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Dokumentenidentifikation DE102006030437A1 03.01.2008
Titel Vorrichtung zum Betreiben einer Grenzstromsonde
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Diehl, Lothar, 70839 Gerlingen, DE;
Moser, Thomas, 71701 Schwieberdingen, DE;
Scheffel, Marcus, 91052 Erlangen, DE;
Domscheit, Jochen, 70469 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 29.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030437
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01N 27/407(2006.01)A, F, I, 20060629, B, H, DE
Zusammenfassung Vorrichtung zum Betreiben einer Grenzstromsonde zur Messung einer Gaskonzentration in einem Messgas, mit einer Strommessvorrichtung, die einen durch die erste und zweite Elektrode fließenden Strom erfasst, wobei die Strommessvorrichtung einen inneren Widerstand aufweist, der kleiner 200 Ohm ist.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betreiben einer Grenzstromsonde nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Ferner betrifft die Erfindung ein Gaskonzentrationsmesssystem.

Eine Lambda-Regelung ist, in Verbindung mit einem Katalysator, heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für den Ottomotor. Erst im Zusammenspiel mit heute verfügbaren Zünd- und Einspritzsystemen können sehr niedrige Abgaswerte erreicht werden. Die heute verwendeten Katalysatortypen haben die Eigenschaft, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide bis zu mehr als 98% abzubauen, falls der Motor in einen Bereich von etwa 1% um das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit Lambda = 1 betrieben wird. Dabei gibt der Lambda-Wert an, wie weit das tatsächlich vorhandene Luft-Kraftstoff-Gemisch von dem zur vollständigen Verbrennung theoretisch notwendigen Massenverhältnis von 14,7 kg Luft zu 1 kg Benzin abweicht. Lambda ist hierbei der Quotient aus zugeführter Luftmasse und theoretischem Luftbedarf.

Als Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentration des Restsauerstoffs in einem Abgas haben sich insbesondere Breitband-Lambdasonden als auch Grenzstromsonden bewährt. Aus der DE 101 56 248 A1 ist beispielsweise ein Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch bekannt, der sowohl als Breitband-Sensor mit einer Pumpzelle betrieben werden kann, als auch nach dem Grenzstromprinzip. Bei einer nach diesem Prinzip arbeitenden Sonde sind vorzugsweise auf einem Festkörperelektrolyt zwei Elektroden angeordnet, wobei die erste Elektrode dem Abgas zugewandt ist und die zweite über eine Diffusionsbarriere vom Abgas getrennt ist. Der Festkörperelektrolyt besteht in der Regel aus einem mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkondioxid und ist bei einer Betriebstemperatur > 600 C° für Sauerstoffionen leitend. Zum Betreiben der Sonde wird an den Elektroden eine Pumpspannung angelegt, deren höheres Potenzial an der Außenelektrode liegt und somit die Anode bildet. Durch diese Pumpspannung werden Sauerstoffionen von der Kathode zur Anode, also von der Innenelektrode zur Außenelektrode gepumpt. Da das Nachfließen von Sauerstoffmolekülen aus dem Abgas in den die Innenelektrode umgebenden Hohlraum durch eine Diffusionsbarriere behindert ist, erreicht auch der Pumpstrom oberhalb eines Pumpspannungs-Schwellenwerts eine Stromsättigung, den so genannte Grenzstrom. Dieser Grenzstrom ist der Sauerstoffkonzentration im Abgas proportional. Dieses Funktionsprinzip ist beispielsweise bei Riegel et al.: Exhaust gas sensors. In: Automotive electronics handbook Kapitel 6, Herausgeber: Jürgen, Ronald, McGrawhill, 1995 beschrieben.

Riegel et al. ist ferner zu entnehmen, dass die Pumpspannungen einer solchen Grenzstromsonde sich typischerweise im Bereich zwischen wenigen 100 Millivolt bis 1 Volt bewegen. Die Pumpströme variieren in Abhängigkeit der Gaskonzentration im Bereich von Mikroampere bis zu Milliampere. Zur Messung des Grenzstromes wird typischerweise eine Anordnung, wie sie aus der DE 101 56 248 A1 bekannt ist, gewählt, bei der der Spannungsabfall über einen im Pumpstromkreis angeordneten Messwiderstand abgegriffen wird. Bei einem Abgas in der Nähe des stöchiometrischen Verhältnisses von Lambda = 1 ist typischerweise ein Pumpstrom von ca. 1 Mikroampere zu erwarten, sodass beispielsweise über einen Messwiderstand von 1000 Ohm eine Spannung von 1 Millivolt abfällt. Um mit der Auswerteelektronik auch für kleine Spannungen eine gute Messauflösung zu erzielen, ist es typischerweise das Bestreben, diesen Messwiderstand möglichst groß zu wählen.

Vorteile der Erfindung

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs wird in überraschender Weise nicht ein möglichst großer Innenwiderstand bzw. Messwiderstand einer Strommessvorrichtung gewählt, sondern in vorteilhafter Weise ein innerer Widerstand der kleiner als 200 Ohm ist. Die Strommessvorrichtung erfasst hierbei einen durch eine erste und zweite Elektrode einer Grenzstromsonde fließenden Strom.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass sich insbesondere charakteristische Zeiten der Grenzstromsonde – wie beispielsweise Reaktionszeit oder Betriebsbereitschaft – verkürzen.

So liegt in vorteilhafter Weise bei einem Einschalten der Grenzstromsonde die Betriebsbereitschaft der Sonde deutlich früher vor, als bei Sonden, deren Strommessvorrichtungen im Hinblick auf die Strommessung optimiert wurden. Ferner lässt sich in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren die Reaktionszeit, die eine Grenzstromsonde benötigt, um auf eine Veränderung der Gaskonzentration zu reagieren, verkürzen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in dem unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, den inneren Widerstand so festzulegen, dass eine charakteristische Zeit der Grenzstromsonde einen Schwellenwert unterschreitet. Wobei ferner der Schwellenwert in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen der Grenzstromsonde festgelegt wird; und wobei ferner die charakteristische Zeit der Grenzstromsonde eine Reaktionszeit der Grenzstromsonde und/oder eine Betriebsbereitschaft der Grenzstromsonde sein kann.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Vorrichtung nicht im Hinblick auf Eigenschaften der Strommessung optimiert wird, sondern im Hinblick auf eine Reaktionszeit und/oder Betriebsbereitschaft der Grenzstromsonde.

Ferner ist es vorteilhaft, eine Strommessvorrichtung vorzusehen, die den Pumpstrompfad der Grenzstromsonde im Wesentlichen nicht mit einem Widerstand belastet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine solche Strommessvorrichtung als Transimpedanzverstärker ausgestaltet sein.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Grenzstromsonde mit einem Messwiderstand;

2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit einem Transimpedanzverstärker;

3 einen zeitlichen Verlauf des Pumpstroms bei einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.

Offenbarung der Erfindung

1 zeigt beispielhaft eine Grenzstromsonde 100 zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit einer zugehörigen Vorrichtung 200 zum Betreiben der Grenzstromsonde. Die Grenzstromsonde umfasst in einem unteren Bereich eine Heizung 160, in einem mittleren Bereich einen Messraum 130 mit einer ersten Elektrode 140 und in einem oberen Bereich eine zweite Elektrode 150. Zwischen der ersten Elektrode, der Innenpumpelektrode 140, und der zweiten Elektrode, der Außenpumpelektrode 150, erstreckt sich ein Festkörperelektrolyt, der zusammen mit den beiden Elektroden eine Pumpzelle 120 bildet. Die dem Gasgemisch bzw. Messgas zugewandte Außenpumpelektrode 150 ist durch eine Schutzschicht 110 gegenüber dem Messgas 10 geschützt. Ferner weist die Pumpzelle 120 in einem zentralen Bereich eine Öffnung 105 auf, durch die das Messgas 10 über eine Diffusionsbarriere 135 in den Messraum 130 und somit zur Innenpumpelektrode 140 gelangt.

Durch Anlegen einer Heizspannung UH werden der Gassensor und insbesondere die Pumpzelle 120 auf eine Betriebstemperatur gebracht, bei der der Festkörperelektrolyt eine ausreichend hohe Sauerstoffionen-Leitfähigkeit aufweist.

Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf eine in 1 dargestellte Grenzstromsonde beschränkt, sondern kann auch in vergleichbaren Sondentypen eingesetzt werden. Insbesondere kann die Innenpumpelektrode 140 in einem Referenzkanal angeordnet sein und nicht mit dem Abgas, sondern mit einem Referenzgas, vorzugsweise Luft in Verbindung stehen. Darüber hinaus kann die Außenpumpelektrode 150, insbesondere bei einer Sonde mit Referenzkanal, statt mit einer Schutzschicht 110 mit einer Diffusionsschicht versehen sein.

Die Vorrichtung 200 zum Betreiben der Grenzstromsonde 100 beaufschlagt die beiden Elektroden 140, 150 der Pumpzelle 120 mit einer Pumpspannung Up. Die Pumpspannung Up wird über eine Spannungsquelle 220 zur Verfügung gestellt. Im dargestellten Beispiel wird die Außenpumpelektrode 150 mit einer positiven Spannung und die Innenpumpelektrode 140 mit einer negativen Spannung beaufschlagt. Zwischen der Spannungsquelle 220 und der Außenpumpelektrode 150 ist ein Messwiderstand 240 angeordnet, über dem der Pumpstrom Ip ausgehend von der über dem Messwiderstand 240 abfallenden Spannung UIp, bestimmt wird. Zur Messung des Spannungsabfalls UIp ist parallel zum Messwiderstand 240 ein Operationsverstärker 210 angeordnet, der ein Ausgangssignal Ua zur Verfügung stellt, das proportional zum fließenden Pumpstrom Ip ist. Messwiderstand 240 und Operationsverstärker 210 bilden hierbei beispielhaft eine Strommessvorrichtung 250.

Bei einem Mager-Betrieb der Brennkraftmaschine, also bei einem Betrieb, bei dem der Brennkraftmaschine mehr Luft zugeführt wird, als durch den eingespritzten Kraftstoff verbrannt werden kann, liegt auch im Abgas eine hohe Sauerstoffkonzentration vor. Eine zu dieser Sauerstoffkonzentration proportionale Sauerstoffmenge steht auch an den Innenpumpelektroden 140 an. Aufgrund der an den Elektroden anliegenden Pumpspannung wird der Sauerstoff in Form von Sauerstoffionen über den Festkörperelektrolyt der Pumpzelle 120 aus dem Messgasraum 130 zur Außenpumpelektrode 150 gepumpt. Die Zuströmung weiteren Sauerstoffs aus dem Abgas/Messgas 10 in den Messraum 130 wird über die Diffusionsöffnung 105 und der Diffusionsbarriere 135 behindert, sodass hierdurch der über die Pumpzelle 120 fließende Sauerstoff-Ionenstrom begrenzt wird und der Pumpstrom Ip einen Grenzstrom erreicht. Dieser Grenzstrom ist im Wesentlichen proportional zur O2-Konzentration des Abgases/Messgases 10.

Bei Vorliegen eines stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, also bei einem Lambdawert = 1, wird die zugeführte Luftmenge theoretisch vollständig durch den vorhandenen Kraftstoff verbrannt, sodass im Abgas im Wesentlichen kein Sauerstoffvorhanden ist. In der Nähe eines Lambda-Werts = 1 werden daher keine oder nur geringe Mengen Sauerstoff vom Messraum 130 der Pumpzelle 120 zur Außenpumpelektrode 150 gefördert, sodass auch nur ein sehr geringer Pumpstrom Ip in Höhe weniger Mikroampere fließt. Um derart geringe Ströme sinnvoll über einen Messwiderstand 240 zu messen, ist es standardmäßig vorgesehen, einen Messwiderstand von etwa 1 kOhm oder mehr vorzusehen, sodass am Messwiderstand insbesondere bei geringen Lambdawerten Spannungen UIp von einigen Millivolt abfallen. Eine Verkleinerung des Messwiderstands führt zwangsläufig auch zu einer Verkleinerung der an diesem Widerstand abfallenden Spannung, wobei aufgrund der unvermeidlich vorhandenen Störsignale die Gefahr besteht, dass das eigentliche Spannungssignal im Rauschen verschwindet. Daher gab es bislang keine Bemühungen, Messwiderstände unterhalb von 1 kOhm vorzusehen.

Untersuchungen zeigen jedoch, dass der Messwiderstand einen signifikanten Einfluss auf die Dynamik bzw. der Reaktionszeit als auch der Betriebsbereitschaft der Gassonde hat. Mit Dynamik wird hierbei die Schnelligkeit der Gassonde bzw. des gesamten Gasmesssystems bezeichnet, mit der der Grenzstrom einer sich im Abgas ändernden Gaskonzentration folgen kann. Die Betriebsbereitschaft – auch häufig Light-Off-Zeit genannt – kennzeichnet die Zeit, die zwischen einem Einschalten der Sonde und einer ersten relevanten Möglichkeit zur Bestimmung der Gaskonzentration verstreicht. In überraschender Weise haben sich hier innere Widerstände der Strommessvorrichtung von weniger als 200 Ohm bewährt.

3 zeigt schematisch den Verlauf des Pumpstroms Ip(&lgr;) über der Zeit, wobei die Kurve 1 einem Verlauf mit einem kleinen Messwiderstand R1 und die Kurve 2 einem Verlauf mit einem großem Messwiderstand R2 entspricht. Hierbei sei angenommen, dass zu einem Zeitpunkt t_0 der Lambda-Wert des Messgases von einem ersten &lgr;_x auf einen zweiten Wert Lambda &lgr;_y wechselt. Wie dargestellt, steigt der Pumpstrom Ip(&lgr;) ab dem Zeitpunkt t_0 rasch an, um sich dann asymptotisch dem neuen Lambdawert &lgr;_y zu nähern. Hierbei zeigt sich, dass bei einem kleinen Messwiderstand R1 der zum Lambdawert &lgr;_y proportionale Grenzpumpstrom Ip(&lgr;_y) rascher erreicht wird als bei einem größeren Widerstand R2.

Zur Normierung bzw. Festlegung eines Schwellenwertes für die Dimensionierung eines Messwiderstands kann beispielsweise die Zeit betrachtet werden, die der Pumpstrom Ip(&lgr;) benötigt, um 63% der Strom- bzw. Gaskonzentrationsänderung zu erreichen. Über diese Zeit lässt sich die Dynamik bzw. Reaktionszeit des Gassensors definieren. Im dargestellten Beispiel erreicht der Grenzstrom die 63%-Schwelle bei einem Innenwiderstand R1 < R2 nach einer Reaktionszeit t_1 und mit einem Widerstand R2 > R1 nach einer Reaktionszeit t_2 > t_1.

Für eine effektive Abgasnachbehandlung und/oder eine gezielte Verbrennungsführung ist es vorteilhaft, bereits frühzeitig auf Änderungen im Abgas zur reagieren. Abhängig von den Einsatzbedingungen der Grenzstromsonde kann nun ein Schwellenwert für die Reaktionszeit festgelegt werden. Beispielsweise kann es für bestimmte Einsatzbedingungen wünschenswert sein, die Reaktionszeit t_2 als Schwellenwert festzulegen. Um zu kürzeren Reaktionszeiten zu gelangen, wäre dann ein Messwiderstand auszuwählen, der kleiner ist, als der zweite Messwiderstand R2.

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen die aus 1 bekannten Merkmale kennzeichnen. Wie bereits in 1 gezeigt, wird eine Gassonde 100 mit einer Vorrichtung 200 betrieben. Im Gegensatz zu 1 ist der Strommessvorrichtung 250 bestehend aus dem Messwiderstand 240 und der Operationsverstärker 210 durch eine alternative Strommessvorrichtung 300 ersetzt. Die Strommessvorrichtung 300 ist als ein so genannter Transimpedanzverstärker ausgeführt. Hierbei ist der nicht-invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 310 mit der Spannungsquelle 220 und der invertierende Eingang mit der Außenpumpelektrode 150 verbunden. Das Signal am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 310 ist über einen Widerstand 320 an den Ausgang des Operationsverstärkers 310 gegengekoppelt. Am Ausgang des Operationsverstärkers steht eine zum Pumpstrom Ip proportionale Spannung Ua zur Verfügung. Eine derartige, erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Pumpstromkreis nicht mit einem zusätzlichen Messwiderstand belastet wird, da eine solche Schaltung dem Stromfluss praktisch keinen Widerstand entgegen bringt. Die Reaktionszeit des gesamten Gas-Konzentrations-Messsystem wird somit gegenüber einem herkömmlichen Vorgehen mit einem Messwiderstand deutlich verkürzt.

In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, den Messwiderstand 240 der Strommessvorrichtung 250 gemäß 1 möglichst klein zu wählen, vorzugsweise kleiner 200 Ohm. Der Widerstandswert des Messwiderstands 240 bzw. ein innerer Widerstand einer Strommessvorrichtung 250, 300 kann hierbei beispielsweise in Abhängigkeit einer Reaktionszeit bzw. Dynamik des Sensors festgelegt werden. Insbesondere kann für bestimmte Einsatzbedingungen ein Schwellenwert der Reaktionszeit festgelegt werden, die durch geeignete Wahl des Messwiderstands zu unterschreiten ist.

Beispielsweise kann eine Einsatzbedingung durch ein Aufheizen des Katalysators oder einer Abgasregelstrategie vorgeben sein. Ferner kann eine Einsatzbedingung auch über die gewünschte und/oder erforderliche Betriebsbereitschaft der Sonde definiert werden.

Ferner hat sich auch gezeigt, dass insbesondere Strommessvorrichtungen mit einem inneren Widerstand von < 150 Ohm charakteristische Zeiten der Sonde besonders vorteilhaft verkürzen.

Bezüglich der Betriebsbereitschaft der Sonde ist ein kleiner Messwiderstand ebenfalls vorteilhaft. Im Einzelnen setzt sich die an die Pumpzelle angelegte Spannung aus den Spannungsabfällen am Messwiderstand 240, dem Innenwiderstand der Pumpzelle 120 sowie der sich ergebenden Nernstspannung der belasteten Pumpzelle 120 zusammen. Der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Sonde entspricht der effektiv wirkenden Pumpspannung, also der Spannung, die in einen Pumpstrom umgesetzt wurde. In Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung wird als Folge der Gaszutrittsbegrenzungen die Nernstspannung der unbelasteten Pumpzelle von der Nernstspannung der belasteten Zelle abweichen. Die Differenz dieser beiden Spannungen stellt die eigentliche Pumpspannungsreserve der Sonde dar. Diese Pumpspannungsreserve fällt größer aus, wenn der Spannungsabfall am Messwiderstand 240 durch Verwendung eines kleinen Messwiderstands klein gehalten wird. Da beim Einschalten der Sonde der temperaturabhängige Innenwiderstand der Pumpzelle 120 noch sehr groß sein kann, ist besonders bezüglich der Light-off-Zeit für fetten oder mageren Warmlauf – also der Zeit, ab der relevante Messungen möglich sind – eine erhöhte Pumpspannungsreserve durch die Wahl eines kleinen Messwiderstands 240 vorteilhaft.


Anspruch[de]
Vorrichtung (200) zum Betreiben einer Grenzstromsonde (100) zur Messung einer Gaskonzentration in einem Messgas (10),

mit einer Strommessvorrichtung (250, 300), die einen durch die erste (140) und zweite Elektrode (150) fließenden Strom erfasst,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Strommessvorrichtung (250, 300) einen inneren Widerstand aufweist, der kleiner 200 Ohm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der innere Widerstand der Strommessvorrichtung (250, 300). so festgelegt ist, dass eine charakteristische Zeit der Grenzstromsonde einen Schwellenwert unterschreitet. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schwellenwert in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen der Grenzstromsonde (100) festgelegt wird. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die charakteristische Zeit der Grenzstromsonde eine Reaktionszeit der Grenzstromsonde und/oder eine Betriebsbereitschaft der Grenzstromsonde ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Strommessvorrichtung als Transimpedanzverstärker ausgebildet ist. Gaskonzentrationsmesssystem zur Messung einer Gaskonzentration in einem Messgas mit einer Vorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, und mit einer Grenzstromssonden (100), die eine Innenpumpelektrode (140) und eine Außenpumpelektrode (150) aufweist.






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