DE19845927A1

DE19845927A1 - Verfahren zum Prüfen eines Meßfühlers

Info

Publication number: DE19845927A1
Application number: DE19845927A
Authority: DE
Inventors: Lothar Diehl; Alexander Bareiss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-10-06
Filing date: 1998-10-06
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2018-10-07
Also published as: US6266993B1; JP4603645B2; DE19845927B4; JP2000111514A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Meßfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch, der eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von einer Nernst-Meßzelle gelieferte Detektionsspannung bereitstellt, die von einer Schaltungsanordnung ausgewertet wird, wobei die Detektionsspannung zwischen einer ersten, dem Gasgemisch ausgesetzten Elektrode und einer zweiten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode, abgegriffen wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß der Meßfühler (10) auf Betriebstemperatur erwärmt wird, und daß die Nernst-Meßzelle (12) mit einer konstanten Prüfspannung (Up) und einem Gasgemisch (24') mit definierter Sauerstoffkonzentration beaufschlagt wird und ein Meßstrom (I¶M¶) der Nernst-Meßzelle (12) ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Meßfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentra tion in einem Gasgemisch, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Der artige Meßfühler dienen dazu, über die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von Verbren nungskraftmaschinen die Einstellung eines Kraft stoff-Luft-Gemisches zum Betreiben der Verbrennungskraftma schine vorzugeben. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann im sogenannten fetten Bereich vorliegen, das heißt, der Kraftstoff liegt im stöchiometrischen Überschuß vor, so daß im Abgas nur eine geringe Menge an Sauer stoff gegenüber anderen teilweise unverbrannten Be standteilen vorhanden ist. Im sogenannten mageren Be reich, bei dem der Sauerstoff der Luft in dem Kraft stoff-Luft-Gemisch überwiegt, ist eine Sauerstoffkon zentration in dem Abgas entsprechend hoch.

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas sind sogenannte Lambda-Sonden bekannt, die im mageren Bereich einen Lambdawert <1, im fetten Bereich einen Lambdawert <1 und im stöchiometrischen Bereich einen Lambdawert =1 detektieren. Eine Nernst-Meßzelle des Meßfühlers liefert hierbei in bekannter Weise eine Detektionsspannung, die einer Schaltungsanordnung zugeführt wird.

Bei einem bekannten Aufbau des Meßfühlers ist eine Elektrode der Nernst-Meßsonde dem zu überwachenden Gasgemisch (Abgas) ausgesetzt und eine zweite Elek trode einem Referenzgas. Die Elektroden sind hierbei auf gegenüberliegenden Seiten eines Festelektrolyten angeordnet. Aufgrund der in dem zu messenden Gasge misch vorhandenen Sauerstoffkonzentration stellt sich ein Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwischen den Elektroden ein. Die Nernst-Meßzelle wird mit einem konstanten Strom beaufschlagt, wobei sich aufgrund des vorhandenen Sauerstoffkonzentrationsunterschiedes an den Elektroden eine bestimmte Detektionsspannung einstellt. Mit Ansteigen oder Abfallen der Sauer stoffkonzentration in dem zu messenden Gasgemisch fällt die Detektionsspannung ab beziehungsweise steigt an.

Es ist bekannt, derartige Meßfühler als planare Breitband-Lambdasonden in einer sogenannten Dick schichttechnik herzustellen. Hierbei werden die ein zelnen Funktionselemente des Meßfühlers schichtförmig übereinander angeordnet und strukturiert. Dieser Schichtaufbau wird beispielsweise durch Foliengießen, Stanzen, Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen erhalten. Es hat sich herausge stellt, daß aufgrund von fertigungsbedingten Verun reinigungen in einem Referenzraum des Meßfühlers ein unterschiedlicher Referenzgasverbrauch auftreten kann. Da jedoch zum Erzielen einer genauen Detek tionsspannung während des bestimmungsgemäßen Einsat zes der Meßfühler ein Referenzluftverbrauch einen wesentlichen Einfluß auf die Detektionsspannung hat, unterliegen die an sich mit gleichen Verfahrens schritten hergestellten Meßfühler einer Streuung in ihrem Ausgangssignal.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Prüfen eines Meß fühlers mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß eine exakte Einordnung der Meßfühler nach der Fertigung erfolgen kann. Dadurch, daß die Nernst-Meßzelle mit einer konstanten Prüf spannung und einem Gasgemisch mit definierter Sauer stoffkonzentration beaufschlagt wird und ein sich über der Zeit einstellender Meßstrom der Nernst-Meß zelle ausgewertet wird, kann in einfacher Weise ein Referenzluftverbrauch von Verunreinigungen im Refe renzraum ermittelt werden.

Durch die Ermittlung von Verunreinigungen im Refe renzraum des Meßfühlers, die beispielsweise von Fett belägen, Stanzöl, Handschweiß oder dergleichen her rühren können, läßt sich eine Oxidation dieser Verun reinigung bei einer späteren Erwärmung, insbesondere bei dem bestimmungsgemäßen Einsatz der Meßfühler vor hersagen. Durch die erfindungsgemäße Überprüfung kann sehr vorteilhaft eine Fertigungsüberwachung auf even tuell vorhandene Referenzluftverbraucher (Verunreini gungen), eine Chargenfreigabe oder eine Stoffselek tion erfolgen. Aufgrund des sich einstellenden Prüf stromes, bei konstanter Prüfspannung und anliegendem Gasgemisch mit konstanten Sauerstoffkonzentrationen, lassen sich die eventuell vorhandenen Verunreinigun gen in verschiedene Kategorien einteilen. Vorzugs weise lassen sich diese in dauernde Verbraucher und sich erschöpfende Verbraucher einteilen. Werden der artige Referenzluftverbraucher (Verunreinigungen) ermittelt, kann bei der Einteilung in dauernde Ver braucher die überprüfte Charge aussortiert und als Ausschuß deklariert werden. Bei der Feststellung von sich erschöpfenden Verbrauchern kann, beispielsweise durch ein sogenanntes Ausheizen der sich erschöpfende Referenzluftverbraucher eliminiert werden, so daß die Meßfühler anschließend zum Gebrauch freigegeben wer den können. Ferner läßt sich durch die Überprüfung auf vorhandene Referenzluftverbraucher (Verunreini gungen) auf eventuelle Ursachen für das Entstehen dieser Verunreinigungen schließen, die beim Herstel lungsprozeß durch deren Kenntnis abstellbar sind.

Während des Prüfens des Referenzluftverbrauches wer den die Meßfühler mit einer definierten Wärmeenergie beaufschlagt. Hierdurch lassen sich die späteren Ein satzbedingungen des Meßfühlers, insbesondere wenn diese als Lambdasonden in Kraftfahrzeugen zur Detek tion der Sauerstoffkonzentration in Abgasen einge setzt werden, nachbilden. Ferner wird die Ionenleit fähigkeit des Festelektrolyten eingestellt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie len anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Meßfühlers;

Fig. 2 eine schematische Explosionsdarstellung eines Meßfühlers und

Fig. 3 verschiedene Kennlinien der Überprüfung von Meßfühlern.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Fig. 1 ist ein Meßfühler 10 in einer Schnitt darstellung durch einen Meßkopf gezeigt. Der Meßfüh ler 10 ist als planarer Breitband-Meßfühler ausgebil det und besteht aus einer Anzahl einzelner - anhand der Explosionsdarstellung in Fig. 2 näher gezeig ter - übereinander angeordneter Schichten. Hierbei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 und Fig. 2 jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schichtauf bau des Meßfühlers 10 wird durch aufeinanderfolgende Strukturierungsschritte, beispielsweise durch Folien gießen, Stanzen, Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen erhalten. Auf die Erzielung des Schichtaufbaus soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden, da die ses bekannt ist.

Der Meßfühler 10 dient der Bestimmung einer Sauer stoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, um ein Steu ersignal zur Einstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemi sches, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrie ben wird, zu erhalten. Der Meßfühler 10 besitzt eine Nernst-Meßzelle 12 und eine Pumpzelle 14. Die Nernst-Meß zelle 12 besitzt eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18, zwischen denen ein Festelek trolyt 20 angeordnet ist. Die Elektrode 16 ist über eine Diffusionsbarriere 22 dem zu messenden Abgas 24 (Gasgemisch) ausgesetzt. Der Meßfühler 10 besitzt eine Meßöffnung 26, die mit dem Abgas 24 beaufschlag bar ist. Am Grund der Meßöffnung 26 erstreckt sich die Diffusionsbarriere 22, wobei es zur Ausbildung eines Hohlraumes 28 kommt, innerhalb dem die Elektro de 16 angeordnet ist. Die Elektrode 18 der Nernst-Meß zelle 12 ist in einem Referenzluftkanal 30 ange ordnet, der an einem meßgasfernen Ende einer Refe renzluftkanalfolie 31 mündet. Innerhalb des Referenz luftkanals 30 ist die Elektrode 18 einem Referenzgas, beispielsweise Luft, ausgesetzt. Der Festelektrolyt 20 besteht beispielsweise aus yttriumoxidstabilisier tem Zirkoniumoxid, während die Elektroden 16 und 18 beispielsweise aus Platin bestehen.

Die Pumpzelle 14 besteht aus einer ersten Elektrode 38 sowie einer zweiten Elektrode 40, zwischen denen ein Festelektrolyt 42 angeordnet ist. Das Festelek trolyt 42 besteht wiederum beispielsweise aus einem yttriumoxidstabilisierten Zirkoniumoxid, während die Elektroden 38 und 40 wiederum aus Platin bestehen können. Die Elektrode 38 ist ebenfalls in dem Hohl raum 28 angeordnet und somit ebenfalls über die Dif fusionsbarriere 22 dem Abgas 24 ausgesetzt. Die Elek trode 40 ist mit einer Schutzschicht 44 abgedeckelt, die porös ist, so daß die Elektrode 40 dem Abgas 24 direkt ausgesetzt ist.

Der Meßfühler 10 umfaßt ferner eine Heizeinrichtung 50, die von einem sogenannten Heizmäander gebildet ist. Die Heizeinrichtung 50 ist zwischen zwei Isola tionsschichten 51 beziehungsweise 53 angeordnet und wird von einer Deckschicht 55 abgedeckelt.

Wie der Explosionsdarstellung in Fig. 2 zu entnehmen ist, ist die Elektrode 40 mit einem Anschlußkontakt 56, die Elektroden 16 und 38 mit einem gemeinsamen Anschlußkontakt 57, die Elektrode 18 mit einem An schlußkontakt 59 und die Heizeinrichtung 50 mit An schlußkontakten 61 beziehungsweise 63 verbunden.

Die Funktion des Meßfühlers 10 ist folgende:
Das Abgas 24 liegt über die Meßöffnung 26 und die Diffusionsbarriere 22 in dem Hohlraum 28 und somit an den Elektroden 16 der Nernst-Meßzelle 12 und der Elektrode 38 der Pumpzelle 14 an. Aufgrund der in dem zu messenden Abgas vorhandenen Sauerstoffkonzentra tion stellt sich ein Sauerstoffkonzentrationsunter schied zwischen der Elektrode 16 und der dem Refe renzgas ausgesetzten Elektrode 18 ein. Die Nernst-Meß zelle 12 wird mit einem konstanten Strom über ein nicht dargestelltes Steuergerät beaufschlagt. Auf grund eines vorhandenen Sauerstoffkonzentrationsun terschiedes an den Elektroden 16 und 18 stellt sich eine bestimmte Detektionsspannung U_D ein. Die Nernst-Meß zelle 12 arbeitet hierbei als Lambda-Sonde, die detektiert, ob in dem Abgas 24 eine hohe Sauer stoffkonzentration oder eine niedrige Sauerstoffkon zentration vorhanden ist. Anhand der Sauerstoffkon zentration ist klar, ob es sich bei dem Kraft stoff-Luft-Gemisch, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, um ein fettes oder ein mageres Ge misch handelt. Bei einem Wechsel vom fetten in den mageren Bereich oder umgekehrt fällt die Detektions spannung U_D ab beziehungsweise steigt an.

Mit Hilfe des nicht dargestellten Steuergerätes wird die Detektionsspannung U_D zum Ermitteln einer Pump spannung U_P eingesetzt, mit der die Pumpzelle 14 zwi schen ihren Elektroden 38 beziehungsweise 40 beauf schlagt wird. Je nachdem, ob über die Detektionsspan nung U_D signalisiert wird, daß sich das Kraft stoff-Luft-Gemisch im fetten oder mageren Bereich befindet, ist die Pumpspannung U_P negativ oder positiv, so daß die Elektrode 40 entweder als Katode oder Anode ge schaltet ist. Entsprechend stellt sich ein Pumpstrom I_P ein, der über eine Meßeinrichtung des Steuergerä tes meßbar ist. Mit Hilfe des Pumpstromes I_P werden entweder Sauerstoffionen von der Elektrode 40 zur Elektrode 38 oder umgekehrt gepumpt. Der gemessene Pumpstrom I_P dient zur Ansteuerung einer Einrichtung zur Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird.

Die Schaltungsanordnung 50 ist mit einer Heizspannung U_H beaufschlagbar, so daß die Heizeinrichtung 50 ent weder zu- beziehungsweise abschaltbar ist. Durch die Heizeinrichtung 50 ist der Meßfühler 10 auf eine Be triebstemperatur von über zirka 300°C bringbar.

Nachfolgend wird davon ausgegangen, daß die Meßfühler 10 in einer Massenfertigung hergestellt werden, wobei sich aufgrund von schwankenden Prozeßbedingungen und/oder schwankender Materialeigenschaften Meßfühler 10 mit unterschiedlichen Kennlinien ergeben. Diese Streuung der Kennlinien der Meßfühler 10 wird ins besondere durch einen unterschiedlichen Referenzluft verbrauch einzelner Elemente des Meßfühlers 10 be wirkt. Um die hergestellten Meßfühler 10 in wählbare Kategorien, die jeweils nur eine maximale Streuung der Kennlinien aufweisen, einordnen zu können, werden diese mit dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren, das nachfolgend erläutert wird, geprüft.

Während der Prüfung der Meßfühler 10 werden diese mit einem Meßgas 24' beaufschlagt, das eine bekannte de finierte Sauerstoffkonzentration besitzt. Gleichzei tig wird über eine Prüfeinrichtung 70 an die Elek troden 16 und 18 der Nernst-Meßzelle 12 eine defi nierte Prüfspannung U_P gelegt. Die Prüfungsspannung ist so zu wählen, wie die Nernst-Spannung bei den Kon zentrationsverhältnissen zwischen dem Meßgas 24' und dem Referenzgasraum sich ergeben würde. Die Elektro den 16 und 18 sind hierzu mit Eingängen 72 bezie hungsweise 74 der Prüfeinrichtung 70 verbunden. Eine Meßeinrichtung 76 mißt hierbei einen über die Nernst-Meß zelle 12 fließenden Strom I_M. Der durch die Meß einrichtung 76 gemessene Strom I_M wird mittels eines Zeitgliedes 78 ausgewertet. Bei dieser Auswertung wird die Tatsache zugrunde gelegt, daß die Sauer stoffkonzentration innerhalb des Meßgases 24', in der Regel Luft, bekannt ist. Ferner ist die Sauerstoff konzentration des Referenzgases im Referenzgaskanal 30 - zu Beginn der Messung auch noch Luft - ebenfalls bekannt. Ein Sauerstoffkonzentrationsunterschied an der Elektrode 16 und der Elektrode 18 der Nernst-Meß zelle 12 ist ebenfalls bekannt. Wird nunmehr bei identisch aufrechterhaltenem Meßgas 24' innerhalb des Referenzluftkanals 30 Sauerstoff verbraucht, wird durch die Nernst-Meßzelle 12 von der Elektrode 16 über den Festkörperelektrolyten 20 und die Elektrode 18 Sauerstoffin den Referenzluftkanal 30 nachge pumpt. Hierdurch kommt es infolge der weiterhin an liegenden konstanten Prüfspannung U_P zu einer Ände rung des Stromes I_M, der durch die Meßeinrichtung 76 detektiert wird. Der Strom I_M ist proportional dem Sauerstoffverbrauch in dem Referenzluftkanal 30.

Anhand der Kennlinien in Fig. 3 soll dieses Prüf verfahren verdeutlicht werden. Hierbei ist über der Zeit t einerseits der gemessene Strom I_M und der dem gemessenen Strom I proportionale Sauerstoffverbrauch aufgetragen. Beginnend mit dem Zeitpunkt t₀ wird der Strom I gemessen. Aufgrund des zunächst bekannten und konstanten Sauerstoffkonzentrationsverhältnisses wird der Strom I bis zu einem Zeitpunkt t₁ im wesentlichen konstant - ohne O₂-Verbrauch ist der Strom Null, ein zig der Meßstrom des Voltmeters fließt entsprechend dem Innenwiderstand des Meßgerätes - sein. Beginnend mit dem Zeitpunkt t₁, der beispielsweise bei 15 Minu ten liegt, beginnt die Sauerstoffkonzentration in dem Referenzluftkanal 30 zu sinken, so daß ein entspre chendes Nachpumpen von Sauerstoff aus dem Meßgas 24' erfolgt. Dieses Absinken des Sauerstoffgases in den Referenzluftkanal 30 ist abhängig von der Sauerstoff aufnahme der einzelnen Elemente des Meßfühlers 10. Hierbei wird bei unterschiedlichen Meßfühlern 10 ein unterschiedliches Absinken der Sauerstoffkonzentra tion in dem Referenzluftkanal 30 erfolgen, so daß eine unterschiedliche Menge an Sauerstoff aus dem Meßgas 24' über die Nernst-Meßzelle 12 nachgepumpt wird. Entsprechend dieser nachzupumpenden Sauerstoff konzentration gibt es einen unterschiedlichen Strom I_M. In Fig. 3 ist dies mit einer Kurvenschar, begin nend ab dem Zeitpunkt t₁, angedeutet. Jede der Kurven der Kurvenschar steht hierbei für einen anderen Meß fühler 10. Nunmehr wird zu einem Zeitpunkt t₂ der Strom I_M erfaßt und in einen proportionalen Sauer stoffverbrauch A, B beziehungsweise C umgerechnet. Entsprechend des ermittelten Referenzluftverbrauches kann auf vorhandene Verunreinigungen im Referenzluft kanal 30 geschlossen werden. Hierdurch lassen sich insbesondere Fertigungsprobleme erkennen, die zu fer tigungsbedingten Verunreinigungen in dem Referenz luftkanal 30 führen. Alles in allem kann somit eine Fertigungsüberwachung durchgeführt werden und gleich zeitig eine chargenweise Freigabe der überprüften Meßfühler 10 erfolgen beziehungsweise die Einstufung der überprüften Meßfühler bei Feststellen von sich nicht verbrauchende Verunreinigungen als Ausschuß erfolgen.

Nach einem weiteren Prüfverfahren kann der Strom I_M über eine Zeitspanne t₁ bis t₂ gemessen werden und anhand des Integrals des sich über die Zeitspanne t₁ bis t₂ ergebenden Stromverlaufs eine Einordnung in die Chargen beziehungsweise Kategorien A, B, C usw. erfolgen.

Ferner wird der Meßfühler 10 während der Prüfung auf Betriebstemperatur erwärmt, um die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 20 zu ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch Anlegen einer Heizspannung U_H an die Heizeinrichtung 50 erfolgen.

Claims

1. Verfahren zum Prüfen eines Meßfühlers zum Bestim men einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasge misch, der eine der Sauerstoffkonzentration entspre chende, von einer Nernst-Meßzelle gelieferte Detek tionsspannung bereitstellt, die von einer Schaltungs anordnung ausgewertet wird, wobei die Detektionsspan nung zwischen einer ersten, dem Gasgemisch ausgesetz ten Elektrode und einer zweiten, einem Referenzgas ausgesetzten Elektrode, abgegriffen wird, dadurch ge kennzeichnet, daß der Meßfühler (10) auf Betriebs temperatur erwärmt wird, und daß die Nernst-Meßzelle (12) mit einer konstanten Prüfspannung (U_P) und einem Gasgemisch (24') mit definierter Sauerstoffkonzentra tion beaufschlagt wird und ein Meßstrom (I_M) der Nernst-Meßzelle (12) ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (I_M) zu einem definierten Zeitpunkt (t₂) erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom (I_M) über eine Zeitspanne (t₁ bis t₂) erfaßt wird und das Integral eines Anstieges des Stromes (I_M) ermittelt wird.