DE102013010561A1

DE102013010561A1 - Sensor zur Detektion von Kohlenwasserstoffen in einem Gasgemisch, seine Verwendung zur Bestimmung eines HC-Partialdrucks im Abgas eines Verbrennungsmotors sowie Kraftfahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102013010561A1
Application number: DE102013010561.7A
Authority: DE
Inventors: Christfried Schröder; Michael Daetz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) zur Detektion von Kohlenwasserstoffen in einem Gasgemisch, umfassend – eine erste Kammer (11), die in einem bedingten Stoffaustausch mit dem Gasgemisch steht; – eine die erste Kammer (11) zumindest teilweise einschließende Festelektrolytschicht (15) aus einem für Sauerstoffanionen (O2–) leitfähigen Material; – ein die Festelektrolytschicht (15) beidseitig kontaktierendes Elektrodenpaar (16, 17) umfassend eine in der ersten Kammer (11) auf einer Innenseite der Festelektrolytschicht (15) angeordnete Innenelektrode (16) und eine auf einer Außenseite der Festelektrolytschicht (15) angeordnete Außenelektrode (17), wobei die Innen- und die Außenelektrode (16, 17) voneinander unterschiedliche katalytische Aktivitäten bezüglich der Oxidation von Kohlenwasserstoffen aufweisen; – eine mit einem Referenzgas in Kontakt stehende Referenzelektrode (); sowie – eine Steuerung (40, 50), die eingerichtet ist, den Sensor (100) potentiometrisch zu betreiben und die Spannung (UN) zwischen zumindest zwei der Elektroden zu messen und auszuwerten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion von Kohlenwasserstoffen (HC) in einem Gasgemisch, beispielsweise in einem verbrennungsmotorischen Abgas. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines solchen Sensors zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas eines Verbrennungsmotors sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Abgasanlage, die einen solchen Sensor aufweist.
Verbrennungsmotorische Abgase enthalten Kohlenwasserstoffe (HC), welche aus einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs im Motor resultieren. Um eine nachmotorische Konvertierung solcher unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu bewirken, werden sowohl beim Otto- als auch beim Dieselbrennverfahren Abgaskatalysatoren eingesetzt, welche die Kohlenwasserstoffe in Anwesenheit von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren. Neben unverbrannten Kohlenwasserstoffen oxidieren derartige Katalysatoren, die als Oxidationskatalysatoren bezeichnet werden, auch Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Verfügt der Katalysator neben der Oxidationsfähigkeit auch über die Eignung, Stickoxide des Abgases zur reduzieren, spricht man von Drei-Wege-Katalysatoren, da diese sämtliche, gesetzlich limitierte Abgasbestandteile (HC, CO und NO_x) umsetzen.
Da sich die HC-Konvertierungsfähigkeit von Oxidations- oder Drei-Wege-Katalysatoren mit zunehmender Alterung verschlechtern kann, ist eine Diagnose des Katalysators zur Bestimmung seiner HC-Konvertierungsfähigkeit wünschenswert. Verschiedene Gesetzgebungen zur Reglementierung der Emissionsgrenzwerte von Kraftfahrzeugen schreiben daher vor, Katalysatoren im Wege der On-Board-Diagnose (OBD) zu überwachen. Sofern ein gealterter Katalysator in seiner HC-Konvertierungsfähigkeit in einem Maße verschlechtert ist, dass das Fahrzeug gewisse Emissionsgrenzwerte überschreitet, so muss der Katalysator von der Motorsteuerung als defekt erkannt werden und dies in geeigneter Weise zur Anzeige kommen.
Zur Messung der HC-Konvertierungsfähigkeit eines Katalysators ist beispielsweise die Auswertung der Exothermie der katalytischen Reaktion der HC-Konvertierung bekannt. Dabei wird beispielsweise durch späte Nacheinspritzung künstlich der HC-Anteil des verbrennungsmotorischen Abgases erhöht und mittels eines dem Katalysator nachgeschalteten Temperatursensors die Katalysatortemperatur erfasst. Dabei korreliert ein hoher Temperaturanstieg aufgrund der Exothermie der am Katalysator erfolgenden HC-Verbrennung mit einer hohen HC-Konvertierungsrate. Ein stark gealterter Oxidationskatalysator ist umgekehrt an einem niedrigen Temperaturanstieg zu erkennen. Um jedoch eine signifikante Temperaturerhöhung zu erzielen, ist ein hoher HC-Anteil im Abgas erforderlich, das heißt eine hohe nacheingespritzte Kraftstoffmenge. Hierdurch steigen der Kraftstoffverbrauch sowie die HC-Endemission.
Eine weitere bekannte Methode nutzt die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) von Oxidationskatalysatoren. Viele Oxidationskatalysatoren, insbesondere bei Ottomotoren, weisen aufgrund geeigneter Zusätze, zum Beispiel Ceroxid, eine hohe Speicherfähigkeit für Sauerstoff auf. Ein verbreiteter Diagnoseansatz sieht die Messung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators mittels zweier Lambdasonden vor, die stromauf und stromab des Katalysators den Sauerstoffgehalt des Abgases messen. Dabei wird der Motor zum Beispiel zunächst über eine längere Dauer mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis betrieben, so dass das Abgas einen geringen Restsauerstoffgehalt und einen hohen HC-Gehalt aufweist, wodurch die OSC des Katalysators nahezu vollständig von Sauerstoff ausgeräumt wird. Anschließend wird der Motor mager betrieben, so dass sein Abgas einen hohen Restsauerstoffgehalt und geringen HC-Gehalt am Motoraustritt aufweist. Bei einem intakten Oxidationskatalysator wird der Durchbruch von fett nach mager durch die hintere Lambdasonde stark zeitverzögert gemessen, da der Sauerstoff zunächst den OSC des Katalysators auffüllt und erst anschließend am Katalysatoraustritt messbar wird. Mit zunehmender Alterung des Katalysators wird der Durchbruch von fett nach mager zunehmend früher gemessen, da der OSC durch Alterung oder Defekt verkleinert ist. Grundsätzlich kann die Diagnose auch nach einem Sprung von mager nach fett durchgeführt werden. Nachteilig an diesem Ansatz ist, dass nicht die HC-Konvertierungsfähigkeit selbst, sondern die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators erfasst wird. Beide Größen korrelieren jedoch bei verschiedenen Betriebszuständen nur bedingt. Zudem ist die Diagnose der Sauerstoffspeicherfähigkeit stark von dynamischen Effekten abhängig und daher im Betrieb nicht sehr zuverlässig.
Aus DE 10 2007 012 701 A1 ist bekannt, die Funktion eines Oxidationskatalysators mittels eines nachgeschalteten resistiven Partikelsensors zu überwachen, der eine Querempfindlichkeit auf unverbrannte Kohlenwasserstoffe aufweist.
DE 10 2005 056 312 A1 hingegen nutzt die HC-Querempfindlichkeit einer Breitbandlambdasonde, die stromab des Oxidationskatalysators geschaltet ist, um diesen hinsichtlich seiner HC-Konvertierungsfähigkeit zu überwachen. Aufgrund der HC-Querempfindlichkeit der Sonde weicht das Sondensignal von dem wahren, dem tatsächlichen Sauerstoffanteil entsprechenden Signalwert ab. Daher wird vorgeschlagen, die Abweichung des gemessenen Sondensignals der Breitbandlambdasonde von dem Lambda-Istwert zu bestimmen. Bei einem intakten Oxidationskatalysator beträgt die Abweichung nahe Null, während bei einem defekten Katalysator eine hohe Abweichung vorliegt. Der Lambda-Istwert wird mit einem Sensor bestimmt, der keine HC-Querempfindlichkeit aufweist, oder aus Modellen berechnet.
Es sind jedoch auch Ansätze bekannt, Kohlenwasserstoff mehr oder weniger direkt zu messen.
Beispielsweise ist ein kalorimetrischer Ansatz zur Detektion von HC bekannt. Dabei wird die freiwerdende Wärmeenergie einer katalytischen Komponente gemessen, die bei der katalytischen Oxidation der Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Sauerstoff entsteht. Der resultierende Temperaturunterschied des Sensors korreliert mit der HC-Konzentration.
DE 699 30 175 T2 beschreibt einen Kohlenwasserstoffsensor, der eine Kathode auf Aluminiumbasis sowie eine Anode auf Basis von Platin aufweist. Die beiden Elektroden sind durch eine Festelektrolytschicht getrennt, welche über eine hohe Protonenleitfähigkeit verfügt. Beispielsweise besteht die Festelektrolytschicht aus Ba-Ce-Oxid. Die Anode steht über eine Diffusionsbarriere in einem bedingten Stoffaustausch mit dem HC-haltigen Messgas, während die Kathode direkt von diesem beaufschlagt wird. Zur Messung der HC-Konzentration wird der Sensor im Temperaturbereich von 300 bis 800°C betrieben und bei einer konstanten Spannung der Stromfluss über die Elektroden gemessen, welcher ein Maß für die HC-Konzentration darstellt.
Aus DE 100 23 062 A1 ist ein Abgassensor bekannt, welcher in verschiedenen Messmodi betrieben werden kann und in der Lage ist, abhängig vom Messmodus verschiedene Gaskomponenten des Abgases zu erfassen, nämlich NO_x, H₂ und/oder HC. Der Sensor verfügt über eine erste Kammer, welche über einen Diffusionskanal mit dem Messgas in bedingtem Stoffaustausch steht und über einen weiteren Diffusionskanal in Kontakt mit einer zweiten Kammer steht. Die erste und die zweite Kammer verfügen jeweils über eine Wasserstoffpumpe, bestehend aus einer protonenleitenden Festelektrolytschicht und jeweils einem Pumpelektrodenpaar, von dem die jeweils äußere Elektrode mit dem Abgas in Kontakt steht. Zudem weisen beide Kammern eine Sauerstoffpumpe auf, bestehend aus einer sauerstoffleitenden Festelektrolytschicht und jeweils einem Pumpelektrodenpaar, von welchen die jeweils äußere Elektrode in einer Referenzkammer angeordnet ist. Zur Messung von Kohlenwasserstoffen wird mittels der ersten Wasserstoffpumpe der ersten Messkammer und der ersten Sauerstoffpumpe der ersten Messkammer durch Anlegen entsprechender Spannungen das Messgas von Wasserstoff und teilweise von Sauerstoff befreit, wobei ein zumindest leicht fettes Sauerstoffverhältnis in der ersten Kammer eingestellt wird. In der zweiten Kammer wird dann mittels der zweiten Sauerstoffpumpe ein leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Messgas eingestellt, also Sauerstoff in die Zelle hineingepumpt, wodurch der in der zweiten Kammer enthaltene HC-Anteil oxidiert wird. Anhand des Pumpstroms der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer kann dann die HC-Konzentration bestimmt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Kohlenwasserstoffe in einem Gasgemisch mit einfachen Mitteln zu detektieren. Im Falle von verbrennungsmotorischen Abgasen soll dabei möglichst auf vorhandene Messmittel zurückgegriffen werden.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zur Detektion von Kohlenwasserstoffen, seine Verwendung sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Sensor mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße Sensor umfasst:

– eine erste Kammer, die in einem bedingten Stoffaustausch mit einem Gasgemisch steht;
– eine die erste Kammer zumindest teilweise einschließende Festelektrolytschicht aus einem für Sauerstoffanionen (O^2–) leitfähigen Material;
– ein die Festelektrolytschicht beidseitig kontaktierendes Elektrodenpaar umfassend eine in der ersten Kammer auf einer Innenseite der Festelektrolytschicht angeordnete Innenelektrode und eine auf einer Außenseite der Festelektrolytschicht angeordnete Außenelektrode, wobei die Innen- und die Außenelektrode voneinander unterschiedliche katalytische Aktivitäten bezüglich der Oxidation von Kohlenwasserstoffen aufweisen; und
– eine mit einem Referenzgas in Kontakt stehende Referenzelektrode.

Der Sensor zeichnet sich durch eine Steuerung aus, die eingerichtet ist, den Sensor potentiometrisch, also im Wesentlichen stromlos, zu betreiben und die Spannung zwischen zumindest zwei der Elektroden des Sensors zu messen und auszuwerten. Dabei wird die Spannung insbesondere als ein Maß für die Konzentration oder den Partialdruck von Kohlenwasserstoffen in dem Gasgemisch herangezogen.
Mit Ausnahme der erfindungsgemäß eingerichteten Steuerungseinrichtung weist der Sensor somit Komponenten auf, die in bereits heute üblichen Sensoren, insbesondere NO_x-Sensoren realisiert sind. Jedoch werden NO_x-Sensoren nicht potentiometrisch betrieben, sondern amperometrisch, d. h. mit einer angelegten Spannung, unter Messung des Stromflusses. Somit erfordert die Erfindung eine Anpassung der Steuerung, um einen bereits in heutigen Abgasanlagen verbauten Abgassensor (NO_x-Sensor) für die Messung von Kohlenwasserstoffen einzusetzen. Dabei kann ein- und derselbe Sensor wahlweise als HC-Sensor oder als NO_x-Sensor betrieben werden. Somit wird der sensorische Aufwand eines Kraftfahrzeugs sowie die damit verbundenen Kosten deutlich reduziert. Beispielsweise sind NO_x-Sensoren heute in Abgasanlagen, die über SCR-Katalysatoren verfügen, üblich, um das SCR-System zu überwachen.
Die Erfindung macht sich dabei das elektrochemische Ungleichgewicht zunutze, welches entsteht, wenn zwei katalytisch unterschiedlich aktive Elektroden, die durch einen Festelektrolyten voneinander getrennt sind, eine Differenz der Sauerstoffpartialdrücke verursachen. Dieser Partialdruckunterschied führt zur Ausbildung einer Spannungsdifferenz (Nernstspannung) über die Elektrolyten, der mit dem HC-Partialdruck beziehungsweise der HC-Konzentration im Gasgemisch korreliert.
Zur Erfassung der Spannung sind prinzipiell unterschiedliche Konstellationen möglich. In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die Spannung zwischen der Innen- und der Außenelektrode der ersten Kammer gemessen, also zwischen den im herkömmlichen NO_x-Sensor als Sauerstoffpumpelektroden fungierenden Elektroden. In alternativer Schaltung wird die Referenzelektrode für den Betrieb des Sensors als HC-Sensor eingebunden. Dabei kann die Spannung entweder zwischen der Referenzelektrode und der Innenelektrode der ersten Kammer oder zwischen der Referenzelektrode und der Außenelektrode der ersten Kammer gemessen und ausgewertet werden. Sämtliche dieser Konstellationen zeichnen sich durch eine ausreichende Empfindlichkeit zur Detektion von Kohlenwasserstoffen aus und verfügen über eine gute Ansprechzeit.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Heizeinrichtung zur Beheizung des Sensors, über die der Sensor ferner verfügt, so zu betreiben, dass eine Sensortemperatur von höchstens 680°C, insbesondere höchstens 650°C und vorzugsweise höchstens 600°C beträgt. Zwar nimmt die Leitfähigkeit des Festelektrolyten für Sauerstoffanionen mit abnehmender Temperatur ab, wodurch die Ansprechzeit des Sensors verlängert wird, jedoch haben Messungen erwiesen, dass bei niedrigeren Temperaturen die Sensorempfindlichkeit für Kohlenwasserstoffe zunimmt. Bei Temperaturen ≥ 680°C ist die Empfindlichkeit des Sensors unzureichend für eine quantitativ zuverlässige HC-Bestimmung im Serienbetrieb von Kraftfahrzeugen. Auf der anderen Seite führen Sensortemperaturen unterhalb von zirka 500°C zu einem zu trägen Ansprechverhalten, da die Sauerstoffleitfähigkeit des Festelektrolyten unterhalb von 500°C zu niedrig ist. Demgegenüber werden NO_x-Sensoren üblicherweise bei Sensortemperaturen von mindestens 680°C betrieben, typischerweise bei einer Temperatur zwischen 750 und 850°C. Wird somit ein herkömmlicher NO_x-Sensor entsprechend der Erfindung modifiziert betrieben, so erfolgt dies vorzugsweise unter Absenkung der Sensortemperatur in den beschriebenen Temperaturbereich.
Wie bereits erläutert, verfügen die Innen- und die Außenelektrode der ersten Kammer über unterschiedliche katalytische Aktivitäten bezüglich der Oxidation von Kohlenwasserstoffen. Vorzugsweise weist die Außenelektrode die höhere katalytische Aktivität gegenüber der Innenelektrode auf. Üblicherweise ist eine hohe katalytische Aktivität gepaart mit einer hohen Affinität gegenüber von Sauerstoff, so dass die aktivere Elektrode einen Übertritt von Sauerstoff aus der Gasphase auf die Elektrodenoberfläche begünstigt. Vorzugsweise weist die aktivere der Elektroden, insbesondere die Außenelektrode, als katalytisches Material Platin allein oder mit weiteren Legierungszusätzen auf oder besteht aus Platin oder einer Platinlegierung. Weiterhin ist bevorzugt, dass die weniger katalytisch aktive Elektrode, insbesondere die Innenelektrode, eine Kombination aus Platin und eine aktivitätsvermindernde Komponente, beispielsweise Gold und/oder Kupfer, aufweist. Handelsübliche NO_x-Sensoren verfügen häufig über derartige Pt-basierte Außenelektroden und Pt/Au- oder Pt/Cu-basierte Innenelektroden und können somit unmittelbar als HC-Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung umfunktionalisiert werden.
Die Festelektrolytschicht, welche die Innen- und die Außenelektrode voneinander trennt, muss eine gute elektrolytische Leitfähigkeit für Sauerstoffanionen O^2– aufweisen. Geeignete Festelektrolyte lassen sich in Form vieler Keramiken finden. Insbesondere Zirkoniumdioxid oder Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid weist eine hohe Sauerstoffleitfähigkeit auf und besitzt eine hohe Langzeitstabilität. Festelektrolytschichten handelsüblicher NO_x-Sensoren weisen üblicherweise diese Materialien auf oder bestehen aus solchen.
Der erfindungsgemäße Sensor wird bevorzugt zur Bestimmung eines HC-Partialdrucks (oder HC-Konzentration) im Abgas eines Verbrennungsmotors, bei dem es sich grundsätzlich um einen Diesel- oder Ottomotor handeln kann, verwendet.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der Sensor zur Überwachung eines, dem Sensor vorgeschalteten und zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen ausgelegten Katalysator eingesetzt. Bei dem Katalysator kann es sich dabei um einen Oxidationskatalysator handeln, der die Oxidation von Kohlenwasserstoffen sowie von Kohlenmonoxid unterstützt. Alternativ handelt es sich bei dem Katalysator um einen Drei-Wege-Katalysator, der zusätzlich zur Oxidation von HC und CO auch die Reduktion von Stickoxiden NO_x begünstigt. Zur Überwachung des Katalysators wird insbesondere seine Konvertierungsrate von Kohlenwasserstoffen mittels des nachgeschalteten erfindungsgemäßen Sensors im Wege einer On-Board-Diagnose (OBD) bestimmt. Sofern die Konvertierungsrate des Katalysators einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet, wird der Katalysator als defekt eingestuft. Andernfalls wird der überwachte Katalysator als in Ordnung klassifiziert.
Zur Bestimmung der Konvertierungsrate des Katalysators können geeignete Betriebspunkte des Verbrennungsmotors herangezogen werden, an denen insbesondere hohe HC-Konzentrationen in den verbrennungsmotorischen Abgas vorliegen. Alternativ kann durch einen gezielten Eingriff in den Verbrennungsvorgang des Motors die HC-Emission kurzfristig künstlich angehoben werden. Hierfür kommt beispielsweise einen späte Nacheinspritzung von Kraftstoff, die wenig oder gar nicht am Verbrennungsvorgang teilnimmt, infrage. Eine solche Nacheinspritzung lässt sich mit modernen Common-Rail-Einspritzsystemen ohne weiteres realisieren. Vorteil der aktiven Anhebung der HC-Konzentration stromauf des Katalysators ist ein größerer Signalhub am Sensor, wodurch die Trennschärfe zwischen einem defekten und einem intakten Katalysator erhöht wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend eine strömungstechnisch mit einem Verbrennungsmotor verbundene Abgasanlage, die einen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen prinzipiellen Aufbau eines Sensorkopfes eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 einen Sensor der vorliegenden Erfindung mit einem Sensorkopf nach 1 sowie seine elektrische Verschaltung;
3 ein Beispiel für eine Abgasanlage mit einem Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 zeitliche Verläufe eines Sensorsignals des erfindungsgemäßen Sensors sowie weiterer Signale in einer Abgasanlage nach 3 während einer periodischen Kraftstoffnacheinspritzung bei einer Temperatur des Sensors von (A): 680°C, (B): 620°C und (C) 550°C;
5 O₂- und HC-Anteile im Abgas stromauf und stromab des Oxidationskatalysators der Abgasanlage nach 3 sowie die entsprechenden Sensorsignale bei einem Oxidationskatalysator (A) mit hoher HC-Konvertierungsfähigkeit und (B) mit geringer HC-Konvertierungsfähigkeit;
6 Verlauf einer mittels eines erfindungsgemäßen Sensors ermittelten HC-Konvertierungsfähigkeit eines Oxidationskatalysators sowie der theoretisch erwartete Verlauf in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur bei einer Temperatur des Sensors von (A): 680°C, (B): 620°C und (C) 550°C.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Sensorkopfes 10 eines insgesamt mit 100 bezeichneten Sensors zur Detektion von Kohlenwasserstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung. In konstruktiver Hinsicht weist der Sensor 100 einen Aufbau wie ein handelsüblicher NO_x-Sensor auf.
Der Sensor 100 umfasst eine Schichtstruktur mit einer ersten Kammer 11, die über Diffusionskanäle 12 in einem bedingten Stoffaustausch mit einem den Sensorkopf 10 umgebenden Gasgemisch steht. Der Sensor 100 umfasst ferner eine zweite Kammer 13, die wiederum über Diffusionskanäle 14 in einem bedingte Stoffaustausch mit der ersten Kammer 11 steht. Unter dem Begriff „bedingter Stoffaustausch” wird in Abgrenzung zu einem freien Stoffaustausch verstanden, dass ein gebremster, diffusionskontrollierter Stoffaustausch stattfindet. Zu diesem Zweck sind die Diffusionskanäle 12, 14 jeweils als sehr feine Durchgangsbohrungen realisiert oder durch eine offenporige Materialstruktur, beispielsweise einem gesinterten Material.
Die erste Kammer 11 ist zumindest teilweise durch eine Festelektrolytschicht 15 aus einem für Sauerstoffanionen O^2– leitfähigen Material eingeschlossen. Typischerweise handelt es sich bei diesem um ein keramisches Oxidmaterial, insbesondere um Yttrium-dotiertes ZrO₂. In der ersten Kammer 11 ist in Kontakt mit der Elektrolytschicht 15 eine Innenelektrode 16 angeordnet. Auf der Außenseite der Festelektrolytschicht 15 ist eine Außenelektrode angeordnet. Die Elektroden 16, 17 sind gasdurchlässig, was beispielsweise durch eine Sinterstruktur realisiert wird. Die Innenelektrode 16 und die Außenelektrode 17 unterscheiden sich voneinander durch unterschiedliche katalytische Aktivitäten bezüglich der Oxidation von Kohlenwasserstoffen. Dieses wird durch eine unterschiedliche Materialzusammensetzung der Elektroden 16, 17 erzielt. In diesem Beispiel weist die Außenelektrode 17 eine höhere katalytische Aktivität als die Innenelektrode 16 auf. Insbesondere umfasst sie Platin als katalytisch aktives Material. Die Innenelektrode 16 hingegen weist eine Platin-Gold-Legierung als katalytisches Material auf.
In der zweiten Kammer 13 ist ebenfalls eine die Innenseite der Festelektrolytschicht 15 kontaktierende Elektrode 18 angeordnet, welche im Betrieb des Sensors 100 als NO_x-Sensor die Funktion einer Sauerstoffnernstelektrode aufweist. Eine weitere Elektrode 19, die als NO_x-Messelektrode des Sensors dient, ist ebenfalls in der zweiten Kammer 13 angeordnet. Die Messelektrode 19 ist in diesem Beispiel in eine poröse Diffusionsschicht eingebettet.
Der Sensor 100 weist schließlich eine Referenzelektrode 20 auf, die in einem Referenzkanal 21 angeordnet ist und mit einem Referenzgas bekannter Sauerstoffkonzentration in direktem Kontakt steht. Bei dem Referenzgas handelt es sich üblicherweise um Umgebungsluft.
Sofern der Sensor 100, wie im Stand der Technik üblich, als NO_x-Sensor betrieben wird (NO_x-Betriebsmodus), zeigt er folgende Funktionsweise:
Ein den Sensorkopf 10 umgebendes Gasgemisch, beispielsweise ein verbrennungsmotorisches Abgas, diffundiert durch den Diffusionskanal 12 in die erste Kammer 11. Im NO_x-Messmodus wird eine Spannung an die Innen- und Außenelektrode 16, 17 angelegt. Hierdurch wird Sauerstoff des in der ersten Kammer 11 befindlichen Messgases an der Innenelektrode 16 zu O^2– reduziert und über die Festelektrolytschicht 15 zur Außenelektrode 17 transportiert. In diesem Messmodus fungieren die Elektroden 16 und 17 somit als Sauerstoffpumpelektroden, die das Messgas in der ersten Kammer 11 weitgehend von Sauerstoff befreien. Das Messgas diffundiert aus der ersten Kammer 11 über die Diffusionskanäle 14 in die zweite Kammer 13 und an die Messelektrode 19, an der ebenfalls eine Spannung anliegt. An der Messelektrode 19 werden die Stickoxide NO_x des Messgases zu Stickstoff und Sauerstoff reduziert. Die Stromstärke an der Messelektrode 19 korreliert mit der aus dieser Reaktion stammenden Sauerstoffmenge und stellt somit ein Maß für den NO_x-Gehalt des Abgases dar. Die Sauerstoffreferenzelektrode 18 dient der Erfassung des Restsauerstoffgehalts des Messgases und der Korrektur des Messstroms zur NO_x-Bestimmung.
Der erfindungsgemäße Sensor 100 zur Detektion von Kohlenwasserstoffen weist eine Schaltung auf, die sich von dem herkömmlichen NO_x-Betriebsmodus unterscheidet. Der erfindungsgemäße HC-Detektionsmodus wird anhand 2 näher erläutert, in der der Sensorkopf 10 dem der 1 entspricht. In 2 bedeutet P+ die Außenelektrode 17, P– die Innenelektrode (Sauerstoffpumpelektrode) 16, M1 die Sauerstoffnernstelektrode 18, M2 die NO_x-Messelektrode 19 und Ref die Referenzelektrode 20.
Der Sensor 100 weist neben dem Sensorkopf 10 eine Heizeinrichtung 30 auf, die über ein Widerstandsheizelement 31 verfügt, beispielsweise auf Basis von Al₂O₃. Ein elektrischer Widerstand
ist elektrisch mit dem Heizelement 31 verbunden. Die Temperatur des Heizelementes 31 ist umso größer, je niedriger der Heizwiderstand
ist und umgekehrt. Selbstverständlich befindet sich, anders als in der 2 dargestellt, das Heizelement 31 in direktem Kontakt mit dem Sensorkopf 10.
Der Sensor 100 weist ferner ein Schalt- und Messmodul 40 auf, welches die verschiedenen Elektroden des Sensorkopfs 10 elektrisch miteinander verschaltet und eine Spannung U_N zwischen mindestens zwei der Elektroden misst. In dem dargestellten Beispiel ist die Außenelektrode 17 auf Masse gelegt, im Falle eines Kraftfahrzeugs beispielsweise auf Fahrzeugmasse. Die Außenelektrode 17 wird somit als Masse für alle Messkanäle der Spannungsmessung über einen AD-Scan verwendet. Die Spannungen der weitere(n) Elektrode(n) des Sensors 100 werden hochohmig mit einem Spannungsaufnehmer gemessen.
Der Sensor 100 weist ferner eine Steuereinrichtung 50 auf. Sämtliche über das Schalt- und Messmodul 40 abgegriffene Spannungen gehen als Eingangswerte in die Steuereinrichtung 50 ein. Ferner regelt oder steuert diese über den Widerstand
die Heiztemperatur des Widerstandheizelements 31. Das Schalt- und Messmodul 40 und die Steuereinrichtung 50 bilden zusammen die Steuerung des Sensors 100.
Im HC-Messmodus zur Detektion von Kohlenwasserstoffen in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas, wird der Sensor 100 im Wesentlichen stromlos, also potenziometrisch betrieben und die Spannung U_N zwischen zwei der Sensorelektroden gemessen und ausgewertet. In dem dargestellten Beispiel wird die Spannung U_N zwischen der Innenelektrode 16 und der Außenelektrode 17 der ersten Kammer 11 über Kanal 1 des Schalt- und Messmoduls 40 gemessen und über die Steuereinrichtung 50 ausgewertet. Alternativ ist ebenso möglich, die Spannung zwischen der Referenzelektrode 20 und der Außenelektrode 17 zu messen und auszuwerten oder die Spannung zwischen der Referenzelektrode 20 und der Innenelektrode 15. Grundsätzlich ist auch möglich, die Spannung über die in der zweiten Kammer 13 angeordneten Sauerstoffreferenzelektrode 18 zum Beispiel gegen die Außenelektrode 17 zu messen. Diese Ausführung weist jedoch den Nachteil einer vergleichsweise hohen Trägheit auf.
Im HC-Betriebsmodus weist der erfindungsgemäße Sensor 100 folgende Funktionsweise auf:
Ein den Sensorkopf 10 umgebendes Gasgemisch, insbesondere ein verbrennungsmotorisches Abgas, diffundiert über die Diffusionskanäle 12 in die erste Kammer 11. Aufgrund der unterschiedlichen katalytischen Aktivitäten und der unterschiedlichen Eignung der Elektroden 16 und 17, den Übertritt von Sauerstoff aus der Gasphase auf die Elektrodenoberflächen im Wege der Adsorption zu unterstützen, entstehen bei stromlosem Betrieb unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke an den beiden Elektroden 16 und 17. Insbesondere tritt Sauerstoff leichter aus der Gasphase auf die Pt-Oberfläche der Außenelektrode 17 über, während dieser Übertritt durch den Goldanteil an der Pt/Au-Innenelektrode 16 behindert wird. Dies führt auch zu der geringeren katalytischen Aktivität der Innenelektrode 16 verglichen mit der Außenelektrode 17. Bei der katalytischen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe wird der Sauerstoff verbraucht, kann aber an der Innenelektrode 16 nicht in gleichem Maße nachgeführt werden. Im Resultat stellt sich bei stromlosem Betrieb an der Innenelektrode 16 ein niedrigerer Sauerstoffpartialdruck ein als an der Außenelektrode 17.
Der durch die unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrücke an den Elektroden 16, 17 entstehende Potentialunterschied wird als Spannung (Nernst-Spannung U_N) durch das Modul 40 gemessen und geht in die Steuereinrichtung 50 ein. Diese wertet die erfasste Spannung aus, um diese mit der Kohlenwasserstoffkonzentration oder dem Kohlenwasserstoffpartialdruck im Gasgemisch (Abgas) zu korrelieren. Zu diesem Zweck verfügt die Steuereinrichtung 50 über eine entsprechende Sensorkennlinie, die die erfasste Spannung U_N mit dem HC-Partialdruck korreliert.
Im HC-Messmodus des Sensors 100 regelt die Steuereinrichtung 50 über die Heizeinrichtung 30 eine Sensortemperatur von vorzugsweise kleiner gleich 650°C ein, also auf eine Temperatur, die deutlich unterhalb der Sensortemperatur des NO_x-Modus liegt. Der Grund ist die deutlich höhere Empfindlichkeit gegenüber HC bei niedrigeren Temperaturen, was anhand von konkreten Messergebnissen nachfolgend näher dargelegt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel der Ermittlung der HC-Konvertierungsfähigkeit eines Oxidationskatalysators in einer Abgasanlage eines dieselmotorisch arbeitenden Verbrennungsmotors erläutert.
3 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 200 angedeutetes Kraftfahrzeug, das einen Dieselmotor 201 (allein oder in Kombination mit einem Elektromotor) als Traktionsquelle aufweist. Ein Abgas des Verbrennungsmotors 201 wird in einer insgesamt mit 202 bezeichneten Abgasanlage nachhandelt.
Die Abgasanlage 202 umfasst einen Abgaskanal 203, der mit den Zylindern des Verbrennungsmotors 201 über deren Auslasskanäle strömungstechnisch in Verbindung steht und somit das Abgas des Motors 201 aufnimmt. In dem Abgaskanal 203 ist zunächst eine Abgasturbine 204 eines nicht weiter dargestellten Turboladers zur Aufladung des Motors 201 installiert. Im weiteren Strömungsweg des Abgases ist ein Oxidationskatalysator 205 als eine erste Abgasreinigungskomponente angeordnet. Der Katalysator 205 weist ein Durchflusssubstrat auf, umfassend eine Vielzahl axialer, parallel angeordneter Strömungskanäle. Das Substrat kann in bekannter Weise als Metallsubstrat oder als keramisches Substrat vorliegen. Das Durchflusssubstrat des Katalysators 205 weist eine so genannte Washcoat-Beschichtung auf, das aus einem keramischen Material mit großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂), Titanoxid (TiO₂) oder anderen besteht. Die Washcoat-Beschichtung ist mit einem katalytischen Material beladen, welches in Gegenwart von Sauerstoff die Oxidation von Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO zu CO₂ und H₂O katalysiert. Zu diesem Zweck weist sie geeignete Edelmetalle, wie Platin und/oder Palladium auf.
Dem Oxidationskatalysator 205 im Abgasströmungsweg nachgeschaltet ist ein Dieselpartikelfilter (DPF) 206 zur Entfernung partikulärer Abgasbestandteile. Der DPF 206 umfasst ein poröses, üblicherweise keramisches Substrat, das ebenfalls eine Vielzahl von parallelen Strömungskanälen aufweist. Dabei ist ein Teil der Strömungskanäle eingangsseitig geschlossen und der andere Teil ausgangsseitig geschlossen. Die eingangsseitig geschlossenen und ausgangsseitig geschlossenen Strömungskanäle sind wechselseitig angeordnet. Somit tritt das von dem Verbrennungsmotor 201 kommende Abgas in die ausgangsseitig geschlossenen und eingangsseitig geöffneten Strömungskanäle des Partikelfilters 206 ein. Das Abgas wird so gezwungen, durch die porösen Wandstrukturen der Kanäle zu strömen, wobei partikuläre Bestandteile des Abgases auf und in den porösen Wandstrukturen zurückgehalten werden. Von dort tritt das Abgas in die ausgangsseitig geöffneten und eingangsseitig geschlossenen Strömungskanäle, um den Partikelfilter 206 nachfolgend zu verlassen. Die vorstehend geschilderte Ausgestaltung des Partikelfilters 206 wird auch als Wandstromfilter (Wallflow-Filter) bezeichnet. Die Anordnung des DPF 206 nah hinter dem Oxidationskatalysator 205 ist daher von Vorteil, da die Exothermie des Katalysators 205 genutzt wird, um den DPF 206 zum Zwecke seiner periodisch erfolgenden Regeneration aufzuheizen.
Die Abgasanlage 202 weist im dargestellten Beispiel ferner ein erstes, nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) arbeitendes SCR-System auf, welches hier zweiteilig in Form eines ersten SCR-Katalysators 207 und eines nachgeschalteten zweiten SCR-Katalysators 208 ausgebildet ist. Die SCR-Katalysatoren 207, 208 reduzieren selektiv in Gegenwart eines bestimmten Reduktionsmittels Stickoxide NO_x zu Stickstoff. Das Reduktionsmittel, bei dem es sich üblicherweise um Ammoniak handelt, wird stromauf des SCR-Katalysators 207 dem Abgas zudosiert, beispielsweise in Form einer chemischen Vorläuferverbindung wie Harnstoff (Dosiereinrichtung nicht dargestellt).
Ferner weist die Abgasanlage 202 eine geeignete Sensorik auf, mit der verschiedene Parameter des Abgases, beispielsweise Konzentrationen bestimmter Abgaskomponenten, die Temperatur des Abgases und/oder verschiedener Bauteile des Systems oder der Abgasmassen- oder dergleichen erfasst werden können. Insbesondere weist im dargestellten Beispiel diese Sensorik eine erste Breitbandlambdasonde 209 auf, die vor dem Oxidationskatalysator 205 angeordnet ist. Ferner ist eine zweite Breitbandlambdasonde 210 stromab des Oxidationskatalysators 205, hier stromab des DPF 206, installiert. Die Breitbandlambdasonden 209, 210 messen einen Sauerstoffanteil des Abgases und geben ein entsprechendes Breitbandlambdasignal λ1 bzw. λ2 aus. Ein herkömmlicher NO_x-Sensor 211 ist hinter dem zweiten SCR-Katalysator 208 installiert und dient in erster Linie der Überwachung und Steuerung des SCR-Systems. Der NO_x-Sensor 211 gibt ein der NO_x-Konzentration entsprechendes Signal U_NO_x aus. Daneben stellt er, wie jeder herkömmliche NO_x-Sensor auch, ein der Sauerstoffkonzentration entsprechendes Breitbandlambdasignal λ3 bereit. Stromab des Oxidationskatalysators 205, hier stromab Partikelfilters 206, ist zudem der erfindungsgemäße HC-Sensor 100 gemäß den 1 und 2 installiert. Ferner ist ein Temperatursensor 212 stromab des Oxidationskatalysators 205 und stromauf des Partikelfilters 206 angeordnet, der eine Abgastemperatur T misst, welche auf die Temperatur des Oxidationskatalysators 205 sowie des Partikelfilters 206 schließen lässt. Alternativ kann der Temperatursensor 213 an einer anderen geeigneten Position angeordnet sein oder durch einen Modellwert ersetzt werden.
Die Signale sämtlicher Sensoren gehen in eine Diagnoseeinrichtung 213 ein, welche eingerichtet ist, eine HC-Konvertierungsfähigkeit des Oxidationskatalysators 205 zu bestimmen. Ferner empfängt die Diagnoseeinrichtung 213 Signale, welche den Betriebspunkt und Betriebsparameter des Motors 201 charakterisieren. Dies sind beispielsweise die Motordrehzahl n und/oder die Motorlast L.
Die grundsätzliche Eignung des erfindungsgemäßen Sensors 100 zur Bestimmung von Kohlenwasserstoffen sowie zur Diagnose des Oxidationskatalysators 205 wurde in einer Abgasanlage gemäß 3 getestet.
Die Messungen wurden bei konstanten Randbedingungen durchgeführt (Motordrehzahl n = 1400 U/min, Frischluftmasse etwa 90 Kg/h, AGR-Rate = 0%). Dabei wurde zunächst bei einer Temperatur des Oxidationskatalysators 205 oberhalb von 500°C der Partikelfilter 206 regeneriert. Im Anschluss der Regeneration wurde die späte Nacheinspritzung begonnen, wobei jeweils nach 90 s über eine Dauer von 30 s 5 mg Kraftstoff pro Hub eingespritzt wurde, um definierte HC-Anteile im Abgas des Verbrennungsmotors 201 zu erzeugen. Die Temperatur des Oxidationskatalysators sank währenddessen auf ca. 170°C ab, d. h. unterhalb seine Light-off-Temperatur von ca. 250°C. Es wurden mehrere Messreihen bei Sensortemperaturen (Elementtemperatur) des Sensors 100 von 680, 620 und 550°C durchgeführt.
Die Ergebnisse für die Messung bei der Sensortemperatur von 680°C sind in 4A dargestellt. Hier bezeichnet der Verlauf T die Temperatur des Oxidationskatalysators 205, der Verlauf m_Pol1 die mit der späten Nacheinspritzung zugeführte Kraftstoffmenge pro Hub, der Verlauf U_O₂ das mittels der dem Oxidationskatalysator 205 nachgeschalteten Breitbandlambdasonde 210 erfasste Signal (λ2 in 3) und der Verlauf U_HC das mit dem erfindungsgemäßen Sensor 100 erhaltene Ausgabesignal (U_N in 3). Das Signal des erfindungsgemäßen HC-Sensors zeigt ab Unterschreiten der Light-Off-Temperatur des Oxidationskatalysators 205 bei etwa 250°C Signalausschläge, die mit den Kraftstoffnacheinspritzungen korrelieren. Unterhalb dieser Katalysatortemperatur findet somit ein HC-Schlupf durch den Katalysator 205 sowie den Partikelfilter 206 statt. Damit ist die grundsätzliche Empfindlichkeit des Sensors 100 gegenüber Kohlenwasserstoffe nachgewiesen. Der Anstieg von U_N von zirka 20 mV ist jedoch relativ schwach ausgeprägt und für Serienanwendungen zu gering. Da die Breitbandlambdasonde 210 ebenfalls über eine HC-Querempfindlichkeit verfügt, wird ihr Signal mit Beginn des HC-Schlupfs ebenfalls beeinflusst.
Um die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensors 100 gegenüber Kohlenwasserstoffen zu erhöhen, wurden weitere Messungen bei niedrigeren Sensortemperaturen durchgeführt. 4B und C zeigen die entsprechenden Messergebnisse bei einer Temperatur des Sensors 100 von 620°C beziehungsweise 550°C. Bei einer Sensortemperatur von 620°C (4B) zeigt der Sensor 100 bei Katalysatortemperaturen unterhalb von 250°C den HC-Schlupf durch den Oxidationskatalysator 205 mit einem Anstieg von U_N auf zirka 40 mV an, also mit einer deutlichen Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber der Sensortemperatur von 680°C. Eine noch höhere Empfindlichkeit zeigt der Sensor 100 bei einer Sensortemperatur von 550°C (4C). Hier wird nach Durchbruch der Kohlenwasserstoffe ein Signalhub um zirka 80 mV erfasst. Dieser ist somit um einen Faktor von etwa 2 höher als bei der Sensortemperatur von 620°C. Jedoch ist die Antwortzeit des Sensors bei 550°C deutlich langsamer als bei 620°C, so dass die untere Sensortemperatur durch die Antwortzeit limitiert wird. Bei der in 4C dargestellten Messung zeigt das Sensorsignal des erfindungsgemäßen HC-Sensors in Abwesenheit von Kohlenwasserstoffen, also vor dem einsetzenden HC-Schlupf, einen Wert von etwa 50 mV. Diese Fehlanzeige ist vermutlich auf Nebenschlüsse auf den Messleitungen während der Messungen zurückzuführen, da diese nicht vollständig gas- und wasserdicht waren. Der Sensor zeigt eine DC-Impedanz zwischen Innen- und Außenelektrode von etwa 10 kΩ.
Die Messungen belegen, dass ein handelsüblicher NO_x-Sensor geeignet ist, Kohlenwasserstoffe in einem verbrennungsmotorischen Abgas mit einer guten Empfindlichkeit bei Elementtemperaturen unterhalb von 680°C zu detektieren, wenn er gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, insbesondere stromlos betrieben wird. Die Messungen belegen außerdem die Eignung des Sensors, die HC-Konvertierungsfähigkeit des Oxidationskatalysators zu überwachen. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors in einem solchen Diagnoseverfahren wird nachfolgend anhand von 5 erläutert.
Die 5 zeigt beispielhaft die im Abgas vorliegenden Anteile von Sauerstoff O₂ und Kohlenwasserstoffen HC vor und hinter dem Oxidationskatalysator 205 sowie die damit korrelierenden Sensorsignale der Sensoren 209, 100, 210 und 211 gemäß 3. Alle Prozentangaben beziehen sich auf Volumenprozente. 5A zeigt die entsprechenden Angaben für einen intakten Oxidationskatalysator 205, der einen HC-Konvertierungsgrad η > 90% aufweist. Demgegenüber zeigt 5B die Situation für einen gealterten Oxidationskatalysator mit einem HC-Wirkungsgrad η < 10%. Die 5A und 5B zeigen jeweils die Abgasverhältnisse zu einem Zeitpunkt nach einer späten Kraftstoffnacheinspritzung (5 mg/Hub über eine Dauer von 30 S, s. 4), also zu einem Zeitpunkt relativ hoher HC-Anteile im Abgas vor dem Oxidationskatalysator 205.
Am Ende der späten Nacheinspritzung weist gemäß 5A das Rohabgas des Motors einen hohen HC-Anteil von etwa 0,5% bei einem (durch die Nacheinspritzung unveränderten) Sauerstoffanteil von 16% auf. Diese vergleichsweise hohe HC-Anteil im Abgas führt zu einer merklichen Beeinflussung des Sensorsignals der Breitbandlambdasonde 28 aufgrund seiner HC-Querempfindlichkeit, so dass dieser ein Signal λ1 entsprechend 15,3% O₂ ausgibt. Der intakte Oxidationskatalysator führt zu einer deutlichen Reduzierung der HC-Konzentration im Abgas, die stromab des Katalysators somit weniger als 0,05% beträgt. Der erfindungsgemäße HC-Sensor 100 „sieht” daher kein HC und zeigt eine Sensorspannung U_N von etwa 0 V an. Gleichzeitig führt die katalytische Nachverbrennung der Kohlenwasserstoffe zu einem Verbrauch von Sauerstoff, so dass der Sauerstoffanteil hinter dem Katalysator auf etwa 14 abnimmt. Aufgrund des geringen HC-Anteils hinter dem Katalysator entspricht der durch die nachgeschaltete Lambdasonde 210 angezeigte Wert λ2 im Wesentlichen dem „wahren” Wert von etwa 14%. Dies gilt auch für das Breitbandlambdasignal λ3 des dem SCR-System nachgeschalteten NO_x-Sensors 211. (Den gleichen Wert würde eine hinter den SCR-Katalysatoren 207, 208 positionierte Breitbandlambdasonde liefern.)
Bei dem gealterten Katalysator 205 mit einem Wirkungsgrad η < 10% führt die Anhebung der HC-Rohemissionen durch die Nacheinspritzung zu einer vergleichsweisen geringen Abnahme der HC-Anteile auf etwa 0,45% hinter dem Oxidationskatalysator (4B). Dies wird durch eine Sensorspannung des HC-Sensors 100 von größer als 0 V angezeigt. Die geringe Konvertierungsleistung geht mit einer entsprechend geringen Abnahme des Sauerstoffanteils von 16 auf etwa 15,8% einher. Dementsprechend verringert sich der Quereinfluss durch die Kohlenwasserstoffe auf die nachgeschalteten Lambdasignale λ2 und λ3 nur geringfügig von 15,3% vor dem Oxidationskatalysator auf 15,2% hinter dem Oxidationskatalysator.
Somit kann das Signal des erfindungsgemäßen HC-Sensors 100 herangezogen werden, um einen Oxidationskatalysator hinsichtlich seiner HC-Konvertierungsleistung zu diagnostizieren. Dabei wird das Sensorsignal U_N zu einem Zeitpunkt einer definierten HC-Beaufschlagung des Katalysators 205 gemessen und ausgewertet. Wenn U_N kleiner als ein vorbestimmter Grenzwert ist, wird ein intakter Katalysator 205 festgestellt. Überschreitet U_N hingegen den Grenzwert, wird der Katalysator als defekt klassifiziert und zur Anzeige gebracht.
Bevorzugt wird zur Diagnose des Katalysators 205 der HC-Anteil im Abgas des Motors 201 durch einen gezielten Eingriff in die Verbrennung aktiv angehoben. Vorzugsweise geschieht dies, wie bereits in 4 dargestellt, durch periodische Durchführung einer späten, nicht am Verbrennungsvorgang teilnehmenden, also momentenneutalen Nacheinspritzung von Kraftstoff.
Aus den In 4A–C erhaltenen Daten wurde die Sensorspannung U_N in Abhängigkeit von der Temperatur des Oxidationskatalysators 205 ausgelesen. Das Ergebnis ist in 6 dargestellt, wobei 6A den Verlauf bei einer Sensortemperatur des Sensors 100 von 680°C zeigt, 6B bei 620°C und 6C bei 550°C. Die durchgezogene Linie zeigt jeweils den zu erwartenden regressiven Verlauf der Katalysatoraktivität. Demnach findet der so genannte Light-Off eines neuwertigen Oxidationskatalysators in einem Temperaturbereich von 200 bis 250°C statt. Dabei ist unterhalb einer Temperatur von 200°C die HC-Konvertierungsrate klein, während bei einer Temperatur oberhalb von 250°C die maximale HC-Konvertierungsrate vorliegt.
Es ist erkennbar, dass die Sensorspannung U_N des erfindungsgemäßen Sensors 100 (in Punkten dargestellt) sehr gut mit dem erwarteten Verhalten für die Katalysatoraktivität übereinstimmt. Insbesondere kann die Light-off-Temperatur des Katalysators 205 mittels des Sensors 100 bestimmt werden. Ersichtlich ist auch, dass der Sensorhub bei einer Elementtemperatur von 680°C (6A) sehr gering ist und für ein Serieneinsatz niedrigere Sensortemperaturen zu bevorzugen sind.
Bezugszeichenliste

100: Sensor
10: Sensorkopf
11: erste Kammer
12: Diffusionskanal
13: zweite Kammer
14: Diffusionskanal
15: Festelektrolytschicht
16: Innenelektrode
17: Außenelektrode
18: Sauerstoffnernstelektrode
19: NO_x-Messelektrode
20: Referenzelektrode
21: Referenzkanal
30: Heizeinrichtung
31: Widerstandheizelement
40: Schalt- und Messmodul
50: Steuereinrichtung
200: Kraftfahrzeug
201: Verbrennungsmotor
202: Abgasanlage
203: Abgaskanal
204: Abgasturbine (Turbolader)
205: Oxidationskatalysator
206: Partikelfilter
207: erster SCR-Katalysator
208: zweiter SCR-Katalysator
209: erste Breitbandlambdasonde
210: zweite Breitbandlambdasonde
211: NO_x-Sensor
212: Temperatursensor
213: Diagnoseeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007012701 A1 [0006]
DE 102005056312 A1 [0007]
DE 69930175 T2 [0010]
DE 10023062 A1 [0011]

Claims

Sensor (100) zur Detektion von Kohlenwasserstoffen in einem Gasgemisch, umfassend – eine erste Kammer (11), die in einem bedingten Stoffaustausch mit dem Gasgemisch steht; – eine die erste Kammer (11) zumindest teilweise einschließende Festelektrolytschicht (15) aus einem für Sauerstoffanionen (O^2–) leitfähigen Material; – ein die Festelektrolytschicht (15) beidseitig kontaktierendes Elektrodenpaar (16, 17) umfassend eine in der ersten Kammer (11) auf einer Innenseite der Festelektrolytschicht (15) angeordnete Innenelektrode (16) und eine auf einer Außenseite der Festelektrolytschicht (15) angeordnete Außenelektrode (17), wobei die Innen- und die Außenelektrode (16, 17) voneinander unterschiedliche katalytische Aktivitäten bezüglich der Oxidation von Kohlenwasserstoffen aufweisen; und – eine mit einem Referenzgas in Kontakt stehende Referenzelektrode (20); gekennzeichnet durch – eine Steuerung (40, 50), die eingerichtet ist, den Sensor (100) potentiometrisch zu betreiben und die Spannung (U_N) zwischen zumindest zwei der Elektroden zu messen und auszuwerten.
Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen der Innenelektrode (16) und der Außenelektrode (17) gemessen wird.
Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen der Referenzelektrode (20) und der Innenelektrode (16) oder der Außenelektrode (17) gemessen wird.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) ferner eine Heizeinrichtung (30) zur Beheizung des Sensors (100) umfasst und die Steuerung (40, 50) eingerichtet ist, eine Sensortemperatur von < 680°C, insbesondere ≤ 650°C, vorzugsweise ≤ 600°C einzustellen.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) ein NO_x-Sensor ist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektrode (17) Platin aufweist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenelektrode (16) eine Kombination aus Platin mit Gold und/oder Kupfer aufweist.
Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festelektrolytschicht (15) eine Keramik, insbesondere Zirkoniumdioxid oder Yttrium-dotiertes Zirkoniumdioxid, aufweist oder daraus besteht.
Verwendung eines Sensors (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bestimmung eines HC-Partialdrucks im Abgas eines Verbrennungsmotors.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der HC-Partialdruck zur Überwachung eines dem Sensor (100) vorgeschalteten und zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) ausgelegten Katalysators (205) bestimmt wird.
Kraftfahrzeug (200) umfassend eine strömungstechnisch mit einem Verbrennungsmotor (201) verbundene Abgasanlage (202) mit einem Sensor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.