DE102022202627A1

DE102022202627A1 - Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, Abgassensor und Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102022202627A1
Application number: DE102022202627.6A
Authority: DE
Inventors: Tim Walde
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2022-03-17
Filing date: 2022-03-17
Publication date: 2023-01-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einen Hauptkörper (12) aufweisenden Abgassensors (10) einer Brennkraftmaschine, einen Abgassensor (10) und eine Brennkraftmaschine. Der Abgassensor (10) weist eine im Hauptkörper (12) angeordnete Pumpkavität (20, 30, 40), in der eine Pumpelektrode (24, 34, 44) angeordnet ist, eine im Hauptkörper (12) angeordnete Referenzelektrode (52) und eine Heizvorrichtung (60) auf. Das Verfahren umfasst ein Ermitteln eines Abschaltens der Brennkraftmaschine, ein Deaktivieren der Heizvorrichtung (60) und ein Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität (20, 30, 40) durch Anlegen eines Pumpstroms (IP0, IP1, IP2) an der Pumpelektrode (24, 34, 44) derart, dass eine sich zwischen der Pumpelektrode (24, 34, 44) und der Referenzelektrode (52) ausbildende Elektrodenspannung (V0, V1, V2) auf einem vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert gehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zum verbesserten Abschalten des Abgassensors für einen Brennkraftmaschine nach einem Betrieb. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung einen Abgassensor und eine Brennkraftmaschine mit einem Abgassensor.
Abgassensoren, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, Lambdasonden und Sauerstoffsensoren, können auf dem amperometrischen Messprinzip beruhen, d. h. auf einer elektrochemischen Methode zur quantitativen Bestimmung von chemischen Stoffen. Insbesondere wird an einer Elektrode des Abgassensors ein elektrischer Strom derart eingestellt, dass sich ein zeitlich konstantes elektrochemisches Potential einstellt. Beispielsweise erlauben Stickoxidsensoren eine Messung der Stickoxidkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, beispielsweise Otto- oder Dieselmotoren. Dadurch wird z. B. eine optimale Steuerung und Regelung sowie Diagnose von Stickoxidkatalysatoren durch die Motorsteuerung ermöglicht.
Derartige Abgassensoren weisen einen aus einem Feststoffelektrolyten gebildeten Hauptkörper auf, in dem Kavitäten mit zugeordneten Elektroden vorgesehen sind. Zudem ist im Hauptkörper eine Heizvorrichtung angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu heizen und auf dieser zu halten, beispielsweise bei ca. 850 °C. Ferner ist es bei Abgassensoren, insbesondere Stickoxidsensoren, bekannt, diese derart zu betreiben, dass vorbestimmte Sollwerte für die Steuerung bzw. Regelung der sogenannten Nernstspannungen über die Lebenszeit des Abgassensors, insbesondere Stickoxidsensor, unveränderlich sind und somit ein Optimum zwischen dem Gleichgewicht von Sauerstoff und Stickoxid eingestellt wird. Über die Nernstspannungen werden die Sauerstoffkonzentrationen und somit die Zerlegung des Sauerstoff- und Stickoxidmoleküle in den einzelnen Kavitäten des Abgassensors, insbesondere Stickoxidsensor, bestimmt.
Im normalen Sensorbetrieb werden die elektrischen Ströme und Nernstspannungen derart gewählt, dass innerhalb der im Hauptkörper gebildeten Kavitäten sehr geringe Sauerstoffkonzentrationen vorliegen, vorzugsweise so gering wie möglich. Dies kann dadurch sichergestellt werden, dass der nicht mit Stickstoff gebundene und ungebundene Sauerstoff aus den Kavitäten herausgepumpt wird.
Beim Abschalten des Abgassensors wird kein Sauerstoff mehr aus den Kavitäten gepumpt, wodurch im Abgas befindlicher Sauerstoff (gebunden oder ungebunden) wiederum in die Kavitäten innerhalb des noch erwärmten Hauptkörpers des Abgassensors strömen kann. Dieser nach dem Abschalten des Abgassensors in den noch erhitzten Hauptkörper strömender Sauerstoff kann dazu führen, dass die Elektroden des Abgassensors nach dem Abschalten des Abgassensors oxidiert werden. Wird der Abgassensor zu einem späteren Zeitpunkt wieder in Betrieb genommen, dann muss - neben dem Herauspumpen des nach dem vorherigen Abschalten des Abgassensors geströmten Sauerstoffs - auch die oxidierten Elektroden des Abgassensors reduziert werden, d. h. „vom Sauerstoff befreit werden“. Der Vorgang der Reduktion der Elektroden beim erneuten Einschalten des Abgassensors kann zu einer Verlängerung derjenigen Zeit führen, bis der Abgassensor seine volle Messbereitschaft erreicht hat.
Beispielhafte Vorrichtungen sind bekannt aus DE 103 09 422 B4 , US 7 654 077 B2 , US 10 513 961 B2 und US 9 109 480 B2 .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors, einen Abgassensor und eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, mit dem der Abgassensor im Hinblick auf seine Messbereitschaft verbessert betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1, einem Abgassensor gemäß Anspruch 7 und einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zu Grunde, einen Abgassensor, insbesondere Stickoxidsensor, nach einem Ermitteln eines Abschaltens einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs noch so lange weiter zu betreiben und Sauerstoff aus dem des Abgassensors heraus zu pumpen, bis die Temperatur des Sensorelements einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert unterschreitet. Das Weiterbetreiben des Abgassensors nach einem ermittelten Abschalten der Brennkraftmaschine und das damit verbundene weitere Herauspumpen von Sauerstoff aus dem Sensorelement des Abgassensors kann die Oxidation der Elektroden des Abgassensors verringern, was dazu führen kann, dass der Abgassensor beim nächsten Betriebszyklus schneller messbereit ist, da weniger Oxidation an den Elektroden reduziert, d.h. entfernt, werden muss. Insbesondere oxidieren die Elektroden deshalb weniger, da der Sauerstoff größtenteils nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine aus dem Sensorelement herausgepumpt wird und somit die Elektroden des Abgassensors nicht übermäßig oxidieren kann. Hierzu wird der Abgassensor noch so lange betrieben, bis die Temperatur des Sensorelements den vorbestimmten Temperaturschwellenwert unterschreitet. Der vorbestimmte Temperaturschwellenwert gibt dabei eine Temperatur des Sensorelements an, unterhalb der eine Oxidation der Elektroden aus physikalischen Gründen signifikant reduziert ist. Ferner ist die Pumpspannung, die sich zwischen der Abgaselektrode und der Pumpelektrode einstellt, derart zu überwachen, dass diese nicht zu hoch wird, insbesondere einen vorbestimmten Pumpspannungsschwellwert nicht überschreitet, da sonst die Gefahr einer Zerstörung des aus einem Festkörperelektrolyten gebildeten Hauptkörpers besteht.
Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines einen Hauptkörper aufweisenden Abgassensors einer Brennkraftmaschine offenbart. Der Abgassensor weist eine im Hauptkörper angeordnete Pumpkavität, in der eine Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete Referenzkavität, die mit der Umgebungsluft des Abgassensors zum Bereitstellen einer Sauerstoffreferenz für die Pumpelektrode in Verbindung steht und in der eine Referenzelektrode angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei ein Ermitteln eines Abschaltens der Brennkraftmaschine, ein Deaktivieren der Heizvorrichtung und ein Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität durch Anlegen eines Pumpstroms an der Pumpelektrode derart, dass eine sich zwischen der Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende Elektrodenspannung auf einem vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert gehalten wird.
Somit wird erfindungsgemäß der Abgassensor nach dem Ermitteln eines Abschaltens der Brennkraftmaschine weiterhin betrieben, wobei die Heizvorrichtung ebenfalls deaktiviert ist. Das weitere Betreiben des Abgassensors bedeutet ein weiteres Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität nach Deaktivierung der Brennkraftmaschine.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln der Temperatur des Hauptkörpers und ein Einstellen des an der Pumpelektrode angelegten Pumpstroms zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Temperatur des Hauptkörpers. Insbesondere hat sich dabei herausgestellt, dass aufgrund der Deaktivierung der Heizvorrichtung der Hauptkörper des Abgassensors stetig abkühlt und folglich zum effizienten Herauspumpen des Sauerstoffs aus den Pumpkavitäten des Hauptkörpers die jeweiligen vorbestimmten Elektrodenspannungssollwerte entsprechend der aktuellen Temperatur des Hauptkörpers eingestellt bzw. angepasst werden sollten.
Dabei kann es ferner bevorzugt sein, dass das Ermitteln der Temperatur des Hauptkörpers ein Ermitteln des elektrischen Widerstands der Heizvorrichtung und ein Ermitteln der Temperatur des Hauptkörpers zumindest teilweise basierend auf dem ermittelten elektrischen Widerstand der Heizvorrichtung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des Hauptkörpers auch über eine geeignete Temperaturmessvorrichtung stattfinden oder kann mittels einer ermittelten Abgastemperatur abgeschätzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des Hauptkörpers auch über die Zellimpedanz der Nernstzellen des Abgassensors ermittelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Beenden des Ausbringens von Sauerstoff aus der Pumpkavität durch Unterbrechen des Anlegens des Pumpstroms an der Pumpelektrode wenn die ermittelte Temperatur des Hauptkörpers einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert unterschreitet. Der vorbestimmte Temperaturschwellenwert kann dabei diejenige Temperatur des Hauptkörpers angeben, bei der eine Oxidation der Elektroden physikalisch kaum mehr stattfindet. Ferner ist darauf zu achten, dass die sich zwischen der Abgaselektrode und der jeweiligen Pumpelektrode ausbildende Pumpspannung unterhalb des vorbestimmten Pumpspannungsschwellenwert bleibt, da sonst die Gefahr einer Zerstörung des Hauptkörpers besteht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beim Anlegen des Pumpstroms an der Pumpelektrode zum Halten der Elektrodenspannung auf dem vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert derart gewählt, dass der innerhalb der Pumpkavität vorliegende Sauerstoffgehalt unterhalb eines vorbestimmten Sauerstoffschwellenwerts liegt. Vorzugseise wird der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert mit sinkender Temperatur des Hauptkörpers derart angepasst, dass der Sauerstoffgehalt innerhalb des Hauptkörpers dem Sauerstoffgehalt bei Nenntemperatur entspricht. Das heißt, dass bei sinkender Temperatur des Hauptkörpers der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert der vorliegenden (aktuellen) Temperatur des Hauptkörpers angepasst wird. Beispielsweise beträgt der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert im Normalbetrieb des Abgassensors, bei der die Temperatur des Hauptkörpers ungefähr 850 °C entspricht, ungefähr 550 mV. Wenn sich der Hauptkörper abkühlt, dann muss auch der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert verringert werden.
Das liegt daran, dass im Normalbetrieb des Abgassensors an einer Pumpelektrode ein erster Sauerstoffpartialdruck vorherrscht, wobei an der Referenzelektrode ein zweiter Sauerstoffpartialdruck vorherrscht. Die vorbestimmten Elektrodenspannungssollwerte sind über die Nernstgleichung mit diesen Partialdrücken verknüpft. Erfindungsgemäß soll der der erste Sauerstoffpartialdruck an der Pumpelektrode (oder Messelektrode) konstant gehalten werden. Wenn sich die Temperatur des Hauptkörpers ändert, beispielsweise verringert, ändert sich aufgrund dessen auch die Elektrodenspannung. Folglich muss der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert der derzeitigen Temperatur des Hauptkörpers angepasst werden, so dass der erste Sauerstoffpartialdruck an der Pumpelektrode konstant bleibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Abgassensor für eine Brennkraftmaschine offenbart, der einen Hauptkörper, eine im Hauptkörper angeordnete Pumpkavität, in der eine Pumpelektrode angeordnet ist, eine im Hauptkörper angeordnete Referenzkavität, die mit der Umgebungsluft des Abgassensors zum Bereitstellen einer Sauerstoffreferenz für die Pumpelektrode in Verbindung steht und in der eine Referenzelektrode angeordnet ist, eine Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, und eine Steuereinheit aufweist, die mit der Pumpelektrode und der Heizvorrichtung verbunden und dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Abgassensors auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Abgassensor offenbart.
Weitere Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

1 eine schematische Schnittansicht durch einen in Form eines Stickoxidsensors beispielhaft dargestellten Abgassensors für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs zeigt,
2 ein beispielhaftes Diagramm zeigt, das Verläufe des Sauerstoffgehalts und der Temperatur des Hauptkörpers des Abgassensors gegenüber der Zeit für einen Abgassensor darstellt, der gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird,
2 ein beispielhaftes Diagramm zeigt, das Verläufe des Sauerstoffgehalts und der Temperatur des Hauptkörpers des Abgassensors gegenüber der Zeit für einen Abgassensor darstellt, der gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird,
4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Abgassensors der 1 zeigt.

Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind amperometrisch arbeitende Sensoren, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, Lambdasonden und Sauerstoffsensoren, dadurch gekennzeichnet, dass deren Messprinzip auf der Amperometrie basiert, d. h. auf einer elektrochemischen Methode zur quantitativen Bestimmung von chemischen Stoffen. Insbesondere wird an einer Arbeitselektrode ein elektrischer Strom derart eingestellt, dass sich ein zeitlich konstantes elektrochemisches Potential einstellt.
Ferner umfasst im Rahmen der vorliegenden Offenbarung der Begriff „Steuerung“ die regelungstechnischen Begriffe „Steuern“ und „Regeln“. Der Fachmann wird jeweils erkennen, wann ein regelungstechnisches Steuern und wann ein regelungstechnisches Regeln anzuwenden ist.
Die 1 zeigt einen beispielhaften Stickoxidsensor 10, der exemplarisch für einen Abgassensor steht. Folglich ist die vorliegende Erfindung auch dazu bedacht, bei sämtlichen Abgassensoren für Brennkraftmaschinen für Fahrzeuge eingesetzt zu werden, die zum Bestimmen von chemischen Stoffen eingesetzt werden. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung bei Abgassensoren anwendbar, die einen keramischen Grundträger mit zumindest einem daran angebrachten Elektrodenpaar aufweisen, wie beispielsweise Sauerstoffsensoren und Lambdasonden.
Unter Verweis auf die 1 ist eine schematische Schnittansicht des beispielhaften Stickoxidsensors 10 dargestellt, der dazu ausgebildet ist, in einem Abgasstrakt einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) angeordnet zu werden und den Stickoxidgehalt bzw. den Sauerstoffgehalt im Abgas der Brennkraftmaschine quantitativ zu erfassen.
Der Stickoxidsensor 10 weist einen Hauptkörper 12 aus einem Feststoffelektrolyten auf, der vorzugsweise aus einem Mischkristall aus Zirkonoxid und Yttriumoxid und/oder durch einen Mischkristall aus Zirkonoxid und Calciumoxid gebildet ist. Zusätzlich kann ein Mischkristall aus Hafniumoxid, ein Mischkristall aus Perowskit-basierten Oxiden oder ein Mischkristall aus trivalentem Metalloxid verwendet werden, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃). Der Hauptkörper 12 bildet ein Sensorelement des Abgassensors 10. Der Hauptkörper 12 kann somit auch als Sensorelement bezeichnet werden.
Innerhalb des Hauptkörpers 12 des exemplarisch dargestellten Stickoxidsensors 10 sind eine erste Pumpkavität 20, eine zweite Pumpkavität 30 und eine Messkavität 40 vorgesehen. Die erste Pumpkavität 20 ist über einen Verbindungspfad 15 mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 verbunden. Insbesondere kann Abgas durch den Verbindungspfad 15 in die erste Pumpkavität 20 strömen bzw. gelangen. Die zweite Pumpkavität 30 ist mit der ersten Pumpkavität 20 über einen ersten Diffusionspfad 25 verbunden. Die Messkavität 40 ist mit der zweiten Pumpkavität 30 über einen zweiten Diffusionspfad 35 verbunden.
Der erste Diffusionspfad 25 und/oder zweite Diffusionspfad 35 ist beispielsweise in der Form eines sehr dünnen Schlitzes vorgesehen, durch den das Gasgemisch mit einer vorbestimmten Rate gelangen kann. Alternativ kann der erste Diffusionspfad 25 und/oder zweite Diffusionspfad 35 mit einem porösen Füllmittel zum Ausbilden einer Diffusionsratenregulierungsschicht gefüllt oder ausgepolstert sein.
Der erste Diffusionspfad 25 und/oder der zweite Diffusionspfad 35 sind derart ausgebildet, dass durch diese hindurch das Gasgemisch nur teilweise gelangen kann. Durch Kenntnis der Querschnitte des ersten und/oder zweiten Diffusionspfads 25, 35 und/oder durch Kenntnis der jeweiligen porösen Füllmittel kann die Diffusionsrate durch den ersten und/oder zweiten Diffusionspfad 25, 35 bestimmt und festgelegt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung des exemplarisch als Stickoxidsensor 10 ausgebildeten Abgassensors sind im Hauptkörper 12 nur eine Pumpkavität 20, 30 mit einer der Pumpelektroden 24, 34 und die Messkavität 40 mit der Messelektrode 44 vorgesehen. Die Messelektrode 44 kann auch als weitere Pumpelektrode bezeichnet werden, da diese den mit Stickstoffgebundenen Sauerstoff aus der Messkavität 40 pumpen kann. Somit kann die Messkavität 40 auch als weitere Pumpkavität 40 betrachtet werden.
Im Hauptkörper 12 ist außerdem eine Referenzkavität 50 gebildet, die direkt mit dem Äußeren des Hauptkörpers 12 in Verbindung steht. Innerhalb der Referenzkavität 50 ist eine Referenzelektrode 52 angeordnet. Insbesondere steht die Referenzkavität 50 mit der Umgebungsluft, d. h. nicht mit dem Abgas, in Verbindung und ist dazu ausgebildet, eine Sauerstoffreferenz für die im Stickoxidsensor 10 angeordneten verschiedenen Elektroden zu bilden.
An einer Außenseite des Hauptkörpers 12 ist eine Abgaselektrode 22 (auch „P+“ Elektrode genannt) angeordnet. Insbesondere kann während eines Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines Referenzstroms an der Abgaselektrode 22 der im Abgas befindliche Sauerstoff ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen zur Referenzelektrode 52 diffundieren und dort wieder in Sauerstoffmoleküle zur Ausbildung einer Sauerstoffreferenz umgewandelt werden.
Innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ist eine erste Pumpelektrode 24 (auch „P-“ Elektrode genannt) angeordnet. Insbesondere kann während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines ersten Pumpstroms IP0 an der ersten Pumpelektrode 24 der im Abgas befindliche Sauerstoff innerhalb der ersten Pumpkavität 20 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen. Aufgrund der aus der ersten Pumpkavität 20 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der ersten Pumpelektrode 24 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine erste Elektrodenspannung bzw. erste Nernstspannung V0 aus. Genauer gesagt bildet sich die erste Elektrodenspannung bzw. die erste Nernstspannung V0 direkt aus dem in der ersten Pumpkavität 20 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
Innerhalb der zweiten Pumpkavität 30 ist eine zweite Pumpelektrode 34 (auch „M1“ Elektrode genannt) angeordnet. Hier kann während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 durch Anlegen eines zweiten Pumpstroms IP1 an der zweiten Pumpelektrode 34 der im Gasgemisch befindliche Sauerstoff innerhalb der zweiten Pumpkavität 30 ionisiert werden und durch den Hauptkörper 12 als Sauerstoffionen wandern bzw. gelangen. Aufgrund der aus der zweiten Pumpkavität 30 ausgebrachten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der zweiten Pumpelektrode 34 und der Referenzelektrode 52 indirekt eine zweite Elektrodenspannung bzw. zweite Nernstspannung V1 aus. Genauer gesagt bildet sich die zweite Elektrodenspannung bzw. die zweite Nernstspannung V1 direkt aus dem in der zweiten Pumpkavität 30 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff.
Innerhalb der Messkavität 40 ist eine Messelektrode 44 (auch „M2“ Elektrode genannt) angeordnet, die dazu ausgebildet ist, während des Messbetriebs des Stickoxidsensors 10 bei Anlegen eines Messstroms IP2 den innerhalb der Messkavität 40 vorhandenen Sauerstoff und/oder Stickoxide zu ionisieren, so dass die Sauerstoffionen durch den Hauptkörper 12 wandern bzw. gelangen können. Aufgrund der aus der Messkavität 40 ausgebrachten bzw. herausgepumpten Sauerstoffionen bildet sich zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 52 eine dritte Elektrodenspannung bzw. dritte Nernstspannung bzw. Messspannung V2 aus, die durch Anlegen des Messstroms IP2 an der Messelektrode 44 auf konstantem Wert gehalten werden soll. Genauer gesagt bildet sich die dritte Elektrodenspannung bzw. die dritte Nernstspannung bzw. Messspannung V2 direkt aus dem in der Messkavität 40 noch vorliegenden Rest-Sauerstoff. Der angelegte Messstrom IP2 ist dann ein Indiz für den innerhalb des Abgases befindlichen Stickoxidgehalt.
Während des Betriebs des Abgassensors 10 bildet sich aufgrund der elektrochemischen Prozesse im Hauptkörper 12 eine vierte Nernstspannung bzw. Elektrodenspannung V3 zwischen der Abgaselektrode 22 und der Referenzelektrode 52 aus, die zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration im Abgas herangezogen werden kann. Zur Auswertung der vierten Elektrodenspannung V3 können Analyseverfahren herangezogen werden, mit Hilfe deren der Sauerstoffgehalt im Abgas ermittelt werden kann. Insbesondere handelt es sich bei der Ermittlung des Sauerstoffwerts mittels der vierten Elektrodenspannung V3 um eine vom Ermitteln des Sauerstoffwerts mittels des ersten Pumpstroms IP0 unabhängige Ermittlung. Die vierte Elektrodenspannung V3 bildet sich insbesondere aufgrund des im Abgas vorrätigen Sauerstoffs. Dabei kann die vierte Elektrodenspannung V3 den Unterschied des Sauerstoffgehalts an der Abgaselektrode 22 und dem Sauerstoffgehalt an der Referenzelektrode, der im Wesentlichen bei 21 % liegt, angeben. Wenn beispielsweise während einer Schubabschaltungsphase der Brennkraftmaschine im Wesentlichen Sauerstoff durch den Abgastrakt der Brennkraftmaschine strömt, beträgt die vierte Elektrodenspannung V3 im Wesentlichen (und in der Theorie) 0 V. Tatsächlich würden die vierte Elektrodenspannung V3 nur dann 0 V betragen, wenn an beiden Elektroden ein gleicher Sauerstoffgehalt vorliegt und beide Elektroden eine gleiche Temperatur aufweisen.
Somit weist der in der 1 gezeigte Stickoxidsensor 10, der beispielhaft für einen auf dem amperometrisch Messprinzip basierenden Sensor steht, drei relevante Elektrodenpaare auf, nämlich ein erstes Elektrodenpaar bestehend aus der ersten Pumpelektrode 24 und der Abgaselektrode 22, ein zweites Elektrodenpaar bestehend aus der zweiten Pumpelektrode 34 und der Abgaselektrode 22 und ein drittes Elektrodenpaar bestehend aus der Messelektrode 44 und der Abgaselektrode 22.
Die an der ersten und zweiten Pumpelektrode 24, 34 anliegenden Pumpströme IP0 und IP1 sind derart eingestellt, das bevorzugt nur der im Gasgemisch befindliche Sauerstoff ionisiert wird, jedoch nicht die im Gasgemisch vorhandenen Stickoxide. Insbesondere ist die erste Pumpelektrode 24 dazu ausgebildet, während des Normalbetriebs des Stickoxidsensors 10 nahezu den gesamten Sauerstoff aus dem Abgas zu pumpen bzw. einen vorbestimmten Sauerstoffschlupf aus der ersten Pumpkavität 20 in die zweite Pumpkavität 30 zuzulassen. Die zweite Pumpelektrode 34 ist dazu ausgebildet, den aus der ersten Pumpkavität 20 noch nicht herausgepumpten Sauerstoff zu ionisieren und abzuleiten, so dass die im Gasgemisch, das in der Messkavität 40 vorhanden ist, gebundenen Sauerstoffionen lediglich mit Stickstoff gebunden sind und als Stickoxide vorliegen. Die Messelektrode 44 ist dazu ausgebildet, die Stickoxide zu ionisieren, wobei der an der Messelektrode 44 angelegte Messstrom IP2 ein Maß für den Stickoxidgehalt im Abgas ist.
Innerhalb des Hauptkörpers 12 ist ferner eine Heizvorrichtung 60 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper 12 auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur zu heizen und auf dieser zu halten, beispielsweise bei ca. 850°C. Die Heizvorrichtung 60 ist im Hauptkörper 12 integriert angeordnet und kann einen mäanderförmigen Heizabschnitt aufweisen. Die Heizvorrichtung 60 ist vorzugsweise eine Widerstandsheizung, die den Hauptkörper 12 auf dem Prinzip des elektrischen Widerstands heizen kann. Folglich kann anhand des elektrischen Widerstands der Heizvorrichtung 60 die Temperatur des Hauptkörpers 12 ermittelt werden.
Die Betriebsweise zum Ermitteln des Stickoxidgehalts im Abgas der Brennkraftmaschine mittels des offenbarten Stickoxidsensors 10 ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt, auf den an dieser Stelle verwiesen wird. Das aus dem Stand der Technik bekannte regelungstechnische Steuerungsprinzip für den Stickoxidsensor 10 der 1 ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Elektrodenspannungen bzw. Nernstspannungen V0, V1, V2 durch Anlegen und Anpassen der Pumpströme IP0, IP1 und des Messstroms IP2 auf jeweils vorbestimmten Sollwerten gehalten werden, die über die Lebenszeit des Stickoxidsensors 10 unveränderlich sind und von Werk aus einmalig vorbestimmt sein können. Hierzu weist der Stickoxidsensor 10 eine Steuereinheit (nicht explizit gezeigt) auf, die mit den Elektroden 22, 24, 34, 44, 52 elektrisch verbunden und dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Elektroden mit elektrischem Strom anzusteuern, damit die jeweiligen Elektrodenspannungen bzw. Messspannung bzw. Nernstspannungen V0, V1 V2 auf den vorbestimmten Sollwerten gehalten werden.
Der erste Pumpstrom IP0 kann also den Sauerstoffgehalt im Abgas anzeigen. Ferner kann auf der Grundlage des ersten Pumpstroms IP0 ein erster Lambdawert ermittelt werden, der als linearer Lambdawert bezeichnet werden kann. Der Abgassensor 10 kann also als lineare Lambdasonde fungieren. Wenn von einer linearen Lambdasonde (oder einem linearen Lambdawert) gesprochen wird, so handelt es sich dabei insbesondere um eine Breitbandsonde. Mit der linearen Lambdasonde lässt sich nicht nur zwischen „mager“ und „fett“ unterscheiden, sondern es wird aufgrund eines im Wesentlichen linearen Zusammenhangs zwischen einem Messwert und dem Sauerstoffgehalt des Abgasstroms der Lambdawert bzw. der Sauerstoffgehalt des Abgasstroms genau gemessen. Die Breitbandsonde misst daher nicht nur z.B. in einem stöchiometrischen Punkt Lambda = 1, sondern auch im mageren und im fetten Bereich die genauen Beträge und kann einen Übergang des Gemischs von mager zu fett oder umgekehrt darstellen.
Zudem kann basierend auf der vierten Elektrodenspannung V3 ein zweiter Lambdawert ermittelt werden, der als binärer Lambdawert bezeichnet werden kann. Wenn vorliegend von einer binären Lambdasonde (oder einem binären Lambdawert) gesprochen wird, so handelt es sich dabei insbesondere um eine Sprungsonde. Die binäre Lambdasonde ist insbesondere dazu eingerichtet, einen ersten Wert für ein mageres Gemisch und einen zweiten Wert für ein fettes Gemisch auszugeben. „Binär“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Lambdasonde die zwei Zustände „fett“ und „mager“ messen kann, also z.B. Lambda > 1 und Lambda < 1 unterscheiden kann, ohne jedoch den genauen Lambdawert bzw. Sauerstoffgehalt im Abgas messen zu können.
Die 2 zeigt ein Diagramm für Verläufe des Sauerstoffgehalts und der Temperatur des Hauptkörpers 12 gegenüber der Zeit für einen Abgassensor 10, der gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Bei der 2 ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate sind zum einen die Temperatur T und zum anderen der Sauerstoffgehalt O2 aufgetragen.
Die gestrichelte Linie 202 der 2 zeigt den Verlauf der Temperatur des Hauptkörpers 12 des Abgassensors 10 der 1 gegenüber der Zeit t an, wohingegen die gestrichelte Linie 204 den Verlauf des Sauerstoffgehalts O2 in der ersten Pumpkavität 20 des Abgassensors 10 der 1 gegenüber der Zeit t darstellt. An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass die Linie 204 ebenso auch den prinzipiellen Verlauf des Sauerstoffgehalts O2 in der zweiten Pumpkavität 30 entsprechen und anzeigen kann. Dieser Verlauf ist jedoch gegenüber dem zeitlichen Verlauf des Sauerstoffgehalts in der ersten Pumpkavität 20 um einige Millisekunden (ca. 100 bis 200 ms) verzögert, da das Gas innerhalb des Hauptkörpers 12 erst aus der ersten Pumpkavität 20 in die zweite Pumpkavität 30 strömen bzw. diffundieren muss.
Aus dem Diagramm der 2 geht hervor, dass die Brennkraftmaschine und der Abgassensor 10 bis zum Zeitpunkt t1 normal betrieben werden. Folglich wird die Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 mittels der Heizvorrichtung 60 auf seiner Betriebstemperatur T_HK gehalten. Ebenso wird mittels des Pumpstroms IP0 der Sauerstoffgehalt O2_PK innerhalb der Pumpkavität 20 durch Herauspumpen des Sauerstoffs aus derselbigen auf dem vorbestimmten Niveau gehalten. Entsprechend sind die Verläufe 202, 204 der Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 und des Sauerstoffgehalts O2_PK innerhalb der Pumpkavität 20 im Wesentlichen konstant.
Wird zum Zeitpunkt t1 die Brennkraftmaschine abgeschaltet und nicht weiter betrieben, wird, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, auch gleichzeitig der Abgassensor 10 abgeschaltet und von der Bordspannung getrennt. Das bedeutet, dass sowohl die Heizvorrichtung 60 als auch die Pumpströme IP0, IP1 deaktiviert sind und folglich auch kein Herauspumpen des Sauerstoffs aus der Pumpkavität 20 erfolgt.
Nach dem Zeitpunkt t1 kühlt folglich die Temperatur des Hauptkörpers 12 stetig ab (siehe Verlauf 202 in der 2) und erreicht zum Zeitpunkt t2 einen Oxidations-Temperaturschwellenwert T_OS, der eine Grenze anzeigt, ab der bei Unterschreitung derselben die Pumpelektrode 24 nicht weiter oxidieren kann, da der Hauptkörper 12 des Abgassensors 10 zu kühl ist. Im Umkehrschluss bedeutet dies aber, dass in dem Zeitraum zwischen t1 und t2 eine Oxidation der Pumpelektrode 24 stattfinden kann, da, wie die Linie 204 in der 2 anzeigt, nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine der Sauerstoffgehalt O2_PK innerhalb der Pumpkavität 20 kontinuierlich ansteigt. Das begründet sich dadurch, dass Sauerstoff, der ab diesem Zeitpunkt in den Hauptkörper 12 einströmt bzw. hineindiffundiert, nicht mehr ausgepumpt wird und sich in den Kavitäten 20, 30, 40, insbesondere in der Pumpkavität 20, ansammelt. Folglich steigt der Sauerstoffgehalt in der Pumpkavität 20 stetig an. Der Verlauf 204 des Sauerstoffgehalts O2_PK hat ihre Grenze bei circa 21 %, was dem Sauerstoffanteil in der Luft entspricht.
Aufgrund des in die Pumpkavität 20 nach Abschalten der Brennkraftmaschine strömenden Sauerstoffs ist folglich eine erhöhte Oxidation der Pumpelektrode 24 möglich, was dazu führen kann, dass bei einem später erneuten Betreiben des Abgassensors 10 nicht nur der in der Pumpkavität 20 angesammelte Sauerstoff herausgepumpt werden muss, sondern auch die Pumpelektrode 24 von den Oxidationen befreit werden müssen. Dadurch ist die Zeit, bis der Abgassensor 10 seine volle Funktionalität und Messbereitschaft erreicht hat, verlängert.
Die vorliegende Erfindung adressiert diese vorgenannte Problem und schlägt vor, nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine den Abgassensor 10 zumindest vorübergehend weiter zu betreiben, damit der Sauerstoffgehalt in der Pumpkavität 20 möglichst so lange gering bleibt, bis der Hauptkörper 12 einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert unterschritten hat, ab dem eine Oxidation der Pumpelektrode 24 signifikant reduziert ist.
Hierzu zeigt die 3 ein Diagramm für Verläufe des Sauerstoffgehalts O2_PK innerhalb der Pumpkavität 20 und der Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 gegenüber der Zeit t für einen Abgassensor 10, der gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
Wenn zum Zeitpunkt t1 ermittelt wird, dass die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist, wird die Heizvorrichtung 60 des Abgassensors 10 deaktiviert, jedoch erfolgt weiterhin ein Herauspumpen des Sauerstoffs aus der Pumpkavität 20 durch Anlegen des Pumpstroms IP0 an der Pumpelektrode 24. Durch das Deaktivieren der Heizvorrichtung 60 fällt die Temperatur des Hauptkörpers 12 wiederum von der normalen Betriebstemperatur T_HK ab und erreicht wiederum zum Zeitpunkt t2 den Oxidations-Temperaturschwellenwert T_OS (siehe Verlauf 202 in der 3). Aufgrund der Tatsache, dass nunmehr erfindungsgemäß nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt t1 die erste Pumpelektrode 24 weiterhin bestromt wird und folglich Sauerstoff aus der Pumpkavität 20 herausgepumpt wird, verbleibt der Sauerstoffgehalt O2_PK in der Pumpkavität 20 auch nach dem Zeitpunkt t1 auf dem gewünschten niedrigen Niveau.
Erfindungsgemäß kann zum Zeitpunkt t3 auch das Anlegen des ersten Pumpstroms IP0 unterbrochen und folglich der Abgassensor 10 vollständig deaktiviert bzw. abgeschaltet werden. Aufgrund dessen steigt nach dem Zeitpunkt t3 der Sauerstoffgehalt O2_PK in der Pumpkavität 20 wieder an (siehe Verlauf 206 in der 3). Dabei ist es wünschenswert, den Zeitpunkt t3 möglichst nahe zum Zeitpunkt t2 zu bringen, damit das Zeitintervall zwischen t3 und t2 möglichst gering ist, während dem eine Oxidation der ersten Pumpelektrode 24 stattfinden kann.
Aufgrund der sich ab dem Zeitpunkt t2 stetig verringernden Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 des Abgassensors 10 ist es notwendig, den vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert kontinuierlich der Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 des Abgassensors 10 anzupassen, damit die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Hauptkörpers 12 auf dem gewünschten niedrigen Niveau gehalten werden kann.
Durch das vorübergehende weitere Betreiben und Herauspumpen des Sauerstoffs aus dem Hauptkörper 12 des Abgassensors 10 nach dem Abschalten der Brennkraftmaschine kann die Oxidation der Elektroden 24, 34 weitestgehend reduziert werden, was dazu führen kann, dass beim später erneuten Betreiben des Abgassensors 10 die Messbereitschaft bzw. die vollständige Funktionalität des Abgassensors 10 früher erreicht werden kann. Dadurch können die Emissionen nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine reduziert werden, da die Brennkraftmaschine durch eine bereits frühzeitig verfügbare messgenaue Stickoxiderfassung mittels des Abgassensors 10 optimal bzw. stöchiometrisch betrieben werden kann.
Das Verfahren der 4 startet beim Schritt 400 und gelangt dann zum Schritt 410, bei dem überprüft wird, ob die Brennkraftmaschine betrieben wird oder nicht. Das Verfahren der 4 verbleibt solange beim Schritt 410, bis ein Abschalten der Brennkraftmaschine ermittelt worden ist.
Wird beim Schritt 410 ermittelt, dass die Brennkraftmaschine abgeschaltet worden ist, gelangt das Verfahren zum Schritt 420, an dem die Heizvorrichtung 60 des Abgassensors 10 deaktiviert wird.
In einem darauffolgenden Schritt 430, der auch gleichzeitig zum Schritt 420 ausgeführt werden kann, wird der Abgassensor 10 weiterhin derart betrieben, dass der erste Pumpstrom IP0 weiterhin an der ersten Pumpelektrode 24 angelegt wird, um die erste Elektrodenspannung V0 auf einem vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert zu halten, insbesondere auf dem vorbestimmten Elektrodenspanungssollwert im normalen Messbetrieb des Abgassensors (10), wie beispielsweise bei 550 mV. Das Anlegen des ersten Pumpstroms IP0 führt dazu, dass weiterhin Sauerstoff aus der ersten Pumpkavität 20 herausgepumpt wird. Bei deaktivierter Brennkraftmaschine kann nämlich das sich noch im Abgastrakt befindliche Abgas weiterhin in den Hauptkörper 12, insbesondere in die erste Pumpkavität 20, strömen und kann erfindungsgemäß herausgepumpt werden.
Bei einem darauffolgenden Schritt 440 wird die Temperatur des Hauptkörpers 12 ermittelt. Beispielsweise kann hierfür der elektrische Widerstand der Heizvorrichtung 60 ermittelt werden, von welchem die Temperatur des Hauptkörpers 12 abgeleitet werden kann.
Bei einem darauffolgenden Schritt 450 wird überprüft, ob die beim Schritt 440 ermittelte Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 den vorbestimmten Oxidations-Temperaturschwellenwert T_OS unterschritten hat. Wird beim Schritt 450 ermittelt, dass die Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 noch größer ist als der vorbestimmte Oxidations-Temperaturschwellenwert T_OS, gelangt das Verfahren wieder zurück zum Schritt 430.
Wird jedoch beim Schritt 450 ermittelt, dass die beim Schritt 440 ermittelte Temperatur T_HK des Hauptkörpers 12 den vorbestimmten Oxidations-Temperaturschwellenwert T_OS unterschritten hat, gelangt das Verfahren zum Schritt 460, bei dem der erste Pumpstrom IP0 unterbrochen wird und folglich der Abgassensor 10 vollständig deaktiviert wird, bevor das Verfahren beim Schritt 470 beendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10309422 B4 [0006]
US 7654077 B2 [0006]
US 10513961 B2 [0006]
US 9109480 B2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines einen Hauptkörper (12) aufweisenden Abgassensors (10) einer Brennkraftmaschine, wobei der Abgassensor (10) eine im Hauptkörper (12) angeordnete Pumpkavität (20, 30, 40), in der eine Pumpelektrode (24, 34, 44) angeordnet ist, eine im Hauptkörper (12) angeordnete Referenzkavität (50), die mit der Umgebungsluft des Abgassensors (10) zum Bereitstellen einer Sauerstoffreferenz für die Pumpelektrode (24, 34, 44) in Verbindung steht und in der eine Referenzelektrode (52) angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung (60) aufweist, die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper (12) auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen, wobei das Verfahren aufweist: - Ermitteln eines Abschaltens der Brennkraftmaschine, - Deaktivieren der Heizvorrichtung (60), und - Ausbringen von Sauerstoff aus der Pumpkavität (20, 30, 40) durch Anlegen eines Pumpstroms (IP0, IP1, IP2) an der Pumpelektrode (24, 34, 44) derart, dass eine sich zwischen der Pumpelektrode (24, 34, 44) und der Referenzelektrode (52) ausbildende Elektrodenspannung (V0, V1, V2) auf einem vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit: - Ermitteln der Temperatur des Hauptkörpers (12), und - Einstellen des an der Pumpelektrode (24, 34, 44) angelegten Pumpstroms (IP0, IP1, IP2) zumindest teilweise basierend auf der ermittelten Temperatur des Hauptkörper (12).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln der Temperatur des Hauptkörpers (12) aufweist: - Ermitteln des elektrischen Widerstands der Heizvorrichtung (12), und - Ermitteln der Temperatur des Hauptkörpers (12) zumindest teilweise basierend auf dem ermittelten elektrischen Widerstand der Heizvorrichtung (60).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, ferner mit: - Beenden des Ausbringens von Sauerstoff aus der Pumpkavität (20, 30, 40) durch Anlegen des Pumpstroms (IP0, IP1, IP2) an der Pumpelektrode (24, 34, 44), wenn die ermittelte Temperatur des Hauptkörper (12) einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Anlegen des Pumpstroms (IP0, IP1, IP2) an der Pumpelektrode (24, 34, 44) zum Halten der Elektrodenspannung (V0, V1, V2) auf dem vorbestimmten Elektrodenspannungssollwert der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert derart gewählt ist, dass der innerhalb der Pumpkavität (20, 30, 40) vorliegende Sauerstoffgehalt unterhalb eines vorbestimmten Sauerstoffschwellenwerts liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Elektrodenspannungssollwert in Abhängigkeit der Temperatur des Hauptkörpers (12) angepasst wird.
Abgassensor (10) für eine Brennkraftmaschine, mit: - einem Hauptkörper (12), - einer im Hauptkörper (12) angeordneten Pumpkavität (20, 30, 40), in der eine Pumpelektrode (24, 34, 34) angeordnet ist, - einer im Hauptkörper (12) angeordneten Referenzkavität (50), die mit der Umgebungsluft des Abgassensors (10) zum Bereitstellen einer Sauerstoffreferenz für die Pumpelektrode (24, 34, 44) in Verbindung steht und in der eine Referenzelektrode (52) angeordnet ist, - einer Heizvorrichtung (60), die dazu ausgebildet ist, den Hauptkörper (12) auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, und - einer Steuereinheit, die mit der Pumpelektrode (24, 34, 44) und der Heizvorrichtung (60) verbunden und dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zum Betreiben des Abgassensors (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Brennkraftmaschine mit einem Abgassensor (10) nach Anspruch 7.