CN101573613B - 具有附加的富气调节装置的传感器元件 - Google Patents
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Abstract
本发明建议一种用于测量气体室(212)中的混合气的气体成分的方法，它具有传感器元件(210)，所述传感器元件具有至少一个第一电极(218)、至少一个第二电极(216)和至少一个将至少两个电极(216、218)连接起来的固体电解质(214)。在这种情况中至少一个第二电极(216)相对于气体室(212)被屏蔽，并且和参考气体室(242)连接。此外，该传感器元件(210)还具有一个控制装置(510)，它具有至少两个运行状态。首先规定贫调节状态。在这个调节状态中可从线性的泵电流特性曲线中推导出一个空气系数λ，并且可进行一个相应的贫调节。此外，还规定至少一个富调节状态，在该富调节状态中可对混合气的富区域(112)中的一定的空气系数λ＜1进行调节，其办法是采用一个泵电压，这个泵电压正好等于在这个空气系数λ中出现的能斯特电压。
Description
技术领域
本发明涉及已公开的传感器元件。这些传感器元件是以一定的固体的电解特性，也就是这些固体的传导一定的离子的能力为基础。这种类型的传感器元件特别是应用在汽车中，以测量空气燃料混合气的成分。特别是这种类型的传感器元件用在所谓的“Lambda探头”中，并且在降低无论是汽油机还是柴油机技术中的废气中的有害物质方面起着重要作用。
在这种情况中通常在燃烧技术中用这种所谓的空气系数“Lambda”(λ)表示实际提供的空气质量和燃烧理论上所需要的(也就是化学计算的)空气质量之间的比例。在这种情况中借助一个或者多个传感器部件大多在内燃机的废气管道中的一个或者多个部位测量空气系数。相应地“富的”混合气(也就是燃料富余的混合气)具有空气系数λ＜1，而“贫的”混合气(也就是燃料缺少的混合气)具有一个λ＞1的空气系数。除了汽车技术以外这种类型的和类似的传感器元件也应用在其它的技术领域(特别是在燃烧技术领域)，例如在航空技术中，或者应用在例如在供暖设备或者发电厂中的燃烧器的调节中。现有技术已公开了许多不同实施形式的传感器元件，例如在Robert Bosch股份有限公司的“Sensoren im Kraftfahrzeug(汽车中的传感器)”，2001年6月，第112页-117页，或者在T.Baunach et al.的“Sauberes Abgas durchKeraiksensoren”，Physik Journal 5(2006)Nr.5，第33-38页中有描述。
有一种实施形式是所谓的“阶跃探头”(Sprungsonde)。它的测量原理是建立在测量一个暴露在参考气体中的参考电极和一个暴露在待测量的混合气中的测量电极之间的电化学的电位差的基础之上的。参考电极和测量电极通过固体电解质彼此连接，其中，由于它的氧离子传导特性通常将二氧化锆(例如钇-稳定化的二氧化锆)或者类似的陶瓷用作固体电解质。理论上恰好在富混合气和贫混合气之间的过渡中电极之间的电位差具有特征性的阶跃。人们可以利用这个阶跃，以测量和/或调节混合气的成分。例如在DE 10 2004 035 826 A1，DE 199 38 416 A1和DE 10 2005 027 225 A1描述了这种类型的阶跃探头的一些不同的实施例，这些阶跃探头也称作“能斯特元件”。
代替地或者除了阶跃探头外还使用一种所谓的“泵元件”。在这种泵元件中给两个通过固体电解质连接的电极提供“泵电压”，其中，通过泵元件测量“泵电流”。和阶跃探头的原理的区别在于在泵元件中通常是将两个电极和待测量的混合气连接。在这种情况中，两个电极之一(首先通过一个可渗透的保护层)直接暴露在待测量的混合气中。也可代替地将这个电极暴露在参考气体中。然而通常是如此地设计两个电极中的第二电极的，即混合气不能直接到达这个电极，而是首先必须穿过一个所谓的“扩散阻挡层”，以便到达一个和这个第二电极相邻的空腔室。通常将一种具有根据目标可调节的孔径的多孔的陶瓷结构用作扩散阻挡层。当贫废气穿过这个扩散阻挡层进入到空腔室时借助泵电压将第二负电极上的氧分子电化学地还原成氧离子，并且通过固体电解质被输送到第一正电极，并且在那里作为自由氧重新输出。通常这些传感器元件在一种所谓的极限电流工作方式中运行，也就是在这样一种工作方式中，在这种工作方式中是如此地选择泵电压的，即通过扩散阻挡层进入的氧全部地泵给到对应的电极上。在这种工作方式中泵电流和废气混合物中的氧的分压力接近成比例，因此，这种类型的传感器元件常常也叫做比例传感器。和阶跃传感器相反，泵元件可在一个比较宽的领域用于空气系数Lambda，因此泵元件特别用在所谓的宽带传感器中，以测量，和/或调节λ＝1以外的混合气的成分。
上述阶跃元件和泵元件的传感器原理也可有利地组合使用，即所谓的“多元件”。这样，传感器元件就可以包括一个或者多个按照阶跃传感器原理工作的元件和一个或多个泵元件。在EP 0 678 740 B1中描述了一个“双元件”的实例。在这种情况中借助能斯特元件测量在上面所描述的、且和泵元件的第二电极相邻的空腔室中的氧分压力，并且通过调节如此地制导泵电压，即始终在空腔室中保持λ＝1的条件。已公开这种多元件结构的不同的改型。
然而现有技术已公开的传感器元件在许多情况下仅在贫废气中示出一个明确的特性曲线。然而在轻微的贫区域中，也就是当λ接近数值1时在许多情况下可观察到泵电流特性曲线和理论曲线的偏差。甚至在许多情况下可以观察到不是随看Lambda数值朝λ＝1数值减小而降低泵电流，而是泵电流在增加。这种差别导致泵电流特性曲线不再具有能从其中推导出空气系数的明确的曲线。这点例如在柴油机汽车中使用Lambda探头时可负面地看到。通常在柴油汽车中是在轻微的贫区域中工作。
已公开的传感器元件的另一问题是存在不同的运行状态。这些不同的运行状态要求有不同的调节点，也就是特别是调节位于不同区域中的一定的空气系数。这样，例如特别是用于柴油汽车的运行可以使用单元件的泵元件形式的成本有利的极限电流贫探头，因为柴油汽车在贫区域是按照一种空气系数进行调节的。特别是在具有催化剂的柴油汽车中仍然存在这样一些运行状态，在这样一些运行状态中是按照另一个空气系数，特别是按照在轻微富区域(例如λ＝0.9)中的空气系数进行调节的。特别这是这样一些运行状态，在这样一些运行状态中催化剂(例如NOx存储催化剂，NSC)和/或过滤器，例如颗粒过滤器是被再生的。然而，因为在这个区域中通常的极限电流贫探头在理想状态下在这个区域中不提供电流信号，所以用传统的传感器元件不可能进行这种类型的运行状态变换，或者只能很困难地进行这种变换。
发明内容
因此本发明建议一种用于测量气体混合物中的气体成分的方法。这种方法可避免现有技术已公开的传感器元件的那些缺点。特别是传感器元件可用在Lambda探头中，或者用作Lambda探头，优选地用作优选地在柴油技术领域中的极限电流-贫探头。然而也可代替地或者附加地将本方法用在富的空气系数范围，或者也可用于另一种类型的调节中。本方法所采用的传感器元件具有至少一个第一电极、至少一个第二电极和至少一个连接所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极的固体电解质。
本发明的基本构思在于在轻微贫废气区域中，也在富的混合气的区域中的简单的泵电流传感器元件(例如极限电流贫探头)的泵电流的特性曲线的上述不明确性是由于在阳极上展开的反应所造成的。在这种情况中两个电极都暴露在废气中。这些反应引起如贫运行中的电流信号，其结果是有一个特性曲线，这个特性曲线仅是在贫废气的测量中才是明确的。少量的燃烧气体(特别是H2)已影响测量信号，这样即使在非平衡废气中，例如在柴油机技术中所使用的那样，已在接近λ＝1.0时极限电流-贫探头的特性曲线的明确性已经不再给出了。因此本发明建议，通过下述措施阻止在富气中在泵阳极上所展开的一些反应，例如这些反应：
CO+O2-→CO2+2e-
H2+O2-→H2O+2e-
这些措施是所述至少一个第二电极(通常该电极特别是至少暂时地作为泵阳极被接通)被与气体室屏蔽，这样，在这个至少一个第二电极的环境中不存在或者仅存在少许还原的气体成分，例如H2或者CO。
根据本发明这种屏蔽应通过下述措施进行的，即当从所述至少一个气体室可给所述至少一个第一电极提供混合气时，所述至少一个第二电极和至少一个与气体室分开的参考气体室连接。在这种情况中其可以是内燃机的一个发动机室，或者也可以是一个具有至少接近已知的，并且有恒定的混合气体成分的单独的参考气体室。
然后非平衡废气中的燃烧气体浓度(例如柴油机非平衡废气接近λ＝1)，和富废气中的过剩的燃烧气体不再能影响传感器元件的信号，因为在泵阳级上不会进行燃烧气体的变换。因此应如此地实现所述至少一个参考气体室，即这个气体室保证运走在所述至少一个第二电极上出现的气体，特别是氧。这种传感器元件布局的结果是在空气＞λ≥1的区域中的一个明确的特性曲线，这样，这种简单的传感器元件例如作为单元件可成本有利地用在柴油机中用于在空气＞λ≥1的区域中的测量。
研究表明，在具有所述被屏蔽的至少一个第二电极的传感器元件的结构中实际可达到一个明确的泵电流特性曲线，因为在贫废气中测量了相应于氧部分压力的泵电流。而相反地在富废气中却没有测量出泵电流，因为不存在自由的氧，并且因为在运行时泵电压(典型地在100mV和1.0V之间，优选地在300mV和800mV之间，特别优选地在600mV和700mV之间)位于水的分解电压之下。因此在所述至少一个第二电极上-它现在已被屏蔽并且“已无燃烧气体”-不发生燃烧气体氧化作用。
因此由于明确的特性曲线，传感器部件可作为极限电流贫探头可在贫区域中使用。为此例如可以设置一个电子控制装置。该电子控制装置首先可(任选地)包括至少一个运行状态，运行状态设计成贫调节状态。这个贫调节状态可用在混合气的贫区域中，也就是说应用在这样一个区域中，即在该区域中存在待检测的气体成分(例如氧)的化学计算过剩。在这个贫调节状态中设置一个控制装置，以便给所述至少两个电极提供一种(例如恒定的)泵电压，这个泵电压优选地是如此选择的，即这个泵电压保证一种极限电流运行(也就是一种在泵电流的饱和区域中的运行)。在这种情况中测量在所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极之间的至少一个泵电流信号。由于现在已给出了泵电流特性曲线的明确性，所以可以给这个电流信号例如分配一个Lambda值。
然而仅只有上述措施还不能对在λ＜1.0区域中的一定的运行状态进行例如在柴油机应用中的所希望的调节。然而对于一定的过滤器(例如柴油机-颗粒过滤器)和/或在柴油机废气管路中的催化器的再生也应保证在λ＝0.9或者λ＝0.95之间的区域中的也就是富区域中的运行状态的调节。其中，关于“催化器”的概念应广义地理解，通常它包括废气再处理系统，例如NSC系统(NSC：NOx Storage Catalyst，NOx存储催化器)。
除了与相应的贫调节状态有关的在贫区域中的明确的特征曲线的上述优点以外所建议的方法因此还提供有至少一个第二运行状态的优点，也就是至少一个富调节状态。例如上述贫调节状态可用在正常的运行中，相反地所述至少一个富调节状态则用在所述至少一个催化器和/或过滤器的再生运行中。然而代替地也可仅以所述至少一个富调节状态使用该方法。在所述至少一个富调节状态中传感器元件在混合气的一个富区域中运行，也就是在这样一种区域中运行，即在该区域中待检测的气体成分存在化学计算的不足。在这种情况中调节混合气的调节点(例如一个或者多个规定的Lambda值，例如在上述0.9和0.95之间的区域中)。待检测的气体成分在调节点中位于规定的浓度中。在所述至少一个第一电极-该电极暴露在混合气中-和所述至少一个第二电极-该电极暴露在参考气体室的参考气氛中-之间的调节-能斯特电压相应于这个规定的浓度。设置一个控制装置，以便给所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极提供一种调节泵电压。这个调节泵电压和调节能斯特电压方向相反，这样这两个电压在调节点正好相互补偿。在这种情况中测量了在所述至少一个第一电极和所述至少一个第二电极之间的电流信号。若这个所述至少一个电流信号不同于零，则这表示与所述至少一个调节点的不同，这又可以例如用于产生一个调节信号，以改变气体室中的混合气的成分，例如以对到燃烧过程的空气质量输送施加影响的形式。
按照这种方式就可制造成本有利的结构简单的传感器元件。这些传感器元件例如既可以用作极限电流贫探头，也可用于所述的再生运行。除了所述的至少一个第二电极的屏蔽的所述结构特征之外这只要求一个小的设备上的花费，因为主要是必须设置一个相应的控制装置(例如具有一个或者多个微型计算机、硬件结构组件和软件部件)，以便实现传感器元件的根据本发明的设计。
附图说明
在附图中示出了本发明的实施例。在下述说明中对这些实施例进行更加详细的说明。这些附图是：
图1：泵电流特性曲线；
图2：一个设计为单元件、且具有内置的泵阴极和内置的泵阳极以及叠置的引线的传感器元件的层结构图；
图3：根据图2的传感器元件，然而具有并列设置的引线；
图4：具有外置的泵阴极和内置的泵阳极的传感器元件；
图5：具有一个传感器元件和一个控制装置的系统的简图；
图6：在富区域中具有调节点的泵电流调节实例。
具体实施方式
图1示出作为混合气的空气系数λ的函数的泵电流Ip的曲线。在这种情况中涉及的是用于具有一个第二电极的传感器元件的根据本发明的设计的特性曲线的所希望的走向，其中，所述第二电极相对于混合气(燃烧气体)已完全被屏蔽。在此在下面设想一个例子，即这个至少一个第二电极作为泵阳极运行。然而也可设想另一些类型的线路布置，例如具有变更极性的线路布置。在图1中垂直虚线110表示数值λ＝1，这个数值将富区域112和贫区域114分开。其中可以看出，在λ＞1的区域中所期待的特征曲线线性地上升，并且在富区域中，也就是当λ＜1时数值为0。
当如本发明所述的，第二泵电极(泵阳极)相对于燃烧气体没有被屏蔽，则特别是在富区域112中看到不消失的泵电流。这是由于在泵阳极上的上述富反应造成的。已在轻微的贫区域中，也就是在接近λ＝1的区域114中可看到和特性曲线的线性走向的差异。
图2示出一个传感器元件210的一个第一实施例的层结构的透视图。这个实施例可用于根据本发明的方法。这个传感器元件210是一个单体元件。它可以比较简单和成本有利地实现。所述传感器元件210例如可以用作极限电流贫探头，以便对气体室212中的混合气进行分析。
传感器元件210在朝向气体室212一侧具有一个第一固体电解质214，例如一种钇稳定化的二氧化锆电解质。在固体电解质214的背向气体室212的一侧在层面上固体电解质214被一个泵阳级216(例如一个铂电极，和/或一个氧化物电极)和一个泵阴极218接触，其中，泵阳极216和泵阴极218并列设置。在这种情况中泵阴极218作为上述的第一电极发挥作用，并且泵阳极216是第二电极。
在泵阳极216和泵阳极218的下面设置一个第二固体电解质220，这样，泵阳极216和泵阴极218被嵌入在两个固体电解质214和220之间。在这种情况中将泵阳极216仅设计为单个的电极，而泵阴极218却具有一个第一部分阴极222和一个第二部分阴极224，其中，第一部分阴极222接触上置的固体电解质214，并且第二部分阴极224接触下置的第二固体电解质220。然而这两个部分阴极222、224是导电连接的，这样这些部分阴极发挥单个的泵阴极218的作用，然而它们具有增大的表面。通过这一措施可减小传感器元件210的内电阻。
在两个部分阴极222、224之间设置一个阴极空腔室226。通过上置的固体电解质214中的气体进入孔228混合气可从气体室212进入到阴极空腔室226中。在这种情况中，在气体进入孔228和阴极空腔室226之间设置一个扩散阻挡层230。这个扩散阻挡层具有多孔的致密的陶瓷材料，并且这个阻挡层限制泵阴极218的极限电流。泵阴极218通过设置在下面的固体电解质220上的阴极引线232电接触。通过固体电解质214上侧上的一个阴极接头234和通孔敷镀236泵阴极218和相应的电子电路(请参见图5)连接，并且例如提供电压。
在泵阳极216的下面设置一个阳极空腔室238。这个阳极空腔室通过一个排气通道240和一个与气体室212分开的参考气体室242连接。在这种情况中，阳极空腔室238和/或排气通道240设计成装有一种氧可渗透的多孔的Al2O3基的填充元件244，或者也可装有其它的多孔材料，或者未被填充设计。优选地这个排气通道240具有下述特性至少之一：
-所述至少一个排气通道240具有一个矩形的横截面；
-所述至少一个排气通道240具有一个在1毫米到50毫米范围内的长度，优选地在10毫米到30毫米范围内的长度；
-所述至少一个排气通道240具有一个在0.001毫米2到1毫米2，优选地0.01到0.1毫米2的横截面；
-所述至少一个排气通道240具有一个横截面，其中，该横截面面积和所述至少一个泵阳极216的面积之比在2和0.01之间的范围内，优选地在0.3和0.05之间的范围内。
按照这种方式一方面可保证最佳地从泵阳极216运走氧，并且另一方面可在很大程度上阻止脏物通过排气通道240渗入到泵阳极216上。
泵阳极216通过一个阳极引线246电接触，并且通过固体电解质214中的另一电通孔敷镀248和一个设置在固体电解质214上表面的阳极接头250连接。通过这个阳极接头250泵阳极216例如和上述的电子装置连接，这样例如在泵阳极216和泵阴极218之间可建立起一个电压，和/或可测量一个泵电流。在这种情况中在根据图2的实施例中阳极引线246和阴极引线232为重叠平置。在这种情况中泵阳极216或阳极引线246与阴极引线232之间的电绝缘通过具有不导电特性的多孔的填充元件244完成。
在第二固体电解质220的下面设置一个加热元件252。这个加热部件包括一个嵌入在两个绝缘薄膜254之间的加热电阻元件256。这个加热电阻元件256通过一个载体基质260(例如又是一个固体电解质)中的通孔敷镀258通过载体基质260的背向气体室212一侧上的加热接头262实现电接触，并且为其提供加热电流。例如可用一个调节装置对这个加热电流进行调节。这个调节装置例如调节传感器元件210的恒定的内电阻。
借助在图2中所述的一个传感器元件210的实施例就可基本实现在图1中所示的泵电流的特性曲线。其中，当用作Lambda探头时在贫区域114中根据氧分压力测量泵电流(线性上升的特性曲线)，在富区域112没有电流，因为没有自由氧，并且所选择的泵电压有利地在水的分解电压以下。因此，在内置的被屏蔽的无燃烧气体的泵阳极216上不会出现燃烧气体氧化作用。通过此措施可实现一种成本有利的设计为单元件的传感器元件210。这种传感器元件也适合在柴油汽车中的应用。
在图3中示出了传感器元件210的一个第二实施例的层结构透视图。这个实施例可用于所建议的方法，其中，在该图中也未示出电子线路部件。这个结构在很大程度上和图2的实施例相对应，因此在单个的部件方面可以参考这个实施例。然而与图2的实施例相对比在图3的实施例中不仅泵阴极218具有两个部分阴极222、224，而且泵阳极216也是两部件设计。它具有一个上置的第一部分阳极310(这个部分阳极接触上固体电解质214)并且具有一个下置的第二部分阳极312(这个部分阳极接触下置的固体电解质220)。部分阳极310、312和部分阴极222、224类似地也是彼此导电连接。如上所述，这种设计的优点在于减小传感器元件210的内电阻，因为此时可有效地通过上固体电解质214和下固体电解质220引导泵电流。
这两个部分阳极310、312通过阳极空腔室238彼此被分开。这个阳极空腔室又类似于图2地装有多孔的填充元件244。与图2相类似地在图3的这个实施例中这个阳极空腔室238通过排气通道240和参考气体室242连接。其中，所述排气通道240也是装有多孔的填充部件244。
还有和图2中的实施例不同的是在图3的传感器元件210的实施例中没有设置重叠布置的电极引线232、246。借助它们泵阴极218和泵阳极216被接触。阳极引线246和阴极引线232而是并列地设置在下固体电解质220上，其中，排气通道240在两个电极引线232、246的中间，并且平行于它们延伸。和图2的实施例相类似地电极引线232、246通过电极接头234、250接触。关于其它的结构部件和工能方式请参考上述的说明。因此，根据图3的传感器元件210又具有“无燃烧气体”的泵阳极216，这样，又可以得到图1所示的特性曲线。
图4示出一个传感器元件210的一个替代图2和图3的实施例。和图2和图3的实施例不同的是在这个实施例中在传感器元件内部仅设置阳极216，而泵阴极218设置在固体电解质214的朝向气体室212的表面上。
在这种情况中泵阳极216为单件设计，并且直接设置在加热元件252的上绝缘膜254上。通过也设置在上绝缘膜254上的阳极引线246、上固体电解质214上的阳极通孔敷镀248和阳极接头250可给泵阳极216提供电势，或者和相应的电子电路连接(参见图5)。阳极216又是通过排气通道240-该排气通道又装多孔的元件244-和参考气体室242连接。排气通道240和多孔元件244将阳极引线246和上固体电解质214绝缘。此外在这个实施例中2也可以设置一个(未示出的)阳极空腔室。这个空腔室又是空的，或者可以装配一个多孔的填充元件。
泵阴极218设置在固体电解质214的上侧上，并且可通过也设置在固体电解质214的上侧上的一个阴极引线232和一个阴极接头234电接触。阴极引线232通过一个绝缘元件410和固体电解质214电分开。
泵阴极218用一个不透气的覆盖层412和气体室212屏蔽。在端侧上-在该端面上覆盖层412到固体电解质214可开一个缝隙-设置扩散阻挡层230。它的功能上面已经描述过，它限制泵阴极218的极限电流。为了到达泵阴极218气体室212的混合气必须穿过该扩散阻挡层230。在此又可以设置一个阴极空腔室。这个空腔室又装有一个多孔的填充元件，或者设计成空的，在图4中未示出该空腔室。
传感器元件210的功能方式基本和图2和图3的传感器元件的功能方式相应。因此关于其它的结构元件可参考上面的说明。由于泵阳极216相对于气体室212被屏蔽所以也可借助图4中所示的传感器元件210实现图1中所示的特性曲线。
如上所述根据本发明的传感器元件210由于它的具有“无燃烧气体”的泵阳极216的结构因此可以作为极限电流贫探头用在贫区域中。然而同时也应该可以对富运行状态进行有针对性的调节，例如用于催化剂的时间有限制的再生。因此，根据本发明的系统具有一个电子控制装置510。它的功能方式应借助图5和图6加以说明。在此情况中图5示出一个根据本发明的传感器元件210和一个控制装置510，其中，使用了一个传感器元件结构。这个元件结构和图3的实施例基本相同。因此在其结构方面请参阅上述说明。然而根据本发明也可以使用其他类型的具有“无燃烧气体”的泵阳极216的传感器元件210。在图6中示出了一个泵电流特性曲线。这个特性曲线是用于有针对性的调节的。
首先设置根据图5的控制装置510，以便在贫区域114中的贫调节状态时利用用于宽带调节的线性的泵电流特性曲线。其中，使用一个泵电压源512，以便在泵阳极216和泵阴极218之间接上泵电压。在这种情况中“泵阳极”216实际上用作泵过程中的阳极，也就是提供一种正的泵电压Up。借助一个泵电流测量装置514对泵电流Ip进行测量。这个泵电流流过通过泵阳极216、泵阴极218和固体电解质214形成的泵单元516。从贫区域114(参见图6)中的明确的和线性的特性曲线中可明确地推导出一个λ值。因此，控制装置510例如可以包括一个控制电子装置518。这个控制电子装置触发和/或者读出泵电压源512和泵电流测量装置514。这个控制电子装置518例如可以产生一个调节信号520。这个调节信号相应于空气系数，并且这个调节信号继续传输到内燃机的其它部件，例如传输到发动机控制器。相反地这个控制电子装置518可通过触发信号522进行触发，例如以便在不同的运行状态之间进行转接。
除了所述的贫调节状态外还存在至少另一运行状态，也就是富调节状态，在这个状态中应调定一定的λ值＜1。当λ值＜1时，也就是和化学计算(也就是λ＝1混合气)相比较氧气不足时在泵单元516中由于在阳极空腔室238和阴极空腔室226之间的氧气浓度差在泵阳极216和泵阴极218之间出现一种能斯特电压。这个能斯特电压和上述的泵电压方向相反。在这种情况下“泵单元”516形成一个能斯特单元。在这个能斯特单元中“泵阴极”218现在起到能斯特阳极的作用，并且“泵阳极”216起到能斯特阴极的作用。由于泵单元516的特性是已公开的，所以可为每个λ值计算出这个能斯特电压，或者通过试验求出这个能斯特电压。
当应调定一定的λ值＜1(调节点)时，现在通过控制装置510借助泵电压源512在泵阴极218和泵阳极216之间接上一个电压，这个电压按其数量正好相应于能斯特电压，而这个能斯特电压相应于所希望的λ值。然而这个电压正好和能斯特电压方向相反。因此泵电压Up在调节点上补偿能斯特电压UN。因此正好在调节点上在这两个电极216、218之间没有电流流过。然后通过零(无电流通过)和负(和“贫泵电流”相反方向的小的泵电流)识别出这个调节点。在泵电极216、218之间接入一个有效的泵电压Ueff，这个有效的泵电压可从所接入的泵电压Up和能斯特-电压UN的差中产生：
Ueff＝Up-UN。
借助这个“零-负转换器”例如可触发内燃机中，特别是柴油汽车中催化剂和/或过滤器再生所要求的在1.0＞λ≥0.9之间的区域中的λ-值。因此例如在图6中选择λ＝0.9时的调节点610。相应地调节出一个泵电压Up。这个泵电压正好相当于调节点λ＝0.9时的能斯特电压。其中，在图6中实线图612表示在较高电压Up时即远高于能斯特电压UN的泵电压的情况下的理论的泵电流特性曲线。而虚线图614表示的是这样一种泵电压Up时的泵电流特性曲线，即这个泵电压正好相当于λ＝0.9时的能斯特电压。若λ从贫区域114开始降到λ＝1以下，则首先无泵电流可测，因为有效泵电压Ueff还是正的，并且因为如上所述，在泵阳极216上不能发生燃烧气体反应。然后，当λ值变得越来越小时，从λ＝0.9起有效泵电压Ueff为负，因为能斯特电压UN对泵电压Up补偿过度。所以测量根据通过能斯特电压确定的电势的方向的电流。这个电流可借助泵电流测量装置识别到。这个电流和贫运行中的电流方向相反，因此被叫做负的泵电流。代替地或者附加地也可如此地改变运行方式，即不是检测电流，而是检测电极上的电压变化。
例如可如此地设计控制装置510，即该控制装置借助一个触发信号522可在两个运行状态之间转换。例如也可在电子数据存储器524中例如以泵电压的形式设定各种不同的调节点610，其恰好和一定的λ值相应。例如这可以电子表格的形式进行。
Claims (21)
1.借助传感器元件(210)测量至少一个气体室(212)中的混合气的气体成分的方法，所述传感器元件(210)具有至少一个第一电极(218)、至少一个第二电极(216)和至少一个连接所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)的固体电解质(214)，可从所述至少一个气体室(212)中给所述至少一个第一电极(218)提供混合气，并且所述至少一个第二电极(216)和至少一个与气体室(212)分开的参考气体室(242)连接，其特征在于，在至少一个富调节状态中传感器元件(210)在混合气的富区域(112)中运行，在富区域(112)中的气体成分处于一种化学计算不足状态，对混合气的调节点(610)进行调节，在调节点(610)中待检测的气体成分处于规定的浓度，在所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)之间的调节-能斯特电压相应于调节状态，并且给所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)提供调节-泵电压，这个电压和调节-能斯特-电压方向相反，测量所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)之间的至少一个泵电流信号。
2.按照前述权利要求的方法，其特征在于附加地具有贫调节状态，在该贫调节状态中传感器元件(210)在混合气的贫区域(114)中运行，在所述贫区域(114)中气体成分处于一种化学计算过剩状态，给所述至少两个电极(216、218)提供泵电压，并且测量在所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)之间的至少一个泵电流信号。
3.按照权利要求1-2的任一项所述的方法，其特征在于，传感器元件(210)在极限电流工作方式中运行。
4.按照权利要求1-2的任一项所述的方法，其特征在于，产生至少一个用于改变气体室(212)中的混合气成分的调节信号(520)，在所述至少一个富调节状态中设计调节信号(520)，以便当所述至少一个泵电流信号不同于零时引起在混合气中的待检测的气体成分的浓度的提高，并且当所述至少一个泵电流信号是零时不引起在混合气中的待检测的气体成分的浓度发生变化。
5.按照权利要求1-2的任一项所述的方法，其特征在于，将所述至少一个调节-泵电压可调用地存储在至少一个表格中。
6.按照权利要求1-2的任一项所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个第二电极(216)通过至少一个排气通道(240)和所述至少一个参考气体室(242)连接。
7.按照权利要求6所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个排气通道(240)具有至少一个多孔的填充元件(244)。
8.按照权利要求7所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个排气通道(240)具有至少一个多孔的Al2O3基的填充元件(244)。
9.按照权利要求6所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个排气通道(240)具有下述特性中的至少一个：
-所述至少一个排气通道(240)具有矩形的横截面；
-所述至少一个排气通道(240)具有在1毫米到50毫米范围内的长度；
-所述至少一个排气通道(240)具有在0.001毫米2到1毫米2范围内的横截面积，
-所述至少一个排气通道(240)具有横截面面积，该横截面面积和所述至少一个第一电极(216)的面积之比在2和0.01之间的范围内。
10.按照权利要求9所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个排气通道(240)具有在10毫米到30毫米范围内的长度。
11.按照权利要求9所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个排气通道(240)具有在0.01到0.1毫米2范围内的横截面积。
12.按照权利要求9所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个排气通道(240)具有横截面面积，该横截面面积和所述至少一个第一电极(216)的面积之比在0.3和0.05之间的范围内。
13.按照前述权利要求1-2的任一项所述的方法(210)，其特征在于，所述至少一个第二电极(216)设置在传感器元件(210)的内部，并且通过至少一个不透气的层(214)和气体室(212)分开。
14.按照权利要求13所述的方法(210)，其特征在于，附加地将所述至少一个第一电极(218)设置在传感器元件(210)的内部，并且通过至少一个气体进入孔(228)和气体室(212)连接。
15.按照权利要求1-2的任一项所述的方法(210)，其特征在于，所述至少两个电极(216、218)具有下述设计中的至少一个：
-所述至少一个第一电极(218)具有至少一个第一电极空腔室(226)，该空腔室和所述至少一个第一电极(218)连接；
-所述至少一个第二电极(216)具有至少一个第二电极空腔室(238)，该空腔室和所述至少一个第二电极(216)连接；
-所述至少一个第一电极(216)通过至少一个扩散阻挡层(230)和气体室(212)分开；
-所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)中的至少一个为多部件设计的，它们具有至少一个第一部分电极(222、224；310、312)和至少一个第二部分电极(222、224；310、312)，所述至少一个第一部分电极(222、224；310、312)接触所述至少一个固体电解质(214)的至少一个第一部分层，所述至少一个第二部分电极(222、224；310、312)接触所述至少一个固体电解质(214)的至少一个第二部分层。
16.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表格是电子表格。
17.将按照权利要求2-15的任一项所述的方法用于调节汽车的内燃机的应用，所述汽车具有用于减少有害物质排放的至少一个催化器和/或过滤器，在汽车的标准运行时使用贫调节状态，并且在所述至少一个催化器和/或过滤器的至少一个再生运行时采用至少一个富调节状态。
18.按照权利要求17所述的应用，其特征在于，所述内燃机是柴油机。
19.用于测量至少一个气体室(212)中的混合气的气体成分的电子控制装置(510)，其中，所述电子控制装置(510)具有：
泵电压源(512)，以便在泵阳极(216)和泵阴极(218)之间接上泵电压，
对泵电流(Ip)进行测量的泵电流测量装置(514)，所述泵电流流过通过泵阳极(216)、泵阴极(218)和固体电解质(214)形成的泵单元(516)，
控制电子装置(518)，所述控制电子装置触发和/或者读出泵电压源(512)和泵电流测量装置(514)并且能够产生一个调节信号(520)，所述调节信号相应于空气系数，并且所述调节信号继续传输到内燃机的其它部件，并且此外所述控制电子装置(518)可通过触发信号(522)进行触发，以便在不同的运行状态之间进行转接。
20.按照权利要求19所述的电子控制装置(510)，其特征在于，所述调节信号继续传输到发动机控制器。
21.用于测量在至少一个气体室(212)中的混合气的气体成分的系统，该系统具有：
-至少一个传感器元件(210)，所述传感器元件具有至少一个第一电极(218)，至少一个第二电极(216)和至少一个连接所述至少一个第一电极(218)和所述至少一个第二电极(216)的固体电解质(214)，从所述至少一个气体室(212)给所述至少一个第一电极(218)提供混合气，并且所述至少一个第二电极(216)和至少一个与气体室(212)分开的参考气体室(242)连接；并且
-至少一个按照权利要求19所述的电子控制装置(510)。
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