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DE19806110C2 - Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl Lambda und Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl Lambda und Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens

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DE19806110C2
DE19806110C2 DE19806110A DE19806110A DE19806110C2 DE 19806110 C2 DE19806110 C2 DE 19806110C2 DE 19806110 A DE19806110 A DE 19806110A DE 19806110 A DE19806110 A DE 19806110A DE 19806110 C2 DE19806110 C2 DE 19806110C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Sensoranordnung nach An­ spruch 3 und die Verwendung der Sensoranordnung.
Die EP 00 56 752 B1 offenbart einen Sauerstoffsensor mit einem Titandioxid-Widerstands­ element und einem Chromoxid-Widerstandselement als Kompensator. Der Sauerstoffsensor wird insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoff-Gehaltes in Abgasen von Verbrennungsanlagen verwendet. Da der Widerstand des Titanoxids eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und dem Sauerstoffpartialdruck im umgebenden Abgas besitzt, kann allein mit Titanoxid keine ein­ deutige Zuordnung zwischen einem Widerstandswert des Titanoxids und einem Sauerstoffparti­ aldruck getroffen werden. Zur Kompensation einer Widerstandsänderung des Titanoxids aufgrund einer Temperaturänderung ist daher ein Chromoxid-Widerstandselement mit dem Titandioxid- Widerstandselement mit Hilfe von drei Anschlüssen in Reihe geschaltet. Der mittlere der drei An­ schlüsse, der einerseits das Titandioxid-Widerstandselement und andererseits das Chromoxid- Widerstandselement kontaktiert, ist ein gemeinsamer Anschluß, welcher als Spannungsabgriff verwendet wird. Die dort abgegriffene Spannung U ist direkt abhängig vom Sauerstoffparialdruck. Die US 44 07 704 beschreibt einen Sensor und ein Verfahren zur Bestimmung von Sauerstoff- Konzentrationen. Der Sensor wird nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit einem Sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und Elektroden betrieben. Das Verfahren beschreibt das Anlegen einer Wechselspannung an den Sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten zu des­ sen Beheizung.
Die EP 00 40 662 A1 beschreibt einen Temperatur-kompensierten elektrochemischen Sauerstoff­ sensor, seine Herstellung und ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Ab­ gasen von Verbrennungsmotoren. Der Sauerstoffsensor weist einen keramischen Träger mit drei Elektroden auf, die mit zwei unterschiedlichen resistiven Schichten belegt sind. Dabei werden diese Schichten in Reihe geschaltet. Eine der resistiven Schichten besitzt einen Widerstand, der abhängig ist von der Temperatur und vom Sauerstoffpartialdruck, während der Widerstand der anderen resistiven Schicht nur eine Abhängigkeit von der Temperatur aufweist. Die mittlere der drei Elektroden ist ein gemeinsamer Anschluß, welcher als Spannungsabgriff verwendet wird. Die dort abgegriffene Spannung U ist direkt abhängig vom Sauerstoffparialdruck.
Die DE 42 10 398 A1 offenbart eine Anordnung zur Bestimmung eines Gaspartialdruckes in Gas­ gemischen. Die Anordnung besteht aus zwei Gassensoren, die jeweils aus einem resistiven Ma­ terial bestehen, beispielsweise aus einem Metalloxid wie SrTiO3. Das Material SrTiO3 weist eine Abhängigkeit von Sauerstoffpartialdruck und von der Temperatur auf. Daher wird ein Gassensor durch Dotierung so eingestellt, daß er keine Abhängigkeit von Sauerstoffpartialdruck mehr auf­ weist und als Kompensator für den anderen Gassensor verwendet werden kann. Der durch Dotie­ rung veränderte Gassensor wird gleichzeitig als Temperatursensor für die Sensorheizung ver­ wendet.
Die EP 00 01 512 A1 beschreibt einen Gassensor mit zwei in Serie geschalteten keramischen Sensorelementen, der bei hohen Temperaturen im Abgas von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Eines der Sensorelemente besitzt einen Widerstand, der eine Abhängigkeit vom Sauerstoff­ partialdruck und von der Temperatur aufweist. Das andere Sensorelement ist ein keramischer Thermistor.
Die DE 43 02 779 A1 zeigt ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit von Abgaskata­ lysatoren. Um die Konvertierungsrate eines Katalysators zu überprüfen, ist im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine ein Temperatursensor stromabwärts des Katalysators angeordnet. Nach einem gezielt hergestellten Abgasimpuls wird die Temperaturentwicklung hinter dem Katalysator mit dem Temperatursensor verfolgt und daraus Rückschlüsse auf die Aktivität des Katalysator gezogen.
Aus DE 38 35 852 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Abgastemperatur bekannt, bei dem der Innenwiderstand einer im Abgas angeordneten Lambda-Sonde gemessen wird. Durch Kennt­ nis des Zusammenhangs zwischen Innenwiderstand (Ri) und Sondentemperatur (Ts) wird, statio­ näre Verhältnisse vorausgesetzt, auf die Abgastemperatur (Ta) geschlossen. In DE 38 35 852 A1 werden zusätzliche Möglichkeiten angegeben, den Einfluß der Gemischzusammensetzung auf die Genauigkeit der Temperaturmessung zu berücksichtigen. Das durch diesen Stand der Tech­ nik bekannte Verfahren arbeitet mit einer Genauigkeit von 0,5 Prozent. Sollen genauere Ergeb­ nisse erzielt werden, so erfordert dies gemäß DE 38 35 852 A1 eine Vielzahl von Innenwider­ stands-Temperatur-Kennlinien für jeweils unterschiedliche Lambdawerte. Darüberhinaus gehen die Betriebsbedingungen in den rechnerischen Zusammenhang von Ts und Ta ein.
DE 43 39 692 A1 gibt ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur mit einer elektrisch beheizten Lambdasonde an, wobei durch die jeweilige elektrische Leistung, die notwendig ist um die Lambdasonde auf einer konstanten Temperatur zu halten, auf die Abgas­ temperatur geschlossen wird. Bei annähernd konstantem Abgasdurchfluß kann die Abgastempe­ ratur damit direkt ermittelt werden. Ändert sich jedoch der Abgasdurchfluß je nach Betriebszu­ stand der Verbrennungsanlage, so muß für den jeweiligen Betriebszustand eine Kennlinie aufge­ zeichnet werden, die in der Zusammenschau ein Kennfeld ergeben. Auch andere den Betriebs­ zustand und damit die Meßungenauigkeit der Sensoren beeinflussende Parameter müssen bei der Ermittlung der Abgastemperatur berücksichtigt werden. Beispielsweise besteht ein Zusam­ menhang zwischen der Drehzahl und dem Abgasdurchfluß, so dass auch hier ein Kennfeld für die Bestimmung der Abgastemperatur über die elektrische Leistung und die Drehzahl zu verwen­ den ist. Weitere Parameter können der Drosselklappenwinkel oder der Saugrohrdruck sein. Aus der Vielzahl der möglichen Einflußparameter ergibt sich, dass eine hohe Genauigkeit mit diesen Verfahren nicht zu erwarten ist.
In der DE 43 20 881 wird die Kombination einer beheizten Lambda-Sonde mit sprungförmiger Sensoracharakteristik mit einer weiteren λ-Sonde mit stetiger Charakteristik beschrieben. Durch die räumliche Nähe der beiden Sensorelemente kann das stetige Signal mittels des sprungförmi­ gen Signals bei bekannter Sondentemperatur kalibriert werden. Der zusätzlich aufgebrachte elek­ tronenleitende Temperatursensor dient der Messung der Sondentemperatur zwecks Regelung der Temperatur auf ein konstantes Niveau. Eine Berechnung der Abgastemperatur analog zu den Verfahren aus DE 38 35 852 A1 sowie DE 43 39 692 A1 ist hier nicht beschrieben. Das bei DE 38 35 852 A1 sowie DE 43 39 692 A1 betrachtete temperatursensitive Element ist der Innen­ widerstand des ionenleitenden Elektrolyten. Der Innenwiderstand des Elektrolyten ist jedoch erst bei höheren Temperaturen im Bereich meßbarer Widerstände. Die Messung von Abgasen im Bereich 0 bis 250°C ist nicht möglich.
Aufgrund von Polarisationserscheinungen ist die Messung des Innenwiderstands mit großem meßtechnischen Aufwand verknüpft. Die dort vorgeschlagenen λ-Sonden sind hinsichtlich ihrer Geometrie sehr ungünstig, da, bedingt durch die geringe Eintauchtiefein das Abgasrohr, nur die Randströmung erfaßt und das Meßergebnis durch die Temperatur des Abgasrohres stark ver­ fälscht wird.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine geeignete Sensoranord­ nung zur Ermittlung der Abgastemperatur und von Lambda anzugeben, die eine präzise Tempe­ raturmessung über dem gesamten Temperaturbereich und bei unterschiedlichen Betriebsbedin­ gungen, insbesondere auch im instationären Fall, mit geringem meßtechnischen Aufwand er­ laubt.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, für eine entsprechende Sensoranordnung durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst, wobei der Sensor mit seinem temperatur­ sensitiven Element und mit seinem sauerstoffsensitiven Element mindestens 20% in die Tiefe eines Katalysatorkörpers oder eines Abgasrohres an einer Stelle nach dem Katalysator eintaucht und dabei die Messung der Abgastemperatur bei ausgeschalteter Heizung erfolgt und die Mes­ sung der Abgastemperatur nur bei einer Abgastemperatur größer 250°C gleichzeitig mit der Sau­ erstoffmessung bzw. der Ermittlung von Lambda erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 4 bis 12 enthalten.
Vorteilhafterweise wird die Ermittlung von Lambda mittels eines potentiometrischen (ohne Span­ nungsquelle), amperometrischen oder resistiven Meßverfahrens ausgeführt.
Für die Sensoranordnung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das temperatursensitive Element und das sauerstoffsensitive Element in Dünn- oder/und Dickschichttechnik auf einem elektrisch isolierenden Träger, beispielsweise Aluminiumoxid, oder auf einer elektrisch isolierenden Schicht aufzutragen, wobei das temperatursensitive Element von einem elektronenleitenden oder einem halbleitenden Material gebildet wird.
Als elektronenleitendes Material wird ein Platingruppenmetall, insbesondere Platin oder eine Pla­ tinlegierung eingesetzt. Je nach konkreter Ausführung kann ein Platin-Widerstandselement mit PTC-Charakteristik (positiver Temperaturkoeffizient) oder beispielsweise ein Pt/PtRh- Thermoelement vorteilhaft sein.
Alternativ hat es sich auch bewährt, halbleitende Thermistoren auf der Basis von Aluminium-, Chrom- und/oder Eisenoxid zu verwenden, die eine NTC-Charakteristik (negativer Temperatur­ koeffizient) zeigen.
Was das sauerstoffsensitive Element betrifft, so hat sich dafür, soweit das potentiometrische oder amperometrische Meßprinzip angewendet wird, ZrO2 als Material bewährt. Für resistive Senso­ ren sollen perowskitische Halbleitermaterialien, insbesondere Titanate eingesetzt werden. Anspruch 13 betrifft die Verwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 3 in einem Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren sich besonders dafür eignet zur Überprüfung der Funk­ tionsfähigkeit eines Katalysators herangezogen zu werden, indem beispielsweise die bei der ka­ talytischen Umsetzung von Abgasbestandteilen entstehende Wärmetönung mit dem Temperatur­ sensor erfaßt wird und die Intensität dieser Wärmetönung ein Maß für den Umsetzungsgrad des Katalysators ist. Weiterhin kann die ermittelte Abgastemperatur oder/und der ermittelte λ-Wert mit einem Temperatur- bzw. λ-Wert eines weiteren im Abgasstrom eingebauten Temperatur- oder λ- Sensors verglichen und/oder zu deren Kalibration verwendet werden. Im Einzelnen ist mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung als Vergleichsmessung die Kalibration eines ersten λ- Sensors mit einem zweiten λ-Sensor im heißen Betriebszustand (warmgelaufener Motor), die so­ genannte On-Board-Diagnose des Katalysatorfunktion mittels Messung der Temperaturdifferenz zweier Temperatursensoren (während heißem Betrieb) und die Kalibration zweier Temperatur­ sensoren bei Raumtemperatur (Abgleich auf gleiche Temperatur) durchzuführen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1a und 1b eine Draufsicht auf die Vorderseite (Fig. 1a) und die Rückseite (Fig. 1b) ei­ nes beheizten Sensors, wobei die Vorderseite perspektivisch abgebildet ist;
Fig. 2 einen Schitt durch ein Sensorgehäuse mit dem Sensor nach Fig. 1a und 1b.
Die Fig. 1a zeigt die Vorderseite eines als flaches Stäbchen ausgebildeten Trägerelementes 1 aus Al2O3, auf dem an einem Ende zwei Kontaktpads 2, 2' angeordnet sind. Von diesen Kon­ taktpads 2, 2' führt je eine Zuleitung 3, 3' zum anderen Ende des Trägerelementes, wo ein Meß­ widerstand aufgebracht und mit den Zuleitungen 3, 3' kontaktiert ist. Als Meßwiderstand wird ein Pt 200 Widerstand verwendet, der hier als temperatursensitives Element 4 dient.
Fig. 1b zeigt die Rückseite des Trägerelementes 1, auf der ein Heizelement 5 mit zugeordneten Zuleitungen 13, 13' sowie den Kontaktpads 12, 12', und ein sauerstoffsensitives Element 6 in Form einer Schicht aus SrTiO3 aufgebracht sind. Auf dem als Schicht ausgebildeten sauerstoff­ sensitiven Element 6 sind zwei edelmetallhaltige Elektroden 7, 7' angeordnet, deren Zuleitungen 23, 23' zu den Kontaktpads 22, 22' führen. Die Schicht stellt zusammen mit den beiden Elektro­ den 7, 7' einen resistiven Lambdasensor dar. Mit dem Sensor gemäß Fig. 1a und 1b kann gleichzeitig die Abgastemperatur und der Sauerstoffpartialdruck im Abgas ermittelt werden.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Sensorgehäuse 8 dargestellt, das im Innern den Sensor gemäß der Erfindung mit dem Trägerelement 1 aufweist. Das Gehäuse 8 umfaßt ein metallisches Schutzrohr 9 mit einer Schutzkappe 19, die in das Meßgas eintaucht, einen Anschlagbund 10 für eine Überwurfmutter 10', eine Dichtung 11, einen Kabelanschluß 14, Kontaktklipps 15 und im Innern des Schutzrohres 9 zur Abstützung des Trägerelementes 1 hochtemperaturfeste Dämp­ fungspolster 16. Die Schutzkappe 19 weist mindestens eine Gaszutrittsöffnung 17 auf, die hier als Loch an der Spitze der Schutzkappe 19 ausgebildet ist. Der Einbau in ein derartig ausgebil­ detes Sensorgehäuse 8 hat sich insbesondere für die Verwendung des Sensors in einem Verfah­ ren zur Abgasmessung im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen bewährt.

Claims (13)

1. Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl Lambda mit einem beheizbaren Sensor, der auf einem elektrisch isolierenden Träger oder einer elek­ trisch isolierenden Schicht ein temperatursensitives Element (4) und ein sauerstoffsensitives Element (6) aufweist, wobei die Messung der Abgastemperatur bei ausgeschalteter Heizung erfolgt und die Messung der Abgastemperatur nur bei einer Abgastemperatur größer 250°C gleichzeitig mit der Ermittlung von Lambda erfolgt.
2. Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoffverhältniszahl Lambda nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung von Lambda mittels eines re­ sistiven, potentiometrischen oder amperometrischen Meßprinzips erfolgt.
3. Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor mit seinem temperatursensitiven Element (4) und seinem sau­ erstoffsensitiven Element (6) mindestens 20% in die Tiefe, eines Katalysatorskörpers oder ei­ nes Abgasrohres an einer Stelle nach einem Katalysator eintaucht.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatursensitive Element (4) von einem elektronenleitenden oder einem halbleitenden Material gebildet wird, das in Dünn- oder/und Dickschichttechnik auf dem elektrisch isolierenden Träger oder der elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatursensitive Element (4) aus elektronenleitendem Material ein Widerstandselement mit PTC-Charakteristik oder ein Thermoelement ist.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatursensitive Element (4) aus halbleitendem Material ein Thermistor ist.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenleitende Material des temperatursensitiven Elementes (4) ein Platingruppenmetall enthält.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Platingruppenmetall Platin oder eine Platinlegierung ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den halbleiten­ den Thermistor ein keramisches Material mit NTC-Charakteristik verwendet wird.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material des Thermistors aus Aluminium-, Chrom-, und/oder Eisenoxid gebildet wird.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffsensitive Element (6) von einem im wesentlichen ZrO2 enthaltenden Material gebildet wird und nach dem potentiometrischen oder amperometrischen Meßprinzip arbeitet.
12. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffsensitive Element (6) von perowskitischen Halbleitermaterialien, insbesondere von Titanaten, gebildet wird und nach dem resistiven Meßprinzip arbeitet.
13. Verwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 3 in einem Verfahren nach Anspruch 1 zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators und/oder zur Kalibrierung weiterer Sensoren im Abgasstrom gleicher Zusammensetzung.
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