DE102007031767A1

DE102007031767A1 - Exhaust gas sensor for detecting concentration of exhaust gas component of internal combustion engine, has ceramic sensor element as part of structure, with which concentration of exhaust component is detected

Info

Publication number: DE102007031767A1
Application number: DE200710031767
Authority: DE
Inventors: Andreas Nauwerck; Till Gysin; Ralf Moos; Daniela SCHÖNAUER
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG; Daimler AG; Volkswagen AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-29

Abstract

The exhaust gas sensor (10) has a ceramic sensor element (12) as a part of a structure (32), with which the concentration of an exhaust component is detected. The exhaust gas sensor has another structure (36), which is equipped with water for detecting wetting of a surface of the exhaust gas sensor. An independent claim is also included for a method for operating an exhaust gas sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgassensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgassensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The The invention relates to an exhaust gas sensor according to the preamble of the claim 1 and a method for operating such an exhaust gas sensor after the preamble of claim 8.

Ein solcher Abgassensor und ein solches Verfahren ist jeweils aus der DE 43 00 530 C2 bekannt.Such an exhaust gas sensor and such a method is in each case from DE 43 00 530 C2 known.

Die Anforderungen an die Emissionsminderung von Verbrennungsmotoren sind in den letzten Jahren immer wieder angestiegen. Für die Zukunft sind weiter steigende Anforderungen absehbar. Es ist bekannt, dass Ergebnisse von Abgastests durch die Emissionen in den ersten Sekunden nach einem Kaltstart, in denen auch Katalysatoren im Abgassystem von Verbrennungsmotoren ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht haben, dominiert werden. Mit einsetzender Konvertierung durch die Katalysatoren und darauf abgestimmten Eingriffen in die Steuerung des Verbrennungsmotors sinken die hinter einem Katalysator messbaren Konzentrationen unerwünschter Abgasbestandteile schnell ab. Für weitere Verbesserungen der Abgasemissionen sind daher Maßnahmen, die sich möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auswirken, besonders wichtig. Zur Vermeidung hoher Schadstoffemissionen (insbesondere von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden) ist es daher notwendig, den Abgaskatalysator möglichst schnell auf eine Temperatur zu bringen, bei der er die Schadstoffe konvertieren kann.The Requirements for the emission reduction of internal combustion engines have risen again and again in recent years. For the future, further increasing demands are foreseeable. It is announced that results of emissions testing by emissions in the first few seconds after a cold start in which also catalysts in the exhaust system of internal combustion engines, their operating temperature yet have not achieved dominance. With onset of conversion through the catalysts and coordinated interventions in the Control of the internal combustion engine sink those behind a catalyst measurable concentrations of unwanted exhaust constituents fast. For further improvements of exhaust emissions Therefore, measures are as fast as possible after a cold start of the internal combustion engine, especially important. To avoid high pollutant emissions (especially of hydrocarbons, Carbon monoxide and nitrogen oxides), it is therefore necessary, the catalytic converter as quickly as possible to bring to a temperature at the he can convert the pollutants.

Moderne Verbrennungsmotoren weisen zur Regelung des Verbrennungsprozesses einen oder mehrere Abgassensoren auf, die im Abgassystem angeordnet sind und die Konzentration eines oder mehrerer Bestandteile des Abgases erfassen. So wird häufig die Sauerstoffkonzentration oder Stickoxid-Konzentration im Abgas mit Abgassensoren erfasst, die ein keramisches Sensorelement aufweisen. Die Ausgangssignale bekannter keramischer Sensorelemente beruhen letztlich auf einer temperaturabhängigen Leitfähigkeit der Sensorelemente für Sauerstoffionen. Verwertbare Signale werden erst oberhalb einer Temperaturschwelle von mehreren hundert °C erreicht.modern Internal combustion engines have to control the combustion process one or more exhaust gas sensors disposed in the exhaust system are and the concentration of one or more components of the Capture exhaust gases. This is often the oxygen concentration or nitrogen oxide concentration in the exhaust gas detected with exhaust gas sensors, which have a ceramic sensor element. The output signals known ceramic sensor elements are ultimately based on a temperature-dependent conductivity of the sensor elements for oxygen ions. Usable signals are only above reached a temperature threshold of several hundred ° C.

Die Verringerung der Abgasemissionen wird erleichtert, wenn der Abgassensor seine Betriebstemperatur möglichst früh, bevorzugt noch vor dem Einsetzen der Konvertierung im Katalysator, erreicht. Um diese Temperaturschwelle möglichst schnell zu erreichen, werden die Abgassensoren zusätzlich zur passiv erfolgenden Aufheizung durch das Abgas zusätzlich aktiv elektrisch beheizt.The Reduction of exhaust emissions is facilitated when the exhaust gas sensor its operating temperature as early as possible, preferably even before the onset of conversion in the catalyst achieved. Around to reach this temperature threshold as quickly as possible, the exhaust gas sensors become additional to the passive one Heating by the exhaust additionally active electrically heated.

Eine schnelle Aufheizung wird ferner dadurch erleichtert, dass die Abgassensoren eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweisen. Diese Eigenschaft wird durch eine Herstellung von Abgassensoren in planarer keramischer Vielschichttechnik erreicht. Darüber hinaus ermöglicht dieses Herstellungsverfahren eine einfache Integration einer Heizeinrichtung. Ein solcher Abgassensor kann innerhalb weniger Sekunden auf die Sensorbetriebstemperatur von einigen hundert °C aufgeheizt werden.A quick heating is further facilitated by the fact that the exhaust gas sensors the lowest possible heat capacity exhibit. This property is made by a production of exhaust gas sensors achieved in planar ceramic multilayer technology. About that In addition, this manufacturing method allows a simple Integration of a heating device. Such an exhaust gas sensor can within a few seconds to the sensor operating temperature of heated to a few hundred ° C.

Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Luft in einem Verbrennungsmotor tritt unvermeidlich Wasser auf. Bei kaltem Verbrennungsmotor und Abgassystem des Verbrennungsmotors kondensiert ein Teil des im Abgasstrom enthaltenen Wassers zu Tröpfchen flüssigen Wassers, die mit dem Abgasstrom durch das Abgassystem transportiert werden. Die Kondensation findet an zunächst noch kalten Rohrwänden des Abgassystems, an einem metallischen Gehäuse des Abgassensors sowie an der anfangs noch kalten Keramik selbst statt.at combustion of hydrocarbons with air in an internal combustion engine water inevitably occurs. In cold combustion engine and Exhaust system of the internal combustion engine condenses a part of the exhaust gas flow contained water to droplets of liquid water, which are transported with the exhaust gas flow through the exhaust system. The condensation takes place on initially cold pipe walls the exhaust system, to a metallic housing of the exhaust gas sensor as well as at the beginning still cold ceramics themselves.

Das metallische Sensorgehäuse ist in der Regel als Schutzrohr ausgestaltet, das Durchtrittsöffnungen für den Abgasstrom aufweist. Es schützt die Keramik des Abgassensors vor Belastungen, die zum Beispiel durch Druckschwankungen, schnelle Temperaturänderungen oder durch mit dem Abgas transportierte Partikel ausgelöst werden. Mit zunehmender Erwärmung des Verbrennungsmotors und des Abgassystems nimmt die Kondensation ab, bereits kondensiertes Wasser verdunstet wieder und das Wasser passiert das Abgassystem in gasförmiger Form.The Metallic sensor housing is usually used as a protective tube designed, the passages for the Has exhaust stream. It protects the ceramic of the exhaust gas sensor against strains caused, for example, by pressure fluctuations, rapid temperature changes or triggered by particles transported with the exhaust gas become. With increasing warming of the internal combustion engine and the exhaust system decreases the condensation, already condensed Water evaporates again and the water passes through the exhaust system in gaseous form.

Treffen solche Wassertröpfchen jedoch auf ein bereits heißes Sensorelement, entziehen sie dem Sensorelement lokal viel Verdampfungswärme, was zu Temperaturgradienten in der Sensorkeramik und damit zu thermisch induzierten mechanischen Spannungen führt. Aus diesem auch als Wasserschlag bezeichneten Effekt ergibt sich die Gefahr, dass betroffene Abgassonden zerstört werden.To meet such water droplets, however, on an already hot Sensor element, they remove the sensor element locally much heat of vaporization, resulting in temperature gradients in the sensor ceramic and thus too thermal induced mechanical stresses. For this too As a water hammer effect, there is the danger that affected exhaust gas probes are destroyed.

Um diese Gefahr zu verringern, erfolgt das aktive Beheizen eines Sensorelements einer Lambda-Sonde nach der eingangs genannten DE 43 00 530 C2 in zwei Stufen. Zunächst wird das Sensorelement auf eine unterkritische Temperatur beheizt, bei der das Keramikelement bei Wasserschlag nicht zerstört werden kann. Erst nach Überschreiten des Taupunkts der Rohrwände, also des Zeitpunktes, ab dem in der Abgasanlage keine weitere Wasserkondensation mehr auftritt, wird das Sensorelement auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt. Dies stellt somit eine verzögerte Inbetriebnahme dar, was dazu führt, dass in der Startphase des Verbrennungsmotors die Luftzahl Lambda des Abgases nicht gemessen wird und die Lambdaregelung und weitere vom Sensorsignal abhängige Funktionen nicht zur Optimierung der Abgasnachbehandlung verwendet werden können. Der Taupunkt der Rohrwände wird nach der DE 43 00 530 C2 einer zu messenden Temperatur des Abgassensors zugeordnet. Überschreitet diese Temperatur einen entsprechenden Schwellenwert, wird die zweite Stufe der Aufheizung ausgelöst.To reduce this risk, the active heating of a sensor element of a lambda probe according to the aforementioned DE 43 00 530 C2 in two stages. First, the sensor element is heated to a subcritical temperature at which the ceramic element can not be destroyed by water hammer. Only after exceeding the dew point of the pipe walls, ie the time from which no further water condensation occurs in the exhaust system, the sensor element is heated to its operating temperature. This thus represents a delayed startup, which means that in the starting phase of the internal combustion engine, the air ratio lambda of the exhaust gas is not measured and the lambda control and other dependent of the sensor signal functions not to optimize the Ab Gas aftertreatment can be used. The dew point of the pipe walls is after the DE 43 00 530 C2 associated with a temperature to be measured of the exhaust gas sensor. If this temperature exceeds a corresponding threshold, the second stage of the heating is triggered.

Um eine solche Verzögerung bei der Aufheizung des Abgassensors zu vermeiden, wird in der DE 10 2004 020 139 A1 ein Lambda-Sensor vorgestellt, bei dem ein in den Abgasstrom ragender Teil des Sensors von einem Schutzelement umgeben ist, das aus einem Sintermetallfilter oder einem Metallvlies besteht und zum Auffangen von Kondenswasser dient. Dies ermöglicht eine verzögerungslose Aufheizung des Lambda-Sensors nach dem Start des Verbrennungsmotors. Es ist ferner aus der DE 10 2004 053 460 A1 bekannt, ein Schutzelement für einen Messfühler mit wenigstens einer wasserbindenden Schicht aus Glimmer, Aluminiumoxid oder Zeolith zu verwenden, die Wasser chemisch oder physikalisch bindet und das gebundene Wasser im nächsten Betriebszustand reversibel abgibt.To avoid such a delay in the heating of the exhaust gas sensor is in the DE 10 2004 020 139 A1 a lambda sensor is presented in which a protruding into the exhaust gas flow part of the sensor is surrounded by a protective element, which consists of a sintered metal filter or a metal fleece and serves to collect condensed water. This allows a delay-free heating of the lambda sensor after the start of the internal combustion engine. It is also from the DE 10 2004 053 460 A1 It is known to use a protective element for a sensor with at least one water-binding layer of mica, alumina or zeolite, which binds water chemically or physically and reversibly releases the bound water in the next operating state.

Nachteile solcher Lösungen bestehen darin, dass das Wasser bindende Schutzelement ein zusätzliches Bauteil darstellt, das in den Abgassensor integriert werden muss. Dies verursacht einen erhöhten Materialbedarf, eine Gewichtssteigerung und teure Prozessschritte. Außerdem ist die Funktion des Schutzelements nicht ohne weiteres mit On Board Diagnose Verfahren überprüfbar.disadvantage Such solutions are that the water binding Protection element represents an additional component that in the exhaust gas sensor must be integrated. This causes an increased Material requirements, an increase in weight and expensive process steps. In addition, the function of the protective element is not without further verifiable with on-board diagnostic procedure.

Bekannt ist auch, Feuchte mit Sensoren zu detektieren die aus einer Interdigitalelektrodenstruktur mit zwei ineinander greifenden kammförmigen Elektroden bestehen und so einen Kondensator bilden dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums abhängig ist. Durch die Anlagerung von Feuchte ändert sich die Dielektrizitätskonstante, was sich direkt in einer Veränderung der Kapazität und anderen aus der komplexen elektrischen Impedanz ableitbaren elektrotechnischen Größen auswirkt. Die Signaländerung stellt somit ein Maß für den Feuchtegehalt dar.Known is also to detect moisture with sensors coming from an interdigital electrode structure with two intermeshing comb-shaped electrodes exist and so form a capacitor whose capacity from the dielectric constant of the surrounding medium is dependent. Changes due to the accumulation of moisture Dielectric constant, which is directly in a Change in capacity and others from the complex electrical impedance derivable electrotechnical quantities effect. The signal change thus provides a measure of the moisture content.

Aus der DE 100 41 921 ist ein Feuchtesensor bekannt, der ein Substrat oder eine Trägerschicht und eine auf dem Substrat oder der Trägerschicht aufgebrachte Kondensatorstruktur mit zwei, auf unterschiedlichem Potential liegenden Elektroden sowie eine Sensorfunktionsschicht in Kontakt mit der Kondensatorstruktur und einen elektrischen Widerstand zur Temperaturmessung oder Sensorheizung aufweist. Der elektrische Widerstand dient zur Temperaturmessung und/oder Sensorheizung und bildet zugleich eine der Elektroden der Kondensatorstruktur.From the DE 100 41 921 a humidity sensor is known, which has a substrate or a carrier layer and a capacitor structure applied to the substrate or the carrier layer with two, lying at different potential electrodes and a sensor function layer in contact with the capacitor structure and an electrical resistance for temperature measurement or sensor heating. The electrical resistance is used for temperature measurement and / or sensor heating and at the same time forms one of the electrodes of the capacitor structure.

Für weitere Verbesserungen der Abgasemissionen sind Maßnahmen, die sich möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auswirken, besonders wichtig. Eine solche Maßnahme besteht in der möglichst schnellen Herstellung der Betriebsbereitschaft eines Abgassensors nach einem Kaltstart. Wegen der genannten Wasserschlaggefahr ist es daher von großer Bedeutung, den Zeitpunkt, ab dem ein Abgassensor gefahrlos mit vergrößerter elektrischer Heizleistung aktiv aufgeheizt werden kann, genau zu erkennen.For further improvements in exhaust emissions are measures as quickly as possible after a cold start of the internal combustion engine impact, especially important. Such a measure exists in the fastest possible production of operational readiness an exhaust gas sensor after a cold start. Because of the mentioned risk of water hammer It is therefore of great importance to consider the date from which an exhaust gas sensor safe with increased electrical Heating power can be heated actively, to recognize exactly.

Dies gilt insbesondere für die genannten, in planarer Vielschichttechnik hergestellten Abgassensoren, deren verringerte Wärmekapazität mit einem weniger massivem Aufbau und damit mit einer höheren Empfindlichkeit für Wasserschläge einhergeht.This applies in particular to the aforementioned, in planar multilayer technology manufactured exhaust gas sensors whose reduced heat capacity with a less massive structure and thus with a higher one Sensitivity to water hammer.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Abgassensors und eines Verfahrens zum Betreiben eines Abgassensors, mit dem dieser Zeitpunkt genauer erkannt werden kann.In front In this background, the object of the invention in the specification an exhaust gas sensor and a method for operating an exhaust gas sensor, with which this time can be more accurately recognized.

Diese Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Task is in each case with the characteristics of the independent Claims solved.

Die dort genannte zweite Struktur, die zur Detektion einer Benetzung einer Oberfläche des Abgassensors mit Wasser eingerichtet ist, bildet einen in den Abgassensor integrierten Feuchtesensor.The There mentioned second structure, which detects a wetting a surface of the exhaust gas sensor with water set is, forms a built-in the exhaust gas sensor humidity sensor.

Nach den Verfahrensaspekten der Erfindung dienen elektrotechnische Größen wie die komplexe Impedanz oder daraus abgeleitete Größen wie die Kapazität, der Widerstand, der Betrag der Impedanz oder der Phasenwinkel als Signal des Feuchtesensors. Wenigstens eine dieser Größen wird ermittelt und als Maß einer Benetzung der Oberfläche mit Wasser verwendet.To The method aspects of the invention serve electrotechnical sizes like the complex impedance or derived quantities like the capacity, the resistance, the amount of impedance or the phase angle as a signal of the humidity sensor. At least one of these sizes is determined and as a measure of a Wetting the surface with water used.

Das Signal eines solchen Feuchtesensors erlaubt eine zuverlässigere und damit genauere Einschätzung einer Wasserschlaggefahr als die indirekte Taupunkt-Erkennung durch Messung einer Abgassondentemperatur.The Signal from such a humidity sensor allows a more reliable and thus more accurate assessment of a risk of water hammer as the indirect dew point detection by measuring an exhaust gas probe temperature.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Detektion der Benetzung mit Wasser nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erfolgt und dass die Heizeinrichtung in Abhängigkeit vom Ergebnis der Detektion gesteuert wird.A preferred embodiment provides that the detection of wetting with water after a cold start of the internal combustion engine takes place and that the heater depending on the result of the detection is controlled.

Die genauere Einschätzung erlaubt eine schnellere Aufheizung der Abgassonde ohne Erhöhung der Wasserschlaggefahr. Thermische Spannungen und Beschädigungen, die durch Auskondensieren von Wasser und/oder ein Auftreffen von Wassertropfen am geheizten Abgassensor entstehen könnten, werden zuverlässig vermieden. Durch die schnelle Aufheizung wird die Betriebstemperatur des Abgassensors schnell erreicht, so dass schnell ein geregelter Betrieb des Verbrennungsmotors möglich ist, der zu einer Verringerung der Emissionen beiträgt.The more accurate assessment allows a faster heating of the exhaust gas probe without increasing the risk of water hammer. Thermal stresses and damage that could be caused by condensation of water and / or impact of water droplets on the heated exhaust gas sensor are reliably avoided. Due to the rapid heating, the operating temperature of the Achieved exhaust gas sensor quickly, so that a fast operation of the internal combustion engine is possible, which contributes to a reduction in emissions.

Ausgestaltungen der Erfindung erlauben nicht nur eine Aussage darüber, ob am Abgassensor Wasser vorhanden ist, sondern zusätzlich eine Bestimmung der am Abgassensor vorhandenen Menge kondensierten Wassers. Die Bestimmung der Menge erlaubt Rückschlüsse auf den zeitlichen Verlauf der Wasserkondensation im Abgas des Verbrennungsmotors, was eine noch besser angepasste Steuerung der Heizung erlaubt.refinements of the invention not only allow a statement about whether water is present at the exhaust gas sensor, but in addition a determination of the amount present at the exhaust gas sensor condensed Water. The determination of the quantity allows conclusions on the time course of the water condensation in the exhaust gas of the internal combustion engine, which allows an even better adapted control of the heating.

Es ist daher bevorzugt, dass das Maß der Benetzung wiederholt ermittelt wird, aus den wiederholt ermittelten Maßen ein zeitlicher Verlauf der Benetzung ermittelt wird und die Heizeinrichtung in Abhängigkeit vom zeitlichen Verlauf der Benetzung gesteuert wird.It It is therefore preferred that the degree of wetting be repeated is determined from the repeatedly determined measures Time course of wetting is determined and the heater controlled as a function of the time course of wetting becomes.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Heizeinrichtung zunächst mit einer ersten Heizleistung betrieben wird, ein Maximum im zeitlichen Verlauf der Benetzung ermittelt wird, und die Heizeinrichtung nach dem Auftreten des Maximums mit einer zweiten Heizleistung betrieben wird, die größer als die erste Heizleistung ist.A Particularly preferred embodiment provides that the heating device initially operated with a first heating power, a maximum in the course of wetting is determined and the heater after the occurrence of the maximum with a second heating power is operated, the larger than the first heating power is.

So ist es zum Beispiel möglich, den Zeitpunkt festzustellen, an dem sich kein weiteres Kondensat mehr am Sensorelement bildet und die aktive Beheizung des Abgassensors zu diesem Zeitpunkt zu starten (erste Heizleistung gleich 0, zweite Heizleistung > 0) oder zu verstärken (erste Heizleistung > 0, zweite Heizleistung > erste Heizleistung).So For example, is it possible to determine the time at which no further condensate forms on the sensor element and the active heating of the exhaust gas sensor at this time start (first heat output equal to 0, second heat output> 0) or amplify (first heat output> 0, second heat output> first Heating capacity).

Diese Vorteile werden durch Maßnahmen erzielt, die nur einen geringen Mehraufwand durch wenige zusätzliche Prozessschritte und einen geringen Materialbedarf bei der Herstellung von Abgassensoren erfordern.These Benefits are achieved through measures that only one low overhead due to few additional process steps and a low material requirement in the production of exhaust gas sensors require.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further Advantages will be apparent from the description and the attached Characters.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in each case specified combination, but also in other combinations or can be used in isolation, without the scope of the present To leave invention.

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description. In each case, in schematic form:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgassensors; 1 a first embodiment of an exhaust gas sensor according to the invention;

2 einen Verlauf einer Kapazitätsänderung eines Feuchtesensors auf einem keramischen Sensorelement bei Aufbringung verschiedener Wassertropfen und während der Verdunstung des Kondensats; 2 a course of a change in capacitance of a humidity sensor on a ceramic sensor element when applying different drops of water and during the evaporation of the condensate;

3 den Verlauf der Kapazitätsänderung des Feuchtesensors eines hinter einem Katalysator angeordneten Sensorelementes im Motorprüfstandsversuch während einer Kaltstartphase; 3 the course of the capacitance change of the humidity sensor of a sensor element arranged behind a catalyst in the engine test bench test during a cold start phase;

4 einen schematische Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Abgassensors; 4 a schematic cross section of a second embodiment of an exhaust gas sensor according to the invention;

5a ein elektrisches Ersatzschaltbild für das Sensorelement eines binären keramischen Abgassensors nach dem Stand der Technik; 5a an electrical equivalent circuit diagram for the sensor element of a binary ceramic exhaust gas sensor according to the prior art;

5b ein elektrisches Ersatzschaltbild für das Ausführungsbeispiel nach 4; 5b an electrical equivalent circuit diagram for the embodiment according to 4 ;

6 eine perspektivische Darstellungeiner Ausgestaltung einer zur Feuchtedetektion geeigneten Elektrodenkonfiguration; 6 a perspective view of an embodiment of an electrode suitable for moisture detection electrode configuration;

7 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Sensorschutzgehäuses mit indirekter Aufbringung des Feuchtesensors; und 7 a schematic cross-sectional view of a sensor protective housing with indirect application of the humidity sensor; and

8 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorschutzgehäuses mit direkter Aufbringung des Feuchtesensors. 8th a perspective view of a sensor protection housing according to the invention with direct application of the moisture sensor.

Im Einzelnen zeigt 1 einen Abgassensor 10 zur Erfassung einer Konzentration eines Bestandteils des Abgases eines Verbrennungsmotors, der als planare Vielschichtstruktur aus Festelektrolytschichten 12, 14, 16, Isolierschichten 18, 20, Sensorelektroden 22, 24, einer Heizeinrichtung 26, einer porösen Keramikdeckschicht 28 und einem Interdigitalelektrodenkondensator 30 aufgebaut ist.In detail shows 1 an exhaust gas sensor 10 for detecting a concentration of a component of the exhaust gas of an internal combustion engine, as a planar multilayer structure of solid electrolyte layers 12 . 14 . 16 , Insulating layers 18 . 20 , Sensor electrodes 22 . 24 , a heating device 26 , a porous ceramic cover layer 28 and an interdigital electrode capacitor 30 is constructed.

Die Festelektrolytschicht 12 dient als keramisches Sensorelement 12 in einer ersten Struktur 32, mit der die Konzentration des Abgasbestandteils erfasst wird. Bei dem Abgasbestandteil handelt es sich zum Beispiel um Sauerstoff. Im eingebauten Zustand ist die Elektrode 22 über die poröse Deckschicht 28 dem Abgas und damit der dort herrschenden Sauerstoffkonzentration ausgesetzt, während die Elektrode 24 einer Referenzatmosphäre ausgesetzt ist, die sich in einem Referenzkanal 34 innerhalb der Festelektrolytschicht 14 ausbildet. Der Referenzkanal 34 wird in der Ausgestaltung der 1 durch die Isolierschicht 18, die in einer Ausgestaltung aus Al₂O₃ besteht, nach unten abgeschlossen und führt zum Beispiel in die Umgebungsluft, so dass sich im Referenzkanal 34 eine entsprechende Sauerstoffkonzentration einstellt. An den bevorzugt aus Platin bestehenden Elektroden 22 und 24 werden aus Sauerstoff-haltigen Molekülen Sauerstoffionen freigesetzt.The solid electrolyte layer 12 serves as a ceramic sensor element 12 in a first structure 32 , with which the concentration of the exhaust gas component is detected. The exhaust gas constituent is, for example, oxygen. When installed, the electrode is 22 over the porous cover layer 28 exposed to the exhaust gas and thus the prevailing oxygen concentration, while the electrode 24 exposed to a reference atmosphere, located in a reference channel 34 within the solid electrolyte layer 14 formed. The reference channel 34 is in the embodiment of 1 through the insulating layer 18 , which in one embodiment consists of Al ₂ O ₃ , closed at the bottom and leads, for example, in the ambient air, so that in the reference channel 34 sets a corresponding oxygen concentration. On the preferably made of platinum electrodes 22 and 24 Oxygen ions are released from oxygen-containing molecules.

Das Sensorelement 12 besteht in einer Ausgestaltung aus einem für Sauerstoffionen leitfähigen Festelektrolyt wie Zirkonoxid. Unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen an den Elektroden 22 und 24 treiben dann einen Sauerstoffionenstrom durch das das Sensorelement 12, der sich auf eine Angleichung der Konzentrationen richtet und in dessen Stärke sich das Konzentrationsgefälle abbildet. Wegen des mit dem Teilchenstrom verbundenen Stroms elektrischer Ladungen bildet sich das Konzentrationsgefälle als elektrisches Signal zwischen den Elektroden 22 und 24 ab.The sensor element 12 In one embodiment, it consists of a solid electrolyte which is conductive for oxygen ions, such as zirconium oxide. Different oxygen concentrations at the electrodes 22 and 24 then drive an oxygen ion current through the sensor element 12 which is aimed at an approximation of the concentrations and in the strength of which the concentration gradient is reflected. Because of the current of electric charges associated with the particle flow, the concentration gradient forms as an electrical signal between the electrodes 22 and 24 from.

Die Heizeinrichtung 26 ist in einer Ausgestaltung als PTC-Element ausgeführt und zwischen den beiden Isolierschichten 18 und 20 eingebettet. Beide Isolierschichten 18, 20 bestehen bevorzugt aus dem gleichen Material und dienen insbesondere dazu, die Heizeinrichtung 26 gegen die Referenzelektrode 24 und weitere Schichten 14, 16 elektrisch zu isolieren.The heater 26 is designed in one embodiment as a PTC element and between the two insulating layers 18 and 20 embedded. Both insulating layers 18 . 20 are preferably made of the same material and serve in particular, the heater 26 against the reference electrode 24 and more layers 14 . 16 electrically isolate.

Die Kontaktierung der Elektroden 22, 24 erfolgt an den Anschlusspads 22a und 24a. Die Kontaktierung der Heizeinrichtung 26 erfolgt an den Anschlusspads 26a und 26b. Die Anschlusspads 26a, 26b und 24a sind jeweils mit Hilfe von Durchkontaktierungen mit ihren zugehörigen Funktionselementen 26 und 24 verbunden.The contacting of the electrodes 22 . 24 takes place at the connection pads 22a and 24a , The contacting of the heater 26 takes place at the connection pads 26a and 26b , The connection pads 26a . 26b and 24a are each by means of vias with their associated functional elements 26 and 24 connected.

In anderen Ausgestaltungen ist die Heizeinrichtung 26 auf einer Aluminiumoxid-Keramik aufgebracht, oder es sind weitere, bzw. anders angeordnete Zirkonoxidschichten für andere Sensorfunktionalitäten vorhanden, z. B. um amperometrisch den Sauerstoffgehalt oder den Stickoxidgehalt oder den Ammoniakgehalt des Abgases zu messen.In other embodiments, the heater is 26 applied to an alumina ceramic, or there are other, or differently arranged zirconia layers for other sensor functionalities available, for. B. to measure amperometrically the oxygen content or the nitrogen oxide content or the ammonia content of the exhaust gas.

Zusätzlich zu der beschriebenen ersten Struktur 32 weist der Abgassensor 10 eine zweite Struktur 36 auf, die in der Ausgestaltung der 1 aus dem Interdigitalelektrodenkondensator 30 besteht. Die zweite Struktur 36 bildet einen in den Abgassensor 19 integrierten Feuchtesensor 36.In addition to the described first structure 32 has the exhaust gas sensor 10 a second structure 36 in the design of the 1 from the interdigital electrode capacitor 30 consists. The second structure 36 forms one in the exhaust gas sensor 19 integrated humidity sensor 36 ,

Der Interdigitalelektrodenkondensator 30 ist in der Ausgestaltung der 1 als planare Anordnung realisiert und wird durch zwei jeweils kammartig ausgestaltete, Vorsprünge und Zwischenräume aufweisende Elektroden 30a und 30b gebildet, die ohne sich zu berühren so miteinander verschränkt sind, dass Vorsprünge der einen Elektrode 30a, 30b in Zwischenräume der jeweils anderen Elektrode 30b, 30a ragen. Die Elektroden 30a, 30b sind bevorzugt so dimensioniert und angeordnet, dass ein Abstand zwischen gegenüberliegenden Abschnitten der beiden planaren Elektroden 30a, 30b die gleiche Größenordnung besitzt wie eine Leiterbreite der planaren Elektroden 30a, 30b und zwischen 100 nm und 500 Mikrometer, insbesondere zwischen 10 Mikrometer und 100 Mikrometer liegt. Als Leiterwerkstoffe für die Elektroden des Feuchtesensors 36 werden bevorzugt hochtemperaturtaugliche Materialien wie Platin oder Gold benutzt.The interdigital electrode capacitor 30 is in the embodiment of 1 realized as a planar arrangement and is characterized by two respectively comb-like configured, projections and spaces having electrodes 30a and 30b formed, which are entangled without touching each other so that projections of the one electrode 30a . 30b in interspaces of the other electrode 30b . 30a protrude. The electrodes 30a . 30b are preferably dimensioned and arranged such that a distance between opposite sections of the two planar electrodes 30a . 30b has the same order of magnitude as a conductor width of the planar electrodes 30a . 30b and between 100 nm and 500 microns, especially between 10 microns and 100 microns. As conductor materials for the electrodes of the humidity sensor 36 For example, high temperature materials such as platinum or gold are preferred.

Die Elektroden 30a und 30b weisen Anschlusspads 30c und 30d auf, über die im Betrieb des Abgassensors 10 ein Treibersignal in den Feuchtesensor 36 eingespeist wird und/oder über die ein Signal des Feuchtesensors 36 abgenommen wird.The electrodes 30a and 30b have connection pads 30c and 30d on, over in the operation of the exhaust gas sensor 10 a driver signal into the humidity sensor 36 is fed and / or via a signal of the humidity sensor 36 is removed.

Als Signal des Feuchtesensors 36 dienen elektrotechnische Größen wie die komplexe Impedanz oder daraus abgeleitete Größen wie Kapazität, Widerstand, Betrag der Impedanz oder der Phasenwinkel. Wenigstens eine dieser Größen wird ermittelt und als Maß einer Benetzung der Oberfläche, in der die planaren Elektroden 30a, 30b angeordnet sind, mit Wasser verwendet. Messungen werden bevorzugt bei einer vorgegebenen Frequenz durchgeführt, können aber auch bei mehreren unterschiedlichen Messfrequenzen durchgeführt werden. Bevorzugt ist der Bereich von 500 Hz–1 MHz, andere Frequenzen sind ebenfalls möglich.As a signal of the humidity sensor 36 Serve electrotechnical variables such as the complex impedance or derived variables such as capacitance, resistance, magnitude of the impedance or the phase angle. At least one of these quantities is determined and as a measure of wetting of the surface in which the planar electrodes 30a . 30b are arranged, used with water. Measurements are preferably carried out at a predetermined frequency, but can also be carried out at several different measurement frequencies. Preferably, the range is 500 Hz-1 MHz, other frequencies are also possible.

In der Ausgestaltung der 1 ist die Oberfläche, deren Benetzung mit Wasser detektiert wird, eine Oberfläche der ersten Struktur 32, nämlich die Unterseite der Festelektrolytträgerschicht 16. Eine Benetzung dieser Oberfläche mit Wasser stellt eine Veränderung des Dielektrikums zwischen den Elektroden 30a, 30b des Interdigitalelektrodenkondensators 30 dar, auf die der Interdigitalelektrodenkondensator 30 mit einer Veränderung seiner Kapazität reagiert. Eine Ermittlung der Kapazität erlaubt daher eine Detektion einer Benetzung der Oberfläche, in der der Kondensator 30 liegt, mit Wasser.In the embodiment of 1 For example, the surface whose wetting with water is detected is a surface of the first structure 32 namely the underside of the solid electrolyte support layer 16 , Wetting this surface with water causes a change in the dielectric between the electrodes 30a . 30b of the interdigital electrode capacitor 30 to which the interdigital electrode capacitor 30 reacts with a change in its capacity. A determination of the capacitance therefore allows a detection of a wetting of the surface in which the capacitor 30 lies, with water.

2 zeigt verschiedene Verläufe A bis E von Kapazitätsänderungen ΔC über der Zeit t als Folge einer Benetzung der Oberfläche mit verschiedenen Kondensatmengen an Wasser. Dabei steigen die aufgebrachten Wassermengen vom Verlauf A über die Verläufe B, C und D zum Verlauf E hin an. Die Kapazitätsänderungen ΔC wurden dabei mit einem über die Anschlusspads 30c und 30d eingespeisten Treibersignal bei einer Messfrequenz von 300 kHz gemessen. Dabei beträgt die Leerkapazität des Interdigitalelektrodenkondensators 30, also seine Kapazität im trockenen Zustand, 79 pF. Zum Zeitpunkt t0 erfolgt jeweils eine Benetzung der Oberfläche mit Wassertropfen. Der Feuchtesensor 36 reagiert darauf jeweils mit einem steilen Anstieg seiner Kapazität, wobei der jeweils erreichte Maximalwert der Kapazitätsänderung ΔC mit zunehmender Wassermenge, die aufgebracht wurde, ansteigt. Anschließend beginnt das aufgebrachte Wasser zu verdampfen. Dies ist daran erkennbar, dass die Kapazität mit zunehmender Zeit leicht abnimmt. Je mehr Kondensat verdampft, desto schneller sinkt die Kapazität und geht schließlich, sobald keine Feuchtigkeit mehr am Feuchtesensor 36 vorhanden ist, auf ihren Nullwert zurück, den sie vor der Benetzung besessen hatte. 2 shows different courses A to E of capacity changes ΔC over time t as a result of wetting the surface with different amounts of condensate in water. In this case, the applied amounts of water increase from the course A over the courses B, C and D to the course E. The capacity changes .DELTA.C were in this case with a via the connection pads 30c and 30d fed driver signal measured at a measuring frequency of 300 kHz. The empty capacity of the interdigital electrode capacitor is thereby 30 , so its capacity in the dry state, 79 pF. At time t0, the surface is wetted with water droplets. The humidity sensor 36 reacts to this with a steep increase in its capacity, with the maximum value of the capacity levels reached ΔC increases as the amount of water that has been applied increases. Subsequently, the applied water begins to evaporate. This can be seen from the fact that the capacity decreases slightly with increasing time. The more condensate evaporates, the faster the capacity will drop and eventually it will stop as soon as there is no moisture at the humidity sensor 36 is back to its zero value that it had possessed before wetting.

Jeder Kapazitätsverlauf A, B, C, D und E gibt einen eindeutigen Aufschluss darüber, ob sich kondensiertes Wasser am Feuchtesensor 36 und damit am Abgassensor 10 befindet oder nicht. Es kann sehr genau der Zeitpunkt t0 bestimmt werden, an dem am Sensorelement 12 Kondensat gebildet wird oder an dem das Sensorelement 12 im Abgasstrom fliegenden Wassertropfen (Flugtropfen) ausgesetzt ist. Ferner kann sehr genau der Zeitpunkt t2_A, ..., t2_E bestimmt werden, ab dem keine Feuchtigkeit bzw. kein Kondensat mehr an der Oberfläche vorhanden ist. Sehr deutlich ist zu sehen, wie mit dem Aufbringen ansteigender Wassermengen, also vom Verlauf A zum Verlauf E, sowohl die Zeitdauer t2 – t0, als auch der Maximalwert der Kapazitätsänderung ΔC zunimmt.Each capacity curve A, B, C, D and E gives a clear indication as to whether condensed water is present at the humidity sensor 36 and thus on the exhaust gas sensor 10 or not. It can be determined very precisely the time t0, at the sensor element 12 Condensate is formed or on which the sensor element 12 exposed in the exhaust stream flying drops of water (drop of air) is exposed. Furthermore, the time t2_A,..., T2_E can be determined very precisely, from which moisture or condensate is no longer present on the surface. It can be seen very clearly how with the application of increasing amounts of water, ie from the course A to the course E, both the time duration t2-t0 and the maximum value of the capacity change ΔC increase.

Der in der 1 dargestellte Abgassensor 10 erlaubt auch die Erfassung eines zeitlichen Verlaufs der Kondensation von Wasser nach einem Kaltstart. Dazu zeigt 3 die Änderung ΔC der Kapazität des Feuchtesensors 36 bei einer Messfrequenz von 300 kHz als Kurve F und als Kurve G den Verlauf der Temperatur T des Abgassensors 10 aus der 1 im Motorprüfstandsversuch unter Realabgasbedingungen nach einem Kaltstart in Abhängigkeit von der Messzeit in Sekunden. Der Abgassensor 10 mit integriertem Feuchtesensor 36 ist im Abgasrohr des Motorprüfstands angeordnet und befindet sich zwischen zwei Bricks eines Katalysators, kann aber auch an anderen Stellen im Abgasrohr angebracht werden. Zum Zeitpunkt t0 wird der Motor gestartet. Die Kapazität steigt unmittelbar nach dem Start des Motors deutlich an und auch die Sensorelementtemperatur T nimmt zu. Die Kapazitätsänderung ΔC lässt darauf schließen, dass sich Kondenswasser am Feuchtesensor 36 und damit am Abgassensor 10 bildet. Während des Zeitintervalls t0 bis t1 sollte ein Abgassensor 10, der keramische Strukturen aufweist, nicht oder zumindest nicht stark beheizt werden, da die keramischen Strukturen sonst einer großen Wasserschlaggefahr ausgesetzt sind.The Indian 1 illustrated exhaust gas sensor 10 also allows the detection of a time course of the condensation of water after a cold start. In addition shows 3 the change ΔC in the capacity of the humidity sensor 36 at a measuring frequency of 300 kHz as a curve F and as a curve G the course of the temperature T of the exhaust gas sensor 10 from the 1 in the engine test bench test under real exhaust conditions after a cold start as a function of the measuring time in seconds. The exhaust gas sensor 10 with integrated humidity sensor 36 is located in the exhaust pipe of the engine test bench and is located between two bricks of a catalyst, but can also be placed in other places in the exhaust pipe. At time t0, the engine is started. The capacity increases significantly immediately after the start of the engine and the sensor element temperature T increases. The capacitance change ΔC suggests that condensation on the humidity sensor 36 and thus on the exhaust gas sensor 10 forms. During the time interval t0 to t1 should be an exhaust gas sensor 10 , which has ceramic structures, not or at least not strongly heated, since the ceramic structures are otherwise exposed to a large risk of water hammer.

Die Kapazität nimmt zu, bis zum Zeitpunkt t1 ein Maximum Cmax erreicht wird. Die Temperatur T des Sensorelements 12 nimmt bis zum Zeitpunkt t1 ebenso zu und ist dann einige Sekunden konstant, bevor sie weiter ansteigt. Das Temperaturplateau lässt ebenso darauf schließen, dass ab dem Zeitpunkt t1 kein weiteres Kondensat mehr am Abgassensor 10 entsteht. Das am Abgassensor 10 und im Abgasrohr kondensierte Wasser verdampft nach Überschreiten des Taupunktes. Dabei nimmt die Kapazität des Feuchtesensors 36 ab dem Zeitpunkt t1 zügig ab, bis zum Zeitpunkt t2 die Leerkapazität, also das Ausgangssignal, erreicht ist. Ab dem Zeitpunkt t2 befindet sich kein Kondensat mehr am Feuchtesensor 36, bzw. am Abgassensor 10.The capacity increases until a maximum Cmax is reached at time t1. The temperature T of the sensor element 12 It also increases until time t1 and then remains constant for a few seconds before continuing to increase. The temperature plateau also suggests that from the time t1 no more condensate on the exhaust gas sensor 10 arises. The at the exhaust gas sensor 10 and condensed in the exhaust pipe water evaporates after exceeding the dew point. The capacity of the humidity sensor decreases 36 from the time t1 quickly, until the time t2, the empty capacity, ie the output signal is reached. From time t2 on, there is no condensate left on the humidity sensor 36 , or at the exhaust gas sensor 10 ,

Für die Steuerung der Heizung des Abgassensors 10 in Abhängigkeit vom Signal des Feuchtesensors 36 bieten sich zwei Alternativen an. Im Rahmen einer ersten Alternative wird die aktive Beheizung zum Zeitpunkt t1 in der 3 gestartet oder verstärkt, da ab diesem Zeitpunkt mehr Kondensat verdampft als neu hinzu kommt. Eine andere Alternative sieht vor, die Beheizung erst zum Zeitpunkt t2 zu starten oder zu verstärken, also sobald kein Kondensat mehr am Abgassensor 10 vorliegt. Die Steuerung der Heizung in Abhängigkeit von den aus dem Signal des Feuchtesensors 36 ermittelten Zeitpunkten t1 und/oder t2 ermöglicht eine schnelle, ohne Wasserschlaggefahr erfolgende aktive Aufheizung, so dass die Betriebstemperatur des Abgassensors 10 innerhalb weniger Sekunden nach dem Start des Verbrennungsmotors erreicht werden kann.For controlling the heating of the exhaust gas sensor 10 depending on the signal of the humidity sensor 36 There are two alternatives. In a first alternative, the active heating at time t1 in the 3 started or strengthened, since from this point more condensate evaporates than new is added. Another alternative is to start the heating only at the time t2 or to reinforce, so as soon as no more condensate on the exhaust gas sensor 10 is present. The control of the heater depending on the signal from the humidity sensor 36 determined times t1 and / or t2 allows a fast, taking place without risk of water hammering active heating, so that the operating temperature of the exhaust gas sensor 10 can be reached within a few seconds after the start of the internal combustion engine.

Die Ausgestaltung des Abgassensors 10 nach der 1 erfordert über die Anschlusspads 22a, 24a und 26a, 26b hinaus zwei zusätzliche Anschlusspads 30c und 30d für die Kontaktierung der Elektroden 30a und 30b des Interdigitalelektrodenkondensators 30. Ein bevorzugtes zweites Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Hierbei kann auf zusätzlich notwendige Anschlüsse zur Kontaktierung bzw. zum Abgriff des Signals des Feuchtesensors 36 verzichtet werden.The embodiment of the exhaust gas sensor 10 after 1 requires the connection pads 22a . 24a and 26a . 26b There are also two additional connection pads 30c and 30d for contacting the electrodes 30a and 30b of the interdigital electrode capacitor 30 , A preferred second embodiment is in 4 shown. This can additionally necessary connections for contacting or for tapping the signal of the humidity sensor 36 be waived.

Unter der Voraussetzung, dass die leitfähigen Schichten des Abgassensors 10 elektrisch voneinander isoliert sind, wie dies im Fall der Schicht der Heizeinrichtung 26 durch die Isolierschichten 18 und 20 erfolgt, können bereits vorhandene Anschlusspads wie die Anschlusspads 26a, 26b der Heizeinrichtung 26 und das Anschlusspad 22a der Abgaselektrode 22 zur Kontaktierung der Elektroden 30a, 30b des Feuchtesensors verwendet werden. So kann die Elektrode 30a an ein Anschlusspad 26a oder 26b angeschlossen werden. In der Ausgestaltung der 4 erfolgt der Anschluss an das Anschlusspad 26a.Provided that the conductive layers of the exhaust gas sensor 10 are electrically isolated from each other, as in the case of the layer of the heater 26 through the insulating layers 18 and 20 already existing connection pads such as the connection pads 26a . 26b the heater 26 and the connection pad 22a the exhaust gas electrode 22 for contacting the electrodes 30a . 30b of the humidity sensor. So can the electrode 30a to a connection pad 26a or 26b be connected. In the embodiment of 4 the connection to the connection pad takes place 26a ,

Die andere Elektrode 30b des Interdigitalelektrodenkondensators 30 ist in der Ausgestaltung der 4 an das Anschlusspad 22a der Abgaselektrode 22 angeschlossen. Alternativ käme auch ein Anschluss an die Referenzelektrode 24 in Frage. Da die beiden Anschlusspads 26a und 22a elektrisch voneinander isoliert sind, kann eine zusätzlich notwendige Kontaktierungsleitung 38 um den Schichtstapel des Abgassensors 10 geführt werden, ohne dass gegenseitige elektrische Beeinflussungen vorhanden sind. Die Kontaktierungsleitung 38 kann auch als Leiterbahn über die Kante des Schichtstapels, ohne Berührung anderer Anschlusspads und/oder Elektroden geführt werden. Als weitere Alternative ist eine Durchkontaktierung des Schichtstapels möglich. So ist es möglich, einen Feuchtesensor 36 ohne zusätzliche Anschlussleitungen in einen Schichtstapel eines Abgassensors 10, insbesondere eines in planarer Vielschichttechnologie realisierten Lambdasensors zu integrieren.The other electrode 30b of the interdigital electrode capacitor 30 is in the embodiment of 4 to the connection pad 22a the exhaust gas electrode 22 connected. Alternatively, there would be a connection to the reference electrode 24 in question. Because the two connection pads 26a and 22a are electrically isolated from each other, an additional necessary Kontaktierungsleitung 38 around the layer stack the exhaust gas sensor 10 be guided without mutual electrical interference are present. The contacting line 38 can also be performed as a trace over the edge of the layer stack, without touching other pads and / or electrodes. As a further alternative, through-plating of the layer stack is possible. So it is possible to have a humidity sensor 36 without additional connection lines in a layer stack of an exhaust gas sensor 10 in particular to integrate a lambda sensor realized in planar multilayer technology.

Ein elektrisches Ersatzschaltbild, wie in 5 gezeigt, verdeutlicht elektrische Schaltungen zum Betreiben von Abgassensoren. Dabei zeigt 5a den Anschluss des Abgassensors 10 aus der 1 ohne den Anschluss der Interdigitalelektrodenkondensatorstruktur 30 an eine Betriebs- und Auswerteschaltung 40. U_Sensor ist das Signal des Abgassensors 10, also zum Beispiel die Nernstspannung eines Lambdasensors und U_Bat ist eine Batteriespannung, mit der die Heizeinrichtung 26 betrieben wird. Wesentlich ist hier, dass der Heizleiterkreis, der mit U_Bat gesteuert wird, und der Sensorsignalkreis, der das Signal U_Sensor liefert, voneinander getrennt sind.An electrical equivalent circuit, as in 5 shows illustrated electrical circuits for operating exhaust gas sensors. It shows 5a the connection of the exhaust gas sensor 10 from the 1 without the connection of the interdigital electrode capacitor structure 30 to an operating and evaluation circuit 40 , U_Sensor is the signal of the exhaust gas sensor 10 Thus, for example, the Nernst voltage of a lambda sensor and U_Bat is a battery voltage with which the heater 26 is operated. It is essential here that the heating conductor circuit, which is controlled by U_Bat, and the sensor signal circuit, which supplies the signal U_Sensor, are separated from one another.

5b repräsentiert das elektrische Ersatzschaltbild der Ausgestaltung aus der 4 unter Einbeziehung des Interdigitalelektrodenkondensators 30. Der Interdigitalelektrodenkondensator 30 wird mit der zusätzlichen Wechselspannung U_30 betrieben, was zu einem Wechselstrom I führt, der von einem Amperemeter 42 erfasst wird. Aus U_30 und I wird im Block 44 dann die komplexe Impedanz Z bzw. daraus abgeleitete Größen wie R oder C berechnet, um die Heizeinrichtung 26 zu steuern. In Abhängigkeit wenigstens einer dieser Größen, die ein Maß für die Benetzung des lnterdigitalelektrodenkondensators 30 mit Wasser darstellt, steuert der Block 44 die Heizeinrichtung 26 über einen Steuerschalter 46. Der Block 44 ist dazu eingerichtet, insbesondere dazu programmiert, den Ablauf der Verfahrensaspekte der Erfindung und/oder ihrer Ausgestaltungen zu steuern. 5b represents the electrical equivalent circuit diagram of the embodiment of the 4 including the interdigital electrode capacitor 30 , The interdigital electrode capacitor 30 is operated with the additional AC voltage U_30, resulting in an alternating current I, that of an ammeter 42 is detected. From U_30 and I is in the block 44 then calculates the complex impedance Z or derived quantities, such as R or C, to the heater 26 to control. Depending on at least one of these quantities, which is a measure of the wetting of the interdigital electrode capacitor 30 represents with water, controls the block 44 the heater 26 via a control switch 46 , The block 44 is set up, in particular programmed to control the flow of the method aspects of the invention and / or their embodiments.

Es sei darauf hingewiesen, dass der in 4 gezeigte Aufbau auf einen Lambdasensor zugeschnitten ist, der in planarer Vielschichttechnologie hergestellt wird. Für den Fachmann ist es jedoch nicht schwierig, die hier vorgestellte Erfindung und ihre Ausgesaltungen auch auf andere Ausführungsformen von Sensoren zu übertragen, wie sie zum Bespiel in den Veröffentlichungen

– J. Riegel, H. Neumann, H.-M. Wiedenmann, Exhaust gas sensors for automotive emission control, Solid State Ionics 152–153 (2002) 783–800 ,
– S. Naito, T Sugiyama, Y. Nakamura, Development of Planar Oxygen Sensor, SAE paper 2001-01-0228 (2001) ,
– N. Kato et at., Thick Film ZrO2 NOx Sensor, SAE paper 960334 (1996) , und
– V. Weisgerber, D.Y. Wang, W. Symons, D. Cabush, Ammoniaksensoren für die Regelung von SCR-Systemen mit Harnstoffeinspritzung, Sensoren im Automobil, München (2006) beschrieben sind,

und damit diese Sensorelemente für Schäden durch Wasser zu schützen.It should be noted that the in 4 shown structure is tailored to a lambda sensor, which is manufactured in planar multilayer technology. However, it will not be difficult for a person skilled in the art to apply the invention presented here and its embodiments to other embodiments of sensors, as described for example in the publications

- J. Riegel, H. Neumann, H.-M. Wiedenmann, Exhaust gas sensors for automotive emission control, Solid State Ionics 152-153 (2002) 783-800 .
- S. Naito, T Sugiyama, Y. Nakamura, Development of Planar Oxygen Sensor, SAE paper 2001-01-0228 (2001) .
- N. Kato et al., Thick Film ZrO2 NOx Sensor, SAE paper 960334 (1996) , and
- V. Weisgerber, DY Wang, W. Symons, D. Cabush, Ammonia Sensors for Control of SCR Systems with Urea Injection, Automotive Sensors, Munich (2006) are described

and thus to protect these sensor elements for damage by water.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, einen Feuchtesensor 36 mit einem Temperatursensor zusammen in einen Abgassensor 10 zu integrieren. Die Temperaturmessung kann über einen elektrischen Widerstand erfolgen. Dabei kann der elektrische Widerstand zur Temperaturmessung zugleich eine Elektrode eines lnterdigitalelektrodenkondensators 30 darstellen.Another embodiment provides a humidity sensor 36 with a temperature sensor together in an exhaust gas sensor 10 to integrate. The temperature measurement can be done via an electrical resistor. In this case, the electrical resistance for temperature measurement can also be an electrode of an interdigital electrode capacitor 30 represent.

Durch die Integration einer Interdigitalelektrodenkondensatorstruktur anstelle eines anderen Feuchtesensors in einen Abgassensor, insbesondere in einen Lambda-Sensor, erhält man einerseits eine Interdigitalelektrodenstruktur zur Feuchtedetektion und andererseits kann die Sensorelementtemperatur ohne zusätzlichen Temperatursensor exakt an der Stelle gemessen werden, an der sich der Feuchtesensor befindet. So kann das Signal des Feuchtesensors und gleichzeitig und lokal die Temperatur des Sensorelements bestimmt werden wodurch die Aussage über den Startzeitpunkt oder den Zeitpunkt der Verstärkung der aktiven Sondenbeheizung nochmals verbessert wird.By the integration of an interdigital electrode capacitor structure instead of another humidity sensor in an exhaust gas sensor, in particular in a lambda sensor, one obtains on the one hand an interdigital electrode structure for moisture detection and on the other hand, the sensor element temperature without additional temperature sensor measured exactly at the point where the humidity sensor is located. So the signal can the humidity sensor and simultaneously and locally the temperature of the sensor element which determines the statement about the start time or the time of amplification of the active probe heating is improved again.

In einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindungen sind als Feuchtesensor auch andere Elektrodenstrukturen außer der Interdigitalelektrodenstruktur denkbar.In Another embodiment of the present invention are as Humidity sensor also other electrode structures except the Interdigital electrode structure conceivable.

Eine weitere Ausführungsform ist in 6 angedeutet, bei der eine Elektrodenstruktur 48 ebenso wie die Interdigitalelektrodenkondensatorstruktur 30 aus den 1 und 4 auf der Rückseite einer Festelektrolyt-Trägerschicht 16 aufgebracht ist. Im Unterschied zur Interdigitalelektrodenkondensatorstruktur 30 werden jedoch keine Kamm-Elektroden 30a, 30b verwendet. Stattdessen werden einzelne Leiterbahnen 50, 52, ... verwendet, die nicht miteinander verbunden sind. Eine der Leiterbahnen 52, 54, ... ist mit einer Elektrode 60 zum Signalabgriff verknüpft. Eine weitere Leiterbahn 50 ist über eine nicht unbedingt notwendige Verbindungsleitung 62 mit einer Gegenelektrode 64 verbunden. Als Gegenelektrode 64 dient in einer Ausgestaltung die Heizeinrichtung 26. Der Signalabgriff der Elektrodenstruktur erfolgt zwischen der Elektrode 60 und der Gegenelektrode 26. Befindet sich nun Kondensat auf der Elektrodenstruktur 24 so kann dies ebenso wie mit der Interdigitalelektrodenkondensatorstruktur 30 detektiert werden.Another embodiment is in 6 indicated at the one electrode structure 48 as well as the interdigital electrode capacitor structure 30 from the 1 and 4 on the back of a solid electrolyte support layer 16 is applied. In contrast to the interdigital electrode capacitor structure 30 However, no comb electrodes 30a . 30b used. Instead, individual tracks are 50 . 52 , ... used, which are not connected. One of the tracks 52 . 54 , ... is with an electrode 60 linked to the signal tap. Another track 50 is over a not necessarily necessary connection line 62 with a counter electrode 64 connected. As counter electrode 64 serves in one embodiment, the heater 26 , The signal tap of the electrode structure takes place between the electrode 60 and the counter electrode 26 , There is now condensate on the electrode structure 24 this may be the same as with the interdigital electrode capacitor structure 30 Detek be done.

Mit Blick auf die 7 und der 8 wird nun nachfolgend eine weitere Ausgestaltung erläutert. Dabei wird eine Struktur zur Feuchtedetektion indirekt oder direkt auf ein Schutzgehäuse 60, insbesondere auf das metallische Schutzrohr des Abgassensors, aufgebracht.With view on 7 and the 8th Now, another embodiment will be explained below. Here, a structure for moisture detection is indirectly or directly on a protective housing 60 , in particular on the metallic protective tube of the exhaust gas sensor applied.

Auf das in 7 dargestellte Schutzrohr 66 des Abgassensors 10, in dem sich zentral die erste Struktur 32 aus den 1 oder 4, also der Schichtstapel ohne den Interdigitalelektrodenkondensator 30, befindet, sind zwei Feuchtesensoren 68a, 68b aufgebracht. Dies verdeutlicht einerseits mögliche alternative Anordnungen. Bei praktischen Realisierungen wird man entweder den Feuchtesensor 68a oder den Feuchtesensor 68b verwenden und den jeweils anderen bei der Herstellung weglassen. Das Schutzrohr 66 stellt eine Ausgestaltung einer Schutzstruktur dar, die auch anders, zum Beispiel als im Strömungsweg der Abgase vor dem Sensorelement 12 angeordnete Prallfläche ausgestaltet sein kann.On the in 7 illustrated protective tube 66 the exhaust gas sensor 10 in which the first structure is centrally located 32 from the 1 or 4 , ie the layer stack without the interdigital electrode capacitor 30 , located, are two humidity sensors 68a . 68b applied. This illustrates on the one hand possible alternative arrangements. In practical implementations, one either becomes the humidity sensor 68a or the humidity sensor 68b use and omit the other in the manufacture. The protective tube 66 represents an embodiment of a protective structure, which also different, for example, as in the flow path of the exhaust gases in front of the sensor element 12 arranged baffle can be configured.

Andererseits zeigen diese Ausgestaltungen auch, wie ein solcher Feuchtesensor 68a, 68b aufgebaut sein kann. Im Beispiel des Feuchtesensors 68a wurde auf das Rohr 66 eine Metallfolie oder eine Metallschicht 70 aufgebracht, die mit einer elektrisch isolierenden dielektrischen Schicht 74 versehen ist und auf der sich eine Interdigitalelektrodenkondensatorstruktur 72 befindet. Als Folie oder Schicht 70 kommen ebenfalls Keramikfolien oder Kunststofffolien oder Beschichtungen aus diesen Werkstoffen in Betracht, bei denen, solange die Folie 70 elektrisch isolierend ist, keine zusätzliche isolierende Dielektrikumsschicht 74 notwendig ist. Dies ist am Beispiel des Feuchtesensors 18b dargestellt. Mittels der indirekt aufgebrachten Feuchtesensoren 18a oder 18b kann die direkt am Schutzrohr 60 auftretende Wasserkondensation bestimmt werden. Die Aufbringung der Feuchtesensoren 18a oder 18b ist mittels der indirekten Methode auf der Rohraußenwand aber auch auf der Rohrinnenwand des Schutzrohrs möglich.On the other hand, these embodiments also show how such a humidity sensor 68a . 68b can be constructed. In the example of the humidity sensor 68a was on the pipe 66 a metal foil or a metal layer 70 applied with an electrically insulating dielectric layer 74 is provided and on which an interdigital electrode capacitor structure 72 located. As a foil or layer 70 Also come ceramic films or plastic films or coatings of these materials into consideration, in which, as long as the film 70 is electrically insulating, no additional insulating dielectric layer 74 necessary is. This is the example of the humidity sensor 18b shown. By means of indirectly applied humidity sensors 18a or 18b Can the directly on the thermowell 60 occurring water condensation can be determined. The application of humidity sensors 18a or 18b is possible by means of the indirect method on the pipe outer wall but also on the pipe inner wall of the protective tube.

Die perspektivische Ansicht des Schutzrohres 66 in 8 zeigt die direkte Aufbringung eines Feuchtesensors 68c auf das Schutzrohr 66. Die erste Struktur 32 des Schichtstapels aus den 1 und 4 ist hier ebenso zentral im Schutzgehäuse 66 angeordnet. Um den Feuchtesensor 68c direkt auf ein metallisches Schutzrohr 66 zu bringen, wird zunächst eine Dielektrikumsschicht zur elektrischen Isolation abgeschieden, auf die im Anschluss eine Interdigitalelektrodenstruktur aufgebracht wird. Eine direkte Aufbringung des Feuchtesensors 68c ist nur auf der Rohraußenwand des Schutzrohres 66 möglich. Auf die Rohrinnenwand müsste der Feuchtesensor vor der Formgebung des Stahlbleches aufgebracht werden. Die Betriebsmöglichkeiten der Ausgestaltung der Erfindung sind die gleichen wie bei den anderen Ausführungsbeispielen. Ebenso kann der oben erwähnte Interdigitalelektrodenkondensator hierfür verwendet werden.The perspective view of the protective tube 66 in 8th shows the direct application of a humidity sensor 68c on the protective tube 66 , The first structure 32 of the layer stack from the 1 and 4 Here is just as central in the protective housing 66 arranged. To the humidity sensor 68c directly onto a metallic protective tube 66 To bring, a dielectric layer for electrical insulation is first deposited, on which an interdigital electrode structure is subsequently applied. A direct application of the humidity sensor 68c is only on the tube outer wall of the protective tube 66 possible. On the pipe inner wall, the moisture sensor would have to be applied before the shaping of the steel sheet. The operation possibilities of the embodiment of the invention are the same as in the other embodiments. Also, the above-mentioned interdigital electrode capacitor can be used for this purpose.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 4300530 C2 [0002, 0010, 0010]
- DE 102004020139 A1 [0011]
- DE 102004053460 A1 [0011]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

J. Riegel, H. Neumann, H.-M. Wiedenmann, Exhaust gas sensors for automotive emission control, Solid State Ionics 152-153 (2002) 783-800 [0062]
S. Naito, T. Sugiyama, Y. Nakamura, Development of Planar Oxygen Sensor, SAE paper 2001-01-0228 (2001) [0062]
- Kato et al., Thick Film ZrO2 NOx sensor, SAE paper 960334 (1996) [0062]
W. Weisgerber, DY Wang, W. Symons, D. Cabush, Ammonia Sensors for the Control of SCR Systems with Urea Injection, Automotive Sensors, Munich (2006) [0062]

Claims

Exhaust gas sensor ( 10 ) for detecting a concentration of a component of the exhaust gas of an internal combustion engine, which exhaust gas sensor ( 10 ) a ceramic sensor element ( 12 ) as part of a first structure ( 32 ), with which the concentration of the exhaust gas constituent is detected, and which exhaust gas sensor ( 10 ) a heating device ( 26 ), characterized in that the exhaust gas sensor ( 10 ) a second structure ( 36 ) for detecting a wetting of a surface of the exhaust gas sensor ( 10 ) is furnished with water.

Exhaust gas sensor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the surface is a surface of the first structure ( 32 ).

Exhaust gas sensor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the surface is a surface of a protective structure ( 66 ), which is the ceramic sensor element ( 12 ) protects against impact of solid particles and liquid droplets transported with the exhaust gas.

Exhaust gas sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second ( 36 ) Structure a capacitor ( 30 ) of a planar interdigital electrode arrangement, wherein an interdigital electrode arrangement in each case by two comb-like configured, projections and interspaces having electrodes ( 30a . 30b ) are formed, which are entangled without touching each other so that projections of the one electrode ( 30a . 30b ) in interspaces of the other electrode ( 30b . 30a ) protrude.

Exhaust gas sensor ( 10 ) according to claim 4, characterized in that a distance between opposite portions of the two planar electrodes ( 30a . 30b ) has the same order of magnitude as a conductor width of the planar electrodes ( 30a . 30b ) and between 100 nm and 500 microns, in particular between 10 microns and 100 microns.

Exhaust gas sensor ( 10 ) according to claim 4 or 5, characterized in that one of the two electrodes ( 30a . 30b ) to an electrical connection ( 26a ) of the heater ( 26 ) connected.

Exhaust gas sensor ( 10 ) according to claim 6, characterized in that the other of the two electrodes ( 30a . 30b ) to an electrical connection of an electrode ( 22 . 24 ) of the ceramic sensor element ( 12 ) connected.

Method for operating an exhaust gas sensor ( 10 ) with the features of claim 1, characterized in that a complex impedance or a quantity derived therefrom, such as capacitance, resistance, magnitude of the impedance or phase angle between the real part and the imaginary part of the complex impedance is determined and used as a measure of wetting of the surface with water.

A method according to claim 8, characterized in that the detection of the wetting with water takes place after a cold start of the internal combustion engine and that the heating device ( 26 ) is controlled depending on the result of the detection.

A method according to claim 9, characterized in that the degree of wetting is determined repeatedly, from the repeatedly determined measures a time course of wetting is determined and the heating device ( 26 ) is controlled as a function of the time course of the wetting.

Method according to claim 10, characterized in that the heating device ( 26 ) is first operated with a first heating power, a maximum in the time course of wetting is determined, and the heater is operated after the occurrence of the maximum with a second heating power, which is greater than the first heating power.