DE102004021406A1

DE102004021406A1 - Gassensorelement mit Schichtaufbau

Info

Publication number: DE102004021406A1
Application number: DE102004021406A
Authority: DE
Inventors: Susumu Kariya Naito; Makoto Kariya Nakae; Shinichiro Kariya Imamura
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: JP2004333205A; DE102004021406B4; US7504012B2; US20040217002A1; JP4269765B2

Abstract

Es wird ein Gassensorelement angegeben, das zur Messung der Konzentration eines Gases wie O¶2¶ Verwendung finden kann. Das Gassensorelement ist in Form einer Schichtanordnung bzw. eines Laminats aufgebaut und dahingehend ausgestaltet, dass das zu messende Gas über einen Diffusionswiderstand in eine Messgaskammer geführt wird. Die Messgaskammer besitzt ein Volumen von 0,15 mm·3·, um während eines thermischen Aktivierungs-Übergangszustands des Gassensorelements das Abführen des in der Messgaskammer verbleibenden Gases zu erleichtern.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen verbesserten Aufbau eines Gassensorelements, das ohne Beeinträchtigung seiner Ausgangssignalcharakteristik bzw. -kennlinie schnell aktivierbar ist und in einen Gassensor eingebaut werden kann, der bei der Verbrennungsregelung von Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge Verwendung findet.
Es sind bereits Abgasemissions-Regelsysteme bekannt, bei denen ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor (A/F-Sensor) im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den Abgasemissionen und Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisses in der Brennkraftmaschine als Funktion des Messwertes zur Steuerung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Insbesondere bei Verwendung eines Dreifachkatalysators zur Umsetzung von in den Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen enthaltenen Luftschadstoffen in unschädliche Bestandteile ist es von wesentlicher Bedeutung, den Verbrennungsvorgang in einer Brennkraftmaschine dadurch zu regeln, dass das einem jeden Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis innerhalb eines begrenzten Bereiches gehalten wird.
Bei einer solchen Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnisregelung wird üblicherweise ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor mit einem in Form einer laminierten Schichtanordnung aufgebauten Gassensorelement verwendet, das eine Messgaskammer, in die Abgase aus dem Außenbereich des Gassensorelements über einen Diffusionswiderstand eingeführt werden, eine an einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytplättchen angebrachte und der Messgaskammer ausgesetzte Messgaselektrode sowie eine an dem Festelektrolytplättchen angebrachte und einem Bezugsgas ausgesetzte Bezugsgaselektrode aufweist. Das Festelektrolytplättchen, die Messgaselektrode und die Bezugsgaselektrode bilden hierbei eine elektrochemische Zelle, die als Sensorzelle zur Messung der Konzentration von Sauerstoff in der Messgaskammer dient.

Aus der US 6 340 419 B2 der Anmelderin, auf deren Offenbarung nachstehend in vollem Umfang Bezug genommen wird, ist bereits ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensor der vorstehend beschriebenen Art bekannt.

In den letzten Jahren ist es in zunehmendem Maße erforderlich geworden, dass ein Gassensorelement für die bei Abgasemissions-Regelsystemen verwendeten Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensoren einerseits eine hohe Messgenauigkeit aufweist und andererseits schnell aktivierbar ist.

Insbesondere die schnelle Aktivierung eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements (A/F-Sensorelements) stellt eine der Zielsetzungen von Abgasvorschriften dar, da eine Verringerung der vor allem bei einem Kaltstart von Brennkraftmaschinen ausgestoßenen großen Menge von Kohlenwasserstoffen (HC) von maßgeblicher Bedeutung ist.

Eine schnelle Aktivierung eines Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements erfordert einerseits eine verringerte Wärmekapazität des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors selbst, d.h., eine Verringerung der Abmessungen des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, sowie andererseits eine Vergrößerung der zur Erwärmung des Luft- Kraftstoffverhältnis-Sensorelements zu dessen Aktivierung erzeugten Wärmeenergiemenge.

Ein schneller Temperaturanstieg des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements bei dessen Aktivierung kann jedoch in Bezug auf die Ausgangssignalcharakteristik bzw. das Ausgangssignalverhalten des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements in verschiedener Hinsicht nachteilig sein.

Ein Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement der vorstehend beschriebenen Art ist nämlich üblicherweise mit einem Diffusionswiderstand versehen und dahingehend ausgestaltet, dass als Sensor-Ausgangssignal bei einer einzelligen Bauart ein Grenzstrom oder bei einer zweizelligen Bauart ein Pumpstrom abgegeben wird. Hierbei werden die Abgase über den Diffusionswiderstand in eine im Körper des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements ausgebildete Messgaskammer eingeführt und treten dann mit einer in der Messgaskammer angeordneten Messgaselektrode zur Erzeugung des Sensor-Ausgangssignals in Wirkverbindung.

Zur Erzeugung eines korrekten Sensor-Ausgangssignals ist die Erwärmung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements auf eine bestimmte Aktivierungstemperatur von wesentlicher Bedeutung. In der nachstehenden Beschreibung wird die Zeitdauer, die bis zur ausreichenden Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements erforderlich ist, auch als Aktivierungs-Übergangsperiode bezeichnet.

Während dieser Aktivierungs-Übergangsperiode findet eine schnelle Erwärmung des in der Messgaskammer des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements befindlichen Gases mit einer entsprechenden Ausdehnung statt, wobei jedoch die Abführung des Gases aus der Messgaskammer durch den Diffusionswiderstand in erheblichem Maße erschwert wird. Dies hat zur Folge, dass nach Erreichen der Aktivierungstemperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements auch das Einleiten von Abgasen in die Messgaskammer mit Schwierigkeiten verbunden ist, was bei der Bestimmung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Gemischverhältnisses in der Brennkraftmaschine unter Verwendung des Sensor-Ausgangssignals zu einem Messfehler bzw. einer Abweichung führt.

14 veranschaulicht eine zeitabhängige Veränderung des Ausgangssignals eines solchen Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, die in einer Atmosphäre mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von 18 (d.h., N₂/O₂ = 4%) gemessen wurde.

Ein in dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement angeordnetes Heizelement wurde zur Zeit 0 zur Erwärmung des Körpers des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensors eingeschaltet. Solange eine niedrige Temperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements vorlag, wurde kein Sensor-Ausgangssignal abgegeben. Beim Anstieg der Temperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements begann dann die Erzeugung des Sensor-Ausgangssignals. Nach der vollständigen Erwärmung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements sollte das Sensor-Ausgangssignal eigentlich in der gestrichelt dargestellten Weise konstant gehalten werden, veränderte sich jedoch tatsächlich in der durch eine durchgezogene Linie dargestellten Weise.

Wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement im Abgasrohr einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und sich die Brennkraftmaschine im Stillstand befindet, d.h., wenn sich das Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement im inaktiven Zustand befindet und Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, gelangt die in das Abgasrohr eintretende Umgebungsluft in den Bereich des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements, sodass das in der Messgaskammer befindliche Gas im wesentlichen die gleiche Sauerstoffkonzentration wie Luft aufweist. Hierdurch wird häufig ein Ausgangssignal des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements erhalten, wie es in 14 dargestellt ist, das dann fehlerhaft ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet, das magerer als das in der Brennkraftmaschine vorhandene Luft-Kraftstoff-Verhältnis ist.

Wenn nach der Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements der Temperaturanstieg des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements endet, endet auch die Ausdehnung des in der Messgaskammer befindlichen Gases, das dann durch einen Pumpvorgang des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements durch das an dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement außen vorbeiströmende Gas ersetzt wird, sodass das Sensor-Ausgangssignal in der in 14 dargestellten Weise konstant gehalten wird.

Die vorstehend beschriebene Ausgangssignalabweichung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements führt somit zu einer Verzögerung der Erzeugung eines korrekten Sensor-Ausgangssignals, die einer schnellen Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements entgegensteht.

Zur Lösung dieses Problems sind bereits die nachstehend näher beschriebenen Maßnahmen vorgeschlagen worden.

Zunächst kann in Betracht gezogen werden, eine rasche Abführung des in der Messgaskammer befindlichen Gases durch Verringerung des Diffusionswiderstandswertes des Diffusionswiderstands zu erzielen. Außer einer Verringerung der Ausgangssignalabweichung des Luft-Kraftstoffverhältnis- Sensorelements wird hierdurch jedoch auch die Bildung eines Grenzstroms erschwert, wodurch sich die Messgenauigkeit des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements verringert.

Ferner unterliegen die von der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgestoßenen Abgase üblicherweise im Betrieb der Brennkraftmaschine erheblichen Veränderungen. Bei einem veränderlichen Gasdruck eines von dem Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelement zu messenden Gases kann ein verringerter Diffusionswiderstand auch eine Instabilität (d.h., ein Pulsieren) des Sensor-Ausgangssignals zur Folge haben, die auf diese Gasdruckschwankungen oder andere Veränderungen der Gasbeschaffenheit zurückzuführen sind.

Darüber hinaus kann in Betracht gezogen werden, die vorstehend beschriebene Ausgangssignalabweichung zu verhindern, indem die Erwärmungsgeschwindigkeit des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements verringert und damit die erforderliche Abführung des Gases aus der Messgaskammer ermöglicht wird, bevor die Temperatur des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements den Aktivierungswert erreicht. Hierdurch wird jedoch wiederum eine rasche Aktivierung des Luft-Kraftstoffverhältnis-Sensorelements in Frage gestellt.

Die vorstehend beschriebenen Probleme treten auch bei Gassensoren anderer Art auf, die zum Einleiten eines zu messenden Gases in eine Messgaskammer über einen Diffusionswiderstand ausgestaltet sind und sowohl eine hohe Messgenauigkeit aufweisen als auch schnell aktivierbar sein müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen verbesserten Aufbau eines laminierten Gassensorelements anzugeben, durch den eine rasche Aktivierung des Gassensorelements erzielbar ist und Ausgangssignalabweichungen während eines Aktivierungs-Übergangszustands minimal gehalten werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein laminiertes, d.h., ein in Schichtanordnung aufgebautes Gassensorelement angegeben, das in einen Gassensor eingebaut werden kann, der zur Messung der Konzentration eines Gases wie O₂ dient und bei einem Luft-Kraftstoffverhältnis-Regelsystem von Kraftfahrzeugen Verwendung findet. Dieses Gassensorelement umfasst: (a) einen Diffusionswiderstand, (b) eine Messgaskammer, in die ein zu messendes Gas über den Diffusionswiderstand eingeführt wird, (c) ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement, (d) eine an dem Festelektrolytelement angeordnete Messgaselektrode, die dem in der Messgaskammer befindlichen Gas ausgesetzt ist, und (e) eine an dem Festelektrolytelement angeordnete Bezugsgaselektrode, die einem Bezugsgas ausgesetzt ist und zusammen mit der Messgaselektrode eine elektrochemische Zelle bildet, wobei die Messgaskammer ein Volumen von 0,15 mm³ oder weniger aufweist.

Wie vorstehend beschrieben, tritt bei einem Gassensorelement dieser Art eine Ausgangssignalabweichung auf Grund der Tatsache auf, dass während des Aktivierungs-Übergangszustands des Gassensorelements die durch dessen schnelle Erwärmung erfolgende Ausdehnung des in der Messgaskammer befindlichen Gases durch den Diffusionswiderstand behindert wird, wodurch die Zuführung von Gas aus dem Außenbereich des Gassensorelements in dessen Messgaskammer erschwert wird. Zur Vermeidung dieses Effekts ist das erfindungsgemäße Gassensorelement dahingehend ausgestaltet, dass die Messgaskammer ein Volumen von 0,15 mm³ oder weniger aufweist, wodurch die Menge des in der Messgaskammer befindlichen bzw. verbleibenden Gases verringert wird, ohne die Wirkung des Diffusionswiderstands zu beeinträchtigen. Auf diese Weise kann bei dem Gassensorelement vor der Beendigung von dessen Aktivierung das Gas aus der Messgaskammer abgeführt werden, sodass das Gassensorelement einerseits schnell aktiviert werden kann und andererseits eine Ausgangssignalabweichung während des Aktivierungs-Übergangszustands minimal gehalten wird.

Die Erfindung kann bei sämtlichen laminierten, d.h., in Schichtanordnung aufgebauten Gassensorelementen Verwendung finden, bei denen ein zu messendes Gas über einen Diffusionswiderstand in eine Messgaskammer geführt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wirkt die Messgaselektrode als Pumpelektrode, die in dem Gas enthaltenen Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt oder aus der Messgaskammer herauspumpt und einen der Messgaskammer ausgesetzten Bereich Sp aufweist, der die Bedingung Vc/Sp < 0,02 mm erfüllt, wobei Vc das Volumen der Messgaskammer angibt.

Hierbei weist die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelements eine Höhe von 5 μm bis 18 μm auf.

Alternativ kann die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelements eine Höhe von 10 μm bis 15 μm aufweisen.

Außerdem kann das Gassensorelement eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Gassensorelements auf eine zu dessen Aktivierung erforderliche Temperatur aufweisen, die die Temperatur des Gassensorelements mit einer Geschwindigkeit von 100°C/s bis 250°C/s erhöht.

Außer der als Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle kann das Gassensorelement eine weitere elektrochemische Zelle umfassen, die als Sensorzelle dient. Diese Sensorzelle weist eine an dem Festelektrolytelement angeordnete und der Messgaskammer ausgesetzte Sensorzellenelektrode auf und dient zur Erzeugung eines elektrischen Signals, das die Konzentrationsdifferenz zwischen einem spezifischen Bestandteil des Gases in der Messgaskammer und einem spezifischen Bestandteil des Bezugsgases angibt, wobei das elektrische Signal zur Steuerung des Betriebs der Pumpzelle dient.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine auseinandergezogene Darstellung des Gassensorelements gemäß 1,
3 eine Teilschnittansicht, die das Hineinströmen von Gas in das Gassensorelement gemäß 1 veranschaulicht,
4 eine grafische Darstellung einer experimentell gemessenen Beziehung zwischen dem Volumen einer Messgaskammer und einer Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs,
5 eine grafische Darstellung einer experimentell gemessenen Beziehung zwischen einer Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und dem Verhältnis des Volumens einer Messgaskammer zu dem Bereich einer der Messgaskammer ausgesetzten Messgaselektrode,
6 eine grafische Darstellung einer experimentell gemessenen Beziehung zwischen einer Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und der Höhe einer Messgaskammer,
7, 8, 9 und 10 grafische Darstellungen zur Veranschaulichung der Verteilung eines Gases, das durch eine Diffusionswiderstandsschicht hindurchgetreten ist und eine Messgaselektrode 21 erreicht hat, für Höhen h = 2 μm, 5 μm, 10 μm und 30 μm, die durch eine Monte Carlo-Simulation gemessen wurden,
11 eine grafische Darstellung einer experimentell gemessenen Beziehung zwischen einer Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements gemäß 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und der Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit des Gassensorelements,
12 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
13 eine Querschnittsansicht eines Gassensorelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
14 eine grafische Darstellung einer Ausgangssignalabweichung eines Gassensorelements des Standes der Technik während eines Aktivierungs-Übergangszustands des Gassensorelements.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauelemente in mehreren Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in den 1, 2 und 3 ein Gassensorelement 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Dieses Gassensorelement 1 ist im Körper eines Gassensors angeordnet, der im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Messung der Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den Abgasen der Brennkraftmaschine angebracht sein kann, um bei einem Abgasemissions-Regelsystem das den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemischverhältnis zur Regelung des Verbrennungsvorgangs in der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Da der Gesamtaufbau eines solchen Gassensors im Rahmen der Erfindung nicht von Bedeutung ist, erübrigt sich eine detaillierte Beschreibung.
Das Gassensorelement 1 wird von einer Schichtanordnung bzw. einem Laminat aus einer Heizeinrichtung 19, einem Distanzstück 13, einer Isolierschicht 12, einer Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschicht 11, einem Distanzstück 14, einer Diffusionswiderstandsschicht 15 und einer undurchlässigen Schicht 16 gebildet.
Ferner umfasst das Gassensorelement 1 eine Messgaselektrode 21 und eine Bezugsgaselektrode 22, die an einander gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 11 zur Bildung einer elektrochemischen Zelle 2 angeordnet sind. In dem Distanzstück 13 ist in Verbindung mit der Isolierschicht 12 eine Bezugsgaskammer 13 ausgebildet, in die ein Bezugsgas wie Luft eingeführt wird. In dem Distanzstück 14 ist in Verbindung mit der Festelektrolytschicht 11 und der Diffusionswiderstandsschicht 15 eine Messgaskammer 23 ausgebildet, in die zu messende Abgase der Brennkraftmaschine eintreten (die nachstehend auch als Messgas bezeichnet sind). Wie nachstehend noch näher beschrieben ist, besitzt die Messgaskammer 23 ein Volumen Vc von 0,15 mm³ oder weniger. Die Bezugsgaselektrode 22 ist hierbei der Bezugsgaskammer 24 ausgesetzt, während die Messgaselektrode 21 der Messgaskammer 23 ausgesetzt ist.
Wie in 2 im einzelnen veranschaulicht ist, besteht die Heizeinrichtung 19 aus einem Heizsubstrat 190, einem Heizelement 191 sowie zwei Zuleitungen bzw. Leiterbahnen 192. Das Heizelement 191 und die Leiterbahnen 192 sind an einer Oberfläche des Heizsubstrats 190 angebracht. Die Leiterbahnen 192 sind hierbei über in dem Heizsubstrat 190 ausgebildete und mit einem leitenden Material beschichtete Öffnungen 193 mit an der Unterseite des Heizsubstrats 190 angebrachten Anschlüssen 194 verbunden. Die Anschlüsse 194 sind mit einer (nicht dargestellten) Stromversorgungseinrichtung elektrisch verbunden, über die das Heizelement 191 zur Erwärmung des Gassensorelements 1 auf eine für eine korrekte Arbeitsweise des Gassensorelements 1 erforderliche, vorgegebene Aktivierungstemperatur mit Strom versorgt wird.
In dem Distanzstück 13 ist eine in Längsrichtung verlaufende Ausnehmung 130 ausgebildet, die die Bezugsgaskammer 24 darstellt.
In der Isolierschicht 12 ist eine Öffnung oder ein Fenster 120 ausgebildet, über das die Bezugsgaselektrode 22 der Bezugsgaskammer 24 ausgesetzt ist.
Die Festelektrolytschicht 11 besitzt eine Oberfläche 111, an der die Messgaselektrode 21, eine Leiterbahn 211 und ein Anschluss 212 angebracht sind. Der Anschluss 212 ist an der Außenseite des Gassensorelements 1 angeordnet. Die Festelektrolytschicht 11 besitzt außerdem eine Oberfläche 112, die von der Isolierschicht 12 bedeckt wird. Die Bezugsgaselektrode 22 ist über das Fenster 120 der Isolierschicht 12 an der Oberfläche 112 angebracht und über eine Leiterbahn 221 mit einem Innenanschluss 222 elektrisch verbunden. Der Innenanschluss 222 und die Leiterbahn 221 sind an einer Oberfläche der Isolierschicht 12 angebracht. Die Bezugsgaselektrode 22 ist über in der Isolierschicht 12 und der Festelektrolytschicht 11 ausgebildete und mit einem leitenden Material beschichtete Öffnungen 223 und 224 mit einem an der Festelektrolytschicht 11 angebrachten Anschluss 225 elektrisch verbunden.
Die Messgaselektrode 21, die Festelektrolytschicht 11 und die Bezugsgaselektrode 22 bilden hierbei die elektrochemische Zelle 2.
In dem an der Oberfläche 11 der Festelektrolytschicht 11 angebrachten Distanzstück 14 ist ein Fenster 140 ausgebildet, in dem die Messgaselektrode 21 angeordnet ist. Das Distanzstück 14 weist im wesentlichen die gleiche Breite wie die Festelektrolytschicht 11 auf und ist geringfügig länger als die Messgaselektrode 21.
Die Diffusionswiderstandsschicht 15 besteht aus einem porösen Material und ist an dem Distanzstück 14 zum Schließen des Fensters 140 angebracht. Die undurchlässige Schicht 16 besteht aus einem gasundurchlässigen Material und ist an der Oberseite der Diffusionswiderstandsschicht 15 angebracht. Anstelle der Diffusionswiderstandsschicht 15 kann auch in der undurchlässigen Schicht 16 ein Nadelloch als Diffusionswiderstand ausgebildet werden, das dazu dient, die Diffusion von in das Gassensorelement 1 eintretendem Gas minimal zu halten. Dieses Nadelloch kann auch mit einem porösen Material gefüllt sein. Anstelle des Nadellochs kann auch ein teilweise mit einem porösen Material gefüllter Gaseinlassweg ausgebildet werden, der mit der Messgaskammer 23 in Verbindung steht.
Das Gassensorelement 1, das zur Einführung von Gas in die Messgaskammer 23 über einen solchen Diffusionswiderstand ausgestaltet ist, erzeugt dann einen Grenzstrom als Funktion der Konzentration des in dem Gas enthaltenen Sauerstoffs, d.h., ohne diesen Diffusionswiderstand steigt der zwischen den Elektroden 21 und 22 fließende Strom bei einem Anstieg einer angelegten Spannung ebenfalls an, während bei Vorhandensein des Diffusionswiderstands innerhalb bestimmter Spannungsbereiche ebene bzw. flache Abschnitte auftreten, in denen der Strom unabhängig von einem Anstieg der an die Elektroden 21 und 22 angelegten Spannung konstant gehalten wird. Der Strom (d.h., der Grenzstrom) in diesen flachen bzw. ebenen Abschnitten entspricht jeweils der Konzentration von Sauerstoff in der Messgaskammer 23.
Das Heizsubstrat 190, das Distanzstück 13, die Isolierschicht 12, das Distanzstück 14 und die undurchlässige Schicht 16 bestehen sämtlich aus einem gasundurchlässigen dichten Aluminiumoxid-Keramikmaterial. Die Festelektrolytschicht 11 besteht hierbei aus teilweise stabilisiertem Zirkondioxid. Die Diffusionswiderstandsschicht 15 besteht hingegen aus einem gasdurchlässigen porösen Aluminiumoxid-Keramikmaterial.
Außer der Festelektrolytschicht 11 können die anderen Teile aus einem Keramikmaterial wie Zirkondioxid bestehen, um das Auftreten von Schrumpferscheinungen bei einem bei der Herstellung des Gassensorelements 1 erfolgenden Einbrennvorgang (Ofentrocknung) zu vermeiden.
Die Messgaskammer 23 ist somit in der vorstehend beschriebenen Weise von der Festelektrolytschicht 11, dem Distanzstück 14 und der Diffusionswiderstandsschicht 15 umgeben.
Wie in 3 im einzelnen veranschaulicht ist, besitzt die Diffusionswiderstandsschicht 15 eine Seitenfläche 151, die nicht von der undurchlässigen Schicht 16 bedeckt ist. Das durch Pfeile G gekennzeichnete Messgas tritt in diese Seitenfläche 151 ein. Wenn sich das in der Messgaskammer 23 befindliche bzw, verbleibende Messgas während des Aktivierungs-Übergangszustands des Gassensorelements 1 (d.h., der elektrochemischen Zelle 2) ausdehnt, tritt es durch die Diffusionswiderstandsschicht 15 hindurch und wird über die Seitenfläche 151 in den Außenbereich des Gassensorelements 1 abgeführt.
Das Volumen Vc der Messgaskammer 23 beträgt 0,13 mm³ und kann dreidimensional unter Verwendung eines CT-Röntgenabtastgeräts gemessen werden. Das hier beschriebene Volumen Vc stellt ein Nettovolumen der Messgaskammer 23 dar, das die Messgaselektrode 21 nicht einschließt. Wenn z.B. anstelle der Diffusionswiderstandsschicht 15 ein Nadelloch in der undurchlässigen Schicht 16 ausgebildet ist, umfasst das Volumen Vc nicht das Volumen des Nadelloches.
Die elektrochemische Zelle 2 dient als Pumpzelle, die beim Anlegen einer Spannung an die Messgaselektrode 21 und die Bezugsgaselektrode 22 Sauerstoff (O₂) aus der Messgaskammer 23 herauspumpt oder in die Messgaskammer 23 hineinpumpt. Wenn z.B. an die Messgaselektrode 21 und die Bezugsgaselektrode 22 eine Spannung derart angelegt wird, dass das höhere Potential an der Messgaselektrode 21 ansteht, dient die an dem niedrigeren Potential liegende Bezugsgaselektrode 22 zur Aufspaltung oder Ionisierung von Sauerstoffmolekülen und Erzeugung von Sauerstoffionen, die sich wiederum zu der Messgaselektrode 21 bewegen und auf diese Weise wieder zu Sauerstoffmolekülen reduziert werden. Dieser Vorgang wird im allgemeinen als Sauerstoff-Pumpvorgang bezeichnet.
Die Messgaselektrode 21 besitzt einen Pumpbereich, der den Sauerstoff-Pumpvorgang ermöglicht und eine im wesentlichen parallel zu der Festelektrolytschicht 11 verlaufende und der Messgaskammer 23 ausgesetzte Maximalfläche Sp aufweist. Diese Fläche Sp beträgt 7,5 mm² und erfüllt die Beziehung Vc/Sp = 0,017 mm.
Die Höhe h der Messgaskammer 23 in Laminierungsrichtung (bzw. Dickenrichtung) des Gassensorelements 1, d.h., der 3 entnehmbare Abstand zwischen einem Teil der der Messgaskammer 23 ausgesetzten Oberfläche 111 der Festelektrolytschicht 11 und einem Teil der der Messgaskammer 23 ausgesetzten Oberfläche 151 der Diffusionswiderstandsschicht 15 beträgt 15 μm.
Eine Fehlfunktion des Gassensorelements 1 mit der Folge einer Abweichung seines Ausgangssignals beruht üblicherweise auf dem Umstand, dass die auf einer schnellen Erwärmung des Gassensorelements 1 während dessen Aktivierungs-Übergangszustands beruhende Ausdehnung des in der Messgaskammer 23 befindlichen bzw. verbleibenden Gases von der Diffusionswiderstandsschicht 15 behindert und damit das Eintreten von Abgasen aus dem Außenbereich des Gassensorelements 1 in die Messgaskammer 23 erschwert wird.
Zur Vermeidung dieses Problems ist das Gassensorelement 1 dahingehend ausgestaltet, dass das Volumen Vc der Messgaskammer 23 auf 0,15 mm³ oder weniger begrenzt ist, um die in der Messgaskammer 23 befindliche Gasmenge minimal zu halten und auf diese Weise vor der Beendigung der Aktivierung des Gassensorelements 1 die Abführung des Gases aus der Messgaskammer 23 abzuschließen. Hierdurch kann die Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 während des Aktivierungs-Übergangszustands minimal gehalten und die Aktivierung beschleunigt werden.
Das Gassensorelement 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist derart aufgebaut, dass das Gas in der Messgaskammer 23 innerhalb von fünf (5) Sekunden in den Außenbereich des Gassensorelements 1 abgeführt wird. Bei Verwendung des Gassensorelements 1 können somit Abgasemissions-Regelsysteme innerhalb von fünf (5) Sekunden nach einem Starten der Brennkraftmaschine in einen normalen Betriebszustand versetzt werden. Hierdurch ist eine Steigerung des Wirkungsgrades der Abgasreinigung bei Verwendung eines Dreifachkatalysators unmittelbar nach einem Starten der Brennkraftmaschine erzielbar, wodurch sich der Betrag an HC-Abgasemissionen in erheblichem Maße verringern lässt.
4 zeigt eine experimentell gemessene Beziehung zwischen dem Volumen Vc der Messgaskammer 23 und der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Es wurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben hergestellt, die den gleichen Aufbau wie das vorstehend beschriebene Gassensorelement 1 aufwiesen. Diese Testexemplare bzw. Messproben besaßen Volumina Vc der Messgaskammer 23, die in einem Bereich von 0 bis 0,35 mm³ lagen. Einige Testexemplare bzw. Messproben besaßen ein Volumen Vc von Null (0), bei dem die Messgaselektrode 21 das gesamte Fenster 140 in Anspruch nahm und sich in engem Kontakt mit der Diffusionswiderstandsschicht 15 befand. In 4 ist über der Ordinate eine Ausgangssignalabweichung aufgetragen, die die Differenz zwischen dem maximalen Ausgangssignal der jeweiligen Testexemplare bzw. Messproben, das sich bei einer für fünf (5) Sekunden erfolgenden Erwärmung eines Testexemplars zu dessen Aktivierung in einer 4 % Sauerstoff enthaltenden Stickstoffatmosphäre ergibt, und dem nach der Erwärmung in einem stationären bzw. eingeschwungenen Zustand erhaltenen Ausgangssignal darstellt. Über der Abszisse ist das Volumen Vc der Messgaskammer 23 aufgetragen.
Wie 4 zu entnehmen ist, zeigten die Testexemplare bzw. Messproben bei einem Volumen Vc von 0,15 mm³ oder weniger kaum Ausgangssignalabweichungen und arbeiteten genau.
5 zeigt eine experimentell gemessene Beziehung zwischen der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und dem Verhältnis des Volumens Vc der Messgaskammer 23 zu der Fläche Sp der der Messgaskammer 23 ausgesetzten Messgaselektrode 21.
Es wurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben hergestellt, die den gleichen Aufbau wie das Gassensorelement 1 aufwiesen. Diese Testexemplare bzw.
Messproben besaßen Vc-Sp-Verhältniswerte, die in einem Bereich von 0 bis 0,035 mm lagen. Bei einigen Testexemplaren war das Distanzstück 14 entfernt worden, sodass sich die Messgaselektrode 21 in engem Kontakt mit der Diffusionswiderstandsschicht 15 befand und ein Vc-Sp-Verhältnis von Null (0) vorlag. In 5 ist über der Ordinate wie im Falle von 4 die Ausgangssignalabweichung aufgetragen, während über der Abszisse das Vc-Sp-Verhältnis aufgetragen ist.
Wie 5 zu entnehmen ist, treten bei den Testexemplaren bei einem Vc-Sp-Verhältnis (d.h., Vc/Sp) von 0,02 mm oder weniger kaum unerwünschte Ausgangssignalabweichungen auf, die die Arbeitsweise von Abgasemissions-Regelsystemen beeinträchtigen. Ein größeres Vc-Sp-Verhältnis als 0,02 mm (d.h., Vc/Sp ≥ 0,02 mm) führt dagegen zu einer verringerten Abführung des Gases aus der Messgaskammer 23, sodass viel Zeit vergeht, bis die Ausgangssignalabweichung konvergiert oder endet. Falls das Gassensorelement 1 eine Vielzahl von Pumpelektroden aufweist, bezeichnet die Fläche Sp im übrigen den Gesamtbereich bzw. die Gesamtfläche der Pumpelektroden, die der Messgaskammer 23 ausgesetzt sind.
6 zeigt eine experimentell gemessene Beziehung zwischen der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und der vorstehend beschriebenen Höhe h der Messgaskammer 23.
Es wurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben mit dem gleichen Aufbau wie das Gassensorelement 1 hergestellt. Diese Testexemplare besaßen jeweilige Höhenwerte h in einem Bereich von 0 bis 0,035 mm. Einige Testexemplare wiesen einen Aufbau auf, bei dem das Distanzstück 14 entfernt war, sodass sich die Messgaselektrode 21 in engem Kontakt mit der Diffusionswiderstandsschicht 15 befand und die Höhe h den Wert Null (0) aufwies. In 6 ist wie bei 4 über der Ordinate die Ausgangssignalabweichung aufgetragen, während über der Abszisse die Höhe h aufgetragen ist.
Wie 6 zu entnehmen ist, treten bei den Textexemplaren bei einer Höhe h von 0,015 mm (d.h., 15 μm) oder weniger kaum unerwünschte Ausgangssignalabweichungen auf, die die Arbeitsweise von Abgasemissions-Regelsystemen beeinträchtigen.
In den 7 bis 10 ist jeweils die Verteilung eines Gases, das durch die Diffusionswiderstandsschicht 15 hindurchgetreten ist und die Messgaselektrode 21 erreicht hat, für die durch Monte Carlo-Simulationen gemessenen Höhen h = 2 μm, 5 μm, 10 μm und 30 μm dargestellt.
Die Simulationen wurden durchgeführt, indem das Verhalten von Gaspartikeln zwischen deren Eintreten in die Diffusionswiderstandsschicht 15 und dem Zeitpunkt des Erreichens der Messgaselektrode 21 unter Verwendung des Monte Carlo-Verfahrens bestimmt und die Verteilung des Gases über die Messgaselektrode 21 ermittelt wurde. Die Gasverteilungen gemäß den 7 bis 10 erstrecken sich in der in 3 veranschaulichten Weise vom Ende P1 bis zur Mitte P2 der Messgaselektrode 21.
Die Monte Carlo-Simulation stellt ein statistisches Verfahren dar, das das Verhalten von jeweiligen Objekten wie Gaspartikeln, die sich zufallsbedingt bewegen, unter Verwendung von Zufallszahlen beschreibt und dieses Phänomen und die Verteilung statistisch ausdrückt. Die Simulationen wurden zur Bestimmung der Richtung der Brown'schen Molekularbewegung der jeweiligen Gaspartikel nach ihrer Kollision miteinander auf der Basis von Änderungen der Bewegungsrichtung der Gaspartikel unter Verwendung gleichförmiger Zufallszahlen durchgeführt.
Den Diagrammen gemäß den 7 bis 10 ist zu entnehmen, dass eine über 5 μm liegende Höhe h der Messgaskammer 23 dazu führt, dass das Messgas die Mitte P2 der Messgaselektrode 21 erreicht, während bei einer über 10 μm liegenden Höhe h der Messgaskammer 23 eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung des überwiegenden Messgases von dem Ende P1 bis zur Mitte P2 der Messgaselektrode 21 gewährleistet ist. Die Figuren zeigen außerdem, dass sich bei einer unter 2 μm liegenden Höhe h der Messgaskammer 23 die die Mitte P2 der Messgaselektrode 21 erreichende Menge des Messgases verringert bzw. ein Anstieg der Menge des Messgases auf der Seite des Endes P1 auftritt, was zu einer Instabilität des von der elektrochemischen Zelle 2 erzeugten Grenzstroms (d.h., zu Unregelmäßigkeiten in Bezug auf die Bereiche des Grenzstroms) und damit zu einer verringerten Messgenauigkeit des Gassensorelements 1 führt, während bei einer Höhe h von 30 μm der Messgaskammer 23 das Volumen Vc der Messgaskammer 23 zu groß sein kann, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen.
Aus der vorstehend beschriebenen Analyse ergab sich somit, dass die Höhe h vorzugsweise zwischen 5 μm und 18 μm liegen sollte, wobei der Bereich zwischen 10 μm und 15 μm zu bevorzugen ist.
11 zeigt eine experimentell gemessene Beziehung zwischen der Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 1 bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs und der Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur des Gassensorelements 1 (d.h., der Geschwindigkeit, mit der die Temperatur des Gassensorelements 1 erhöht wird).
Es wurde eine Anzahl von Testexemplaren bzw. Messproben mit dem gleichen Aufbau wie das Gassensorelement 1 hergestellt. Die Temperatureinstellung des Gassensorelements 1 wurde durch Vergrößerung oder Verringerung der der Heizeinrichtung 19 zugeführten elektrischen Leistung erzielt. Eine Temperatur-Anstiegsgeschwindigkeit von Null (0) beinhaltet, dass die Heizeinrichtung 19 abgeschaltet ist bzw. sich in einem Ruhezustand befindet. In 11 ist wie bei 4 über der Ordinate die Ausgangssignalabweichung aufgetragen, während über der Abszisse die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur des Gassensorelements 1 aufgetragen ist.
Wie 11 zu entnehmen ist, treten bei einer Anstiegsgeschwindigkeit von 250°C/s oder weniger keine unerwünschten Ausgangssignalabweichungen bei den Testexemplaren auf. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit unter 100°C/s liegt, ist allerdings eine schnelle Aktivierung des Gassensorelements 1 in Frage gestellt. Bei einer über 250°C/s liegenden Anstiegsgeschwindigkeit kann dagegen die Temperatur der Heizeinrichtung 19 einen oberen Grenzwert des Wärmeschockwiderstands des Gassensorelements 1 überschreiten. Zweckmäßigerweise sollte daher die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur des Gassensorelements 1 auf einen zwischen 100°C/s und 250°C/s liegenden Bereich eingestellt werden. Hierdurch kann die Temperatur des Gassensorelements 1 von Raumtemperatur auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur innerhalb von fünf (5) Sekunden erhöht werden. Wenn das Gassensorelement 1 im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist und in der vorstehend beschriebenen Weise im Rahmen eines Abgasemissions-Regelsystems Verwendung findet, wird durch eine Erwärmung des Gassensorelements 1 mit einer Anstiegsgeschwindigkeit zwischen 100°C/s und 250°C/s eine in der gewünschten Weise erfolgende Regelung von HC-Abgasemissionen unmittelbar nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ermöglicht, wodurch sich kürzlich verschärfte Abgasvorschriften erfüllen lassen.
12 zeigt ein Gassensorelement 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das einen zwei Zellen umfassenden Aufbau aufweist und von einer Schichtanordnung bzw. einem Laminat aus Festelektrolytschichten 31 und 34, Distanzstücken 32 und 35, einer Isolierschicht 36 und einem Heizsubstrat 37 gebildet wird.
Das Gassensorelement 3 besitzt eine Messgaskammer 320, die von den Festelektrolytschichten 31 und 34 und dem Distanzstück 32 umgeben ist. Das Messgas gelangt über ein durch die Festelektrolytschicht 31 und eine poröse Schicht 33 hindurch verlaufendes Loch 310 in die Messgaskammer 320. Die poröse Schicht 33 ist zwischen den Festelektrolytschichten 31 und 34 angeordnet und dient als Diffusionswiderstand. Das Gassensorelement 3 besitzt außerdem eine Bezugsgaskammer 350, die von der Festelektrolytschicht 34, dem Distanzstück 35 und der Isolierschicht 36 umgeben ist.
Das Gassensorelement 3 umfasst weiterhin eine erste elektrochemische Zelle 41 und eine zweite elektrochemische Zelle 42. Die erste elektrochemische Zelle 41 besteht aus der Festelektrolytschicht 31 und zwei, an der Festelektrolytschicht 31 angebrachten Elektroden 411 und 412. Hierbei ist die Elektrode 411 direkt dem im Außenbereich des Gassensorelements 3 vorhandenen Messgas ausgesetzt, während die Elektrode 412 der Messgaskammer 320 ausgesetzt ist. Die Elektroden 411 und 412 sind hierbei ringförmig ausgebildet.
Die zweite elektrochemische Zelle 42 besteht aus der Festelektrolytschicht 34 und zwei, an der Festelektrolytschicht 34 angebrachten Elektroden 421 und 422. Hierbei ist die Elektrode 421 der Messgaskammer 320 ausgesetzt, während die Elektrode 422 der Bezugsgaskammer 350 ausgesetzt ist. Die Elektrode 421 ist ringförmig ausgebildet.
Die erste elektrochemische Zelle 41 dient als Pumpzelle, die Sauerstoff (O₂) aus der Messgaskammer 320 in den Außenbereich des Gassensorelements 3 abpumpt oder aus dem Außenbereich des Gassensorelements 3 in die Messgaskammer 320 hineinpumpt und hierbei bewirkt, dass zwischen den Elektroden 411 und 412 ein Sauerstoffionenstrom I fließt. Die zweite elektrochemische Zelle 42 dient dagegen als Sensorzelle, die zwischen den Elektroden 421 und 422 eine Quellenspannung (EMK) V als Funktion der Konzentrationsdifferenz von Sauerstoff zwischen der Messgaskammer 320 und der Bezugsgaskammer 350 erzeugt. Diese Quellenspannung (EMK) V dient dazu, die an die Elektroden 411 und 412 der ersten elektrochemischen Zelle 41 angelegte Spannung dahingehend zu steuern, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 320 konstant gehalten wird, d.h., der Sauerstoffionenstrom I wird als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erzeugt, indem der Sauerstoffionenstrom I zur Konstanthaltung der Quellenspannung V derart eingestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 320 konstant gehalten werden kann.
Das Volumen Vc der Messgaskammer 320 beträgt wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels 0,15 mm³ oder weniger, wodurch im wesentlichen die gleichen Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Das Gassensorelement 3 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend ausgestaltet, dass das Vc-Sp-Verhältnis kleiner als 0,02 mm ist (d.h., Vc/Sp < 0,02 mm), wodurch die Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 3 während dessen Aktivierungs-Übergangszustands minimal gehalten wird. Hierbei ist mit Sp der Bereich bzw. die Fläche der Elektrode 412 bezeichnet.
13 zeigt ein Gassensorelement 5 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in Form von zwei Zellen aufgebaut ist und eine separate Heizeinrichtung 502 aufweist.
Dieses Gassensorelement 5 besteht im wesentlichen aus einem Elementkörper 501 und der Heizeinrichtung 502, die gegenüber dem Elementkörper 501 in einem Abstand bzw. Zwischenraum 500 angeordnet ist. Der Elementkörper 501 besteht aus Festelektrolytschichten 51 und 53 sowie aus einem Distanzstück 52, das von einem porösen Material gebildet wird. Die Heizeinrichtung 502 besteht aus einer Isolierschicht 54 und einem Heizsubstrat 55, auf dem ein Heizelement 550 ausgebildet ist.
Der Elementkörper 501 besitzt eine von den Festelektrolytschichten 51 und 53 und dem Distanzstück 52 gebildete Messgaskammer 520. Weiterhin umfasst der Elementkörper 501 eine erste elektrochemische Zelle 43 sowie eine zweite elektrochemische Zelle 44. Die erste elektrochemische Zelle 43 umfasst eine in die Festelektrolytschicht 51 eingebettete Elektrode 431 sowie eine der Messgaskammer 520 ausgesetzte Elektrode 432. Die zweite elektrochemische Zelle 44 besteht aus der Festelektrolytschicht 53 und zwei, an der Festelektrolytschicht 53 angebrachten Elektroden 441 und 442. Die Elektrode 441 ist hierbei der Messgaskammer 520 ausgesetzt, während die Elektrode 442 direkt dem im Außenbereich des Gassensorelements 5 vorhandenen und durch den Zwischenraum 500 strömenden Messgas ausgesetzt ist.
Das Distanzstück 52 besteht hierbei aus einem porösen Material und dient als Diffusionswiderstandsschicht, wobei das Messgas über eine Seitenfläche 525 des Distanzstücks 52 in die Messgaskammer 520 eintritt.
Die zweite elektrochemische Zelle 44 wirkt in Abhängigkeit von einer angelegten Spannung als Pumpzelle, die Sauerstoff (O₂) aus der Messgaskammer 520 in den Außenbereich des Gassensorelements 5 abpumpt oder aus dem Außenbereich des Gassensorelements 5 in die Messgaskammer 520 hineinpumpt und hierbei das Fließen eines Sauerstoffionenstroms I zwischen den Elektroden 441 und 442 herbeiführt.
Die erste elektrochemische Zelle 43 ionisiert in Abhängigkeit vom Anlegen einer schwachen Spannung in der Nähe der Elektrode 432 befindliche Sauerstoffmoleküle, die sich wiederum in Richtung der Elektrode 431 bewegen, was zu einer Potentialdifferenz V zwischen den Elektroden 431 und 432 führt.
Der Sauerstoffionenstrom I wird als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses erzeugt, indem der Sauerstoffionenstrom I zur Konstanthaltung der Potentialdifferenz V derart eingestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Messgaskammer 520 konstant gehalten werden kann.
Das Volumen Vc der Messgaskammer 520 beträgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel 0,15 mm³ oder weniger, wodurch im wesentlichen die gleichen Vorteile wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten werden.
Das Gassensorelement 5 ist wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend ausgestaltet, dass das Vc-Sp-Verhältnis kleiner als 0,02 mm ist (d.h., Vc/Sp < 0,02 mm), wodurch die Ausgangssignalabweichung des Gassensorelements 5 während dessen Aktivierungs-Übergangszustands minimal gehalten wird. Hierbei bezeichnet Sp den Bereich bzw. die Fläche der Elektrode 441.
Erfindungsgemäß wird somit ein Gassensorelement angegeben, das zur Messung der Konzentration eines Gases wie O₂ Verwendung finden kann. Das Gassensorelement ist in Form einer Schichtanordnung bzw. eines Laminats aufgebaut und dahingehend ausgestaltet, dass das zu messende Gas über einen Diffusionswiderstand in eine Messgaskammer geführt wird. Die Messgaskammer besitzt ein Volumen von 0,15 mm³, um während eines thermischen Aktivierungs-Übergangszustands des Gassensorelements das Abführen des in der Messgaskammer verbleibenden Gases zu erleichtern.

Claims

Gassensorelement mit Schichtaufbau, gekennzeichnet durch einen Diffusionswiderstand, eine Messgaskammer, in die ein zu messendes Gas über den Diffusionswiderstand eingeführt wird, ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement, eine an dem Festelektrolytelement angeordnete Messgaselektrode, die dem in der Messgaskammer befindlichen Gas ausgesetzt ist, und eine an dem Festelektrolytelement angeordnete Bezugsgaselektrode, die einem Bezugsgas ausgesetzt ist und zusammen mit der Messgaselektrode eine elektrochemische Zelle bildet, wobei die Messgaskammer ein Volumen von 0,15 mm³ oder weniger aufweist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgaselektrode als Pumpelektrode wirkt, die in dem Gas enthaltenen Sauerstoff in die Messgaskammer hineinpumpt oder aus der Messgaskammer herauspumpt und einen der Messgaskammer ausgesetzten Bereich Sp aufweist, der die Bedingung Vc/Sp < 0,02 mm erfüllt, wobei Vc das Volumen der Messgaskammer angibt.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelements eine Höhe von 5 μm bis 18 μm aufweist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgaskammer in der Dickenrichtung des Gassensorelements eine Höhe von 10 μm bis 15 μm aufweist.
Gassensorelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Gassensorelements auf eine zu dessen Aktivierung erforderliche Temperatur, die die Temperatur des Gassensorelements mit einer Geschwindigkeit von 100°C/s bis 250°C/s erhöht.
Gassensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass außer der als Pumpzelle wirkenden elektrochemischen Zelle eine weitere elektrochemische Zelle vorgesehen ist, die als Sensorzelle dient, dass die Sensorzelle eine an dem Festelektrolytelement angeordnete und der Messgaskammer ausgesetzte Sensorzellenelektrode aufweist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals dient, das die Konzentrationsdifferenz zwischen einem spezifischen Bestandteil des Gases in der Messgaskammer und einem spezifischen Bestandteil des Bezugsgases angibt, und dass das elektrische Signal zur Steuerung des Betriebs der Pumpzelle dient.