Gassensor, insbesondere Lambdasonde für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Gassensor, insbesondere einer Lambdasonde für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, nach der Gattung des Anspruchs 1.

Ein solcher auch als Breitbandsonde bezeichneter Gassensor geht beispielsweise aus der DE 101 63 912 Al hervor. Derartige Breitbandsonden werden bevorzugt in Verbrennungsmotoren mit Magerbetrieb, wie zum Beispiel Dieselmotoren eingesetzt. Bei derartigen Gassensoren können aufgrund der Phosphoranteile im Abgas, welche beispielsweise durch Verunreinigungen/Additive des Kraftstoffs und/oder des Schmieröls des Verbrennungsmotors hervorgerufen werden, zu einer glasartigen Verstopfung von Poren des Sensorelements und zu Vergiftung der Elektroden führen. Hierdurch kann eine so genannte Vergiftung des Sensorelements auftreten, sodass die Funktion des Sensorelements durch eine Passi- vierung der katalytischen Aktivität beeinträchtigt ist. Um eine derartige Vergiftung des Sensorelements zu verhindern, sieht die nicht vorveröffentlichte DE 10 2005 061 890.1 der Anmelderin vor, in einer die Abgaselektrode überdeckenden Schicht wenigstens ein Phosphor bindendes Element, ausgewählt aus der Gruppe Kalzium und/oder Magnesium und/oder Strontium und/oder Barium und/oder der seltenen Erden oder einer beliebigen Kombination dieser Elemente vorzusehen, um im Messgas enthaltenen Phosphor als pulverförmige, kristalline Phosphor-Verbindung zu binden.

Aus der DE 101 63 912 Al ist ein Gassensor bekannt geworden, der auch bei Einsatz in mageren Gasgemischen eine hohe Standzeit und eine gute Messgenauigkeit aufweist. Hierzu erhält die Regel- und Auswerteschaltung des Gassensors ein Signal über Betriebszustände, bei denen das Messgas zumindest weitgehend dem Referenzgas entspricht. Während solcher Betriebszustände wird das Messgas automatisch mit einem vorgegebenen Wert verglichen und gegebenenfalls auf den vorgegebenen Wert kalibriert. Hierdurch können Verschmutzungen und Alterungsprozesse, insbesondere an den Elektroden, welche die Eigenschaften des Gassensors verändern, berücksichtigt werden und hierdurch die Betriebsweise und die Betriebsdauer des Gassensors erheblich verbessert bzw. verlängert werden.

Derartige Breitbandsonden werden getaktet betrieben. Der Sondenheizer ist dabei so ausgelegt, dass auch bei einer niedrigen Bordspannung, von beispielsweise 10,7 V und bei voller Anblasung durch den Abgasstrom die normale Betriebstemperatur des Gassensors gehalten werden kann.

Es hat sich nun gezeigt, dass insbesondere in auskühlenden Betriebsbedingungen im Magerbetrieb, insbesondere von Dieselmotoren, eine nachteilige Kennlinienveränderung aufgrund der sich verschließenden Diffusionsbarrieren auftreten kann.

In derartigen auskühlenden Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors kann darüber hinaus keine überhitzung über die normale Betriebstemperatur erzielt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor zu vermitteln, welcher insbesondere auch im Magerbetrieb ein vergiftungsstabiles ermöglicht.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht ein vergiftungsstabiles Erfassen der Sondensignale im Magerbetrieb durch Ansteuern der Sondenheizung in vorgebbaren Betriebsphasen des Gassensors derart, dass eine überhitzung des Gassensors erfolgt. Durch diese überhitzung wird eine Vergiftung der Sonde wirkungsvoll verhindert.

Unter überhitzung versteht die vorliegende Anmeldung eine Erwärmung des Gassensors auf eine Betriebstemperatur von etwa 1000 ⁰ C bis 1150 ⁰ C.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

So erfolgt die Ansteuerung der Sondenheizung durch die Regel- und Auswerteschaltung zur Herbeiführung der überhitzung bevorzugt im Leerlaufbetrieb des Kraftfahrzeugs während einer Zeit von 5 bis 120 Sekunden, insbesondere 10 bis 30 Sekunden, vorzugsweise 20 Sekunden.

Um eine regelmäßige überhitzung in einem bekannten Motorzyklus zu realisieren, ist ferner bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, die Sondenheizung durch die Regel- und Auswerteschaltung unmittelbar im An- schluss an einen Startvorgang des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs zur Herbeiführung der überhitzung anzusteuern.

Eine längere überhitzung ist dadurch möglich, dass die Ansteuerung der Sondenheizung durch die Regel- und Auswerteschaltung zur Herbeiführung der ü- berhitzung im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs erfolgt. Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung dabei so lange, bis die zwischen der Referenz- und der Nernstelektro- de abgreifbare elektrische Spannung unverändert ist und weiter für ein sich daran anschließendes Zeitintervall von etwa 5 bis 15, insbesondere 10 Sekunden.

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Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die Sondenheizung durch die Regel- und Auswerteschaltung im Schubbetrieb oder im Leerlaufbetrieb des Kraftfahrzeugs gepulst anzusteuern, um so eine überhitzung herbeizuführen.

Die gepulste Heizdauer erfolgt dabei vorteilhafterweise über eine Zeit von etwa einer Sekunde. Die sich daran anschließende Abkühlperiode, in der die Sondenheizung nicht angesteuert wird, erfolgt über eine Zeitdauer von 4 Sekunden.

Eine solche gepulste Ansteuerung kann insbesondere auch mehrfach hintereinander, bevorzugt bis zu 20 mal unmittelbar hintereinander erfolgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In Fig. 1 der Zeichnung ist eine schematische Schnittansicht eines Gassensors dargestellt und in Fig. 2 ist eine schematisierte Darstellung der Regel- bzw. Auswerteschaltung gezeigt.

Der in Fig. 1 gezeigte Gassensor 1 ist eine so genannte Breitbandlambdasonde zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in einem Abgas eines Verbrennungsmotors.

Der Gassensor 1 ist als keramisches Laminat auch aus den einzelnen Schichten 2, 5, 7, 9, 14 ausgebildet. Eine elektrische Heizvorrichtung 4 sowie die zugehörigen Leiterbahnen zur elektrischen Stromzuführung sind in eine isolierende Schicht 3 eingebettet. In der Schicht 5 ist ein Referenzluftkanal 6 vorgesehen, in dem eine Referenzelektrode 8, beispielsweise aus porösem Platinmaterial angeordnet ist. Die Referenzelektrode 8 ist über eine anschließende schichtförmige Leiterbahn mit einem Anschlusskontakt des Gassensors verbunden (nicht dargestellt).

Oberhalb der Festelektrolytschicht 7 ist eine strukturierte Festelektrolytschicht 9 mit einer großen Aussparung angeordnet, welche zentrisch zu einem den Körper

des Gassensors 1 senkrecht zu dessen Schichten durchsetzenden Abgas- Zutrittsloch 10 angeordnet ist. Innerhalb der Aussparung ist unter Freilassung eines zum Zutrittsloch 10 konzentrischen Ringraums 11 poröses Material 12 als Diffusionsbarriere gegenüber einem eindiffundierenden Messgas angeordnet. Das Zutrittsloch 10 kann, wie dargestellt, als Sackloch oder abweichend von der Darstellung als eine den Körper des Gassensors 1 vollständig durchsetzende öffnung ausgebildet sein. Im Bereich des Ringraums 11, der auch als Diffusionskammer bezeichnet wird, trägt die Festelektrolytschicht 7 eine vorzugsweise für Gase permeable schichtförmige Nernstelektrode 3 aus porösem Platinmaterial.

über der Schicht 9 bzw. dem porösen Material 12 liegt eine weitere Festelektrolytschicht 14, die auf ihrer, dem Ringraum und damit der Diffusionskammer 11 zugewandten Seite sowie auf ihrer dem Ringraum 11 abgewandten Seite jeweils vorzugsweise für Gase permeable innere und äußere Pumpelektroden 15, 16 aus zumindest bereichsweise porösem Platinmaterial aufweist, wobei die Elektroden 15, 16 so geformt sind, dass sie in Draufsicht auf die Schichten des Körpers des Gassensors 1 den Ringraum 11 zumindest im Wesentlichen überdecken. über der Schicht 14 liegt noch eine gasdurchlässige Schutzschicht 17. Alle Festelektrolytschichten 2, 3, 5, 7, 9, 14 sind beispielsweise in Form von Folien aus Zirkondioxid, dem Yttriumoxid beigefügt ist, gefertigt.

Die vorstehend beschriebene Breitbandsonde funktioniert wie folgt:

Das das Zutrittsloch 10 aufweisende Ende des Körpers ist im Abgasstrom bzw. in einem mit dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors oder auch eines Heizgerätes kommunizierenden Bereich angeordnet, während das andere Ende des Körpers mit einem Referenzgas, in der Regel Luft, beaufschlagt wird.

über den Referenzluftkanal 6, welcher am vorgenannten anderen Ende des Körpers 1 eine für das Referenzgas zugängige öffnung aufweist, gelangt das Referenzgas bis in das in Fig. 1 sichtbare Endstück des Referenzgaskanals. über das Zutrittsloch 10 gelangt Abgas zum porösen Material 12, durch das das Abgas in den Ringraum 11 diffundiert, der dementsprechend eine Diffusionskammer bildet.

Wenn das abgasseitige Ende des Körpers 1 mittels der elektrischen Widerstandsheizung 4 beheizt wird, kann zwischen der Referenzelektrode 8 und der Nernstelektrode 13 eine elektrische Spannung abgegriffen werden, deren Maß von den Sauerstoff- Partialdrücken innerhalb des Endstückes des Referenzgaskanals 6 bzw. innerhalb des Ringraumes 11 abhängt. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass die Festelektrolytschichten 2, 3, 5, 7, 9, 14 Sauerstoffionen leiten und das Platinmaterial der vorgenannten Elektroden 8, 13 die Bildung dieser Sauerstoffionen katalysiert. Dabei tritt an den Elektroden 8, 13 eine von den jeweiligen Sauerstoff- Partialdrücken abhängige Potenzialdifferenz auf, die auch als Nernstspannung bezeichnet wird. Der Sauerstoff- Partiald ruck in der Diffusionskammer 11 kann durch Anlegen einer externen elektrischen Spannung mit steuerbarer Polarität gesteuert werden. Die entsprechende Spannungsquelle wird an nicht dargestellte Kontakte angeschlossen, die mit den Pumpelektroden 15, 16 elektrisch verbunden sind, beispielsweise über im Laminat des Körpers des Gassensors 1 eingearbeitete Leiterbahnen.

Das Platinmaterial der Elektroden 15, 16 katalysiert die Gleichgewichtsreaktion von Sauerstoffionen zu molekularem Sauerstoff, wobei durch die externe elektrische Spannung zwischen den Elektroden 15, 16 ein Sauerstoffionenstrom mit von der elektrischen Spannung und der Polarität abhängiger Stärke und Richtung erzeugt wird. Die Stärke des Pumpstroms zwischen den Pumpelektroden 15, 16 wird als elektrisches Signal abgegriffen. Beispielweise kann durch Erfassung von Spannung und Stromstärke der elektrische Widerstand des über die Pumpelektroden führenden Stromkreises bestimmt werden. Die Pumpspannung und damit auch der zwischen den Pumpelektroden 15, 16 fließende Pumpstrom wird mittels eines Reglers so gesteuert, dass die zwischen der Referenzelektrode 8 und der Nernstelektrode 13 abgreifbare Nernstspannung immer einem festgelegten Sollwert entspricht. Damit ist der zwischen den Pumpelektroden 15, 16 abgreifbare elektrische Strom ein Maß für den Sauerstoffgehalt der Abgase relativ zum Referenzgas. Wenn beispielsweise die äußere Pumpelektrode 16 gegenüber der inneren Pumpelektrode 15 ein kleineres elektrisches Potenzial aufweist, entsprechen die Betriebsverhältnisse einem Abgas mit Lambda < 1. Bei umgekehrter

Polarität liegen die Betriebsverhältnisse mit einem Lambda-Wert von Lambda > 1 vor. Auf diese Weise können die Werte von Lambda innerhalb eines großen Wertebereichs erfasst werden. Die in Fig. 2 dargestellte Regel- und Auswerteschaltung 20 ist über entsprechende Anschlüsse mit der Referenzelektrode 8 sowie den Pumpelektroden 15, 16 verbunden, wobei die innere Pumpelektrode 15 innerhalb der Breitband-Sonde mit der Nernstelektrode 13 elektrisch verbunden ist, sodass der zur inneren Pumpelektrode 15 führende Anschluss der Regel- und Auswerteschaltung 20 auch eine elektrische Verbindung mit der Nernstelektrode 13 aufweist.

Wie oben bereits erwähnt, wird beim Betrieb der Breitband-Sonde die elektrische Spannung zwischen der Nernstelektrode 13 bzw. der damit verbundenen inneren Pumpelektrode 15 und der Referenzelektrode 8 erfasst und mit einer vorgebbaren Sollspannung verglichen. In Abhängigkeit von der Soll-Istwert-Abweichung zwischen diesen beiden Spannungen wird eine Stromquelle, die Teil der Regel- und Auswerteschaltung 20 ist und die in einem die Pumpelektroden 15, 16 enthaltenen Pumpstromkreis elektrisch angeordnet ist, so gesteuert, dass der Pumpstrom, der der äußeren Pumpelektrode 16 zugeführt wird, erhöht oder verringert wird. Ein von der Pumpstromquelle erzeugtes Ausgangssignal wird nach weiterer Verarbeitung als ein digitales Signal wieder ausgegeben. Dieses Signal repräsentiert den Messwert für Lambda.

Derartige Breitband-Lambdasonden werden nun insbesondere in Verbrennungsmotoren mit Magerbetrieb, wie beispielsweise Dieselmotoren eingesetzt. Hierbei kann aufgrund der Phosphoranteile im Abgas, die durch Verunreinigungen/Additive des Kraftstoffs oder des Schmieröls des Verbrennungsmotors verursacht werden, eine Vergiftung des Gassensors durch glasartige Verstopfungen der Poren der Elektroden hervorgerufen werden, die eine Beeinträchtigung der Funktion des Gassensors durch eine Passivierung der katalytischen Aktivität zur Folge haben. Um nun einen vergiftungsstabilen Magerbetrieb zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass die Regel- und Auswerteschaltung 20 in vorgebbaren Betriebsphasen des Kraftfahrzeugs und damit des Verbrennungsmotors und des Gassensors so angesteuert wird, dass eine überhitzung des Gassensors 1 er-

folgt. Hierzu wird die Sondenheizung 4 in den vorgebbaren Betriebsphasen, die durch ein Eingangssignal 23 der Regel- und Auswerteschaltung signalisiert werden, so angesteuert, dass der Gassensor auf eine Betriebstemperatur von etwa 1000 ⁰ C bis 1150 ⁰ C erhitzt und damit gegenüber der normalen Betriebstemperatur überhitzt wird. Eine dieser Betriebsphasen ist beispielsweise der Leerlauf. Dabei erfolgt die überhitzung während einer Zeit von 5 bis 20 Sekunden, insbesondere 20 Sekunden, in der der Gassensor mit vollem Einschalttakt betrieben wird.

Es kann auch eine überhitzung beim Start des Verbrennungsmotors vorgesehen sein. Hierbei wird ein regelmäßiger überhitzungsschritt in einem bekannten Motorzyklus dadurch realisiert, dass direkt im Anschluss an die Startrampe eine ü- berhitzung durchgeführt wird. In dieser Betriebsphase sind keine hohen Drehzahlen zu erwarten und damit ist auch eine Auskühlung der Sonde nicht zu erwarten.

Auch eine lange überhitzung kann realisiert werden dadurch, dass vorzugsweise im Schubbetrieb die überhitzung so lange erfolgt, bis sich keine änderung der Sondenspannung, die zwischen den Elektroden 15 bzw. 13 und 8 abgegriffen wird, mehr ergibt und im Anschluss daran die überhitzung noch um etwa weitere 10 Sekunden weitergeführt wird. Nach diesem überhitzungsintervall wird die Heizspannung durch die Regel- und Auswerteschaltung 20 wieder auf Normalbetrieb umgeschaltet.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Regel- und Auswerteschaltung 20 eine gepulste überhitzung des Gassensors vornimmt. Diese gepulste überhitzung findet vorzugsweise im Schubbetrieb oder im Leerlauf des Fahrzeugs statt. Der Gassensor 1 wird dabei mit Heizpulsen beaufschlagt, deren Heizdauer vorzugsweise 1 Sekunde beträgt, wohingegen die Abkühlperiode, in der der Gassensor 1 nicht beheizt wird, vorzugsweise 4 Sekunden beträgt. Dieser gepulste Betrieb kann auch mehrmals, bis zu 20 mal direkt hintereinander wiederholt werden.

In jedem Falle ermöglicht die überhitzung einen vergiftungsstabilen Magerbetrieb des Gassensors.