DE68917821T2 - Messung und Kontrolle des Abgaskreislaufs mit einer Sauerstoffpumpvorrichtung. - Google Patents
Messung und Kontrolle des Abgaskreislaufs mit einer Sauerstoffpumpvorrichtung.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für Abgase, die der zu den Zylindern eines Verbrennungsmotors gehenden Ansaugluft zugeführt werden.
- Im allgemeinen werden Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mit einer Abgasrückführung (AGR) versehen, um die Menge des in den Motorzylindern während der Verbrennung erzeugten NOx zu reduzieren. Abhängig von den Motorbetriebsbedingungen wird der zu den Zylindern gehenden Ansaugluft über ein AGR-Ventil eine bestimmte Menge Abgase zugeführt. Die Verdünnung der Ansaugluftmenge mit Abgasen führt zu einer niedrigeren Brenntemperatur und damit zu einer geringeren NOx- Produktion. Üblicherweise wird der prozentuale Gehalt der Abgase in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch zur Angabe der Menge der rückgeführten Abgase gemessen. Die Menge der rückgeführten Abgase wird durch den Öffnungsgrad des AGR-Ventils und dem Gasdruckunterschied auf der anderen Seite des Ventils bestimmt. Normalerweise wird die Menge der rückgeführten Abgase mit einem Positionssensor gemessen, der den Öffnungsgrad des AGR- Ventils mißt. Diese Art der Messung ist allerdings nicht zuverlässig, da a) Ablagerungen das Ventil teilweise verstopfen können und b) Änderungen des Abgasgegendrucks Änderungen der rückgeführten Abgasmenge zur Folge haben. Ein anderes Verfahren zur Bestimmung der rückgeführten Abgasmenge basiert auf der Messung des Abgasstroms, der der Ansaugluft zugeführt wird. Dies erfolgt mit zwei Drucksensoren, die den Druckabfall auf der anderen Seite einer Öffnung messen, durch welche das rückgeführte Abgas geleitet wird. Dieses Verfahren zur Bestimmung der rückgeführten Abgasmenge ist ebenfalls problematisch, da auch die Öffnung durch Ablagerungen teilweise blockiert sein kann.
- Ein weiteres Verfahren, das zur Messung der rückgeführten Abgasmenge eingesetzt werden kann, basiert auf der Messung der O&sub2;-Menge in dem Ansauggemisch (Luft und Abgase). Bei einem Motor, der bei stöchiometrischen Kraftstoff/Luft-Verhältnis gesteuert wird, ist der prozentuale O&sub2;-Gehalt im Abgas fast gleich Null. Der prozentuale O&sub2;-Gehalt im (Ansaugluft/Abgas-)Gemisch ist wie in Figur 1 zu sehen von der rückgeführten Abgasmenge abhängig und kann zur Messung der rückgeführten Abgasmenge verwendet werden. Der Einfluß der Luftfeuchtigkeit wird durch die graphische Darstellung für eine Luftfeuchtigkeit von 0% und eine Luftfeuchtigkeit von 100% bei 21ºC illustriert. Wie zu sehen ist, nimmt die auf der Luftfeuchtigkeit beruhende Abweichung mit der Zunahme des prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase ab. Die aufgrund der Luftfeuchtigkeit abweichenden Werte können durch Messen des prozentualen O&sub2;-Gehalts bei Null-Abgasrückführung (AGR-Ventil vollständig geschlossen) korrigiert werden.
- In den letzten 20 Jahren sind verschiedene Sauerstoffsensoren auf der Basis von O&sub2;-pumpenden ZrO&sub2;-Zellen entwickelt worden. Solches Pumpen des Sauerstoffs basiert auf der Tatsache, daß, wird durch ein ionenleitendes Sauerstoff-Elektrolyt (z.B. Zirkonium) Strom geschickt, der Sauerstoff von einer Seite des Elektrolyts zur anderen übergeht (der Sauerstoff wird gepumpt). Solche Sensoren haben die gemeinsame Eigenschaft, daß ihre Signalausgabe linear proportional zum umgebenden Sauerstoff-Partialdruck ist. Die Sensoren können einzellig oder doppelzellig sein, wie z.B. in "High Temperature Oxygen Sensors Based on Electrochemical Oxygen pumping" von E.M Logothetis und R.E. Hetrick sowie in "Fundamentals und Applications of Chemical Sensors", 1986, American Chemical Society, Seiten 136-154, dargelegt wird.
- Bei einzelligen Sensoren wird zum Sauerstoffpumpen und zum Messen die gleiche ZrO&sub2;-Zelle verwendet. Bei doppelzelligen Sensoren werden verschiedene ZrO&sub2;-Zellen zum Sauerstoffpumpen und Messen eingesetzt. Die U.S. Patentschrift 4.547.281 von Wang befaßt sich mit einer einzelligen Vorrichtung zur Messung der Sauerstoffkonzentration in einem Raum. Doppelzellige Sensoren werden z.B. in den U.S. Patentschriften 4.272.329, 4.272.330 und 4.272.331 von Hetrick und Hetrick et al offenbart; ferner in U.S. Patentschriften 4.498.968 von Yamada et al, 4.645.572 von Nishizawa et al und 4.487.680 von Logothetis et al. Die Patente von Hetrick, Hetrick et al und Logothetis et al werden gemeinsam mit dieser Erfindung übertragen. Im allgemeinen wird in diesen doppelzelligen Vorrichtungen eine Zelle dazu genutzt, eine bestimmte (veränderliche) Menge O&sub2; aus einer zwischen diesen Zellen gebildeten Vertiefung herauszupumpen, und die zweite Zelle (die Sensorzelle) wird zur Messung des reduzierten O&sub2;-Partialdrucks in der Vertiefung eingesetzt. Wie in der Patentschrift von Logothetis et al beschrieben ist, wurde dort die Struktur dieser Vorrichtung verändert, um auf diese Weise die Vertiefung zu eliminieren; hier werden nur drei Elektroden an Stelle der üblichen vier eingesetzt, ansonsten funktioniert die Vorrichtung aber analog zu denen in Patentschriften '329, '330 und '331 beschriebenen, oben angeführten Vorrichtungen.
- Konstruktionsformen unserer Vorrichtung ähneln insofern den doppelzelligen Vorrichtungen, als daß sie zwei ZrO&sub2;-Zellen umfassen, die zwischen sich eine Vertiefung aufweisen oder der oben beschriebenen Struktur von Logothetis et al gleichen können. Unsere Vorrichtung setzt im Gegensatz zu den oben beschriebenen doppelzelligen Vorrichtungen aber nicht eine Zelle zum Sauerstoffpumpen und die andere Zelle zur Sauerstoffmessung ein. Unsere Erfindung verwendet beide Zellen als O&sub2;-pumpende Zellen.
- Grundsätzlich ist das Messen einer veränderlichen O&sub2;-Konzentration in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch nicht ganz einfach, weil die Änderung der O&sub2;-Konzentration bei Änderungen des prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase relativ klein ist. Von den verschiedenen Sauerstoffsensoren sind jene, die auf dem Pumpen des Sauerstoffs basieren, die geeigneteren, weil sie sehr empfindlich auf O&sub2; reagieren, kaum von der Temperatur und kaum oder gar nicht vom absoluten Gasdruck abhängen. In "Closed Loop Control of the EGR Rate Using the Oxygen Sensor" SAE International Congress and Exposition, 29. Februar bis 4. März 1988, Technical Paper No. 880133, offenbaren M. Nishida, N. Inoue, H. Suzuki und S. Kumargai eine elektrochemische Vorrichtung zur Messung des prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch eines Verbrennungsmotors, wobei genannte elektrochemische Vorrichtung besteht aus: einer ersten festen elektrochemischen (Pump)Zelle mit einem ersten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden, einer zweiten festen elektrochemischen Zelle mit einem zweiten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden, einer Trägerstruktur, die mit genannter erster und zweiter Zelle so verbunden ist, daß sie gemeinsam einen abgeschlossenen Raum bilden, einem Schlitz zur Herstellung einer Verbindung zwischen genanntem abgeschlossenen Raum und der Umgebungsluft aus genanntem Ansaugluft/Abgas- Gemisch, einem ersten externen Stromkreis, der an genannter erster (Pump)zelle angeschlossen ist, um auf diese Weise Strom durch genannte erste (Pump)Zelle zu leiten, so daß von genanntem ersten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden eine erste (Pumpzellen) Elektrode innerhalb des genannten Raums negativ gepolt ist, wodurch ein Quantum Sauerstoffmoleküle innerhalb des genannten Raums durch genannten Strom, der durch genannte erste (Pump)Zelle fließt, hinausgepumpt wird, sowie aus einem zweiten externen Stromkreis, der mit genannter zweiter Zelle zur Anlegung einer konstanten Spannung an genannter zweiter Zelle verbunden wird. In dieser Vorrichtung wird über der Sensorzelle durch Rückkopplungs-Regelung des an der Pumpzelle angelegten Pumpstroms ein konstantes Referenzpotential aufrechterhalten, so daß der Pumpstrom proportional zur O&sub2;-Konzentration im Ansauggemisch ist und auf diese Weise die Messung dieser Konzentration ermöglicht. Für die Messung geringer Änderungen des O&sub2;-Gehalts bei hohen O&sub2;-Konzentrationen ist ein O&sub2;-Sensor von höherer Empfindlichkeit zu wünschen. Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Messung der rückgeführten Abgase und einen AGR-Sensor, der dieses Problem löst.
- Diese Erfindung schafft ein Verfahren zur Messung des prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase durch Messung des prozentualen O&sub2;-Gehalts in dem Ansauglauft/Abgas-Gemisch (was heißen soll: "das Gemisch von Ansaugluft and Abgas") mit einer elektrochemischen Vorrichtung, wobei die O&sub2;-Konzentration proportional zum prozentualen Gehalt der rückgeführten Abgase ist. Das Verfahren besteht aus Begrenzung des Austauschs zwischen der Umgebungsluft, bestehend aus Ansaugluft/Abgas-Gemisch, und einem abgeschlossenen Raum sowie Leiten eines konstanten Stroms durch eine erste elektrochemische Pumpzelle, so daß eine Elektrode der ersten Pumpzelle innerhalb des abgeschlossenen Raums negativ gepolt wird, wodurch ein Quantum Sauerstoffmoleküle innerhalb des Raums durch den durch die erste Pumpzelle fließenden Strom herausgepumpt wird. Das Verfahren umfaßt ferner das Anlegen einer konstanten Spannung an eine zweite elektrochemische Pumpzelle, so daß eine Elektrode der zweiten Pumpzelle innerhalb des abgeschlossenen Raume negativ gepolt wird, wobei die an die zweite Pumpzelle angelegte Spannung ausreicht, um im wesentlichen alle innerhalb des abgeschlossenen Raums verbliebenen Sauerstoffmoleküle durch einen durch die zweite Pumpzelle fließenden Strom hinauszupumpen, die aber nicht so hoch ist, daß CO&sub2;- oder H&sub2;O-Moleküle dissoziiert werden können. Das Verfahren beinhaltet darüber hinaus das Messen eines durch die zweite Pumpzelle fließenden Stroms, wobei der durch die zweite Pumpzelle fließende Strom proportional zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-Moleküle innerhalb des abgeschlossenen Raums und ebenfalls proportional zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-Moleküle in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch ist. Diese Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn sie für das Messen der O&sub2;- Konzentration in Gemischen mit hohem O&sub2;-Gehalt eingesetzt wird. Die Korrektur für die jeweilige Luftfeuchtigkeit wird durch Messung des prozentualen O&sub2;-Gehalts bei geschlossenem AGR-Ventil (0% rückgeführtes Abgas) bestimmt.
- Gemäß eines weiteren Aspekts dieser Erfindung beinhaltet eine elektrochemische Vorrichtung zur Messung der rückgeführten Abgase eine erste feste elektrochemische Pumpzelle mit einem ersten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden und eine zweite feste elektrochemische Pumpzelle mit einem zweiten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden. Eine Trägerstruktur ist mit der ersten und der zweiten Pumpzelle verbunden und bildet mit diesen gemeinsam einen abgeschlossenen Raum. Dieser Raum ist mit der Umgebungsluft (dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens) durch einen Schlitz oder mehrere Schlitze verbunden. Bei Betrieb entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die erste Pumpzelle (über einen ersten externen Stromkreis, der mit der ersten Pumpzelle verbunden ist) ein konstanter Strom geleitet, so daß ein Quantum (Volumenprozent) Sauerstoffmoleküle innerhalb des abgeschlossenen Raums hinausgepumpt wird. Bei Betrieb wird an die zweite Pumpzelle (durch einen zweiten externen Stromkreis, der an die zweite Pumpzelle angeschlossen ist) eine konstante Spannung angelegt, die ausreicht, um im wesentlichen alle verbliebenen O&sub2;-Moleküle innerhalb des abgeschlossenen Raums hinauszupumpen und einen Sättigungsstrom zu erreichen, die aber zu niedrig ist, um die möglicherweise in dem abgeschlossenen Raum befindlichen Gasmoleküle, die Sauerstoff enthalten, wie z.B. CO&sub2; oder H&sub2;O, zu dissoziieren. Der erste externe Stromkreis ist so ausgelegt, daß an die zweite Pumpzelle eine externe Spannung angelegt wird, die im wesentlichen geringer als 0,8 Volt ist, vorzugsweise aber zwischen 0,2 und 0,8 Volt liegt. Der Sättigungsstrom der zweiten Pumpzelle ist zum prozentualen O&sub2;-Gehalt im Raum und zum prozentualen O&sub2;-Gehalt in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch sowie dem prozentualen Gehalt der darin rückgeführten Abgase proportional.
- Andere Konstruktionsformen der Vorrichtung und erfindungsgemäße Verfahren werden in Ansprüchen 4 und 11 dargelegt.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen beschrieben, wobei
- Figur 1 ein Schaubild ist, das den prozentualen O&sub2;-Gehalt im Ansaugluft/Abgas-Gemisch mit dem prozentualen Gehalt rückgeführter Abgase in Beziehung setzt;
- Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der rückgeführten Abgase entsprechend einer erfindungsgemäßen Konstruktionsform ist;
- Figur 3A eine schematische Darstellung einer einzelligen Sauerstoff-Pump-Vorrichtung auf dem Stand der Technik ist;
- Figur 3B ein Schaubild ist, das die Strom-Spannungskennlinien der Vorrichtung von Figur 3A aufzeigt;
- Figur 4 ein Schaubild ist, das den prozentualen O&sub2;-Gehalt im Raum von der in Figur 3A abgebildeteten Vorrichtung als Funktion des prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase zeigt;
- Figur 5 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung zur Messung der rückgeführten Abgase entsprechend einer zweiten erfindungsgemäßen Konstruktionsform ist;
- Figuren 6A und 6B schematische Darstellungen einer elektrochemischen Vorrichtung zur Messung der rückgeführten Abgase entsprechend der erfindungsgemäßen Konstruktionsformen sind;
- Figur 7 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung mit einer planaren Konfiguration zur Messung der rückgeführten Abgase entsprechend einer erfindungsgemäßen Konstruktionsform ist;
- Diese Erfindung zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der rückgeführten Abgase auf der Basis der Messung der O&sub2;-Menge in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch unter Zuhilfenabme einer elektrochemischen Sauerstoff-Pump-Vorrichtung.
- Wie oben bereits angeführt, gibt es verschiedene Sauerstoffsensoren, die mit elektrochemischen ZrO&sub2;- Zellen Sauerstoff pumpen. Diese Sensoren haben verschiedene Eigenschaften, die sie für magere Kraftstoff/Luft-Verhältnisse (d.h. hohe Mengen rückgeführter Abgase) geeignet machen. Zur Messung von kleinen O&sub2;-Veränderungen in hohen O&sub2;-Konzentrationen (siehe Figur 1) wäre ein O&sub2;-Sensor mit höherer Empfindlichkeit zu wünschen.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung mißt die rückgeführten Abgase durch Messen des prozentualen O&sub2;-Gehalts in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch mit einem wie in Figur 2 gezeigten Sensor. Sensor 20 hat zwei elektrochemische Zellen 21 und 31, die so angeordnet sind, daß sie abgeschlossenen Raum 40 definieren. Raum 40 ist mit der Umgebungsluft (Ansaugluft plus rückgeführte Abgase) über Schlitz 41 bzw. mehreren Schlitzen verbunden. Jede Zelle besteht aus einer Platte 22, 32 eines sauerstoffleitenden, festen Elektrolyts wie ZrO&sub2; und zwei Elektroden 23, 24 und 33, 34, die jeweils zu beiden Seiten der Elektrolytschichten angebracht werden. Diese Elektroden sind aus Platin oder einem anderen Material, das sich im Bereich der bekannten Verfahren zu Sauerstoffsensoren als geeignet bewiesen hat. Elektrochemische Zellen 21 und 31 dienen als Sauerstoffpumpen, wenn durch sie Ströme I&sub1; und I&sub2; geleitet werden. Vorteilhafterweise wird Heizvorrichtung 29 zur Schaffung einer erhöhten, zum Betrieb von Sensor 20 geeigneten Temperatur von mindestens 500ºC neben Sensor 20 positioniert.
- Zum Verständnis der Funktionsweise von Vorrichtung 20 soll zunächst einzellige ZrO&sub2;-Vorrichtung 60 von Figur 3A erläutert werden, die als Sensor für sauerstoffarme Konzentrationen verwendet werden kann. Sie hat eine einzige Sauerstoff-Pumpzelle 61, die aus einer ZrO&sub2;-Platte besteht, mit zwei Platinelektroden 63 und 64, die so angeordnet sind, daß Raum 65 definiert wird. Raum 65 steht mit dem Umgebungsgas über Schlitz 66 in Verbindung. Wird an Zelle 61 eine Spannung angelegt, so daß Elektrode 63 negativ ist, fließt auf Grund der Wanderung der Sauerstoffionen durch das ZrO&sub2;-Elektrolyt von Elektrode 63 zu Elektrode 64 Strom I&sub3;.
- Während die an Elektrode 63 gebildeten Sauerstoffionen durch die ZrO&sub2;-Schicht zu Elektrode 64 wandern, dissoziieren weitere O&sub2;-Moleküle aus der Gasphase und reagieren mit Elektronen an Elektrode 63 zur Bildung von Sauerstoffionen (O--). Durch diese elektrochemische Reaktion werden, während Sauerstoffione an Elektrode 63 dissoziiert werden (durch Wandern zu Elektrode 64), in Raum 65 von den O&sub2;-Gasmolekülen weitere Sauerstoffione gebildet. Durch eine inverse elektrochemische Reaktion werden an Elektrode 64 Sauerstoffione als O&sub2;-Moleküle in das Umgebungsgas freigesetzt. Letztlich bewirkt der durch die Zelle fließende Strom das Herauspumpen von O&sub2; aus Raum 65. Da innerhalb von Raum 65 die O&sub2;-Konzentration geringer ist, kommt es zu einem O&sub2;-Diffusionsfluß aus der Umgebungsluft (Ansaugluft/Abgas-Gemisch) in Raum 65 über Schlitz 66. Unter Bedingungen für das stationäre Gleichgewicht ist der Diffusionsfluß von O&sub2; in Raum 65 gleich dem aus Raum 65 durch den Pumpstrom herausgepumpten O&sub2;-Fluß.
- Wird einzellige Vorrichtung 60 zur Messung des prozentualen O&sub2;-Gehalts in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch eingesetzt, so steigt, während weiter Sauerstoff aus Raum 65 herausgepumpt wird, bei geringer Spannung 0,2-0,8V) der Strom mit der Spannung und erreicht Sättigungsstrom Is. Dies entspricht dem Zustand, in dem der gesamte, in Raum 65 vorhandene Sauerstoff durch den Strom herausgepumpt wurde. Sättigungssstrom Is verhält sich proportional zum prozentualen O&sub2;-Gehalt in der Umgebungsluft. Die Spannung an der Pumpzelle wird unter 0,8 Volt gehalten, so daß keine in Raum 65 befindlichen O&sub2;-haltige Gasmoleküle wie CO&sub2; dissoziiert werden. Den Verlauf der Strom-Spannungskennlinien (I- V) unter diesen Vorausetzungen von einzelliger, auf dem Stand der Technik befindlicher Vorrichtung 60 (für unterschiedliche prozentuale O&sub2;-Gehaltwerte) zeigt Figur 3B.
- Das Verhältnis zwischen dem prozentualen O&sub2;-Gehalt in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch und dem prozentualen Gehalt der darin befindlichen rückgeführten Abgase zeigt Figur 1. Figur 4 zeigt das gleiche Verhältnis, allerdings bei niedrigeren prozentualen O&sub2;-Gehaltwerten innerhalb des Raums. Diese Darstellungen zeigen, daß für die gleiche Änderung des prozentualen O&sub2;-Gehalts in einer höheren (Figur 1) und einer niedrigeren O&sub2;-Konzentration (Figur 4) eine geringere Änderung des prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase in der niedrigeren O&sub2;-Konzentration auftritt. Folglich ist die auf dem Stand der Technik befindliche, einzellige Vorrichtung für Änderungen bezüglich der rückgeführten Abgase bei niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen empfindlicher als bei hohen Sauerstoffkonzentrationen. Folglich kann Vorrichtung 61 von Figur 3A zwar zur Messung der rückgeführten Abgase in einer Umgebung mit niedriger O&sub2;-Konzentration geeignet sein, für hohe O&sub2;-Konzentrationen (d.h. niedrige Abgasrückführung) ist sie nicht empfindlich genug.
- Die Messung der rückgeführten Abgase in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch mit hoher O&sub2;-Konzentration kann jedoch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden. Figur 2 zeigt Vorrichtung 20, die zur Messung des prozentualen O&sub2;-Gehalts in solch einem Gasgemisch eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung besteht aus einer ersten und einer zweiten Sauerstoff- Pump-Zelle. Die erste Sauerstoff-Pump-Zelle pumpt einen Teil (z.B. die Hälfte) der Sauerstoffmoleküle aus Raum 40, so daß der prozentuale Gehalt der O&sub2;-Moleküle im Gasgemisch des Raums reduziert wird. Dadurch wird der prozentuale Gehalt der O&sub2;-Moleküle in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch mit hoher O&sub2;-Konzentration (20-10%) von Figur 1 zum Gemisch mit niedrigerer O&sub2;-Konzentration (10-0%) von Figur 4 verändert. Dieses Quantum der Sauerstoffmoleküle wird dadurch aus dem Raum herausgepumpt, daß ein konstanter Strom durch Zelle 21 geschickt wird, so daß Elektrode 24 negativ wird. Der durch Zelle 21 geleitete Strom ist ausreichend hoch, um Zelle 21 zu veranlassen, die gewünschte Menge (das Quantum) der O&sub2;-Moleküle aus Raum 40 herauszupumpen. Vorzugsweise gleicht die von erster Sauerstoff-Pump- Zelle 21 aus Raum 40 herausgepumpte O&sub2;-Menge dem prozentualen O&sub2;-Gehalt (bezogen auf das Volumen) im Ansaugluft/Abgas-Gemisch des jeweiligen Verbrennungsmotors, der als maximaler prozentualer Gehalt der rückgeführten Abgase (bei diesem Motor) gemessen wurde. Folglich wäre das Entfernen der Hälfte (50% Volumenprozent) der O&sub2;-Moleküle, wie in der obigen Konstruktionsform, optimal für einen Motor, bei dem die übliche maximale Menge der rückgeführten Abgase im Motorgasgemisch 50 Volumenprozent ausmacht, da 50 Volumenprozent O&sub2; beinhalten. Bei einem Motor, bei dem die maximale Menge der im allgemeinen rückgeführten Abgase im Motor-Gasgemisch 30 Volumenprozent ausmacht (wobei es 70 Volumenprozent O&sub2; enthält), würde Zelle 21 der Vorrichtung 70 Volumenprozent der O&sub2;-Moleküle im Idealfall entfernen und 30 Volumenprozent der O&sub2;-Moleküle in Raum 40 belassen. Der für die Entfernung des gewünschten Quantums O&sub2;-Moleküle aus diesem Raum notwendige Strom ist abhängig von Faktoren wie Art und Größe von Schlitz 41 oder der Temperatur. Die Bestimmung des für das Herauspumpen des gewünschten Quantums O&sub2;-Moleküle aus Raum 40 optimalen Stroms mit Hilfe von Zelle 21 bereitet Fachleuten mit Blick auf diese Offenbarung keine Schwierigkeiten.
- Entsprechend der Konstruktionsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Figur 2 wird der prozentuale O&sub2;-Gehalt des reduzierten Sauerstoffgemischs innerhalb von Raum 40 von zweiter Sauerstoff-Pump-Zelle 31 gemessen. Eine konstante Spannung, die niedriger als 0,8 Volt ist, üblicherweise zwischen 0,2 und 0,8 Volt, wird an zweite Sauerstoff-Pump-Zelle 31 der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Figur 2 angelegt, wobei Elektrode 33 zum fast gänzlichen Herauspumpen der in Raum 40 verbliebenen O&sub2;-Moleküle negativ gepolt ist. Die Spannung an der Pump-Zelle wird unter 0,8 Volt gehalten, damit keine anderen in Raum 40 befindlichen O&sub2;-haltigen Gas-Moleküle wie CO&sub2; dissoziiert werden. Bei ausreichend hohen Spannungen, zwischen 0,5 und 0,8 Volt, wird in Zelle 31 ein Sättigungsstrom erreicht. Ein externer, an Pumpzelle 31 angeschlossener Stromkreis wird zur Messung des durch zweite Pumpzelle 31 fließenden Sättigungsstroms verwendet. Dieser Sättigungsstrom Is ist ein Maß für den prozentualen Gehalt von O&sub2;-Molekülen in Raum 40 und ist gleichzeitig proportional zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-Moleküle in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch.
- Tatsächlich simuliert das reduzierte O&sub2;-Gemisch in Raum 40 (erzeugt durch das Herauspumpen eines Quantums O&sub2;-Moleküle aus Raum 40 von Zelle 21) ein Gemisch mit niedrigem O&sub2;-Gehalt. Dadurch kann die Vorrichtung den prozentualen O&sub2;-Gehalt in einem Gemisch mit hohem O&sub2;- Anteil mit einer Empfindlichkeit messen, die bei der Messung in Gemischen mit niedrigem O&sub2;-Anteil erzielt wird. Auf diese Weise schafft die Erfindung eine genauere Messung der rückgeführten Abgase in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch mit hohem O&sub2;-Gehalt, verglichem mit der Messung, die mit einer einzelligen, modernen O&sub2;-Pumpvorrichtung wie in Figur 3A erzielt wird.
- Die Vorrichtung von Figur 2 arbeitet unter der Voraussetzung, daß Zelle 21 das gewünschte, durch Schlitz 41 eintretende Sauerstoffquantum herauspumpen kann, so daß nur das verbleibende O&sub2; Zelle 31 erreicht. Wenn dies bei der Struktur von der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung nicht der Fall ist, kann dies durch Veränderung der Struktur entsprechend der in Figur 5 gezeigten Struktur von Vorrichtung 50 erzielt werden. Bei dieser Struktur ist auf der Innenelektrode von Zelle 31 eine poröse Schicht aufgebracht. Diese poröse Schicht besteht aus ZrO&sub2; oder einem inerten Stoff (z.B. Spinell oder Aluminiumoxid) und verhindert (wirkt als Barriere) eine O&sub2;-Diffusion, so daß das gewünschte O&sub2;-Quantum aus Zelle 21 herausgepumpt wird.
- Es gibt mehrere andere Möglichkeiten, die Vorrichtung aufzubauen. Entsprechend einer weiteren erfindungsgemäßen Konstruktionsform werden die beiden Pumpzellen durch Einfügen von Barrieren gegen Sauerstoff- Diffusion stärker entkoppelt. So kann zum Beispiel die poröse Schicht von der in Figur 5 gezeigten Vorrichtung durch "Wand" 42 mit Schlitz 43 ersetzt werden (zu sehen als Vorrichtung 50A in Figur 6A). Eine weitere Möglichkeit des Aufbaus zeigt Figur 6B mit Vorrichtung 50B. Vorrichtung 50B hat eine Pumpzelle zur Entfernung eines O&sub2;-Quantums und eine Pumpzellen/Sensorzellenstruktur 70 (ähnlich der in U.S. Patentschrift 4.272.329 von Hetrick et al beschriebenen Sensorstruktur) zur Entfernung und Messung des verbliebenen O&sub2;-Anteils.
- Die hier offenbarte elektrochemische Vorrichtung zur Messung der rückgeführten Abgase kann ebenfalls planar aufgebaut werden. Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Konstruktionsform von planarer Vorrichtung 80. Der Aufbau beginnt mit einer dichten ZrO&sub2;-Platte 82 und Aufbringung der porösen Platinelektroden 83 und 84 zu beiden Seiten von Platte 82 zur Bildung von Pumpzelle 81. Poröse Schicht 89, bestehend aus ZrO&sub2; oder einem inerten Stoff (z.B. Spinell oder Aluminiumoxid) wird oben auf Platinelektrode 83 zur Bildung einer Trennwand gegen die Diffusion von O&sub2;-Molekülen aufgebracht. Auf Schicht 89 wird wiederum poröse Platinelektrode 85 gefolgt von einer weiteren porösen Schicht 86 aus ZrO&sub2; aufgebracht. Schließlich wird poröse Platinelektrode 87 oben auf Schicht 86 aufgebracht. Poröse ZrO&sub2;-Schicht 86 und Platinelektroden 85 und 87 bilden Pumpzelle 88. Wie bei der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung wird durch Pumpzelle 88 ein konstanter Strom geleitet, um auf diese Weise ein Quantum Sauerstoff aus den porösen Bereichen der Struktur herauszupumpen, und ebenso wird an Pumpzelle 81 eine zwischen 0,2 und 0,8 Volt liegende, konstante Spannung angelegt, um im wesentlichen alle innerhalb von poröser Schicht 89 verbliebenen O&sub2;-Moleküle herauszupumpen. Der Sättigungsstrom von Pumpzelle 81 ist proportional zum prozentualen Gehalt der rückgeführten Abgase in dem Gasgemisch.
- Fachleuten werden zu dieser Erfindung noch zahlreiche Abänderungen und Varianten finden, z.B. bezüglich des genauen Aufbaus der zweizelligen Sauerstoff- Pumpen-Vorrichtung.
Claims (12)
1. Elektrochemische Vorrichtung zur Messung des
prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase (AGR) in einem
Ansaugluft/Abgas-Gemisch eines Verbrennungsmotors, wobei
genannte elektrochemische Vorrichtung besteht aus: einer
ersten festen elektrochemischen Pumpzelle (21) mit einem
ersten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden (23, 24),
einer zweiten festen elektrochemischen Pumpzelle (31) mit
einem zweiten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden
(33, 34), einer Trägerstruktur, die mit genannter erster
und zweiter Pumpzelle so verbunden ist, daß sie gemeinsam
einen abgeschlossenen Raum (40) bilden, einem Schlitz (41)
zur Herstellung einer Verbindung zwischen genanntem
abgeschlossenen Raum (40) und der Umgebungsluft aus genanntem
Ansaugluft/Abgas-Gemisch, einem ersten externen
Stromkreis, der an genannter erster Pumpzelle (21)
angeschlossen ist, um auf diese Weise einen konstanten Strom durch
genannte erste Pumpzelle zu leiten, so daß von genanntem
ersten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden (23, 24)
eine erste Pumpzellenelektrode (24) innerhalb des
genannten Raums (40) negativ gepolt ist, wodurch ein Quantum
Sauerstoffmoleküle innerhalb des genannten Raums durch
genannten Strom, der durch genannte erste Pumpzelle (21)
fließt, hinausgepumpt wird, sowie aus einem zweiten
externen Stromkreis, der mit genannter zweiter Pumpzelle zur
Anlegung einer konstanten Spannung an genannter zweiter
Pumpzelle (31) verbunden wird, so daß von genanntem
zweiten Paar entgegengesetzt gepolter Elektroden (33, 34) eine
zweite Pumpzellenelektrode (33) innerhalb des genannten
Raums (40) negativ gepolt wird, wobei die an die zweite
Pumpzelle (31) angelegte konstante Spannung ausreicht, um
im wesentlichen alle innerhalb des abgeschlossenen Raums
verbliebenen Sauerstoffmoleküle durch einen durch die
zweite Pumpzelle (31) fließenden Strom hinauszupumpen, die
aber nicht so hoch ist, daß CO&sub2;- oder H&sub2;O-Moleküle
dissoziiert
werden können, sowie einem dritten externen
Stomkreis, der an genannter zweiter Pumpzelle (31) zum Messen
des genannten durch genannte zweite Pumpzelle fließenden
Stroms angeschlossen ist, wobei der genannte zweite
Pumpzellenstrom proportional zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-
Moleküle innerhalb des genannten Raums (40) ist, der nicht
von genannter erster Pumpzelle (21) herausgepumpt wurde,
und ebenfalls proportional zum prozentualen Gehalt der
O&sub2;-Moleküle in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch ist.
2. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1, die
außerdem eine poröse Schicht (38) beinhaltet, die auf
genannte zweite Pumpzellenelektrode (33) innerhalb des
genannten Raums (40) aufgebracht wird.
3. Elektrochemische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder
2, die außerdem eine Wand (42) in genanntem Raum
beinhaltet, wobei die genannte Wand den genannten Raum in zwei
Teile abtrennt, die miteinander durch in genannter Wand
befindlichen Schlitz (43) in Verbindung stehen.
4. Elektrochemische Vorrichtung zur Messung des
prozentualen Gehalts der rückgeführten Abgase (AGR) in einem
Ansaugluft/Abgas-Gemisch eines Verbrennungsmotors, wobei
genannte elektrochemische Vorrichtung aus einer im
wesentlichen planaren ersten elektrochemischen Pumpzelle (81)
besteht, die wiederum aus einer relativ dichten ZrO&sub2;-
Platte (82) mit porösen Platinelektroden (83, 84) zu
beiden Seiten der genannten Platte und einer ersten porösen
ZrO&sub2;-Schicht (89) besteht, die auf eine Elektrode (83) der
genannten ersten Pumpzelle (81) aufgebracht wird, sowie
aus einer im wesentlichen planaren zweiten
elektrochemischen Pumpzelle (88), die wiederum aus einer ersten
porösen Platinelektrode (85), einer zweiten porösen ZrO&sub2;-
Schicht (86) und einer zweiten porösen Platinelektrode
(87) besteht, die nacheinander auf genannter erster
poröser
ZrO&sub2;-Schicht (89) aufgebracht werden, sowie einem
ersten externen Stromkreis, der an genannte zweite Pumpzelle
(88) angeschlossen ist, um auf diese Weise einen
konstanten Strom durch genannte zweite Pumpzelle zu leiten, so
daß genannte zweite Elektrode (87) positiv gepolt ist und
ein Quantum der innerhalb genannter erster poröser ZrO&sub2;-
Schicht (89) befindlichen Sauerstoffmoleküle von genanntem
Stromfluß durch genannte zweite Pumpzelle herausgepumpt
wird, sowie einem zweiten externen Stromkreis, der mit
genannter erster Pumpzelle (81) zur Anlegung einer
konstanten Spannung an genannte erste Pumpzelle verbunden
wird, so daß die freiliegende Elektrode (84) positiv
gepolt wird, wobei genannte konstante Spannung an genannter
erster Pumpzelle ausreicht, um im wesentlichen alle
innerhalb genannter erster poröser ZrO&sub2;-Schicht (89)
verbliebenen Sauerstoffmoleküle durch einen durch genannte erste
poröse ZrO&sub2;-Schicht fließenden Strom hinauszupumpen, die
aber nicht so hoch ist, daß CO&sub2;- oder H&sub2;O-Moleküle
dissoziiert werden können, sowie aus einem dritten externen
Stomkreis, der mit genannter erster Pumpzelle (81) zum
Messen des genannten durch genannte erste Pumpzelle
fließenden Stroms gekoppelt ist, wobei der genannte Strom
proportional zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-Moleküle
innerhalb der genannten ersten porösen ZrO&sub2;-Schicht (89) ist,
der nicht von genannter zweiter Pumpzelle (88)
herausgepumpt wurde, und ebenfalls proportional zum prozentualen
Gehalt der O&sub2;-Moleküle in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch ist.
5. Elektrochemische Vorrichtung nach allen
vorgenannten Ansprüchen, die außerdem eine Heizvorrichtung (29)
beinhaltet, um die Temperatur der Vorrichtung bei
mindestens 500ºC zu halten.
6. Elektrochemische Vorrichtung nach allen
vorgenannten Ansprüchen, bei welcher der prozentuale Gehalt des von
genannter erster Pumpzelle (31, 81) aus genanntem
abgeschlossenen
Raum (40) bzw. aus genannter erster poröser
Schicht (89) herausgepumpten Sauerstoffs gleich dem
prozentualen Sauerstoffgehalt in genanntem Ansaugluft/Abgas-
Gemisch des genannten Motors bei maximaler
Abgasrückführung ist.
7. Verfahren zur Messung des prozentualen Gehalts der
rückgeführten Abgase in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch
eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren folgende
Schritte beinhaltet: Begrenzung des Austauschs zwischen
der Umgebungsluft, bestehend aus Ansaugluft/Abgas-Gemisch,
und einem abgeschlossenen Raum (40) sowie Leiten eines
konstanten Stroms durch eine erste elektrochemische
Pumpzelle (21), so daß eine Elektrode (24) der genannten
ersten Pumpzelle innerhalb des genannten abgeschlossenen
Raums negativ gepolt wird, wodurch ein Quantum
Sauerstoffmoleküle innerhalb des genannten Raums durch den durch die
genannte erste Pumpzelle fließenden genannten Strom
herausgepumpt wird, ferner das Anlegen einer konstanten
Spannung an eine zweite elektrochemische Pumpzelle (31), so
daß eine Elektrode (32) der zweiten Pumpzelle innerhalb
des genannten abgeschlossenen Raums negativ gepolt wird,
wobei die an die zweite Pumpzelle angelegte genannte
Spannung ausreicht, um im wesentlichen alle innerhalb des
genannten abgeschlossenen Raums verbliebenen
Sauerstoffmoleküle durch einen durch die zweite genannte Pumpzelle
fließenden Strom hinauszupumpen, die aber nicht so hoch ist,
daß CO&sub2;- oder H&sub2;O-Moleküle dissoziiert werden können, sowie
das Messen eines durch genannte zweite Pumpzelle
fließenden Stroms, wobei der durch genannte zweite Pumpzelle
fließende Strom proportional zum prozentualen Gehalt der
O&sub2;-Moleküle innerhalb des genannten abgeschlossenen Raums
und ebenfalls proportional zum prozentualen Gehalt der
O&sub2;-Moleküle in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, in welchem genannte
Elektrode (33) der genannten zweiten Pumpzelle (31)
innerhalb des genannten abgeschlossenen Raums (40) durch eine
poröse Schicht (38) vom abgeschlossenen Raum getrennt
wird, so daß ein Austausch zwischen genanntem
abgeschlossenen Raum und genannter zweiter Pumpzelle durch genannte
poröse Schicht erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, in
welchem genannter abgeschlossener Raum (40) in 2 Teile
getrennt wird, die miteinander durch ein in einer Wand
(42) innerhalb des abgeschlossenen Raums befindliche
Öffnung (43) verbunden sind, so daß der Austausch zwischen
den beiden elektrochemischen Pumpzellen auf
gegenüberliegenden Seiten der Wand geregelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, in welchem
die veränderliche Luftfeuchtigkeit durch zusätzliche
Messung des prozentualen O&sub2;-Gehalts im
Ansaugluft/Abgas-Gemisch bei geschlossenem AGR-Ventil, d.h. die Rückführung
der Abgase ist gestoppt, berücksichtigt wird.
11. Verfahren zur Messung des prozentualen Gehalts der
rückgeführten Abgase in einem Ansaugluft/Abgas-Gemisch
eines Verbrennungsmotors, wobei das Verfahren folgende
Schritte beinhaltet: Bildung einer im wesentlichen
planaren ersten elektrochemischen Pumpzelle (81) mit einer
relativ dichten ZrO&sub2;-Platte (82) mit porösen
Platinelektroden (83 und 84) zu beiden Seiten der genannten Platte,
Aufbringung einer ersten porösen ZrO&sub2;-Schicht (89) auf
einer Elektrode (83) der genannten Pumpzelle, sowie
Bildung einer im wesentlichen planaren zweiten
elektrochemischen Pumpzelle (88), die wiederum aus einer porösen
Platinelektrode (85), einer zweiten porösen ZrO&sub2;-Schicht (86)
und einer porösen Platinelektrode (87) besteht, die
nacheinander auf erster poröser ZrO&sub2;-Schicht (89) aufgebracht
werden, Leiten eines konstanten Stroms durch genannte
zweite Pumpzelle (88), so daß die freiliegende Elektrode
(87) positiv gepolt ist und ein Quantum innerhalb
genannter erster poröser ZrO&sub2;-Schicht (89) befindlicher
Sauerstoffmoleküle von dem Stromfluß durch genannte zweite
Pumpzelle herausgepumpt wird, sowie Anlegen einer
konstanten Spannung an genannter erster Pumpzelle (81), so daß
die freiliegende Elektrode (84) positiv gepolt wird, wobei
die genannte konstante Spannung an genannter erster
Pumpzelle ausreicht, um im wesentlichen alle innerhalb
genannter erster poröser ZrO&sub2;-Schicht (89) verbliebenen
Sauerstoffmoleküle durch einen durch genannte erste poröse
ZrO&sub2;-Schicht fließenden Strom hinauszupumpen, die aber
nicht so hoch ist, daß CO&sub2;- oder H&sub2;O-Moleküle dissoziiert
werden können, sowie Messen des Stromflusses durch
genannte erste Pumpzelle, wobei der genannte Strom proportional
zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-Moleküle innerhalb der
genannten ersten porösen ZrO&sub2;-Schicht ist, der nicht von
genannter zweiter Pumpzelle herausgepumpt wurde, und
ebenfalls proportional zum prozentualen Gehalt der O&sub2;-Moleküle
in dem Ansaugluft/Abgas-Gemisch ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, in welchem die
veränderliche Luftfeuchtigkeit durch zusätzliche Messung des
prozentualen O&sub2;-Gehalts im Ansaugluft/Abgas-Gemisch bei
geschlossenem AGR-Ventil, d.h. die Rückführung der Abgase
ist gestopppt, berücksichtigt wird.
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1989
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