CN103339499A

CN103339499A - 用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件和方法

Info

Publication number: CN103339499A
Application number: CN2012800068997A
Authority: CN
Inventors: 托尔斯滕·赖特迈尔; 安德烈亚斯·威尔德根
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: CN103339499B; EP2668493B1; JP2014503827A; US20130305812A1; US9829457B2; DE102011009780A1; EP2668493A1; JP5705335B2; WO2012101212A1

Abstract

用于测定气室内气体混合物的参数的传感器元件（10）具有第一电极（20）以及第一扩散阻挡层（30），该第一扩散阻挡层这样布置，即，其与第一电极（20）在预定的第一区域内连接，并且第一电极（20）只在第一区域内通过第一扩散阻挡层（30）由气室内的气体混合物加载。此外，传感器元件（10）具有第二电极（40），该第二电极这样布置，即，其在另一个第一区域内由气室的气体混合物加载。传感器元件（10）包含固体电解质（50），该固体电解质这样设计，即，其与第一（20）和第二电极（40）连接。

Description

用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件和方法。

背景技术

为了测定内燃机的废气系中废气的空气/燃料的混合组成情况，如今的机动车在废气系中具有一个或者多个固体电解质传感器。这些固体电解质传感器在上下文中也以进气量探测器（Lambdasonden）的名称已知。这些固体电解质传感器分别具有有电解特性的固体，也就是说，该固体具有电引导特定离子的能力。同时，在许多不同的实施方式中进气量探测器是已知的。

发明内容

本发明的基本目的是，实现一种用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件以及方法，其贡献在于能够可靠并精确地测定参数。

该目的通过独立权利要求所述特征得以解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

根据第一方面，本发明的特征是一种用于测定气室内的气体混合物的参量的传感器元件。该传感器元件包括第一电极以及第一扩散阻挡层，该第一扩散阻挡层这样布置，即，该第一扩散阻挡层与预定的第一区域内的第一电极连接，并且第一电极只在第一区域内通过第一扩散阻挡层由气室的气体混合物加载。此外，该传感器元件具有第二电极，该第二电极这样布置，即，该第二电极在另一个第一区域内由气室的气体混合物加载。传感器元件包括固体电解质，该固体电解质这样设计，即，该固体电解质与第一和第二电极连接。

固体电解质特别是与第一电极和第二电极机械地连接。固体电解质优选地这样设计，即，固体电解质在特殊的运行温度范围内能够电解地运输氧离子。以有利的方式，能够低成本地生产根据本发明的传感器元件。此外，还能有助于于提高传感器元件的使用寿命和可靠性，因为该传感器元件在没有空心腔室和/或气体流入通道的情况下能实现层构造。在传感器装置中例如可能有凝结物侵入空心腔室和/或气体流入通道，在该传感器装置中第一电极越过具有空心腔室和/或气体流入通道的进气限界由气室的气体混合物加载。因为这种传感器装置暴露在很大的温度波动之中，所以可能例如在包围着各个空心腔室的固体电解质中形成热机械张力。热机械张力可能导致传感器装置的损坏。

在一种有利的设计方案中，第一扩散阻挡层具有多孔的陶瓷材料。

在另一种有利的设计方案中，第一扩散阻挡层具有二氧化锆。

在另一种有利的设计方案中，第一电极和第二电极布置在固体电解质的相同一侧上。这能实现低成本地生产这种传感器元件。在此，传感器元件例如能够具有平坦的层构造或者环圆柱体的层构造。

在另一种有利的设计方案中，第一电极和第二地电极沿着第一轴线预设成相互间隔，并且沿着与第一轴线正交的第二轴线在垂直方向上相互错开地至少部分地嵌入固体电解质中。由此，第一电极的第一区域和第二电极的另一个第一区域相对于第二轴线在垂直方向上相互错开地布置。

在另一种有利的设计方案中，传感器元件具有第二扩散阻挡层。第二扩散阻挡层这样布置，即，该第二扩散阻挡层在另一个第一区域内与第二电极连接，并且第二电极在另一个第一区域内通过第二扩散阻挡层由气室的气体混合物加载。第二扩散阻挡层针对气体混合物的至少一种预定的气体成分具有第二扩散阻力，该第二扩散阻力小于第一扩散阻挡层的第一扩散阻力。优选地，针对预定的气体成分的第二扩散阻力显著小于第一扩散阻力。优选地，气体成分包括氧分子。第二扩散阻挡层例如可以设计为针对例如碳氢化合物和氢分子这样的可氧化的气体成分隔离第二电极。

在另一种有利的设计方案中，第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层具有相同的陶瓷材料。这能实现简单地生产传感器元件。

在另一种有利的设计方案中，第二电极的另一个第一区域具有比第一电极的第一区域更大的面积。

根据第二方面，本发明的特征在于一种用于利用根据第一方面的传感器元件测定气室内的气体混合物的参数的方法，该传感器元件布置在气室中，并且该传感器元件的第一电极和第二电极与电源电连接。其中，该方法包括以下步骤：

在测量阶段期间，控制电源以用于关断。

在测量阶段期间，测定第一电极和第二电极之间的电极电压，并且根据电机电压与预定的额定电压的偏差确定泵电流（Pumpstrom）。

在时间上跟在测量阶段后的运行阶段，这样控制电源，即，该电源向传感器元件的第二电极输出泵电流。测量阶段的步骤和紧接着的、向第二电极输出泵电流的电源的控制多次连续进行，以用于最小化电极电压和预定的额定电压之间的偏差。根据泵电流确定气室内的气体混合气体的参数。

例如，测量阶段可以具有预定的恒定的第一持续时间，并且运行阶段具有恒定的预定的第二持续时间，并且测量阶段和运行阶段循环重复。优选地，重新进行的测量阶段直接跟随在运行阶段后，该运行阶段跟在前面进行的测量阶段后。然而，运行阶段在此能够中断，例如为了一个或者多个其它的用于测定其它的运行变量的阶段，例如用于测定泵电压（Pumpspannung）。例如，当在一个或者多个直接前后跟随的测量阶段中，电极电压和额定电压之间的偏差基本上等于零时，根据泵电流分别确定气体混合物的参数。在测量阶段期间，控制电源以用于关断，使得电源基本上输出电流，特别是完全不输出电流给传感器元件。在测量阶段测定的电极电压可以代表能斯特电压（Nernst-Spannung）。因此，根据本发明的方法能够有助于精确并可靠地确定气室内的气体混合物的参数，优选地精确并可靠地确定气体混合物的氧气浓度。此外，可以通过用受控的电源运行传感器元件，相比安培计地运行传感器元件延长固体电解质的使用寿命，并且因此延长传感器元件的使用寿命。在安培计地运行时，第一电极和第二电极施加预定的电压，并且测定在两个电极之间流动的电流。在传感器元件处于安培计地运行时，特别是在第二电极上不存在或者仅存在少量氧分子的情况下，由于在第一电极和第二电极上施加了电压而在固体电解质中产生的电场可能导致固体电解质的二氧化锆至少部分地分解，并且因此在一定时间后，固体电解质失去其电解特性。有利地，为了确定参数，只具有两个电极的传感器元件就够了。为此不必要用于氧输送的参考通道和/或参考电极。因此，通往传感器元件的输送导管的数量同样能够保持得较少。

根据第三方面，本发明的特征在于一种用于利用传感器元件测定气室内的气体混合物的参数的方法，该传感器元件布置在气室内，并且该传感器元件的第一电极和第二电极与电源电连接。在此，传感器元件包括第一电极和进气限界，该进气限界这样布置和设计，即，第一电极在预定的第一区域内通过进气限界由气室的气体混合物加载。此外，传感器元件具有第二电极，该第二电极这样布置，即，该第二电极在另一个第二区域内由气室的气体混合物加载。传感器元件包括固体电解质，该固体电解质这样设计，即，该固体电解质与第一电极和第二电极连接。其中，该方法包括以下步骤：

在测量阶段期间，控制所述电源以用于关断。

在测量阶段期间测定第一电极和第二电极之间的电极电压，并且根据电极电压和预定的额定电压的偏差确定泵电流。

在时间上跟随测量阶段的运行阶段内，这样控制电源，即，该电源向传感器元件的第二电极输出泵电流。测量阶段的步骤和紧跟着的、向第二电极输送泵电流的电源的控制多次连续进行，以用于最小化电极电压和预定额定电压之间的偏差。

根据泵电流确定气室内的气体混合物的参数。

于是，以有利的方式能够利用传感器装置测定气体混合物的参数，其中，传感器元件包括两个电极、固体电解质和进气阻挡件，其中，进气阻挡件具有通道和/或腔。通道或腔例如可以具有附加的扩散阻挡件，扩散阻挡件布置和设计用于限制气室的气体混合物侵入腔或通道内。

在根据第二和第三方面的本发明的一种有利的设计方案中，传感器元件具有用于加热固体电解质的加热元件。在测量阶段期间，控制该加热元件以用于关断，并且在运行阶段期间，控制该加热元件，以用于设置固体电解质的预定的运行温度。这能实现更精确地测定能够代表能斯特电压的电极电压。

在根据第二和第三方面的本发明的另一种有利的设计方案中，这个参数代表气体混合物的氧气浓度。

在根据第二和第三方面的本发明的另一种有利的设计方案中，气室是内燃机的吸入腔。

附图说明

以下根据示意图阐述本发明的实施例。

附图示出：

图1是用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件的第一实施例的截面图，

图2是用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件的第二实施例的截面图，

图3是通过固体电解质传输氧离子的原理图，

图4是泵电流与氧气浓度的特征曲线区域，以及

图5是能斯特电压图表。

构造或功能相同的元件在所有附图中都配有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出用于测定气室中的气体混合物的参数的传感器元件10的第一实施例。

该传感器元件10例如可以布置在机动车的一个或者多个位置上。例如，传感器元件10能够布置在机动车内燃机的吸取翼（Ansaugtrakt）中的一个或者多个位置上，例如在吸取翼的吸入腔内。例如可以利用传感器元件10测定在废气导回系统的汇入口下游的吸取翼中的氧气浓度。可替换地或者附加地，可以将传感器元件10布置在内燃机的废气系中。优选地，传感器元件10能够在氧气浓度接近＞2%，特别是＞5%的环境中使用。

传感器元件10具有第一电极20以及第一扩散阻挡层30，该第一扩散阻挡层这样布置，即，该第一扩散阻挡层在预定的第一区域内与第一电极20连接，并且第一电极20只在第一区域内通过第一扩散阻挡层30由气室的气体混合物加载。此外，传感器元件10具有第二电极40，该第二电极这样布置，即，该第二电极在另一个第一区域内由气室的气体混合物加载。此外，传感器元件10还具有固体电解质50，固体电解质这样设计，即，固体电解质与第一电极20和第二电极40连接。固体电解质50例如可以具有钇稳定的二氧化锆（YSZ）。第一电极20和第二电极40例如可以具有贵金属，例如铂，钯，铱，钽或者这些金属的组合物。在图1中所示的传感器元件10中，第一电极20和第二电极40布置在固体电解质50的相同一侧上。传感器元件10例如可以具有平坦的层构造。传感器元件10例如可以具有保护层90。在保护层90中例如可以嵌入加热元件70。在加热元件70和固体电解质50之间例如可以布置有加热绝缘体80。加热元件70例如可以用于设置固体电解质50的工作温度。

在图2中所示的传感器元件10的实施例中，第一电极20和第二电极40沿着第一轴线A1预设地相互间隔，并且沿着与第一轴线A1正交的第二轴线2在垂直方向上相互错开地至少部分地嵌入固体电解质50中。传感器元件10例如可以具有载体60、加热元件70和加热绝缘体80，其可以构造成平坦的层。在加热元件70和固体电解质50之间例如可以布置有加热绝缘体80。

图3示出通过固体电解质50运输氧离子的原理图。其中可以布置传感器元件10的气室，例如内燃机的吸入腔例如具有＞2%的氧气浓度，例如接近10%到20%的氧气浓度。气体混合物内含有的氧通过扩散阻挡层向第一电极20扩散。扩散阻挡层具有预设的第一扩散阻力。

有利地，传感器元件10在运行阶段这样运行，即，第一电极20作为阴极，并且第二电极20作为阳极运行。为此，第一电极20和第二电极40这样与电源电连接，或者可替换地与电压源电连接，即，第二电极40具有阳极功能，第一电极20具有阴极功能。如果稀薄的气体混合物穿过扩散阻挡层，那么第一电极20上的氧分子电化学地减为氧离子。在具有阴极功能的第一电极20上，氧分子具有四个电极。于是由各个氧分子分别形成两个氧离子。固体电解质50例如具有掺了氧化钇（Y₂O₃）的二氧化锆。因为掺杂形成的二氧化锆的晶格结构中的出错位置使得氧离子能够通过固体电解质50扩散。负的氧离子被第一电极20吸引，并且在第二电极40上重组（rekombiniert）。第一电极20和第二电极40例如可以具有多孔的贵金属，例如电极20，40可以具有金属陶瓷材料。

氧分子的后效电流（Nachstrom）通过第一扩散阻挡层30或者构造成其它形式的进气阻挡件受到限制。通过有目的性地从第一电极20运走氧离子，第一电极20上的氧气浓度下降到接近0。因此，可以将第一电极20上的参考气体环境设置成具有0%的氧气浓度，这相当于空气数比例为1（λ=1）。

传感器元件10在运行阶段在极限电流运行状态下运行。在这种极限电流运行状态下，需要用来在第一电极20上将参考气体环境设置成λ=1的泵电流与气室内的氧气浓度有关。气室内的氧气浓度例如可以根据预定的特征曲线确定。

图4示出这样一种针对传感器元件的极限电流运行状态的泵电流-氧气浓度-特征曲线区域。

为了利用传感器元件10测定气室内的气体混合物的参数，布置在气室内的传感器元件10可以利用第一电极20和第二电极40与电源电连接。在测量阶段期间，控制电源以用于关断。因此，在测量阶段期间，基本上没有泵电流流过。控制传感器元件10的加热元件7在测量阶段期间同样用于关断。在测量阶段期间，测定第一电极20和第二电极40之间的电极电压，并且根据电极电压与预定的额定电压的偏差确定泵电流。例如测量阶段可以持续1ms。基于两个电极20，40上的不同的氧分压力，第一电极20和第二电极40具有电势差，该电势差也以能斯特电压这个名称而公知。如果泵电流持续更长的时间被关断，那么第一电极20和第二电极40的氧分压力趋同，也就是说，能斯特电压下降。在测量阶段，当基本上没有泵电流流动时，可以测量能斯特电压。在运行阶段，此时，泵电流主动馈入传感器元件10，这时在第一20和第二电极40之间施加泵电压，该泵电压代表着能斯特电压与泵电流和第一电极20与第二电极40之间的单元阻抗（Zellimpedenz）的乘积的总和。

能斯特电压可以用来这样调节泵电流，即，使第一电极20上的λ=1的参考气体环境至少保持几乎不变。因为传感器元件10优选地在这样一种环境中加以利用，其中，气体混合物具有至少大于2%，特别是大于5%的氧气浓度，此时，第二电极40作为相对于第一电极20的参考电极，足以在第一电极20上实现保持不变的参考气体环境。相比理想的、布置在基本上氧气浓度为21%的空气通道内的参考电极，当第一电极20上氧气浓度为0%，时，测得的能斯特电压只有略微的区别。

图5示出能斯特电压图表。气体混合物中氧气浓度的变化首先会造成第一电极20上的氧气浓度变化，并且因此测定的能斯特电压变化。根据测定的能斯特电压与例如可以是400mV的预定的额定值的偏差，可以调适泵电流，使得第一电极20上的参考气体环境再次设为氧气浓度0%。

为此，在时间上跟随着测量阶段的运行阶段内这样控制电源，即，该电源向传感器元件10的第二电极40输出泵电流。传感器元件在极限电流运行状态下运行。在运行阶段期间，控制加热元件70以用于设置固体电解质50的预定的运行温度。运行温度例如可以是650℃。运行阶段例如可以持续4ms。测量阶段的步骤和紧跟着的、向第二电极40输出泵电流的电源的控制多次连续进行，以用于最小化电极电压和预定额定电压之间的偏差。根据泵电流，确定气室内的气体混合物的参数。例如当侦测出测定的电极电压和额定电压之间的偏差最小时，分别确定参数。例如可以根据预定的特征曲线确定气体混合物的氧气浓度，该特征曲线表征泵电流与传感器元件10在极限电流运行状态下时的氧气浓度的依赖关系。

此外有可能的是，以预定的时间间隔改变额定电压。例如，当运行阶段持续4ms，并且测量阶段持续1ms时，额定电压每秒都在第一电压值和第二电压值之间进行切换。优点在于，可以将固体电解质50中的极化效应保持得更小。

Claims

1.一种用于测定气室内的气体混合物的参数的传感器元件（10），所述传感器元件具有：

-第一电极（20），

-第一扩散阻挡层（30），所述第一扩散阻挡层这样布置，即，所述第一扩散阻挡层与所述第一电极（20）在预定的第一区域内连接，并且所述第一电极（20）只在所述第一区域内通过所述第一扩散阻挡层（30）由所述气室的所述气体混合物加载，

-第二电极（40），所述第二电极这样布置，即，所述第二电极在另一个第一区域内由所述气室的所述气体混合物加载，和

-固体电解质（50），所述固体电解质这样设计，即，所述固体电解质与所述第一电极（20）和所述第二电极（40）连接。

2.根据权利要求1所述的传感器元件（10），其中，所述第一扩散阻挡层（30）具有多孔的陶瓷材料。

3.根据权利要求1或2所述的传感器元件（10），其中，所述第一扩散阻挡层（30）具有二氧化锆。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件（10），其中，所述第一电极（20）和所述第二电极（40）布置在所述固体电解质（50）的相同一侧上。

5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的传感器元件（10），其中，所述第一电极（20）和所述第二电极（40）沿着第一轴线（A1）预设地相互间隔，并且沿着与所述第一轴线（A1）正交的第二轴线（A2）在垂直方向上相互错开地至少部分地嵌入所述固体电解质（50）中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件（10），其中，所述传感器元件（10）具有第二扩散阻挡层，

-所述第二扩散阻挡层这样布置，即，所述第二阻挡层在所述另一个第一区域内与所述第二电极（40）连接，并且所述第二电极（40）只在所述另一个第一区域内通过所述第二扩散阻挡层由所述气室的所述气体混合物加载，并且

-所述第二扩散阻挡层针对所述气体混合物的至少一种预定的气体成分具有第二扩散阻力，所述第二扩散阻力小于所述第一扩散阻挡层（30）的第一扩散阻力。

7.根据权利要求6所述的传感器元件（10），其中，所述第一扩散阻挡层（30）和所述第二扩散阻挡层具有相同的陶瓷材料。

8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器元件（10），其中，所述第二电极（40）的所述另一个第一区域具有比所述第一电极（20）的所述第一区域更大的面积。

9.一种用于利用根据权利要求1至7中任一项所述的传感器元件（10）测定气室内的气体混合物的参数的方法，所述传感器元件布置在所述气室中，并且所述传感器元件的第一电极（20）和第二电极（40）与电源电连接，具有以下步骤：

-在测量阶段期间，控制所述电源以用于关断，

-在所述测量阶段期间，测定所述第一电极（20）和所述第二电极（40）之间的电极电压，并且根据所述电极电压与预定的额定电压的偏差确定泵电流，

-在时间上跟在所述测量阶段后的运行阶段，这样控制所述电源，即，所述电源向所述传感器元件（10）的所述第二电极（40）输出所述泵电流，其中，所述测量阶段的步骤和紧接着的、向所述第二电极（40）输出所述抽运电流的所述电源的控制多次连续进行，以用于最小化所述电极电压和预定的所述额定电压之间的所述偏差并且

-根据所述泵电流确定所述气室内的所述气体混合物的所述参数。

10.一种用于利用传感器元件（10）测定气室内的气体混合物的参数的方法，所述传感器元件布置在所述气室内，并且所述传感器元件的所述第一电极（20）和所述第二电极（40）与电源电连接，并且所述传感器元件具有：

-所述电极（20），

-进气限界，所述进气限界这样布置和设计，即，所述第一电极（20）在预定的第一区域内通过所述进气限界由所述气室的所述气体混合物加载，

-所述第二电极（40），所述第二电极这样布置，即，所述第二电极在另一个第一区域内由所述气室的所述气体混合物加载，以及

-固体电解质（50），所述固体电解质这样设计，即，所述固体电解质与所述第一电极（20）和所述第二电极（40）连接，其中，所述方法包括以下步骤：

-在测量阶段期间，控制所述电源以用于关断，

-在所述测量阶段期间测定所述第一电极（20）和所述第二电极（40）之间的所述电极电压，并且根据所述电极电压和预定的额定电压的偏差确定泵电流，

-在时间上跟随所述测量阶段的运行阶段内，这样控制所述电源，即，所述电源向所述传感器元件（10）的所述第二电极（40）输出所述泵电流，其中，所述测量阶段的步骤和紧跟着的、向所述第二电极（40）输送所述泵电流的所述电源的所述控制多次连续进行，以用于最小化所述电极电压和所述预定额定电压之间的所述偏差，并且

11.根据权利要求9或10中任一项所述的方法，其中，所述传感器元件（10）具有用于加热所述固体电解质（50）的加热元件（70），其中

-在所述测量阶段期间，控制所述加热元件（70）以用于关断，并且

-在运行阶段期间，控制所述加热元件（70），以用于设置所述固体电解质（50）的预定的运行温度。

12.根据前述权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，所述参数代表所述气体混合物的氧气浓度。

13.根据前述权利要求9至12中任一项所述的方法，其中，所述气室是内燃机的吸入腔。