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Kommerzielle NOx-Sensoren für Automobilanwendungen sind hauptsächlich elektrochemische YSZ-Sensoren des amperometrischen Typs.

Abbildung 1 veranschaulicht das grundlegende Funktionsprinzip. Der Sensor verwendet zwei oder drei elektrochemische Zellen in benachbarten Kammern. Die erste Zelle pumpt elektrochemisch O2 aus der Probe, damit es die NOx-Messung in der zweiten Zelle nicht stört. Durch die Notwendigkeit, O2 zu entfernen, kann dieser Typ von NOx-Sensor einen doppelten Zweck erfüllen; er kann auch den O2-Gehalt im Abgas erkennen.

Abbildung 1. Schematische Darstellung eines amperometrischen NOx-Sensors

Das O2 in der ersten Zelle wird reduziert und die entstehenden O-Ionen werden durch den Zirkoniumdioxid-Elektrolyten gepumpt, indem eine Vorspannung von ca. -200 mV bis -400 mV angelegt wird. Der Pumpstrom ist proportional zur O2-Konzentration. Die verbleibenden Gase diffundieren in die zweite Zelle, wo ein reduzierender Katalysator die Zersetzung von NOx in N2 und O2 bewirkt. Wie bei der ersten Zelle dissoziiert eine an die Elektrode angelegte Vorspannung von -400 mV das entstandene O2, das dann aus der Zelle gepumpt wird; der Pumpstrom der zweiten Zelle ist proportional zur Sauerstoffmenge aus der NOx-Zersetzung. Eine zusätzliche elektrochemische Zelle kann als Nernst’sche Lambdasonde zur Steuerung der NOx-Sensorzelle eingesetzt werden [Rheaume 2010].

Alle HC und CO im Abgas sollten vor der NOx-Sensorzelle oxidiert werden, um Störungen zu vermeiden. Außerdem sollte jegliches NO2 in der Probe vor der NOx-Messung in NO umgewandelt werden, um sicherzustellen, dass der Sensorausgang proportional zur NOx-Menge ist.

Wenn eine Trennwand aus YSZ-Keramik zwischen zwei Kammern mit unterschiedlichem Sauerstoffpartialdruck platziert wird, passiert bei Raumtemperatur nichts. Erhöht man jedoch die Temperatur der Keramikwand auf ca. 600°C, können Sauerstoffionen durch die Lücken im Kristallgitter wandern. Es findet eine Angleichung statt, bei der die Kammer mit dem höheren Partialdruck Sauerstoff-Ionen durch die Wand in die Kammer mit dem niedrigeren Druck drückt.

Werden beide Oberflächen der Trennwand mit einer Elektrode versehen, kann man die Bewegung der Ionen durch Spannungsmessung nachweisen. Und genau das geschieht bei der binären (schaltenden) Lambdasonde. Die Reduktion von Sauerstoff zu O2-, die in der Kammer mit dem höheren O2-Druck stattfindet, wird durch Gleichung (1) beschrieben:

O2 + 4e- = 2O2- (1)

und die Sensorspannung ist durch die Nernst-Gleichung gegeben:

Us = (RT/4F) ln(pref / pexh) (1)

Wobei

Us – Sensorsignal, V

T – Temperatur, K

p – Partialdruck des Sauerstoffs

R – Gaskonstante = 8,314 J/mol

F – Faraday-Konstante = 96,485 sA/mol

Das Diagramm in Abbildung 2 stellt die Kammer mit hohem Sauerstoffpartialdruck als blau gefärbte Fläche und die Kammer mit niedrigem Sauerstoffpartialdruck als graue Fläche dar. Wird die braun gefärbte Keramik auf 600°C erhitzt, erzeugen die gelb dargestellten mikroporösen Platinelektroden etwa 1V.

Passive Zellen. Die Kammer mit dem hohen Sauerstoffpartialdruck ist der Referenzluftkanal. Reiches Abgas (λ ∠ 1) hat einen geringen Sauerstoffgehalt. Wird die Zirkonoxid-Keramik mit einem Heizelement auf ca. 600°C aufgeheizt, wandern Sauerstoff-Ionen aus dem Referenzluftkanal durch die Keramikwand auf die Abgasseite und es wird fast ein Volt Signalspannung erzeugt. Bei magerem Abgas (λ> 1) ist die Sauerstoffpartialdruckdifferenz relativ zur Referenzluft gering und es wird ein Signal von nur 0,1V oder weniger gemessen. Bei λ = 1 beträgt die Signalspannung ca. 0,4-0,5V, je nach Hersteller und Sondenmodell. Die Spannungs-Lambda-Kennlinie ist nahezu stufenförmig, so dass die Sonde zwischen zwei Lambda-Werten – fett und mager – unterscheiden kann, daher auch die Bezeichnung „binäre“ Lambdasonde. In einem solchen Betrieb – repräsentativ für eine binäre Lambdasonde – korreliert die erzeugte Spannung mit dem Abfall des Sauerstoffpartialdrucks. Die passive YSZ-Keramikzelle wird auch als potentiometrische oder Nernst-Zelle bezeichnet. Aktive Zellen. Es ist auch möglich, die Sonden aktiv zu betreiben, wie es bei breitbandigen (linearen) Sauerstoffsensoren und bei den amperometrischen Zellen in NOx-Sensoren der Fall ist. Beim aktiven Betrieb wird keine Spannung an den Elektroden abgegriffen, sondern die Elektroden sind mit einer Stromquelle verbunden. In solchen aktiven Zellen – „Pumpzellen“ genannt – ist es möglich, durch Umpolung Sauerstoffionen von der sauerstoffarmen auf die sauerstoffreiche Seite zu „pumpen“. Der Pumpstrom ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration. Die Strom-Lambda-Kennlinie ist linear, was die Messung der O2-Konzentration bei verschiedenen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen ermöglicht. NOx-Sensoren umfassen mindestens zwei Sauerstoffpumpzellen (Abbildung 1) – eine, um überschüssigen Sauerstoff aus dem Abgas zu entfernen, und eine weitere, um die Konzentration des bei der Zersetzung von NOx freigesetzten Sauerstoffs zu messen.

Wie NOx-Sensoren funktionieren, um die Emissionen von Dieselmotoren zu steuern

Wenn die Sensoren feststellen, dass zu viel NOx emittiert wird, teilen sie dies dem SCR-System mit, damit es die Harnstoffmengen entsprechend anpassen kann. Ihre Funktion besteht also darin, die NOx-Umwandlungseffizienz des Katalysators zu überwachen. Die Sensoren können als Teil einer Rückkopplungsschleife zum Steuergerät des Emissionssystems arbeiten, um Anpassungen in Echtzeit vorzunehmen und die NOx-Umwandlung zu optimieren. Das Steuergerät kann dann Anpassungen vornehmen, um die NOx-Umwandlungsleistung zu optimieren. Die meisten gängigen Nachbehandlungssysteme haben zwei NOx-Sensoren: Einen „stromaufwärts“ auf der Turboseite Ihres Partikelfilters (DPF) und den zweiten „stromabwärts“, auf der Auslassseite Ihres Katalysators (DOC). Die beiden Signale, die direkt an Ihr Motorsteuerungsmodul gesendet werden, werden dann verglichen, um die „Umwandlungseffizienz“ Ihres Abgassystems zu bestimmen. Im Falle der SCR-Technologie kann auch eine Rückmeldung an das Harnstoff-Dosiersystem erfolgen, während im Falle von mageren NOx-Fallenkatalysatoren eine Rückkopplungsschleife die Regeneration der Falle signalisieren könnte.

Der NOx-Sensor hat ein Zweikammer-Design, das sowohl den Sauerstoff- als auch den NOx-Gehalt misst. Wenn das Abgas in den Sensor eintritt, wird der Sauerstoff herausgepumpt und das NOx findet seinen Weg in eine zweite Kammer, wo das Gas einem Katalysator ausgesetzt wird, der diese Informationen berechnet und an Ihren Computer meldet.

Wenn Sie daran denken, Ihren DPF oder DOC zu wechseln, sollten Sie auch an den Wechsel der NOx-Sensoren denken, damit alles reibungslos funktioniert. Hier kommen wir ins Spiel. Wir führen derzeit NOx-Sensoren für fast alle europäischen Anwendungen, aber viele weitere Fahrzeuganwendungen sind in Vorbereitung.

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