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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
in einem Messgas, insbesondere Lambdasonde für die Gemischregelung bei Kraftfahrzeugen,
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einem solchen Gassensor weist das Sensorelement einen Keramikkörper aus
einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten auf, auf dessen
Oberfläche
innerhalb des dem Messgas aussetzbaren Messgas-Elementabschnitts
des Sensorelements eine mit einer porösen Schutzschicht bedeckte
Messelektrode angeordnet ist. Die Schutzschicht dient neben dem
mechanischen Schutz der Messelektrode auch einer erhöhten sog.
Vergiftungsresistenz. Zwischen der Messelektrode und einer Referenzelektrode,
die getrennt von der Messelektrode einem Referenzgas mit definiertem
Sauerstoffgehalt, z.B. der Umgebungsluft, ausgesetzt ist, wird fortlaufend
das elektrische Potential, also die elektrische Spannung zwischen
Mess- und Referenzelektrode, gemessen. Dabei äußert sich der Übergang
von einem „fetten" Messgas, in dem
ein hoher Anteil von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen
enthalten ist, zu einem „mageren" Messgas, in dem
ein hoher Anteil von Sauerstoff und Stickoxiden vorhanden ist, in
einem Potenzialsprung bzw. in einem Sprung der Spannung zwischen
Referenz- und Messelektrode, dem sog. Lambdasprung. Die Sprungcharakteristik
bei λ=1
einer solchen sog. Sprung- oder λ=1-Sonde
eignet sich für
eine Zweipunkt-Regelung zur Gemischaufbereitung im Kraftstoffansaugtrakt
von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.
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Verschiedene
Ursachen fuhren zu einer Verschiebung des Lambdasprungs gegenüber der Stöchometrie
des Mess- bzw. Abgases. Zum einen findet durch das an der Messelektrode
katalytisch ins Gleichgewicht gesetzte Messgas ein ständiger Abtransport
des Fett- und Magergases gekoppelt mit einem ständigen Abtransport der Reaktionsprodukte Kohlendioxid und
Wasser statt. Fettgas und Magergas haben eine unterschiedliche Transportgeschwindigkeit
in der Schutzschicht. Beispielsweise diffundiert Wasserstoff in
der Schutzschicht schneller als Magergas. Deshalb sind größere Menge
Magergas, als es der Stöchometrie
entsprechen würde
notwendig, um Wasserstoff komplett umzusetzen. Der Lambdasprung
wird dadurch in den Magerbereich (λ>1) verschoben. Viele Kohlenwasserstoffe,
wie z.B. Propan, diffundieren langsamer als Magergas. Die Kennlinie
verschiebt sich in den Fettbereich (λ<1). Zum anderen kommt es an der Messelektrode
zu einer unvollständigen
Reaktion, wodurch die Messelektrode nicht in der Lage ist, das stöchometrische Gleichgewicht
einzustellen. Als Folge davon verschiebt sich der Lambdasprung.
Bei den Magergasen treten derartige Verschiebungen auf, wenn die Messelektrode
und die Schutzschicht nicht in der Lage sind, die Reaktionen des
Fettgases mit den Stickoxiden zu katalysieren. Die Stickoxide wirken dann
wie ein Inertgas, und es wird mehr Sauerstoff benötigt, um
die Fettgase umzusetzen. Der Lambdasprung wird dadurch in den Magerbereich
(λ>1) verschoben. Umgekehrt
benötigen
Kohlewasserstoffe, die nicht komplett umgesetzt werden, weniger
Magergase. In der Konsequenz verschiebt sich die Kennlinie in den
Fettbereich (λ<1). Diese Effekte
der Verschiebung des Lambdasprungs treten aber nur dann auf, wenn
das Gasgemisch nicht im Gleichgewicht ist. Dies ist immer der Fall,
wenn der Gassensor als Lambdasonde im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors
stromaufwärts
eines Katalysators betrieben wird. Stromabwärts des Katalysators betriebene
Lambdasonden erhalten eine Gleichgewichtsgasmischung und zeigen
deshalb einen sehr präzisen
Lambdasprung bei λ=1.
Bei diesen Lambdasonden, die stromabwärts des Katalysators eingesetzt werden,
ist es wünschenswert,
die Sprunglage in den leichten Fettbereich zu verschieben, um die
Abgaswerte zu verbessern, d.h. die Stickoxidemission zu reduzieren.
Dabei spielt die Sauerstoffspeicherfähigkeit von Dreiwege-Katalysatoren
eine wesentliche Rolle, denn im mageren Bereich wird überschüssiger Sauerstoff
im Katalysator gespeichert, der in einer darauffolgenden fetten
Phase wieder abgegeben wird. Ist der Katalysator mit Sauerstoff
beladen, so entstehen die genannten unerwünschten, höheren Stickoxidemissionen.
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Um
diesen Mangel durch Verschieben des Lambdasprungs in den leichten
Fettbereich (λ<1) zu beheben, ist
bereits vorgeschlagen worden (
DE
10 2006 01 4697.2 ), durch eine Schaltungsanordnung zwischen
Referenz- und Messelektrode einen Sauerstoffstrom zu erzeugen, der
hin zur Messelektrode führt,
und die Größe dieses
Sauerstoffstroms an den durch die poröse Schutzschicht hindurch diffundierenden
Messgasstrom anzupassen. Durch diese „zusätzliche Sauerstoffquelle" wird ermöglicht,
dass eine Lambdasonde, die stromabwärts eines im Abgasstrom eines
Verbrennungsmotors vorhandenen Katalysators angeordnet ist, einen
Lambdasprung aufweist, der leicht im Fettbereich (λ<1) liegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch Vorsehen
der gezielten Undichtigkeit zwischen der das Sensorgehäuse umgebenden
Atmosphäre, der
auch die Referenzelektrode des Sensorelements ausgesetzt ist, und
dem der Messgasseite der Dichtung vorgelagerten Bereich im Sensorgehäuse, der wie
der Messgas-Elementabschnitt
des Sensorelements mit darauf angeordneter Messelektrode dem Messgas
ausgesetzt ist, mit geringem technischen Aufwand eine zusätzliche
Sauerstoffquelle bereitgestellt ist, die die erwünschte, leichte Verschiebung des
Lambdasprungs, d.h. des Potentialsprungs zwischen Referenz- und
Messelektrode, in den Fettbereich (λ<1) auch bei Abwesenheit von Magergas
bewirkt. Durch die Zuführung
der Umgebungsluft auf die Messgasseite der Dichtung bleibt die gasdichte
Abdichtung zwischen Referenzelektrode resp. Referenzgas und Messelektrode
resp. Messgas erhalten.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung weist die Undichtigkeitsstelle mindestens einen im Sensorgehäuse verlaufenden
Kanal mit einer in der Gehäuseinnenwand
ausgebildeten Kanalmündung
auf. Solche querschnittskleine, sehr feine Kanäle lassen sich problemlos in
das Sensorgehäuse
einbringen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist die Dichtung zwischen Sensorelement und Gehäuseinnenwand
axial zwischen zwei Keramikformteilen eingespannt, und die Kanalmündung auf
der Messgasseite der Dichtung liegt im Bereich des messgasseitigen
Keramikformteils. Dieser Bereich ist durch die Keramik gegenüber dem
Messgas im Messgasraum grob abgedichtet, so dass die mit dem Messgas
ausgetauschte Luftmenge gering ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung kann für
eine gezielte Vergrößerung der
zugeführten
Luftmenge zusätzlich
im Bereich der Kanalmündung
ein definierter, feiner Spalt vorgesehen werden, der sich bis zum
messgasseitigen Frontteilende erstreckt. Anstelle des feinen Spaltes
an der Gehäuseinnenwand
kann auch eine definierte Porosität des messgasseitigen Keramikformteils
für die Diffusion
der Umgebungsluft von der Kanalmündung zum
Messgasraum vorgesehen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung
ausschnittweise einen Längsschnitt eines
Gassensors.
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Der
in der Zeichnung im Längsschnitt
dargestellte Gassensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
in einem Mischgas wird vorzugsweise als Lambdasonde zur Gemischregelung
bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der Gassensor
bzw. die Lambdasonde weist ein metallisches Sensorgehäuse 11,
an dem ein Gewinde 12 als Befestigungsmittel für den Einbau
in ein nicht dargestelltes Messgas- oder Abgasrohr und ein Sechskant 13 für die Montage
am Messgasrohr ausgebildet sind. In dem hohlen Inneren des Sensorgehäuses 11 ist
ein Sensorelement 14 aufgenommen, das an beiden Stirnenden
des Sensorgehäuses 11 aus
dem Sensorgehäuse 11 herausragt.
Ein am unteren Ende des Sensorgehäuses 11 vorstehender
Messgas-Elementabschnitt 141 ist dem Mess- oder Abgas aussetzbar
und ein am oberen Ende des Sensorelements 14 herausragender
Anschluss-Elementabschnitt 142 trägt auf voneinander
abgekehrten Großflächen des
im Querschnitt rechteckförmigen
Sensorelements 14 Kontaktflächen 15. Die Kontaktflächen 15 dienen
dem Anschließen
des Sensorelements 14 an eine außerhalb des Gassensors liegende
Auswerteelektronik. Ein zwischen den beiden Elementabschnitt 141, 142 im
Gehäuse 11 liegender
mittlerer Gehäuse-Elementabschnitt 143 des
Sensorelements 14 ist in einem Teilbereich von einer Dichtung 16 umschlossen,
die zwischen zwei Keramikformteilen 17, 18 axial
eingespannt ist und dadurch sich einerseits an den Gehäuse-Elementabschnitt 142 des
Sensorelements 14 und andererseits an die Innenwand des Sensorgehäuses 11 jeweils
gasdicht anpresst. Die Dichtung 16 ist beispielsweise aus
drei aufeinanderliegenden Dichtelementen 161, 162, 163 zusammengesetzt,
wobei z.B. das sich unmittelbar an das untere Keramikformteil 17 anschließende erste
Dichtelement 161 aus Steatit, das mittlere, zweite Dichtelement 162 aus
hexagonalem Bornitrid und das an dem oberen Keramikformteil 18 anliegende
dritte Dichtelement 163 ebenfalls aus Steatit besteht.
Das untere Keramikformteil 17 liegt auf einer an der Gehäuseinnenwand
ausgebildeten Ringschulter 19 auf. Auf das obige Keramikformteil 18 ist
eine Metallhülse 20 aufgesetzt,
die am Sensorgehäuse 11 verstemmt
ist und auf das Keramikformteil 18 eine axial gerichtete
Vorspannkraft ausübt,
so dass die Dichtung 16 zwischen den beiden Keramikformteilen 17, 18 eingepresst
ist.
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Der
aus dem Gehäuse
11 vorstehende Messgas-Elementabschnitt
141 des
Sensorelements
14 ist von einem Schutzrohr
21 umgeben,
das am Sensorgehäuse
11 festgelegt
ist. Das Schutzrohr
21 weist Ein- und Austrittsöffnungen
22 für das Messgas bzw.
Abgas auf und definiert einen dem Messgas-Elementabschnitt
141 umgebenden
Messraum
27. Auf der Oberfläche des Messgas-Elementabschnitts
141 ist
eine von einer porösen
Schutzschicht überdeckte
Messelektrode
23, auch Nernstelektrode genannt, angeordnet,
die über
Leiterbahnen mit den Kontaktflächen
15 auf
dem Anschluss-Elementabschnitt
142 verbunden ist. Ebenfalls
mit den Kontaktflächen
15 ist
eine im Sensorelement
14 integrierte, hier nicht dargestellte
Referenzelektrode verbunden, die von der Messelektrode
23 durch
einen Festelektrolyten getrennt ist und einem Referenzgas, z.B.
der Umgebungsluft, ausgesetzt ist. Ein möglicher Aufbau des Sensorelements
14 ist
in der
DE 198 34 276
A1 skizziert und beschrieben.
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Um
im Falle des Einsatzes des Gassensors als Sprungsonde mit einem
Lambdasprung bei λ=1 die
Lambdasonde vorzugsweise hinter dem Katalysator im Abgasstrang eines
Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs betreiben und hierbei den
Lambdasprung auch bei Abwesenheit von Magergasen leicht in den Fettbereich
(λ<1) verschieben zu
können,
ist im Sensorgehäuse 11 eine
definierte Undichtigkeitsstelle zwischen der das Sensorgehäuse 11 umgebenden
Atmosphäre
und dem der Messgasseite der Dichtung 16 vorgelagerten
Innenbereich des Sensorgehäuses 11 hergestellt.
Diese Undichtigkeitsstelle ist dadurch realisiert, dass in das Sensorgehäuse 11 mehrere
querschnittskleine Kanäle 24 mit
einer in der Gehäuseinnenwand
liegenden Kanalmündung 25 und
einer in der Gehäuseaußenwand liegenden
Kanalmündung 26 eingebracht
sind. Im Ausführungsbeispiel
sind die Kanäle 24 von
der vom Schutzrohr 21 abgekehrten Oberseite des Sechskants 13 her
eingebracht und verlaufen schräg
im Sensorgehäuse 11.
Die Kanalmündungen 25 liegen im
Bereich des unteren Keramikformteils 17 und sind durch
dieses überdeckt,
so dass die über
die Kanalmündungen 25 gegenüber dem
Mess- oder Abgas ausgetauschte Luftmenge gering ist. Zusätzlich können zwischen
dem Keramikformteil 17 und der Gehäuseinnenwand engtolerierte
Spalte vorgesehen werden, die im Bereich der Kanalmündungen 25 verlaufen
und bis an das messgasseitige Stirnenden des Keramikformteils 17 reichen.
Anstelle der querschnittskleinen Spalte kann auch eine definierte
Porosität
des Keramikformteils 17 vorgesehen werden, so dass die über die
Kanäle 24 in
das Keramikformteil 17 gelangende Umgebungsluft durch das
Keramikformteil 17 hindurchdiffundieren kann.