44 kann beispielsweise als herkömmlicher 3-Wege-Katalysator
realisiert sein. Hinter dem ersten Katalysatorvolumen 44 kann
ein weiteres Katalysatorvolumen 46 angeordnet sein, das
zum Beispiel als NOx-Speicherkatalysator
zur Konvertierung der bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 mit
Luftüberschuss
emittierten Stickoxide dient.
-
Ein
erster Abgassensor 48 erfasst die Sauerstoffkonzentration
im Abgas vor dem ersten Katalysatorvolumen 44. Der erste
Abgassensor 48 bildet zusammen mit dem Steuergerät 30 als
Regler und den Einspritzventilen 32, 34, 36, 38 als
Stellglieder einen schnellen Kraftstoff/Luft-Verhältnis-Regelkreis für den Verbrennungsmotor 10.
Ein zweiter Abgassensor 50 ist hinter dem katalytischen
Volumen 44 im Abgassystem 12 angeordnet und bildet
zusammen mit dem Steuergerät 30 einen
zweiten Regelkreis, der den ersten Regelkreis führt. Ist zum Beispiel der erste
Abgassensor 48 wegen eines ungleichgewichtigen Abgases
systematisch falsch, so wird die Abweichung vom richtigen Wert durch
den zweiten Abgassensor 50 erfasst und über das Steuergerät 30 beispielsweise
zur Änderung
eines Sollwertes für den
ersten Regelkreis verwendet, so dass der erste Regelkreis trotz
Fehlmessungen des ersten Abgassensors 48 auf den richtigen
Sollwert regelt. Ein weiterer zweiter Abgassensor 52 ist
alternativ oder ergänzend
zu dem zweiten Abgassensor 50 hinter dem zweiten katalytischen
Volumen 46 angeordnet. Die Abgassensoren 48, 50 und 52 sind
bevorzugt gegeneinander austauschbar und erfüllen verschiedene Aufgaben
jeweils dadurch, dass sich ihre individuellen Betriebs- und Auswerteschaltungen
voneinander unterscheiden. Die individuellen Betriebs- und Auswerteschaltungen
sind bevorzugt in das Steuergerät 30 integriert.
-
2 zeigt
einen Abgassensor 54 im Schnitt zusammen mit einer in das
Steuergerät 30 integrierten
Betriebs- und Auswerteschaltung 56. Die Betriebs- und Auswerteschaltung 56 ist
mit Rechner- und Speicherbausteinen 58 des Steuergerätes 30 verbunden,
die darüber
hinaus über
einen Eingang 60 Eingangssignale der Sensoren 26, 28 empfangen und über einen
Ausgang 62 die Stellglieder 32, 34, 36, 38 und 42 ansteuern.
Der Abgassensor 54 nach der 2 kann als
Abgassensor 48 oder 50 oder 52 nach 1 verwendet
werden. Die Eignung für
die jeweilige Verwendung ergibt sich durch die Beschaltung mit einer
Auswerteschaltung, wobei die Auswerteschaltung 56 nach
der 2 den Abgassensor 54 für eine Verwendung
als Regelsensor 48 prädestiniert.
-
Der
Abgassensor 54 weist bevorzugt einen Aufbau aus mehreren
Schichten oder Folien auf. Eine Heizerfolie 64 trägt eine
Heizerstruktur 66, auf der eine Referenzkanalfolie 68 aufgebracht
ist. Über der
Referenzkanalfolie (68) ist eine Zwischenfolie 70 und
darüber
eine Pumpfolie 72 angeordnet. Die genannten Folien 64, 68, 70 und 72,
wenigstens jedoch die Zwischenfolie 70 und die Pumpfolie 72 bestehen aus
einem Sauerstoffionen leitenden Material, beispielsweise aus einem
Zirkon-Dioxid-Festkörperelektrolyten.
-
Der
in der 2 dargestellte Abgassensor 54 weist eine
dem Abgas 74 zugewandte äußere Pumpelektrode 76 auf,
die durch eine gasdurchlässige
poröse
Schicht 78 geschützt
wird. Eine innere Pumpelektrode 80 und eine Nernstelektrode 82 sind bei
der Ausgestaltung nach der 2 entweder
nicht an die Auswerteschaltung 56 angeschlossen oder werden
in der Auswerteschaltung 56 mit einem neutralen Bezugspotential 84 verbunden.
Eine Referenzelektrode 86 ist einer Referenzatmosphäre ausgesetzt,
die in dem Referenzkanal 88 herrscht. Über eine Verbindung des Referenzkanals 88 zur
Umgebungsluft außerhalb
des Abgassystems 12 kann die Referenzatmosphäre beispielsweise
aus Luft bestehen. Ein Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen im
Abgas 74 und im Referenzkanal 88 ruft dann einen
ausgleichenden Sauerstoffionen-Diffusionsstrom
durch die Pumpfolie 72 und die Zwischenfolie 70 hervor,
der zu unterschiedlichen elektrischen Potentialen an der äußeren Pumpelektrode 76 und
der Referenzelektrode 86 führt. Der auch als Nernstspannung
bezeichnete Potentialunterschied wird durch den Operationsverstärker 90 der
Betriebs- und Auswerteschaltung 56 hochohmig erfasst und
an den Rechner 58 übergeben.
-
3 zeigt
den Abgassensor 54 mit einer geänderten Betriebs- und Auswerteschaltung 92,
die den Abgassensor 54 als Breitbandsensor betreibt. Abgas 74 gelangt über eine
Gaseinlassöffnung 94 und
eine gasdurchlässige
poröse
Diffusionsbarriere 96 in ein Volumen 98 (Messspalt),
so dass sich an der Nernstelektrode 82 und der inneren
Pumpelektrode 80 eine Sauerstoffkonzentration einstellt.
Wenn die Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 von der Sauerstoffkonzentration
im Referenzkanal 88 abweicht, ergibt sich an der Referenzelektrode 86 ein vom
Bezugspotential 84 abweichendes Potential, das einem invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 100 zugeführt wird.
Am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 100 liegt eine
Vergleichsspannung von zum Beispiel 450 mV an, die von einer Spannungsquelle 102 generiert wird.
-
Wenn
die Spannung zwischen dem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 100 von
Null abweicht, erzeugt der Operationsverstärker 100 einen Strom
durch den Messwiderstand 104 zur äußeren Pumpelektrode 76,
der Sauerstoffionen vom Abgas 74 in das Volumen 98 transportiert
oder Sauerstoffionen aus dem Volumen 98 zum Abgas 74 transportiert.
Dabei hängt
die Stromrichtung vom Vorzeichen der Spannung zwischen dem invertierenden
und dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 100 ab.
Auf diese Weise regelt der Operationsverstärker 100 die Sauerstoffkonzentration
im Volumen 98 auf einen Wert ein, bei dem der Potentialunterschied
zwischen seinem invertierenden Eingang und dem nichtinvertierenden
Eingang verschwindet. Dies ist bei einer Nernstspannung von 450
mV zwischen der Nernstelektrode 82 und der Referenzelektrode 86 der
Fall. Der Operationsverstärker 100 erzeugt
damit einen Pumpstrom, der die Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 auf
einem konstanten Wert hält.
-
Da
die Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 über die
Diffusionsbarriere 96 von der Sauerstoffkonzentration im
Abgas 74 beeinflusst wird, hängt der zur Aufrechterhaltung
einer konstanten Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 benötigte Pumpstrom
von der Sauerstoffkonzentration im Abgas 74 ab. Der vom
Pumpstrom über
den Messwiderstand 104 erzeugte Spannungsabfall wird vom
Operationsverstärker 106 als
Maß für die Sauerstoffkonzentration
im Abgas 74 erfasst und an den Rechner 58 übergeben.
Der Pumpstrom variiert stetig über
der Sauerstoffkonzentration im Abgas 74. Mit der in der 3 dargestellten
Schaltung des Abgassensors 54 ist der Abgassensor 54 für eine Verwendung
als Breitband-Regelsensor am Einbauort des Abgassensors 48 in
der 1 prädestiniert.
-
4 zeigt
eine Ausgestaltung, in der eine Betriebs- und Auswerteschaltung 108 den
Abgassensor 54 für
eine Verwendung als Führungssonde prädestiniert.
Dabei ist die Referenzelektrode 86, wie beim Gegenstand
der 2, mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 110 verbunden.
Abweichend vom Gegenstand der 2 ist der invertierende
Eingang des Operationsverstärkers 110 aber
nicht mit der äußeren Pumpelektrode,
sondern mit der Nernstelektrode 82 und oder der inneren Pumpelektrode 80 verbunden.
Der Operationsverstärker 110 misst
daher eine Nernstspannung, die sich aufgrund einer Differenz der
Sauerstoffkonzentrationen im Referenzkanal 88 und im Volumen 98 einstellt.
Da die Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 über die
Diffusionsbarriere 96 von der Sauerstoffkonzentration im
Abgas 74 bestimmt wird, bildet die vom Operationsverstärker 110 erfasste
Nernstspannung ein Maß für die Sauerstoffkonzentration
im Abgas 74. Da die Diffusionsbarriere 96 in der
Regel einen höheren
Diffusionswiderstand besitzt als die Schutzschicht 78,
reagiert der Sensor 54 mit der Beschaltung entsprechend 3 träger auf Änderungen
der Sauerstoffkonzentration im Abgas 74 als bei einer Beschaltung
entsprechend der 2. Dies spielt aber bei einer
Anordnung des Abgassensors 54 an der Stelle des Abgassensors 50 der 1 nur eine
untergeordnete Rolle, da es bei diesem Einbauort ohnehin zu Verzögerungen
durch das vorgeschaltete Katalysatorvolumen 44 kommt und
weil es bei diesem Einbauort weniger auf Schnelligkeit als vielmehr
auf eine hohe Genauigkeit der Sauerstoffkonzentrations-Erfassung
ankommt. Die Genauigkeit der inneren Pumpelektrode/Nernstelektrode
ist besonders hoch, weil der vorgeschaltete Katalysator chemische
Ungleichgewichte weitgehend beseitigt und zusätzlich die chemisch-katalytische Belastung
der inneren Pumpelektrode/Nernstelektrode durch die vorgeschaltete
Diffusionsbarriere seht gering ist. Die äußere Pumpelektrode 76 ist
bei dieser Ausgestaltung der Betriebs- und Auswerteschaltung nicht angeschlossen.
-
5 zeigt
den Sensor 54 mit einer Betriebs- und Auswerteschaltung 112,
die eine Verwendung des Sensors 54 am Ort des Abgassensors 52 hinter
einem NOx-Speicherkatalysator 46 gemäß 1 ermöglicht.
Bei einer Anordnung einer Nernstsonde mit einer Beschaltung gemäß der 2 hat sich
in Versuchen herausgestellt, dass der Nernstsensor bereits auf eine
Fettanzeige springt, obwohl das angebotene Gas noch einen Sauerstoffüberschuss
aufweist. Der Signalverlauf zeigt damit eine Überempfindlichkeitsreaktion.
Ein solcher Durchbruch ist also auf eine Fehlfunktion des Nernstsensors
zurückzuführen (Methanverschiebung)
und nicht etwa auf einen Sauerstoffmangel hinter dem Speicherkatalysator 46.
Es hat sich speziell bei einem bestimmten Speicherkatalysator gezeigt,
dass am einer Regenerierung, die durch eine fette Abgasatmosphäre am Katalysatoreingang
erfolgt, eine Methanspitze hinter dem Speicherkatalysator auftrat, bei
dem die Nernstsonde trotz nachgewiesenem Sauerstoffüberschuss
am Katalysatorausgang (z.B. Lambda = 1,003) schon eine Fettspannung
anzeigt. Würde
man der Nernstsonde noch ein weiteres katalytisches Volumen vorschalten,
so könnte
man ohne die erfindungsgemäße Pumpverschiebung
bestenfalls einen Sprung bei Lambda gleich 1 erzielen. Es ist aber
damit zu rechnen, dass kurzzeitige, relativ unschädliche Fettdurchbrüche auf
z.B. Lambda = 0,997 vorkommen. Diese Fettdurchbrüche, die mit einem üblichen,
idealen Lambda = 1,000 Sensor nicht ausgefiltert werden können, lassen
sich durch die eingeprägte
Pumpverschiebung beseitigen. Durch die Pumpverschiebung lassen sich
damit sowohl Methanverschiebungen des Sensors als auch kurzzeitige
Fettdurchbrüche
durch den Katalysator kompensieren, so dass es nicht zu unerwünschten
Reaktionen der Regelung kommt.
-
Einer
solchen Fehlanzeige wird beim Gegenstand der 5 dadurch
entgegengewirkt, dass die Nernstspannung zwar, wie beim Gegenstand
der 4, zwischen der Nernstelektrode 82 und/oder der
inneren Pumpelektrode 80 und der Referenzelektrode 86 erfasst
wird, gleichzeitig aber die Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 durch
definiertes Einprägen
eines Sauerstoffionen-Pumpstroms vom Abgas 74 zum Volumen 98 erhöht wird.
Durch die definierte Anreicherung von Sauerstoff im Volumen 98 wird
die Kennlinie der Nernstzelle aus den Elektroden 80/82 und 86 mit
der dazwischen liegenden Zwischenfolie 70 so verschoben,
dass eine Fettanzeige nicht bei einem Lambdawert von größer oder
gleich 1, sondern bei einem Lambdawert < 1 auftritt. Der definierte Pumpstrom
wird beim Gegenstand der 5 durch eine Konstantstromquelle
oder Konstantspannungsquelle 114 erzeugt, die an die äußere Pumpelektrode 76 und
die innere Pumpelektrode 80 angeschlossen ist. Der Stromkreis
wird über
den Festkörperelektrolyten
in der Pumpschicht 72 geschlossen, wobei der Strom im Festkörperelektrolyten
durch Sauerstoffionen getragen wird.
-
Alternativ
zur Einprägung
eines definierten Pumpstroms könnte
der Sensor 54 auch als Breitbandsensor entsprechend dem
Gegenstand der 3 betrieben werden, wobei durch
die Auswahl der von der Spannungsquelle 102 bereitgestellten Vergleichsspannung
eine erhöhte
Sauerstoffkonzentration im Volumen 98 eingeregelt wird.
Die Ausgestaltung nach der 5 hat dagegen
den Vorteil, dass der relativ aufwendige Regelkreis mit dem Operationsverstärker 100 und
der Spannungsquelle 102 nach der 3 nicht
benötigt
wird. Außerdem
erhält man
bei der Ausgestaltung nach der 5 eine Sprungfunktion
bei einer Beendigung der Regenerierphase, die sich durch einen Sauerstoffmangel
hinter dem Speicherkatalysator 46 bemerkbar macht.
-
Die
Erfindung wurde hier am Beispiel eines Sensoraufbaus mit einem Referenzluftkanal
und einer vertikalen Anordnung von Pumpzelle und Nernstzelle erläutert. Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf eine solche Bauform
beschränkt
ist. Die Nernstzelle kann zum Beispiel lateral hinter der Pumpzelle
angeordnet sein. Die Referenzluftzufuhr muss nicht über einen
eigenen Kanal erfolgen, sondern kann über eine Porösität der Leiterbahn,
die zu dieser Elektrode gehört,
realisiert werden.