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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der
Technik
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Zum
Nachweis von Gaskomponenten und/oder zur Bestimmung einer Gaskonzentration
in Messgasgemischen ist die Verwendung von Gassensoren bekannt,
die ein Messsignal unter Bezugnahme auf den Sauerstoffgehalt in
einer mit dem Messgas in gasleitender Verbindung stehenden Messkammer
erzeugen.
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Eine
Art solcher Sensoren sind sogenannte Lambdasonden. Hierbei handelt
es sich um Grenzstromsonden auf der Basis eines keramischen Festkörperelektrolyten,
der zwei Elektroden ionenleitend verbindet. Die Messkammer ist vorzugsweise
mit einer den Zutritt des Messgases in die Messkammer beruhigenden
bzw. auch begrenzenden Diffusionsbarriere ausgestattet.
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Zur
Einstellung des Sauerstoffgehaltes in der Messkammer können die
beiden Elektroden mittels einer entsprechenden Schaltung mit einer
elektrischen Pumpspannung beaufschlagt werden. Das Maß für den Sauerstoffionenstrom
zwischen der in der Messkammer angeordneten Pumpelektrode und der
außerhalb
der Messkammer angeordneten Gegenpumpelektrode ist der dabei messbare,
zwischen den beiden Elektroden fließende elektrische Strom. Je
nach Sauerstoffmangel bzw. Sauerstoffüberschuss in der Messkammer,
was bei Abgasen fettes bzw. mageres Gemisch bedeutet, wird durch
die Schaltung eine entsprechende Spannung an die beiden Elektroden
angelegt. Diese Spannung verursacht zwischen den beiden Elektroden
ein elektrisches Feld, deren Feldkräfte einen Sauerstoffionenstrom
durch den Festkörperelektrolyten
bewirken.
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Eine
durch das über
die Diffusionsbarriere in die Messkammer zufließende Messgas verursachte Änderung
der darin konstant eingestellten Sauerstoffkonzentration kann mittels
einer sogenannten Messzelle festgestellt werden. Diese besteht vorzugsweise
ebenfalls aus einem Festkörperelektrolyten
und einer in der Messkammer angeordneten Messelektrode und einer
einem Referenzgas, vorzugsweise Luft, ausgesetzten Referenzelektrode.
Die zwischen der Mess- und Referenzelektrode anliegende Spannung
ist ein Maß für die Differenz
der Sauerstoffkonzentrationen zwischen dem Gasgemisch in der Messkammer
und dem Referenzgas. Bei bekanntem Sauerstoffgehalt im Referenzgas,
also etwa 21% bei Luft, ist bei Konzentrationsausgleich auch die
absolute Sauerstoffkonzentration in der Messkammer bekannt.
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Anwendung
finden solche Gassensoren, häufig
auch Sonden genannt, zur Regelung von Verbrennungsprozessen. Sie
werden zur Bewertung des dabei entstehenden Abgases benutzt, wodurch
mit entsprechenden weiteren Maßnahmen
bereits eine massive Schadstoffreduzierung z.B. bei Verbrennungsmotoren
erzielt werden konnte. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Schadstoffemissionen
ist es aber wünschenswert,
sowohl die mobilen als auch die immobilen Verbrennungsprozesse noch
besser in den Griff zu bekommen.
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Aufgabe und
Vorteile der vorliegenden Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor
der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch
die Merkmale der Unteransprüche
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
beschrieben.
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Demnach
betrifft die vorliegende Erfindung ein Sensorelement zur Bestimmung
von Gaskomponenten in Messgasgemischen, insbesondere von Gaskomponenten
in Abgasen von Verbrennungsvorrichtungen, mit einer Messkammer,
die mit dem Messgasgemisch in Gas leitender Verbindung steht, und
einem Festkörperelektrolyten,
der zur Einstellung des Sauerstoffgehalts in der Messkammer eine
in der Messkammer angeordnete Pumpelektrode und eine Gegenpumpelektrode
Sauerstoffionen leitend verbindet. Dieses Sensorelement zeichnet
sich dadurch aus, dass die Gegenpumpelektrode in einem Referenzgasraum
angeordnet ist.
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Dieser
Anordnung der Gegenpumpelektrode in einem Referenzgasraum liegt
die Erkenntnis zugrunde, dass damit eine sehr hohe Signalstetigkeit
der Sonde, insbesondere beim Lambda = 1-Durchgang erzielt werden
kann. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannte, sogenannte
Lambda = 1-Welligkeit des als Messsignal dienenden Pumpstroms kann
mit einem derart aufgebauten Sensorelement stark reduziert werden.
Dies liegt insbesondere daran, dass der Gaswechsel zwischen fett
und mager im Messgas auf die für
die Sauerstoffionenaufnahme zur Sauerstoffversorgung der Messkammer
im Referenzgasraum angeordnete Gegenpumpelektrode keinen Einfluss
hat. Die sich speziell im Lambda = 1-Durchgang stark ändernden
Oxidations- und
Reduktionsvorgänge
können
nämlich
durch die gasdichte Trennung zwischen Messgas und Gegenpumpelektrode
keine das Messsignal beeinflussende Mengenänderung der an der Oberfläche der
Gegenpumpelektrode für
den Pumpvorgang zur Verfügung
stehenden freien Sauerstoffionen bewirken.
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Durch
eine gasleitende Verbindung des Referenzgasraums mit der Umgebungsluft
kann nicht nur sichergestellt werden, dass diese Messsignalstabilisierung über die
gesamte Lebensdauer des Sensorelementes gewährleistet werden kann. Es kann
weiterhin auch ein deutlich erweiterter Einsatzbereich des Sensorelementes,
hin in Richtung zu sehr fetten, also sauerstoffarmen Messgasgemischen
zur Verfügung
gestellt werden.
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Unter
der Bedingung, dass der mit der Umgebungsluft verbundene Referenzgasraum
so dimensioniert ist, dass der Grenzstrom an der Gegenpumpelektrode
ausreichen groß ist,
um den Transport von O2– zur Pumpelektrode im
Messgasraum herzustellen, kann zusätzlich gewährleistet werden, dass auch
in extremen Fettabgasen keine Schädigung des Sensorelementes
durch Zersetzung des Festkörperelektrolyten
und keine damit einhergehende Braunfärbung durch eine Reaktion (ZrO2 + 4e– → Zr + 2 O2–)
eintreten kann. Die mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende
Gegenpumpelektrode kann bei geeigneter Dimensionierung des Referenzgasraumes
auch bei Messungen in sehr fetten Abgasgemischen genügend O2– zur
Verfügung
stellen, um das an der Pumpelektrode in der Messkammer anliegende
Fettabgas vollständig
zu oxidieren. Damit kann die erfindungsgemäße Anordnung auch in sehr fetten
Gasgemischen zuverlässig
und über
längere
Zeiträume
den λ-Wert
bestimmen.
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Zur
Reduzierung des Herstellungsaufwandes bzw. auch der Herstellungskosten
eines derartigen Sensorelementes kann in entsprechend abgewandelten
Ausführungsformen
beispielsweise die Pumpelektrode gemeinsam mit einer ersten Messelektrode
und/oder auch die Gegenpumpelektrode gemeinsam mit einer zweiten
Messelektrode ausgebildet sein. Bei jeweils gemeinsamer Ausbildung
der Pumpelektrode mit der ersten Messelektrode in der Messkammer,
und der Gegenpumpelektrode mit der zweiten Messelektrode in einem Referenzgasraum,
auch Referenzelektrode genannt, kann die Anzahl der Elektroden bei
geeigneter Materialwahl sogar auf zwei reduziert werden. Die Beschaltung
des Sensorelementes ist dabei entsprechend der Anzahl der verwendeten
Elektroden je nach Ausführungsform
anzupassen.
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In
einer weiter vorteilhaften Ausführungsform
kann die Gegenpumpelektrode nahe dem Heizelement positioniert werden,
so dass die Gegenpumpelektrode rasch auf Betriebstemperatur gebracht
werden kann und damit störungsfrei
einsatzbereit ist. Insbesondere vorteilhaft ist es hierbei, wenn
eine möglichst
störungsfreie
Wärmeübertragung
zwischen dem Heizelement und der Messzelle zur Verfügung gestellt
werden kann. In einer ersten Ausführungsform kann dazu ein zwischen
dem Heizelement und der Gegenpumpelektrode ausgebildeter Teil des
Referenzgasraums, unter Berücksichtigung
einer ausreichenden Sauerstoffzufuhr auch für fette Gemische, möglichst
klein ausgebildet sein. Hierzu bietet sich beispielsweise eine Verjüngung am
Ende eines großvolumig
ausgebildeten Referenzgasraums in dem Bereich an, in welchem die
Gegenpumpelektrode angeordnet ist.
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Eine
weitere positive Beeinflussung des Messsignales ist durch eine der
Messkammer in Richtung zum Messgasgemisch vorgeschalteten Diffusionsbarriere
möglich,
welche über
ihren wirksamen Querschnitt betrachtet, einen im Wesentlichen gleich
großen
Diffusionswiderstand vor der ihr zugewandten Oberfläche der Pumpelektrode
ausbildet. Damit kann eine gleichmäßige Alterung der Pumpelektrode über deren
gesamten wirksamen Querschnitt erzielt werden. Dies beruht darauf,
dass über
den wirksamen Querschnitt der Pumpelektrode betrachtet, alle Teile
in etwa gleich an der Bildung bzw. Reduzierung von Sauerstoffionen
zur Konstanthaltung des Sauerstoffanteils im Gas in der Messkammer
beteiligt sind.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf
Bezug nehmenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 bis 3 schematische
Darstellungen eines Sensorelementaufbaus in unterschiedlichen Schnittdarstellungen.
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Im
Einzelnen zeigt die 1 eine schematische Darstellung
eines Längsschnittes
durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement.
Das Sensorelement 1 weist eine längliche Form auf, und ist vorzugsweise
auf der Basis eines yttriumstabilisierten Zirkondioxides aufgebaut,
welches neben der Funktion eines Festkörperelektrolyten 3 gleichzeitig
auch die Funktion eines Trägerelementes 2 aufweist.
Der Festkörperelektrolyt 3 bildet
zusammen mit einer Pumpelektrode 4 und einer Gegenpumpelektrode 5 eine
für einen
Sauerstoffionentransfer geeignete Pumpzelle 6 aus.
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Die
Pumpelektrode 4 ist dazu in einer Messkammer 7 angeordnet
und zur Bereitstellung einer konstanten Sauerstoffkonzentration
in der Messkammer 7 über
den Festkörperelektrolyten 3 Sauerstoffionen
leitend mit der erfindungsgemäß in einem
Referenzgasraum 8 angeordneten Gegenpumpelektrode 5 verbunden. Die
Anordnung der Gegenpumpelektrode 5 in einem Referenzgas,
im vorliegenden Beispiel der Umgebungsluft, bewirkt eine gute Signalstetigkeit
der Sonde, insbesondere bei einem Lambda λ = 1-Durchgang des Messgasgemisches.
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Negative
Auswirkungen auf das Messsignal, wie sie bei bisher bekannten Anordnungen
als Nichtmonotonie des Sauerstoffsignals beim Durchgang der Abgaszusammensetzung
durch λ =
1 beobachtet werden, die auf die Anordnung der Gegenpumpelektrode
im Messgas zurückgeführt wird,
können
mit diesem Sensorelementaufbau ausgeschaltet werden.
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Ein
weiterer Vorteil des vorliegenden Sensorelementes liegt, bei geeigneter
Dimensionierung des Referenzgasraums 8, in einem deutlich
breiteren Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Sensorelementes. Beispielsweise
kann bei einer Anordnung eines solchen Sensorelementes in einem
Abgasstrang die Gegenpumpelektrode auch bei sehr fettem Abgas aus
O2 gemäß O2 + 2e– → 2O2– genügend O2– zur
Pumpelektrode liefern, um ein zuverlässiges Signal zu gewährleisten.
Dafür ist
allerdings die richtige Dimensionierung des Referenzluftkanals wichtig.
D.h. der Grenzstrom an der Gegenpumpelektrode muss ausreichend groß sein,
um den Transport der O2– zur Pumpelektrode sicherzustellen.
Je fetter das zu messende Gasgemisch ist, desto größer muss
der Grenzstrom für
den Referenzluftkanal gewählt
werden, weil mehr O2 nachgeliefert werden
muss.
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Läge die Gegenpumpelektrode
dagegen im Abgas, so könnte
im Fettabgas O2– lediglich aus CO2 (CO2 + 2e– → CO + O2–)
oder H2O (H2O +
2e– → H2 + O2–) gewonnen werden. Für diese
Reaktionen wäre
eine deutlich höhere
Pumpspannung nötig.
Könnte
nach einer solchen Reaktionen nicht mehr genügend O2– gebildet
werden (die Gefahr bestünde
vor allem bei sehr fetten Gemischen, weil dann viel O2– benötigt wird),
so käme
es zu einer Zersetzung der ZrO2-Keramik
(ZrO2 + 4e– → Zr + 2O2–)
und damit zu einer Schädigung
des Sensorelements (Braunfärbung).
Eine solche Schädigung
des Sensorelementes kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau jedoch verhindert
werden.
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Das
Sensorelement 1 nach 1 weist
im Weiteren eine Referenzelektrode 11 und eine Messelektrode 12 auf, über die
zusammen mit einer entsprechenden Schaltung die Sauerstoffkonzentration
in der Messkammer 7 ermittelt werden kann. Abhängig von
dem so ermittelten Sauerstoffkonzentrationswert können dann die
Gegenpumpelektrode 5 und die Pumpelektrode 4 mit
einer Pumpspannung beaufschlagt werden, der einen die Konzentrationsabweichung
in der Messkammer ausgleichenden Sauerstoffionenstrom durch den
Festkörperelektrolyten
verursacht.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind die Pumpelektrode 4 und die Messelektrode 12 gemeinsam ausgebildet.
Die Gegenpumpelektrode 5 und die Referenzelektrode 11 sind
hier vorliegend getrennt ausgebildet, sie können in abgewandelten Ausführungsformen
z.B. aus Ersparnisgründen
aber ebenfalls gemeinsam ausgebildet sein. Alternativ kann die Referenzelektrode
abweichend von 1 in einem weiteren Referenzgasraum
betrieben werden. Dann besteht die Möglichkeit die Referenzelektrode
auch als gepumpte Referenzelektrode zu betreiben. Um das Sensorelement,
insbesondere jedoch die Gegenpumpelektrode 5 möglichst rasch
auf Betriebstemperatur bringen zu können, ist unterhalb des Referenzgasraumes 8 ein
Heizelement 13 im Sensorelement 1 angeordnet.
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Um
die Auswirkungen der insbesondere in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren
auftretenden starken Strömungsschwankungen
auf die Messsignale des Sensorelementes reduzieren zu können, weist
das Sensorelement 1, entsprechend der 1,
weiterhin eine Diffusionsbarriere 14 auf. Diese ist so
ausgebildet, dass sie über
ihren wirksamen Querschnitt betrachtet einen im Wesentlichen gleich
großen
Diffusionswiderstand vor der ihr zugewandten Oberfläche der
Pumpelektrode 4 ausbildet. Symbolisch ist in der 1 das Messgasgemisch
durch den Pfeil 15 dargestellt. Um eine noch raschere gleichmäßige Verteilung
der Gaskonzentration in der Messkammer 7 zu bewirken, ist
in dieser Ausführungsform
zwischen der Diffusionsbarriere 14 und der Pumpelektrode 4 noch
ein Gasraum 16 ausgebildet.
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Den
weiteren Aufbau dieses Sensorelementes zeigt die 2 in
einer Querschnittsdarstellung II-II entsprechend der 1.
Die 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch das
Sensorelement 1 entsprechend der Linie III-III in der 2.
In dieser beispielhaften Ausführungsform
ist der Referenzluftkanal 8 so gestaltet, dass er einen
breiten Zuleitungsbereich 17 aufweist, an den sich eine
Verjüngung 18 im
Messzellenbereich 19 anschließt, um eine möglichst
gute Wärmeleitung
des Heizelementes zur Messzelle sicherzustellen.
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Um
eine ausreichende Zufuhr an Sauerstoff an die Gegenpumpelektrode
der Messzelle des Sensorelementes 1 gewährleisten zu können, wird
z.B. folgendes Verhältnis
vorgeschlagen: b > r > s
und t ≥ s
sowie s ≤ b/4.
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Zur
Abschätzung
des nötigen
Grenzstroms des Referenzluftkanals an der Luft kann folgende Abschätzung dienen:
Der Referenzluftkanal muss so dimensioniert werden, dass IRK (Luft) ≥ |IP (Fettabgas)| gilt.
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IRK (Luft): Grenzstrom für kathodisch betriebene Gegenpumpelektrode
an Luft |IP Fettabgas|: Betrag des Pumpstroms
an der Pumpelektrode bei Fettabgas. Je kleiner λ, desto größer |IP Fettabgas|. Irel = |IP (Fettabgas)|/IP (Luft)IP(Luft):
Grenzstrom für
kathodisch betriebene Pumpelektrode an Luft
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Damit
gilt IRK (Luft) ≥ Irel·IP (Luft)
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In
folgender Tabelle ist Irel bis λ = 0,4 bestimmt
(Annahme: C:H-Verhältnis
im Kraftstoff 1:2; es handelt sich um ideales Fettabgas, d.h. das
Fettabgas besteht nur aus einem CO, H2,
CO2, H2O und N2).
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Irel wurde für zwei verschiedene Fettabgase
ausgerechnet: KP (Gleichgewichtskonstante
für Wassergleichgewicht)
= 3,5 entspricht einem typischen Motorabgas und KP =
2, entspricht einem H2-reichen Fettabgas.
