DE102005051194A1

DE102005051194A1 - Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch

Info

Publication number: DE102005051194A1
Application number: DE102005051194A
Authority: DE
Inventors: Lothar Diehl; Thomas Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-03
Also published as: JP4690462B2; JP2009512863A; US20090095627A1; WO2007048679A1

Abstract

Ein Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem für Ionen leitfähigen Festelektrolyten (120) und mit durch den Festelektrolyten (120) voneinander getrennten Elektroden (160, 170), von denen eine Außenelektrode (160) dem Gasgemisch ausgesetzt ist und eine Innenelektrode (170) in einem durch eine Diffusionsbarriere (150) vom Gasgemisch getrennten Hohlraum (130) angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Außenelektrode (165) dem Abgas ausgesetzt ist, die mit einem Strom (I¶Zusatz¶) beaufschlagt wird, dessen Vorzeichen entgegengesetzt dem Strom (I¶Pump¶) ist, mit dem die Außenelektrode (160) beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Sensor ist beispielsweise aus der DE 101 51 328 A1 bekannt geworden. Der Sensor weist zwei Zellen auf, deren eine als Nernst-Zelle fungiert, mit der der Sauerstoff gehalt in einem Messgasbereich bestimmt wird. Die zweite Zelle ist eine Pumpzelle, durch die der Sauerstoffgehalt im Messgasbereich verändert wird. Die zu- oder abgepumpte Sauerstoffmenge wird dabei so eingestellt, dass im Messgasbereich oder Messvolumen stets ein λ = 1 – Gas vorhanden ist. Über den Betrag und das Vorzeichen des Pumpstroms kann die Abgaszusammensetzung in einem weiten Bereich zwischen fett (λ < 1) und mager (λ > 1) bestimmt werden.

Bei einer Änderung der Abgaszusammensetzung von fett nach mager oder umgekehrt findet an der abgasseitigen Pumpelektrode ein Gaswechsel statt, der zur Einkopplung eines Störsignals in die Nernst-Zelle führt. Hierbei zeigt das Sondensignal, beispielsweise das Signal des Pumpstroms über der Zeit bei etwa λ = 1 einen Überschwinger bzw. einen Gegenschwinger, die als λ = 1 Welligkeit bezeichnet werden. Diese λ = 1 Welligkeit wirkt sich besonders bei Anwendungen für die Einzelzylindererkennung und Einzelzylinderregelung störend aus. Darüber hinaus steht sie einer schnellen Sondendynamik hinderlich entgegen.

In 2 ist schematisch der Signalverlauf beim Auftreten einer solchen λ = 1 Welligkeit, gekennzeichnet mit Bezugszeichen 10, dargestellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass diese störende λ = 1 Welligkeit reduziert wird.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Sensors sind Gegenstand der auf Anspruch 1 rückbezogenen abhängigen Unteransprüche.

Grundidee der Erfindung ist es, durch die weitere dem Abgas ausgesetzte Pumpelektrode dem Messvolumen hinter der Diffusionsbarriere Sauerstoff aus dem Abgas zuzuführen. Dieser so zugeführte Sauerstoff wird dann während des Betriebs des Sensors zusätzlich abgepumpt, sodass ein definiert zu mageres Ausgangssignal entsteht. Auf diese Weise wird eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Pumpstrombetrag und der Abgaszusammensetzung vom Fett- bis in den Magerbereich ermöglicht, ohne dass der Pumpstrom einen Richtungswechsel durchlaufen muss. Hierdurch wird eine schnellere Dynamik des Sensors ermöglicht. Bevorzugt ist die zusätzliche Außenelektrode auf der der Außenelektrode abgewandten Seite des Festelektrolyten angeordnet. Durch diese Anordnung wird besonders optimal eine Sauerstoffzuführ in das Messvolumen erreicht.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die weitere Außenelektrode über wenigstens eine separate Zuleitung mit Strom beaufschlagt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, die weitere Außenelektrode mit einem Massenanschluss eines Heizers des Sensors elektrisch leitend zu verbinden. In diesem Falle wird die Stromquelle in einem Steuergerät an die Innenelektrode angeschlossen, sodass keine zusätzliche Zuleitung erforderlich ist.

Die dem Gasgemisch ausgesetzte Außenelektrode, also die an sich bekannte abgasseitige Pumpelektrode, ist auf an sich bekannte Weise durch eine Schutzschicht abgedeckt. Hierdurch wird verhindert, dass aufgrund des kontinuierlichen Herauspumpens des Sauerstoffs an dieser Elektrode ein Gaswechsel stattfindet. Es wird insbesondere die λ = 1 Welligkeit erheblich reduziert. Diese, die Außenelektrode abdeckende Schutzschicht kann sehr dicht ausgeführt werden, weil nicht mehr der erhöhte Pumpspannungsbedarf im Fettbetrieb die Begrenzung darstellt. Das Einpumpen von Sauerstoff im fetten Zustand wird ja zum Teil von der weiteren Außenpumpelektrode übernommen.

Die weitere, zusätzliche Außenpumpelektrode kann durch eine Schutzschicht abgedeckt sein, die lediglich dem Schutz der Elektrode dient, jedoch das Pumpverhalten der Elektrode nicht beeinflusst.

Der Festelektrolyt selbst ist gasundurchlässig.

Zeichnung
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Sensors.
In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch den Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Sensors zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch;
2 schematisch die aus dem Stand der Technik bekannte λ = 1 Welligkeit des Pumpstroms über der Zeit;
3 schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors;
4 schematisch den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors;
5 den Pumpstrom über λ bei einem aus dem Stand der Technik bekannten, in 1 dargestellten Sensor und
6 den Pumpstrom über λ bei einem erfindungsgemäßen Sensor.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein in 1 dargestellter aus dem Stand der Technik bekannter, als Breitband-Lambdasonde bezeichneter Sensor umfasst einen gasundurchlässigen Festelektrolytkörper 120, der beispielsweise schichtweise aufgebaut sein kann. In dem Festelektrolytkörper 120 ist ein Gaszutrittsloch 122 vorgesehen, durch welches Abgas über eine Diffusionsbarriere 150 in ein Messvolumen 130 gelangt. In dem Messvolumen 130 ist eine innere Pumpelektrode 170 angeordnet. Auf der Außenseite des Festelektrolyten 120 ist eine Außenelektrode 160 angeordnet, die durch eine Schutzschicht 230 überdeckt ist. Die Außenelektrode 160 und die innere Pumpelektrode 170 bilden eine Pumpzelle 180, durch die Sauerstoff aus dem Messvolumen 130 abgepumpt werden kann. Hierzu wird an die Außenelektrode 160 eine Pumpspannung U_P angelegt, sodass ein Pumpstrom I_P fließt.
In dem Festelektrolyten ist des weiteren eine Referenzelektrode 190 angeordnet. Die Referenzelektrode 190 und die innere Pumpelektrode 170 bilden eine Nernst-Zelle 195.
Mit der Pumpzelle 180 wird der Sauerstoffgehalt im Messvolumen 130 verändert. Mit der Nernst-Zelle 195 wird der Sauerstoffgehalt im Messvolumen 130 bestimmt. Die zu- oder abgepumpte Sauerstoffmenge wird so eingeregelt, dass im Messvolumen 130 stets ein λ = 1 – Gas vorhanden ist. Über den Betrag und das Vorzeichen des Pumpstroms kann die Abgaszusammensetzung in einem weiten Bereich zwischen fett und mager eindeutig bestimmt werden. Aus diesem Grunde wird ein solcher Sensor auch als Breitband-Lamdasonde bezeichnet.
Bei einer Änderung der Abgaszusammensetzung, d.h. bei einem Übergang von einem fetten zu einem mageren Gemisch tritt nun allerdings ungefähr bei λ = 1 unter anderem in dem Signal des Pumpstroms I_P ein in 2 schematisch dargestellter Überschwinger bzw. Gegenschwinger auf, der als λ = 1 Welligkeit bezeichnet wird. Diese λ = 1 Welligkeit wirkt sich ganz besonders bei Anwendungen zur Einzelzylindererkennung und -regelung störend aus. Darüber hinaus verhindert sie eine schnelle Sondendynamik.
Zur Vermeidung einer derartigen λ = 1 Welligkeit und zur Ermöglichung einer hohen Sondendynamik sieht nun die Erfindung die Anordnung einer weiteren, zusätzlichen Außenelektrode 165 an dem Festelektrolytkörper 120 vor (3, 4). Diese zusätzliche Außenelektrode 165 ist bevorzugt auf der der Außenelektrode 160 abgewandten Seite des Festelektrolytkörpers 120 angeordnet. Sie kann, wie in 3 dargestellt, über eine zusätzliche Leitung 167 mit einem konstanten Zusatzstrom I_Zusatz beaufschlagt werden. Zu Schutzzwecken kann die zusätzliche Außenelektrode 165 mit einer Schutzschicht 235 überdeckt sein.
Bei einem weiteren, in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die zusätzliche Außenelektrode 165 mit der Heizermasse 222 elektrisch leitend verbunden, sodass eine zusätzliche Leitung zur Beaufschlagung mit dem Zusatzstrom I_Zusatz entfallen kann.
Vielmehr wird die Leitung der Heizermasse zur Beaufschlagung der Zusatzelektrode 165 mit dem Zusatzstrom I_Zusatz verwendet.
Die Funktionsweise der zusätzlichen Außenelektrode 165 wird nachfolgend in Verbindung mit den 5 und 6 näher beschrieben.
Bei einem in 1 dargestellten Sensor verhält sich der Pumpstrom I_P über λ wie in 5 dargestellt. Er verläuft vom dritten Quadranten in den ersten, wobei beim Übergang vom dritten in den ersten Quadranten ein Knick auftritt. Dies erschwert eine eindeutige Zuordnung zwischen Pumpstrombetrag und Abgaszusammensetzung vom Fett- in den Magerbereich.
Die Erfindung sieht nun vor, die innere Pumpelektrode 170 und die zusätzliche Außenelektrode 165 so mit einem zusätzlichen Pumpstrom I_Zusatz mit zu dem Pumpstrom I_P entgegengesetztem Vorzeichen zu beaufschlagen, dass Sauerstoff dem Messvolumen 130 zugeführt wird. Dieser Sauerstoff wird nun zusätzlich abgepumpt, so dass ein definiert zu mageres Ausgangssignal entsteht. Ist der zusätzliche Pumpstrom I_Zusatz groß genug, kommt es so auch bei fettem Abgas nur zu einem positiven Pumpstrom I_P. Eine eindeutige Zuordnung zwischen Pumpstrombetrag und Abgaszusammensetzung vom Fett- bis in den Magerbereich wird auf diese Weise ermöglicht, ohne dass der Pumpstrom I_P einen Richtungswechsel durchlaufen muss (siehe 6). Hierdurch wird eine schnellere Dynamik des Sensors ermöglicht. Durch die von der zusätzlichen Außenelektrode 165 angeordnete dichte Schutzschicht 235 wird verhindert, dass aufgrund des kontinuierlichen Herauspumpens von Sauerstoff diese Elektrode einen Gaswechsel erfahren kann. Hierdurch wird die λ = 1 Welligkeit reduziert. Nach gegenwärtigem Verständnis gelangt dieser Gaswechsel nicht gleichzeitig an alle Stellen der Außenelektrode 160. Liegt auf einer Seite des Sensors Fettgas und auf der anderen Seite Magergas vor, dann fließt ein elektrischer Strom in der Außenelektrode und ein ionischer Strom in dem beispielsweise aus Zirkonoxid bestehenden Festelektrolytkörper 120, ähnlich einer Brennstoffzelle. Der ionische Strom ist mit einem Potenzialabfall verknüpft, der die Potenzialmessung der Nernst-Zelle verfälscht.

Claims

Sensor zur Messung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, mit einem für Ionen leitfähigen Festelektrolyten (120) und mit durch den Festelektrolyten (120) voneinander getrennten Elektroden (160, 170), von denen eine Außenelektrode (160) dem Gasgemisch ausgesetzt ist und eine Innenelektrode (170) in einem durch eine Diffusionsbarriere (150) vom Gasgemisch getrennten Hohlraum (130) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Außenelektrode (165) dem Abgas ausgesetzt ist, die mit einem Strom (I_Zusatz) beaufschlagt wird, dessen Vorzeichen entgegengesetzt dem Strom (I_Pump) ist, mit dem die Außenelektrode (160) beaufschlagt ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Außenelektrode (165) auf der der Außenelektrode (160) abgewandten Seite des Festelektrolyten (120) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Außenelektrode (165) über eine separate Zuleitung (167) mit Strom beaufschlagt wird.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Außenelektrode (165) mit einem Massenanschluss (222) eines Heizers (220) des Sensors elektrisch leitend verbunden ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Außenelektrode (165) mit einer Schutzschicht (235) überdeckt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolyt (120) gasundurchlässig ist.