DE102007061947A1 - Schneller Breitband-Abgassensor - Google Patents

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DE102007061947A1
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Stefan Engelke
Ulrich Sauter
Thomas Classen
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Dabei wird ein Sensorelement (114) verwendet, das mindestens eine Pumpzelle (118) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (126) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) umfasst. Die Pumpzelle (118) wird zunächst mit mindestens einer ersten Pumpspannung und dann mit mindestens einer zweiten Pumpspannung beaufschlagt. Mindestens eine Elektrode (120, 126) aus der ersten Elektrode (120) und/oder der zweiten Elektrode (126) ist mehrteilig ausgebildet und umfasst mindestens zwei Teilelektroden (162, 164, 166, 168). Für die Beaufschlagung mit der ersten Pumpspannung wird mindestens eine erste Teilelektrode (162, 166) verwendet und für die Beaufschlagung mit der zweiten Pumpspannung mindestens eine von der ersten Teilelektrode (162, 166) verschiedene zweite Teilelektrode (164, 168).

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde" bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie, spielen.
  • Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.
  • Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde", deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttriumstabilisiertes ZrO2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ = 1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 A1 , DE 199 38 416 A1 und DE 10 2005 027 225 A1 beschrieben.
  • Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen. Derartige Breitbandsonden sind beispielsweise in DE 38 09 154 C1 und in DE 199 38 416 A1 beschrieben.
  • In vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 B1 beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.
  • Zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas werden die mehrzelligen Sensorelemente als amperometrische Gassensoren eingesetzt, wobei typischerweise Gassensoren mit drei Elektroden verwendet werden. Zwischen einer meist unter einer Schutzschicht liegenden äußeren Pumpelektrode (APE) und einer hinter einer Diffusionsbarriere angeordneten inneren Pumpelektrode (IPE) wird eine Pumpspannung angelegt. Durch Messung der Nernstspannung, die sich zwischen IPE und einer in einer Referenzluft angeordneten Referenzelektrode (RE) einstellt, wird mindestens das Vorzeichen der Pumpspannung, besser noch das Vorzeichen und der Betrag der Pumpspannung, zwischen APE und IPE dynamisch eingestellt. So werden bei magerem Abgas Sauerstoffionen von der IPE zur APE gepumpt (positive Pumpspannung). Da die nachströmende Sauerstoffmenge durch die Diffusionsbarriere begrenzt wird, ist der gemessene IPE-APE-Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffmenge im Abgas. Im fetten Abgas hingegen werden Wasser oder Kohlendioxid an der APE zerlegt und Sauerstoffionen von dort zur IPE gepumpt (negative Pumpspannung). Dort reagieren der eingepumpte Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid ab, die in ihrem Nachstrom wiederum durch die Diffusionsbarriere begrenzt sind. Durch die Messung der Spannung zwischen IPE und RE wird sichergestellt, dass nicht zu viel Sauerstoff eingepumpt wird, sondern gerade nur so viel, dass sich an der IPE der Zustand λ = 1 ergibt (d. h. ein Zustand, in welchem Fettgase gerade abgesättigt sind). Dadurch ist der Pumpstrom auch im fetten Luftzahlbereich ein Maß für das Sauerstoffdefizit im Abgas. Beispiele derartiger Sensorelemente sind in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, S. 116–117 beschrieben.
  • Nachteilig an den mehrzelligen Aufbauten der Sensorelemente, wie beispielsweise dem zuvor beschriebenen Doppelzellen-Aufbau, ist jedoch die Komplexität derartiger Sensorelemente. Insbesondere die Anzahl der Elektroden und/oder die Anzahl der Zuleitungen zu diesem Elektroden stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar, welcher nach Möglichkeit reduziert werden sollte. Insofern wäre es vorteilhaft, auf Einzeller-Anordnungen zurückgreifen zu können. Derartige Einzeller-Anordnungen mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden weisen jedoch in der Praxis insbesondere das Problem auf, dass kein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Gasgemischzusammensetzung besteht. So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) gemessen. Im fetten Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom verzeichnet, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel ca. 400 bis 700 mV, beispielsweise 500 mV) deutlich unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser positive Pumpstrom im fetten Bereich ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch enthaltenen molekularen Wasserstoff oder andere Brenngase zurückzuführen, welcher das elektrochemische Potenzial der Anode beeinflusst, da nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff Wasser gebildet werden kann. Die bei der H2O-Bildung an der Anode freiwerdende Energie kompensiert somit die zur H2O-Zersetzung an der Kathode benötigte Energie, weshalb die Pumpspannung in der Regel unter 1,23 V liegt. Ähnliche Effekte spielen auch für andere im Gasgemisch vorhandene, Sauerstoffliefernde Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO2/CO.
  • Wünschenswert wäre daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Sensorelements, welche mit möglichst wenig Elektroden und/oder Zuleitungen auskommen und welche es dennoch ermöglichen, den Sauerstoffgehalt über einen möglichst breiten Luftzahlbereich zu messen. DE 10 2005 054 144 A1 beschreibt daher einen Gassensor mit einer Außenelektrode und einer Innenelektrode, welche jeweils durch Diffusionsbarrieren von einem Messraum getrennt sind. Dabei weisen die beiden Diffusionsbarrieren unterschiedliche Diffusionskoeffizienten auf. Es wird eine Schaltung vorgesehen, welche durch Umpolen der Pumpspannung und einen Vergleich der Pumpströme vor und nach dem Umpolen eingerichtet ist, um fette Luftzahlbereiche von mageren Luftzahlbereichen zu unterscheiden. Problematisch an der in DE 10 2005 054 144 A1 vorgeschlagenen Anordnung und dem vorgeschlagenen Messverfahren ist jedoch, dass das Umschalten der Pumpspannungen schnell durchgeführt werden muss, was aufgrund der Kapazitäten der Anordnung nicht beliebig schnell erfolgen kann. Es muss jedoch für den praktischen Einsatz eine Sensorgeschwindigkeit erreicht werden, die den Sensor zur Lambda-Regelung in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Pkws, qualifiziert. Dazu müssen Lambda-Variationen mit einem Takt von wenigen Hertz zuverlässig erkannt werden, so dass eine Zeitauflösung von mindestens 100 bis 200 ms erforderlich ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden daher ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum sowie einer Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere können das beschriebene Verfahren und die Sensoranordnung zur Bestimmung einer Konzentration, insbesondere eines Partialdrucks, einer Gaskomponente eingesetzt werden, wobei jedoch auch andere physikalische Eigenschaften des Gases messbar sein können. Insbesondere können das Verfahren und die Sensoranordnung zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, insbesondere unter Verwendung einer Lambdasonde, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik.
  • Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensoranordnung sind insbesondere für schnelle, transiente Messungen geeignet, also Messungen, bei denen anstelle einer kontinuierlichen Strom- und/oder Spannungsmessung nacheinander mehrere Operationen ausgeführt werden. Diese Operationen können Messvorgänge sein, zum Beispiel die Messung eines Pumpstroms bei festgehaltener Pumpspannung, die Messung eines Spannungsverlaufs zwischen Elektroden im stromlosen Betrieb oder ähnliches. Zu einer derartigen transienten Messung können aber auch Pumpvorgänge gehören, bei denen zum Beispiel eine definierte Sauerstoffmenge von einer Elektrode zur nächsten gepumpt wird oder ein gezielter Wechsel in der Pumpspannung, verbunden mit der Umladung von Elektroden. Beispielsweise können ein bis zwei Pumpvorgänge mit ein bis zwei Messvorgängen zu einem Zyklus kombiniert werden, um aus einer geschickten Verrechnung der erhaltenen Einzelmesswerte einen eindeutigen und möglichst genauen Wert für Lambda zu ermitteln. Ein Beispiel einer derartigen transienten Messung ist das oben beschriebene Messverfahren der DE 10 2005 054 144 A1 . Viele andere Ausführungsformen derartiger transienter Messverfahren sind denkbar.
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass die oben beschriebenen transienten Messverfahren durch die Umladung von mit Elektroden verbundenen Kapazitäten, insbesondere Doppelschichtkapazitäten, Hohlraumgaskapazitäten oder ähnlichen Kapazitäten, limitiert sind. Idealerweise kann ein Umladen von Elektroden bzw. Kapazitäten in der Größenordnung einer Zeitdauer von T = RC liegen, wobei R ein Zuleitungs- und Elektrolyt-Widerstand ist und wobei C die Elektrodenkapazität ist. Insofern besteht eine physikalische Limitierung der Frequenz der transienten Messverfahren, welche auf Bauteilseite nur durch aufwändige Umgestaltungen der Sensorelemente erhöht werden kann, beispielsweise durch Verringerung der Widerstände und Kapazitäten. Um derartige aufwändige Umgestaltungen vorzugsweise vollständig zu vermeiden, kommen die vorgeschlagene Sensoranordnung und das vorgeschlagene Verfahren vorzugsweise ganz ohne ein Umpolen der Elektroden oder fast ganz ohne eine Umladung dieser Elektroden aus, so dass eine derartige Begrenzung überwunden werden kann. Ein Grundgedanke für diese Vermeidung einer Umladung besteht darin, bei einer Beaufschlagung einer Pumpzelle mit unterschiedlichen Pumpspannungen, insbesondere mit Pumpspannungen umgekehrter Polarität, verschiedene Teilelektroden zu verwenden, so dass eine Umladung der Doppelschichtkapazität auf den jeweils anderen Teilelektroden vermieden werden kann. Jede Teilelektrode wird dann vorzugsweise immer mit der gleichen Polarität betrieben. Auf diese Weise ist ein schnelles Umpolen der Elektroden möglich. Das beschriebene Verfahren und die Sensoranordnung weisen daher erheblich höhere mögliche Frequenzen für transiente Verfahren auf. Insbesondere bei einem Gaswechsel über λ = 1 hinweg müssen die einzelnen Teilelektroden vorzugsweise ihre Polarität nicht ändern. Sensorsignale nehmen daher erheblich schneller ihre neuen Zielwerte an.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Aufbau der Sensorelemente stark vereinfacht werden kann. Trotz Verwendung mehrerer Teilelektroden werden Aufbauten vorge schlagen, welche lediglich mit wenigen Anschlusskontakten auskommen und mittels derer dennoch das vorgeschlagene Verfahren umsetzbar ist. Auf diese Weise lassen sich Herstellverfahren vereinfachen, Kosten senken und Bauteilausfälle vermeiden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensoranordnung verwenden mindestens ein Sensorelement mit mindestens einer Pumpzelle. Diese Pumpzelle verfügt über mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Beispielsweise kann es sich wiederum um einen Zirkondioxid-Festelektrolyten handeln, welcher insbesondere für den Transport von Sauerstoffionen geeignet ist. Mindestens eine der beiden Elektroden sollte mittelbar oder unmittelbar mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Diese Beaufschlagung kann beispielsweise über eine einfache gasdurchlässige Schutzschicht (beispielsweise eine poröse Keramikschutzschicht), über einen Verbindungskanal, ohne Zwischenschaltung jeglicher Zwischenschichten, unter Zwischenschaltung einer Pumpzelle, unter Zwischenschaltung einer Diffusionsbarriere oder auf ähnliche Weise geschehen, die einen Zugang von Gas aus dem Messgasraum zu dieser Elektrode ermöglicht. Verschiedene Aufbauten werden nachfolgend beschrieben.
  • Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird, in Umsetzung des oben beschriebenen Gedankens, die Pumpzelle zunächst mit mindestens einer ersten Pumpspannung und dann mit mindestens einer zweiten Pumpspannung beaufschlagt. Beispielsweise kann dies durch einzelne Spannungsbeaufschlagungen erfolgen und/oder im Rahmen beispielsweise einer Beaufschlagung mit einer Wechselspannung. Insbesondere können die beiden Pumpspannungen unterschiedliche Polaritäten aufweisen.
  • Dabei wird das erfindungsgemäße Verfahren derart durchgeführt, dass mindestens eine Elektrode aus der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mehrteilig ausgebildet ist und mindestens zwei Teilelektroden aufweist, wobei für die Beaufschlagung mit der ersten Pumpspannung mindestens eine erste Teilelektrode verwendet wird und wobei für die Beaufschlagung mit der mindestens einen zweiten Pumpspannung mindestens eine von der ersten Teilelektrode verschiedene zweite Teilelektrode verwendet wird. Die Sensoranordnung weist neben einem Sensorelement gemäß der obigen Beschreibung weiterhin eine elektrische Schaltung auf, welche zur Umsetzung des beschriebenen Verfahrens geeignet ist, welche also dafür sorgt, dass für die unterschiedlichen Pumpspannungen unterschiedliche Teilelektroden verwendet werden. Die elektrische Schaltung kann beispielsweise ganz oder teilweise in dem Sensorelement integriert sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise extern (beispielsweise in einer Sensorsteuerung) untergebracht sein. Insbesondere kann die elektrische Schaltung bzw. die Sensoranordnung derart ausgestaltet sein, dass diese zur Umsetzung eines oder mehrerer der im folgenden beschriebenen Verfahren eingerichtet ist bzw. sind. Zu diesem Zweck können geeignete elektronische Komponenten vorgesehen sein, beispielsweise passive und/oder aktive elektronischen Komponenten und/oder Datenverarbeitungseinrichtungen, Spannungs- und/oder Stromquellen, Spannungs- und/oder Strommessvorrichtungen oder Kombinationen der genannten Elemente und/oder anderer Elemente.
  • Grundsätzlich kann das Verfahren ein beliebiges transientes Messverfahren, mittels dessen auf die mindestens physikalische Eigenschaft des Gases geschlossen werden kann, umfassen. Als Beispiel kann wiederum das in DE 10 2005 054 144 A1 beschriebene Messverfahren genannt werden, bei welchem zunächst bei einer ersten Polarität der Pumpspannung (erste Pumpspannung) ein Pumpstrom gemessen wird, anschließend umgepolt wird (zweite Pumpspannung) und wiederum der Strom gemessen wird. Da die Pumpzelle üblicherweise eine Asymmetrie in den Pumprichtungen aufweist, kann aus einem Vergleich der Pumpströme darauf geschlossen werden, ob beispielsweise ein fetter oder magerer Luftzahlbereich vorliegt. Dieser Vergleich kann auch beispielsweise auch dadurch herbeigeführt werden, dass der gemessene Pumpstrom bei positiver Pumpspannung und der gemessene Pumpstrom bei negativer Pumpspannung auf geeignete Weise kombiniert werden zu einer eindeutigen Messgröße, also einer Messgröße, aus welcher unmittelbar auf die physikalische Eigenschaft des Gases geschlossen werden kann, beispielsweise die Sauerstoffkonzentration. Beispielsweise können die beiden Pumpstromwerte einfach addiert werden, oder es kann jeweils der kleinere dieser beiden Pumpstromwerte (Minimum) und/oder der größere dieser beiden Pumpstromwerte (Maximum) verwendet werden. Grundsätzlich ist auch eine beliebige Linearkombination des größeren und des kleineren Wertes der gemessenen Pumpströme möglich.
  • Um die Kennlinien bei fettem und magerem Betrieb weiter unterscheiden zu können, kann die beschriebene Asymmetrie der Pumpströme künstlich verstärkt bzw. eingestellt werden. So kann insbesondere die Sensoranordnung derart gewählt werden, dass die erste Elektrode über eine erste Verbindung und die zweite Elektrode über eine zweite Verbindung mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Diese erste bzw. zweite Verbindung können jeweils eine Diffusionsbarriere (erste bzw. zweite Diffusionsbarriere) umfassen. Die Verbindungen können dabei derart eingerichtet sein, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode unterschiedliche Grenzströme aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine Asymmetrie in den Verbindungen, in der Elektrodengeometrie oder auf ähnliche Weise erfolgen. Der Grenzstrom einer Elektrode ist dabei definiert als der Sättigungs-Pumpstrom, das heißt der maximale Pumpstrom, welcher bei Steigerung der Pumpspannung zwischen den mindestens zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom kann beispielsweise für Sauerstoff und Sauerstoffionentransport durch den Festelektrolyten definiert werden als derjenige Strom, welcher erreicht wird, wenn alle Sauerstoffmoleküle, welche die als Kathode betriebene Elektrode erreichen, vollständig durch den Festelektrolyten zur Anode transportiert werden. Üblicherweise wird das Sensorelement mit diesem Grenzstrom betrieben, das heißt mit einer ausreichenden Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport" ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration. Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als Anode betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch Umpolen bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode betrieben wird.
  • Die Einstellung der unterschiedlichen Grenzströme beider Elektroden bzw. der beiden Verbindungen der Elektroden, in Kombination mit den jeweiligen Elektroden, kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass in einer oder in beiden Verbindungen Diffusionsbarrieren vorgesehen werden, mit jeweils einem ersten bzw. zweiten Diffusionswiderstand. Dabei sind die Diffusionsbarrieren vorzugsweise derart gewählt, dass sich die Diffusionswiderstände dieser beiden Diffusionsbarrieren der beiden Verbindungen um einen Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,5 und 3 (bzw. um die Kehrwerte dieser Zahlen) unterscheiden. Der Diffusionswiderstand ist dabei derjenige Widerstand, welchen eine Diffusionsbarriere einem Konzentrationsunterschied Δc zwischen beiden Seiten der Diffusionsbarriere der Länge l und des Querschnitts A entgegensetzt und welcher somit eine Diffusion (Strom IGas) behindert:
    Figure 00080001
  • Der Diffusionskoeffizient D setzt sich (invers additiv) aus den Diffusionskoeffizienten für die Gasphasendiffusion und für die Knudsen-Diffusion zusammen, welche beide unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen. Für die Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise dasselbe Diffusionsmedium (zum Beispiel ein poröses Material) für die beiden Diffusionsbarrieren eingesetzt werden, jedoch in unterschiedlichen Schichtdicken und/oder unterschiedlichen Querschnitten. Auch unterschiedliche Diffusionsmedien sind einsetzbar, um die Diffusionswiderstände anzupassen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu den oben beschriebenen Verfahren und Sensorelementen können Sensorelemente eingesetzt werden, welche mindestens einen Hohlraum umfassen. beispielsweise kann dieser Hohlraum einen gasdicht abgeschlossenen Hohlraum umfassen, also einen Hohlraum, welcher gegenüber dem Messgasraum und/oder einem Referenzraum (zum Beispiel einem Referenzkanal oder ähnlichem) derart abgedichtet ist, dass das Eindringen von Gas in den Hohlraum gegenüber Pumpprozessen vernachlässigbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlraum jedoch auch durch eine Verbindung, beispielsweise ein Gaszutrittsloch oder ähnliches, mit dem Messgasraum und/oder einem anderen Raum verbunden sein, wobei in der Verbindung eine Diffusionsbarriere aufgenommen ist.
  • Wird ein derartiger Hohlraum verwendet, insbesondere ein gasdicht abgeschlossener Hohlraum, so kann das Sensorelement derart betrieben werden, dass mittels der Pumpzelle mindestens ein Partialdruck mindestens einer Gaskomponente in dem Hohlraum auf einen Sollwert geregelt wird. Insofern kann beispielsweise auf das oben beschriebene Verfahren zum Betrieb einer Breitbandsonde verwiesen werden, welches beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seiten 116 bis 117, beschrieben ist. Auch andere, ähnliche Verfahren sind jedoch einsetzbar.
  • Die erfindungsgemäße beschriebene Idee der Verwendung unterschiedlicher Teilelektroden für unterschiedliche Polaritäten kann genutzt werden, um die Regelung des Partialdrucks in dem Hohlraum besonders schnell auszugestalten, da für unterschiedliche Polaritäten, das heißt unterschiedliche Pumprichtungen, beispielsweise unterschiedliche Teilelektroden verwendet werden können, ohne dass ein Umladen der Elektroden erforderlich ist. Insbesondere kann auch ein Pulsweitenmodulationsverfahren zur Regelung eingesetzt werden, welches technisch besonders leicht zu realisieren ist, beispielsweise unter Verwendung einer Wechselspannung mit rechteckförmigem Verlauf und Variation der positiven bzw. negativen Phasen dieser Wechselspannung. Auf diese Weise kann, wenn mindestens eine der Elektroden der Pumpzelle in dem Hohlraum angeordnet ist, der Partialdruck der zu regelnden Gaskomponente schnell und zuverlässig eingestellt werden.
  • Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Referenzhohlraum und/oder mindestens ein Referenzluftkanal vorgesehen sein, in welchem ein im Wesentlichen bekannter Partialdruck der mindestens einen zu regelnden Gaskomponente herrscht. In diesem Fall kann in dem Referenzhohlraum und/oder dem Referenzluftkanal mindestens eine Referenzelektrode angeordnet sein. Dabei kann eine Referenzspannung zwischen dieser Referenzelektrode und einer in dem Hohlraum angeordneten Messelektrode, welche auch ganz oder teilweise identisch sein kann mit einer der oben genannten Elektroden, eine Referenzspannung gemessen werden, um mittels dieser Referenzspannung den Partialdruck in dem Hohlraum zu regeln.
  • Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, der Festelektrolyt auch ganz oder teilweise als poröser Festelektrolyt ausgestaltet sein und als Diffusionsbarriere zwischen dem Messgasraum und dem Hohlraum wirken. In diesem Fall sind also die Diffusionsbarriere und der Festelektrolyt zumindest teilweise identisch.
  • Die Aufteilung mindestens einer der Elektroden in mehrere Teilelektroden erlaubt weiterhin einen besonders einfachen Aufbau der Sensoranordnung. So kann insbesondere eine erste Teilelektrode auf eine Oberseite des Sensorelements (welches insbesondere einen Schichtaufbau umfassen kann) angeordnet sein und eine zweite Teilelektrode auf einer Unterseite des Sensorelements. Weiterhin können sowohl die erste Elektrode als auch die zweite Elektrode jeweils mindestens eine erste Teilelektrode und mindestens eine zweite Teilelektrode aufweisen. In diesem Fall können insbesondere die ersten Teilelektroden und die zweiten Teilelektroden jeweils durch unterschiedliche Festelektrolyten miteinander verbunden sein.
  • Wie oben beschrieben, lässt sich das vorgeschlagene Verfahren insbesondere dadurch realisieren, dass die Sensoranordnung eine elektrische Schaltung aufweist, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Diese elektrische Schaltung lässt sich auf verschiedene Weisen realisieren, um sicherzustellen, dass für die unterschiedlichen Pumpspannungen unterschiedliche Teilelektroden verwendet werden. Insbesondere lassen sich aktive und/oder passive Komponenten verwenden, welche beispielsweise einen oder mehrere Schalter zum Umschalten zwischen den Teilelektroden umfassen können. Besonders einfach ist die Schaltung dann, wenn erfindungsgemäß eine Diodenschaltung verwendet wird bzw. wenn die elektrische Schaltung eine derartige Diodenschaltung als Bestandteil umfasst. Diese Diodenschaltung kann insbesondere eine oder mehrere Hochtemperaturdioden umfassen, insbesondere SiC-Dioden, welche besonders gut auf die hohen Betriebstemperaturen der üblichen Sensorelemente angepasst sind. Auch andere Diodenmaterialien können jedoch eingesetzt werden, beispielsweise GaN. Letzteres kann insbesondere in einem Bereich mit geringeren Temperaturbelastungen eingesetzt werden.
  • Insbesondere können die mindestens zwei Teilelektroden einer der Elektroden jeweils mit einer Teilleitung verbunden sein, wobei in den Teilleitungen Dioden mit umgekehrter Polung aufgenommen sind. Hinter den Dioden, also am den Teilelektroden entgegengesetzten Ende der Teilleitungen, können diese Teilleitungen dann zu einer oder mehreren gemeinsamen Anschlussleitungen zusammengefasst sein. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Diodenschaltungen werden nachfolgend näher beschrieben.
  • Weiterhin können auch verschiedene der Teilelektroden zusammengefasst sein, insbesondere Teilelektroden verschiedener Elektroden. So können beispielsweise mindestens eine erste Teilelektrode der ersten Elektrode und mindestens eine zweite Teilelektrode der zweiten Elektrode elektrisch verbunden sein. Auf diese Weise lassen sich weitere Umladungen vermeiden, die Geschwindigkeit der Sensoranordnung verbessern und der Aufbau der Sensorelemente weiter vereinfachen, insbesondere indem zusätzliche Zuleitungen eingespart werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Sensorelements;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Sensorelements;
  • 3 Pumpstrom-Kennlinien als Funktion eines Sauerstoffpartialdrucks bei verschiedenen Polaritäten der Pumpspannung;
  • 4 ein zu den 1 und 2 alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements;
  • 5 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 6 ein Ausführungsbeispiel eines Pumpspannungsverlaufs;
  • 7 ein zu 5 alternatives Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung;
  • 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Sensorelements;
  • 9 eine elektrische Schaltung zum Betrieb des in 8 dargestellten Sensorelements;
  • 10 ein zu 8 alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements; und
  • 11 und 12 weitere alternative Ausführungsbeispiele von Sensorelementen mit teilweise zusammengefasstem Festelektrolyten und Diffusionsbarriere.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110 dargestellt, welches für ein transientes Messverfahren genutzt werden könnte, welches jedoch prinzipiell dem Stand der Technik entspricht. Die Sensoranordnung 110 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Ansteuereinrichtung 112, welche beispielsweise eine oder mehrere elektrische Schaltungen umfassen kann und welche beispielsweise Pumpspannungen und/oder Pumpströme bereitstellen kann, Messfunktionen übernehmen kann oder ähnliche Aufgaben übernehmen kann. Die Ansteuereinrichtung 112 kann beispielsweise mindestens eine der folgenden Vorrichtungen enthalten: eine Stromquelle, eine Spannungsquelle, eine Strommessvorrichtung, insbesondere zum Messen eines Pumpstroms, eine Spannungsmessvorrichtung, insbesondere zum Messen einer Pumpspannung und/oder zum Messen einer Referenzspan nung, eine oder mehrere Regelvorrichtungen sowie weitere Funktionen, beispielsweise logische Funktionen, Speicherfunktionen oder ähnliches. Insbesondere kann die Ansteuereinrichtung 112 auch eine oder mehrere Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, beispielsweise einen oder mehrere Mikrocomputer. Die Ansteuereinrichtung 112 kann zentralisiert, das heißt einstückig und/oder in einem einzelnen Gehäuse aufgenommen, ausgestaltet sein oder auch dezentralisiert, das heißt beispielsweise in mehreren separaten Komponenten verteilt ausgestaltet werden. Der mindestens eine Mikrocomputer kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um das vorgeschlagene Verfahren in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsformen zu steuern bzw. ganz oder teilweise umzusetzen.
  • Die Sensoranordnung 110 umfasst weiterhin ein Sensorelement 114. Dieses Sensorelement 114 kann mit der Ansteuereinrichtung 112 über Ansteuerleitungen 116 verbunden sein. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein im Wesentlichen aus dem Stand der Technik bekanntes Sensorelement dargestellt. Dieses Sensorelement 114 kann jedoch durch andere Arten von Sensorelementen ausgetauscht werden, beispielsweise die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen, erfindungsgemäßen Sensorelemente. Das in 1 dargestellte Sensorelement 114 ist beispielsweise ein kommerziell erhältliches Breitband-Sensorelement, dessen Funktionsweise beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seiten 116 bis 117, beschrieben ist. Das Sensorelement 114 umfasst eine Pumpzelle 118 mit einer ersten Elektrode 120, einem Festelektrolyten 122 und einer in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildeten, in einem Elektrodenhohlraum 124 angeordneten zweiten Elektrode 126. Während die erste Elektrode 120 in diesem Fall über eine erste Verbindung 128, welche in diesem Ausführungsbeispiel eine einfache, gasdurchlässige Schutzschicht 130 umfasst, mit einem das zu messende Gasgemisch enthaltenden Messgasraum 132 in Verbindung steht, ist die zweite Elektrode 126 im Inneren des Sensorelements 114 angeordnet. Zur Beaufschlagung der zweiten Elektrode 126 mit Gas aus dem Messgasraum 132 ist eine zweite Verbindung 134 vorgesehen, welche in diesem Ausführungsbeispiel ein Gaszutrittsloch 136, den Elektrodenhohlraum 124 und eine zwischen dem Elektrodenhohlraum 124 und dem Gaszutrittsloch 136 angeordnet, der zweiten Verbindung 134 zugeordnete zweite Diffusionsbarriere 138 umfasst. Das Gaszutrittsloch 136 ist senkrecht zu dem in 1 dargestellten Schichtaufbau angeordnet und durchdringt den Festelektrolyten 122.
  • Weiterhin umfasst das als Breitbandsonde ausgestaltete Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 einen Referenzluftkanal 140 mit einer Referenzelektrode 142, sowie ein Heizelement 144. Bezüglich der Funktionen dieser Referenzelektrode 142 und des Heizelements 144 wird im Folgenden auf die Beschreibung der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente 114, insbesondere auf den oben angegebenen Stand der Technik, verwiesen. In Anlehnung an die in der Lite ratur verwendete Nomenklatur wird die erste Elektrode 120, welche in diesem Ausführungsbeispiel als äußere Elektrode ausgestaltet ist, auch als APE (äußere Potentialelektrode oder äußere Pumpelektrode) bezeichnet, die zweite Elektrode 126 als IPE (innere Potentialelektrode oder innere Pumpelektrode) und die Referenzelektrode 142 als RE.
  • In 2 ist eine mögliche alternative Ausgestaltung des Sensorelements 114 dargestellt, wobei in dieser Darstellung auf eine möglicherweise zusätzlich vorhandene Ansteuereinrichtung 112 verzichtet wurde. Während bei dem Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 die erste Elektrode 120 lediglich durch eine Schutzschicht 130 vom Messgasraum 132 getrennt ist, weist bei dem Ausführungsbeispiel in 2 auch die erste Verbindung 128, über welche die erste Elektrode 120 mit Gas aus dem Messgasraum 132 beaufschlagt werden kann, eine erste Diffusionsbarriere 146 auf. Weiterhin ist ein erster Elektrodenhohlraum 148 vorgesehen, welcher gemeinsam mit der ersten Diffusionsbarriere 146 die erste Verbindung bildet. Analog weist die zweite Elektrode 126 einen zweiten Elektrodenhohlraum 150 auf, welcher dem Elektrodenhohlraum 124 gemäß 1 entspricht und welcher, gemeinsam mit der zweiten Diffusionsbarriere 138, die zweite Verbindung 134 zwischen der zweiten Elektrode 126 und dem Messgasraum 132 bildet. Weiterhin ist wiederum auch ein Heizelement 144 vorgesehen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel des Sensorelements 114 in 2 sind die Elektrodenhohlräume 148, 150 vom Messgasraum 132 durch eine Deckschicht 152, welche auch ganz oder teilweise von dem Festelektrolyten 122 gebildet werden kann, getrennt. Die Verbindungen 128, 134 sind dabei bei der Darstellung in 2 eben ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich können diese Verbindungen auch gewinkelt ausgestaltet sein, beispielsweise wiederum unter Einbeziehung eines oder mehrerer Gaszutrittslöcher 136, ähnlich zu der Darstellung in 1.
  • Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Elektroden 120, 126 bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet dargestellt sind. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, welches dem Stand der Technik entspricht, ist die zweite Elektrode 126 zweiteilig ausgebildet, wobei jedoch beide Teilelektroden dieser zweiten Elektrode 126 elektrisch miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß werden diese Aufbauten gemäß den 1 und 2 dadurch modifiziert, dass mindestens eine der beiden Elektroden 120, 126 zweiteilig ausgebildet ist und zwei Teilelektroden aufweist, die unabhängig voneinander kontaktiert werden können. Auf Einzelheiten dieser mehrteiligen Ausgestaltung gemäß der Erfindung wird unten näher eingegangen. Auch das in DE 10 2005 054 144 A1 dargestellte Sensorelement kann erfindungsgemäß modifiziert werden, indem eine oder mehrere der dort dargestellten Elektroden mit mehreren Teilelektroden ausgestaltet werden.
  • Wie eingangs beschrieben, beruht das vorgeschlagene Verfahren auf einem transienten Messverfahren. Ein erstes Ausführungsbeispiel eines derartigen transienten Messverfahrens soll anhand der 3 näher erläutert werden. Diese erste Ausführungsform eines transienten Messverfahrens beruht auf Asymmetrieeffekten zwischen den beiden Elektroden 120, 126 bzw. der aus diesen Elektroden und dem Festelektrolyten gebildeten Pumpzelle 118. Bisherige Designs sind in der Regel derart optimiert, dass im mageren Bereich die Kennlinie des Pumpstroms eindeutig ist, so dass in der Regel kein Pumpstrom im fetten Bereich messbar ist. Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Beispielen sind die Pumpzellen 118 jedoch derart ausgestaltet, dass beide Elektroden 120, 126 eine Anbindung an den Messgasraum 132 erfahren. Ergebnis dieses Designs ist eine V-förmige Kennlinie. Je nach dem, wie die Diffusionswiderstände bzw. Strömungswiderstände der Verbindungen 128 und 134 zueinander ausgestaltet sind, werden nun Grenzströme für die Fettgasreaktion an der Anode (H2O-Zersetzung an der Kathode) gemessen. Welche der Elektroden 120, 126 dabei als Anode und welche als Kathode fungiert, hängt dabei von der Beschaltung ab. Grenzströme im Fettbetrieb und im Magerbetrieb sind positiv, wodurch die Kennlinie in erster Näherung nicht eindeutig ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel verschiedener Pumpstromkennlinien ist in 3 dargestellt. Derartige Pumpstromkennlinien können beispielsweise mit dem in 2 dargestellten Sensorelement 114 gemessen werden. Dabei wird angenommen, dass die erste Elektrode 120 in 2 als Anode beschaltet wird und die zweite Elektrode 126 als Kathode. Dabei sind die Pumpströme Ip (aufgetragen in mA) durch die Pumpzelle 118 auf der Y-Achse aufgetragen. Auf der X-Achse ist die Gasgemischzusammensetzung aufgetragen, welche im positiven Bereich (Werte > Null) den Partialdruck p (angegeben in %) des Sauerstoffs O2 im Gasgemisch bezeichnet und im negativen Bereich (Werte < Null) den Partialdruck der Fettgaskomponente, welcher einem Sauerstoff-Unterschuss gegenüber dem Gleichgewicht λ = 1 (das heißt dem Nullpunkt der X-Achse) entspricht.
  • Der magere Luftzahlbereich in 3 symbolisch mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet, wohingegen der fette Bereich symbolisch mit der Bezugsziffer 156 bezeichnet ist. Dabei sind in 3 zwei Kennlinien 158, 160 aufgetragen, welche bei unterschiedlichen Polaritäten der Pumpspannung gewonnen wurden. So wurde die erste Kennlinie 158 bei einer Beschaltung gewonnen, bei welcher die erste Elektrode 120 als ausbauende Elektrode und die zweite Elektrode 126 als einbauende Elektrode wirkt. Die Pumpspannung an der Pumpzelle 118 wurde für diese erste Kennlinie 158 zu –500 mV gewählt. Das Vorzeichen hierbei ergibt sich aus der genannten Beschaltung. Bei dieser Beschattung wird im mageren Bereich 154 der Pumpstrom der ersten Kennlinie 158 durch die zweite Diffusionsbarriere 138 in der zweiten Verbindung 134 hin zur zweiten Elektrode 126 bestimmt (in 3 mit DB1 bezeichnet), wohingegen im fetten Bereich 156 die erste Diffusionsbarriere 146 der entscheidende Faktor für den Pumpstrom ist (in 3 mit DB2 bezeichnet). Weiterhin ist in 3 eine zweite Kennlinie 160 aufgetragen, welche sich daraus ergibt, dass die Pumpspannung Up an der Pumpzelle 118 umgepolt wurde. Die Pumpspannung beträgt in diesem Fall beispielsweise +500 V, wobei sich das Vorzeichen wiederum aus der Beschaltung ergibt. Dabei wird bei dieser Umpolung die erste Elektrode 120 als einbauende Elektrode geschaltet und die zweite Elektrode 126 als ausbauende Elektrode. In diesem Fall haben sich die Einflüsse der beiden Diffusionsbarrieren 146, 138 umgekehrt, da sich die Rollen von einbauender und ausbauender Elektrode bzw. Diffusionsbarriere vertauscht haben. Es ist festzustellen, dass zumindest in einem Bereich um λ = 1 (p = Null) die erste Kennlinie 158 und die zweite Kennlinie 160 sich jeweils zumindest näherungsweise durch eine Punktspiegelung am Nullpunkt auseinander ergeben.
  • Durch Vergleich der beiden Kennlinien 158, 160 in 3 ist eine eindeutige Zuordnung zu fettem oder magerem Abgas möglich, solange die Kennlinien 158, 160 einen asymmetrischen Verlauf zu einer senkrechten Achse um p = Null aufweisen. Zur Durchführung dieses Vergleichsverfahrens kann beispielsweise eine Rechteckspannung angelegt werden, mittels derer die Pumpspannung Up periodisch umgepolt wird.
  • Anstelle eines einfachen Vergleiches der beiden Kennlinien 158, 160 bzw. zweier Messwerte mit einer Pumpspannung und einer umgepolten Pumpspannung lässt sich somit zum einen erkennen, ob im fetten oder im mageren Bereich gearbeitet wird und zum anderen auch auf das Partialdruckverhältnis p schließen. Anstelle eines einfachen Vergleiches lassen sich die beiden Kurven 158, 160 bzw. die beiden gewonnenen Messwerte jedoch auch kombinieren, beispielsweise indem die beiden Kurven 158 und 160 addiert werden. Auf diese Weise ergibt sich in 3 eine stetig ansteigende Kurve, welche zwischen den beiden Kurven 158 und 160 verläuft und einen eindeutigen Zusammenhang mit dem Partialdruck p aufweist. Durch eine geeignete Verrechnung der Einzelmesswerte der Kurven 158 und 160 lässt sich so also ein Gesamtmesswert ermitteln, der eindeutig einem Lambdawert zuordnenbar ist. Dieses in 3 dargestellte Verfahren stellt nur ein mögliches Ausführungsbeispiel transienter Messverfahren dar, welche auf einem Umpolen der Pumpspannung Up an den Elektroden 120, 126 beruhen. Wie oben beschrieben, sind derartige transiente Messverfahren in der Regel durch die für das Umladung der beteiligten Kapazitäten benötigte Zeit beschränkt.
  • In 4 ist daher ein Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 114 dargestellt, welches eine Modifikation des in 2 dargestellten Sensorelements 114 ist. Auf analoge Weise könnte auch das Sensorelement 114 gemäß 1 oder andere bekannte Sensorelemente mit einer Pumpzelle 118 modifiziert werden. Das in 4 dargestellte Sensorelement ist prinzipiell analog zu 2 aufgebaut, so dass weitgehend auf die obige Beschreibung dieser Figur verwiesen werden kann. Im Gegensatz zu 2 wird jedoch in diesem Fall ein Ausführungsbeispiel realisiert, bei welchem beide E lektroden 120 und 126 (möglich wäre auch eine Realisierung mit lediglich einer dieser Elektroden 120, 126) mit jeweils zwei Teilelektroden ausgestattet sind. So umfasst die erste Elektrode 120 eine erste Teilelektrode 162 und eine zweite Teilelektrode 164, und die zweite Elektrode 126 umfasst ebenfalls eine erste Teilelektrode 166 und eine zweite Teilelektrode 168. Die ersten Teilelektroden 162, 166 sind dabei in 4 mit den Buchstaben A und B bezeichnet und die zweiten Teilelektroden 164, 168 mit den Buchstaben C bzw. D. Es sei darauf hingewiesen, dass auch eine Aufteilung in mehr als zwei Teilelektroden möglich ist. Dabei sind die ersten Teilelektroden 162, 166 jeweils mit ersten Teilleitungen 170 bzw. 172 verbunden, und die zweiten Teilelektroden 164, 168 jeweils mit zweiten Teilleitungen 174, 176. Mindestens eine dieser Teilleitungen 170, 172, 174 und 176 kann auch mit einem Kontakt für das Heizelement 144 zusammengefasst werden, um weitere Anschlüsse zu sparen.
  • In 5 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung 178 dargestellt, mittels derer beispielsweise das oben beschriebene Verfahren unter Verwendung des in 4 dargestellten Sensorelements 114 mit mehreren Teilelektroden umgesetzt werden kann. Dabei sind die Elektroden 120, 126 und die Teilelektroden 162, 164, 166, 168 symbolisch dargestellt. Weiterhin ist symbolisch die Anordnung des Festelektrolyten 122 gezeigt. Die elektrische Schaltung 178 kann ganz oder teilweise beispielsweise in einer separaten Ansteuereinrichtung 112 (siehe 1) aufgenommen sein oder kann ganz oder teilweise auch in dem Sensorelement 114 selbst integriert sein, beispielsweise in Form von Zuleitungen und/oder passiven elektronischen Komponenten, welche in dieses Sensorelement 114 integriert sind.
  • Dabei ist zu erkennen, dass die elektrische Schaltung 178 in diesem Ausführungsbeispiel vier Dioden 180, 182, 184 und 186 aufweist, welche in den Teilleitungen 170, 174, 172 und 176 aufgenommen sind. Dabei sind jeweils die Dioden 180, 184 der ersten Teilleitungen 170, 172 umgekehrt gepolt zu den Dioden 182, 186 der zweiten Teilleitungen 174, 176. Weiterhin sind die Dioden 180, 184 der ersten Teilleitungen zueinander umgekehrt gepolt, und die Dioden 182, 186 der zweiten Teilleitungen 174, 176 sind ebenfalls umgekehrt zueinander gepolt. Auf der von den Dioden 180, 182, 184, 186 abgewandten Seite sind jeweils die Teilleitungen 170, 174 bzw. 172, 176 der Teilelektroden 162, 164 bzw. 166, 168 der ersten Elektrode 120 bzw. der zweiten Elektrode 126 zu gemeinsamen Anschlussleitungen 188 bzw. 190 zusammengefasst. Die Anschlüsse dieser gemeinsamen Anschlussleitungen 188, 190 sind in 5 symbolisch mit den Buchstaben E bzw. F bezeichnet.
  • Wird 5 im Rahmen eines transienten Messverfahrens mit wechselnden Polaritäten der Pumpspannung Up verwendet, so stellt die elektrische Schaltung 178 sicher, dass die Teilelektroden 162, 164 bzw. 166, 168 im Wesentlichen nicht umgeladen werden. Je nach Polarität der Pumpspannung Up wird also nur eine dieser Teilelektroden verwendet. Wird beispielsweise eine Wechselspannung, beispielsweise eine rechteckigförmige Wechselspannung, so wird abwechselnd von der Teilelektrode A zur Teilelektrode B und von der Teilelektrode D zur Teilelektrode C gepumpt. Dies kann am Beispiel des Pumpspannungsverlaufs gemäß 6 verdeutlicht werden, in welchem die Pumpspannung Up (dargestellt in Volt) gegen die Zeit t (dargestellt in Sekunden) aufgetragen ist. Befindet sich die Pumpspannung Up beispielsweise im positiven Bereich, das heißt wird der Anschluss E in 5 mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden, so sperren die Dioden 182 und 186, und lediglich die ersten Teilelektroden 162, 166 sind aktiv. Dieser Bereich ist in 6 mit der Bezugsziffer 192 bezeichnet. Bei umgekehrter Polarität der Pumpspannung hingegen (Bereiche 194 in 6) sind hingegen die zweiten Teilelektroden 164, 168 aktiv, wohingegen die Dioden 180, 184 sperren.
  • Dieses einfache Beispiel eines transienten Messverfahrens zeigt, dass lediglich zwei Anschlüsse E und F nötig sind, an welche eine geeignete Pumpspannung, beispielsweise eine Wechselspannung, angelegt werden kann. Die Auswahl der Pumpelektroden geschieht automatisch durch die vier Dioden 180, 182, 184, 186. Diese bewirken, dass jeweils die „richtigen" Teilelektroden ausgewählt werden, wohingegen die übrigen Teilelektroden in dieser Phase inaktiv sind und gleichzeitig deren Entladen verhindert wird. Die Teilelektrodenpaare A-B und C-D behalten also stets ihre Polarität, obwohl sich die Polarität an den Anschlüssen E und F ständig ändert. Diese Vermeidung des Umladens der Teilelektroden 162, 164, 166, 168 bewirkt, dass die oben beschriebene Limitierung der Frequenz durch die Umladezeit T = RC der Elektrodenkapazitäten umgangen wird.
  • Die Dioden 180, 182, 184, 186 können beispielsweise mittels eines Siebdruckverfahrens und/oder eines Bondingverfahrens auf das Sensorelement 114 aufgebracht werden, wodurch das Sensorelement 114 beispielsweise lediglich über zwei Kontakte (die Kontakte E und F in 5), sowie gegebenenfalls weitere Kontakte für das Heizelement 144 verfügt. Alternativ können die Dioden jedoch auch in einem Sensorgehäuse oder in einem Steckergehäuse integriert werden. Dadurch verfügt das Sensorelement 114 über vier Kontakte, welche jedoch an einer Kabelzuleitung weiter reduziert werden können.
  • Die beispielsweise mittels Siebdruck und/oder Bonden erzeugten Dioden können beispielsweise dotiertes SiC und/oder GaN umfassen. Derartige Dioden können Temperaturen bis zu ca. 1400°C standhalten, so dass diese Dioden beispielsweise ganz oder teilweise gemeinsam mit den übrigen Schichten des Sensorelements 114 gesintert werden können. Dioden auf SiC-Basis können bei Temperaturen von bis zu ca. 650°C betrieben werden. Durch geeignete Gestaltung des Sensorelements 114 und eine geeignete Anordnung des Sensorelements 114 im Abgasstrang kann erreicht werden, dass im hinteren Teil des Sensorelements 114, also beispielsweise in einiger Entfernung zur Pumpzelle 118, keine Temperaturen oberhalb dieser 650°C auftreten. Dort sollten vorzugsweise die Dioden 180, 182, 184, 186, welche insbesondere im Siebdruck erzeugt werden, angeordnet sein. Insgesamt können, alternativ oder zusätzlich zum Siebdruck, jedoch auch andere Arten der Aufbringung und/oder Erzeugung der Dioden 180, 182, 184, 186 genutzt werden, beispielsweise Bonding-Verfahren oder ähnliches, insbesondere zur Aufbringung in kälteren Bereichen des Sensorelements 114 und/oder der elektrischen Schaltung 178.
  • Bei der alternativ oder zusätzlich realisierbaren Anordnung der Dioden in einem Zuleitungskabel oder in einem Anschlussstecker sind wesentlich geringere Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit zu stellen. Hierfür könnten beispielsweise Temperaturbeständigkeiten bis 200°C ausreichend sein, wie sie auch von einfachen, billigen Dioden üblicherweise erfüllt werden. Verfügt das Sensorelement 114 zum Beispiel über einen (z. B. vierpoligen) Stecker zum Anschluss beispielsweise an die Ansteuereinrichtung 112 (beispielsweise über die Ansteuerleitungen 116 in 1), so können beispielsweise in diesem Stecker direkt als Beginn der Sensorzuleitung die Dioden 180, 182, 184, 186 ganz oder teilweise aufgenommen sein.
  • Die elektrische Ansteuerung kann, wie in 6 dargestellt, insbesondere durch abwechselnde positive und negative Pumpspannungen erfolgen. Dabei können Höhe und Dauer der Pumpspannungsimpulse variieren. In einer besonders einfachen Ausführungsform sind diese Höhen und Dauern der Pumpspannungsimpulse bis auf das Vorzeichen identisch. Zu einer Optimierung beispielsweise der Dynamik der Sensoranordnung 110 in sehr fetten oder sehr mageren Abgasen können aber auch unterschiedlich lange und/oder unterschiedlich hohe Pulse verwendet werden.
  • In einer (nicht dargestellten) Variante der Beschaltung gemäß 5 können die zweiten Teilelektroden 164, 168, auch vertauscht angeordnet sein. In diesem Fall kann zwischen den Elektroden B und C und den Elektroden A und D bepumpt werden.
  • In 7 ist eine alternative Ausgestaltung der elektrischen Schaltung 178 der Sensoranordnung 110 dargestellt. In dieser Variante wird bei Verwendung der Dioden 180, 182, 184, 186, welche in diesem Fall vorzugsweise außerhalb des Sensorelements 114 angeordnet sind (beispielsweise in den Ansteuerleitungen 116 und/oder in einem Stecker und/oder in der Ansteuereinrichtung 112), ein weiterer Anschlusskontakt dadurch eingespart, dass zwei der vier Teilleitungen 170, 172, 174, 176 stückweise zusammengefasst sind. In der in 7 gezeigten elektrischen Schaltung 178 können hierzu beispielsweise die Teilleitungen 170, 176 auf einem Teilstück 196 zusammengefasst sein. Alternativ wäre auch eine Zusammenfassung beispielsweise der Elektroden B und C, also der Teilleitungen 172 und 174, auf einem entsprechenden Teilstück 196 möglich. Dabei ist in 7 symbolisch das Sen sorelement 114 eingezeichnet, um zu zeigen, dass dieses Teilstück 196 vorzugsweise einen Sensoranschlusskontakt umfasst, so dass lediglich die in 7 dargestellten Sensoranschlusskontakte G, H und I kontaktiert werden müssen. Durch dieses Zusammenfassen von Teilleitungen verbleibt in jedem Teilelektrodenpaar eine Teilelektrode vorzugsweise konstant auf gleicher Spannung. Die Anzahl der Sensoranschlusskontakte entspricht damit der einer Standard-Breitband-Lambdasonde, also drei Elektrodenanschlüsse, welche um ein bis zwei zusätzliche Heizelementanschlüsse ergänzt werden können.
  • Wie oben beschrieben, stellt 4 lediglich eine Möglichkeit dar, Elektroden 120, 126 mit mehreren Teilelektroden 162, 164, 166, 168 auszustatten. Daneben sind zahlreiche weitere Geometrien möglich, welche beispielsweise mit entsprechenden elektrischen Schaltungen 178 (beispielsweise gemäß den 5 oder 7) versehen werden können. So können beispielsweise in einer weiteren Variante zu dem in 4 dargestellten Sensorelement 114 die Teilelektroden einer Pumpzelle neben- oder hintereinander angeordnet sein und entsprechend beschaltet werden.
  • Das oben beispielsweise anhand der 3 und 6 beschriebene Messverfahren wurde als rein amperometrisches, transientes Messverfahren dargestellt. Transiente Messverfahren sind jedoch auch bei anderen Verfahrensvarianten einsetzbar, welche zumindest nicht rein amperometrisch funktionieren, sondern beispielsweise auch Potentialmessungen beinhalten. Typische Beispiele von Sensorelementen, welche auf einer Mischung aus amperometrischen und voltammetrischen Messverfahren beruhen, sind die bekannten Messverfahren von Breitbandsensorelementen, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, Seiten 116 bis 117 beschrieben sind. Auch für derartige Sensorelemente ist das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Idee der Verwendung mehrerer Teilelektroden einsetzbar, wie anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in den 8 bis 12 beschrieben werden soll. Auch das Sensorelement 114 gemäß 1 kann erfindungsgemäß modifiziert werden, beispielsweise indem die Elektroden 120, 126 mit mehreren Teilelektroden ausgestattet werden. Selbstverständlich können die Sensorelemente 114 gemäß den 8, 10, 11 und 12 jedoch auch wiederum mit rein amperometrischen Messverfahren betrieben werden, beispielsweise dem oben beschriebenen Messverfahren.
  • Die Ausführungsbeispiele gemäß den 8 bis 12 stellen weiterhin Beispiele von Sensoranordnungen bzw. Sensorelementen dar, bei welchen mehrere Teilpumpzellen mit unterschiedlichen Teil-Festelektrolyten vorgesehen sind. Beispielsweise können die Sensorelemente 114 derart ausgestaltet sein, dass die Teilelektroden zweier gekoppelter Teilpumpzellen mittels einer geeigneten elektrischen Schaltung 178 derart verschaltet sind, dass diese Teilelektroden bei einem Gaswechsel über λ = 1 hinweg ihre Polarität nicht ändern. Die Doppelschichtkapazitäten der Teilelektroden, insbesondere der innenliegenden Teilelektroden, müssen dann bei einem solchen Gaswechsel nicht umgeladen werden. Dadurch nimmt ebenfalls das Sensorsignal viel schneller seinen neuen Zielwert an, das heißt das Sensorelement 114 lässt sich insgesamt erheblich schneller beschalten.
  • Zusätzlich können die Elektroden 120, 126 und die Diffusionsbarrieren 146, 138 derart angeordnet werden, dass alle Elektroden gleichmäßig belastet werden. Dadurch kann die Sauerstoffkonzentration in einem Hohlraum an jedem Ort konstant gehalten werden, so dass bei beliebigen Gaswechseln die Doppelschichtkapazitäten der inneren Pumpelektroden nicht umgeladen werden, was das Sensorelement 114 für beliebige Gaswechsel erheblich schneller macht. Wiederum kann die elektrische Schaltung 178 dabei derart ausgestaltet sein, dass, beispielsweise unter Verwendung geeigneter Dioden, wiederum nur zwei Anschlusskontakte I und F nötig sind, so dass sich, trotz erhöhter Elektrodenzahl, die Zahl der Anschlusskontakte gegenüber einer gewöhnlichen Breitbandsonde vorzugsweise nicht vergrößert. Die Teilelektroden können beispielsweise wiederum mit einer Wechselspannung konstanter Amplitude betrieben werden, wobei unterschiedliche Pumpströme beispielsweise mittels einer Pulsweitenmodulation realisiert werden können.
  • In den 8 und 10 sind Ausführungsbeispiele eines Sensorelements 114 dargestellt, welche grundsätzlich dem Ausführungsbeispiel in 1 ähneln. Dabei umfasst die erste Elektrode 120 wiederum zwei Teilelektroden 162, 164, welche in diesem Ausführungsbeispiel aufeinander gegenüberliegenden Seiten des Sensorelements 114 angeordnet sind. Die zweite Teilelektrode 126 umfasst ebenfalls wiederum zwei Teilelektroden 166, 168, welche in einem Elektrodenhohlraum 124 im Inneren des Sensorelements 114 angeordnet sind. Zwischen den ersten Teilelektroden 162, 166 bzw. den zweiten Teilelektroden 164, 168 sind jeweils ein Teil-Festelektrolyt 198 bzw. 200 angeordnet. Diese Teil-Festelektrolyten 198, 200 sind in diesem Ausführungsbeispiel als unterschiedliche Schichten des Festelektrolyten 122 ausgebildet, welche durch den Hohlraum 124 getrennt sind. Somit umfasst die Pumpzelle 118 in diesem Ausführungsbeispiel zwei voneinander räumlich getrennte Teilpumpzellen 202, 204, welche unabhängig voneinander betreibbar sind.
  • Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 wiederum einen Referenzluftkanal 140 und eine darin angeordnete Referenzelektrode 142, für deren Beschreibung beispielsweise wiederum auf die 1 verwiesen werden kann.
  • Die Sensorelemente 114 gemäß den Ausführungsbeispielen in den 8 und 10 unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass, wie die dargestellten Längsschnitte zeigen, bei dem Ausführungsbeispiel in 8 der Elektrodenhohlraum 124 stirnseitig über die zweite Verbindung 134 mit dem Messgasraum 132 verbunden ist. Das Gas gelangt somit von der Stirnseite des Sensorelements 114 durch die Diffusionsbarriere 138 in den Elektrodenhohlraum 124, welcher hier als Messkammer fungiert. Bei dem Ausführungsbeispiel in 10 hingegen gelangt das Gas aus dem Messgasraum 132 durch ein Gaszutrittsloch 136 in Form einer Bohrung von oben in das Sensorelement 114 und von dort aus durch die Diffusionsbarriere 138 in den Elektrodenhohlraum 124. Ansonsten ähneln sich die Sensorelemente 114 gemäß den 8 und 10 in ihrem Aufbau und ihrer Funktion.
  • Die Sensorelemente gemäß den 8 und 10 können prinzipiell beschaltet werden, wie oben beschrieben und wie beispielsweise in den 5 und 7 dargestellt. Ein Beispiel einer derartigen Beschaltung ist in 9 dargestellt. Diese Beschaltung entspricht im Wesentlichen der in 5 dargestellten Beschaltung, so dass im Wesentlichen auf die Beschreibung dieser Figur verwiesen werden kann. Lediglich die Teilelektroden 162, 164, 166, 168 sind umgekehrt dargestellt, wobei symbolisch der Elektrodenhohlraum 124 und der Messgasraum 132 aufgezeigt sind. Weiterhin ist erkennbar, dass aufgrund der Trennung der Teil-Festelektrolyten 198, 200 zwei separate Teilpumpzellen 202, 204 ausgebildet sind. Ansonsten kann im Wesentlichen auf die Beschreibung der 5 verwiesen werden.
  • Die in den 8 und 10 dargestellten Sensoranordnungen 110 können beispielsweise wiederum mittels des anhand der 6 beschriebenen amperometrischen Messverfahrens betrieben werden, das heißt wiederum ohne Verwendung der Referenzelektrode 142. Beispielsweise kann hierfür wiederum in einem transienten Messverfahren die Asymmetrie der Kennlinien 158, 160 genutzt werden, um den Magerast vom Fettast zu unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich können die Sensoranordnungen gemäß den 8 und 10 jedoch auch zumindest teilweise in einem kombinierten amperometrischen-voltametrischen Messverfahren verwendet werden, wie dies bei Breitbandsonden, wie beispielsweise der in 1 dargestellten Breitbandsonde häufig geschieht. Auch bei einem derartigen transienten Verfahren, welches in diesem Fall die Referenzelektrode 142 mit einbezieht, kann die mehrteilige Ausgestaltung der Elektroden 120, 126 ausgenutzt werden, um das Verfahren erheblich zu beschleunigen. So kann beispielsweise die in 6 dargestellte Wechselspannung als Pumpspannung an die Elektroden 120, 126 angelegt werden, so dass mittels der Teilpumpzellen 202, 204 abwechselnd Sauerstoff aus dem Messgasraum 132 in den Elektrodenhohlraum 124 hinein- bzw. hinausgepumpt wird, ohne dass Doppelschichtkapazitäten an den Elektroden 120, 126 bzw. an Elektroden/Elektrolytgrenzflächen umgeladen werden müssen. Zusätzlich diffundiert Messgas durch die Diffusionsbarriere 138 in den Elektrodenhohlraum 124, der hier als Messkammer fungiert. Wie oben dargestellt, kann bei diesem Verfahren insbesondere eine Regelung durch Pulsweitenmodulation erfolgen, beispielsweise indem das Verhältnis zwischen den Phasen mit negativer Pumpspannung (in denen eine erste der Teilpumpzellen 202, 204 aktiv ist) zu den Phasen mit einer positiven Pumpspannung (in denen die zweite der Teilpumpzellen 202, 204 aktiv ist) gesteuert werden. Zu diesem Zweck kann ein Regler, welcher beispielsweise in der Ansteuereinrichtung 112 umfasst sein kann, die positiven und negativen Phasen der Pumpspannung in 6 auswählen bzw. ansteuern, so dass in dem Elektrodenhohlraum 124 ein konstanter Sauerstoffpartialdruck vorliegt. Hierzu wird auf ein vorgegebenes Nernstpotential zwischen einer oder mehreren der in dem Elektrodenhohlraum 124 angeordneten Teilelektroden 166, 168 und der Referenzelektrode 142, die sich in einem Referenzluftkanal 140 (bzw. einem Referenzgasraum) befindet, geregelt.
  • Das Messsignal kann in diesem Fall beispielsweise die Differenz des (zum Beispiel mittels der zweiten Teilpumpzelle 204) aus dem Elektrodenhohlraum 124 herausgepumpten und des (zum Beispiel mittels der ersten Teilpumpzelle 202) in den Elektrodenhohlraum 124 hineingempumpten Sauerstoffs (in Form von O2–-Ionen) sein. Im mageren Abgas ist dieses Messsignal ein Maß für den Sauerstoffgehalt im Abgas, im fetten Abgas ist das Messsignal ein Maß für das Sauerstoffdefizit im Abgas.
  • In den 11 und 12 sind Ausführungsbeispiele von Sensorelementen 114 dargestellt, welche Alternativen zu den in den 8 und 10 dargestellten Ausführungsbeispielen darstellen. Insofern kann weitgehend auf die obige Beschreibung des Aufbaus und der möglichen Betriebsweisen verwiesen werden. Die Sensorelemente 114 gemäß den 11 und 12 unterscheiden sich von den oben beschriebenen Ausführungsformen hingegen durch die Anordnung der Diffusionsbarrieren 138. Diese Diffusionsbarrieren 138, welche auch „zweite" Diffusionsbarrieren 138 bezeichnet werden gemäß der obigen Nomenklatur, ermöglichen eine Beaufschlagung des Elektrodenhohlraums 124 mit Gas aus dem Messgasraum 132. Dabei sind in den 11 und 12 dargestellten Ausführungsbeispielen die zweiten Diffusionsbarrieren 138 zwischen den Teilelektroden 162, 164 der ersten Elektrode 120 und den Teilelektroden 166, 168 der zweiten Elektrode 126 angeordnet. Es sind also zwei zweite Diffusionsbarrieren 138 vorgesehen. Auch eine lediglich einseitige Anordnung dieser Diffusionsbarriere 138 ist möglich, beispielsweise lediglich zwischen den Teilelektroden 162 und 166. Die Diffusionsbarrieren 138 können beispielsweise zumindest teilweise identisch mit dem Festelektrolyten 128 bzw. den Teil-Festelektrolyten 198, 200 sein. Dadurch kann insbesondere die Messgaskonzentration, beispielsweise eine Sauerstoffkonzentration, in dem gesamten Elektrodenhohlraum 124 örtlich konstant gehalten werden, so dass die Belastung der inneren Teilelektroden 166, 168 vorzugsweise an jedem Ort identisch ist. Dadurch müssen zu keinem Zeitpunkt die Doppelschichtkapazitäten der inneren Elektroden 166, 168 umgeladen werden, wodurch das Sensorelement 114 erheblich schneller auf Gaswechsel reagieren kann. Im Gegensatz hierzu kann bei der Anordnung der Diffusionsbarriere 138 wie beispielsweise in den 8 und 10 die Sauerstoffkonzentration vom Regler nur an einer Stelle, nämlich im Elektrodenhohlraum 124 in der Nähe des Referenzluftkanals 140, das heißt „hinten" im Sensorelement 114, konstant gehalten werden. Der Konzentrationsverlauf in dem Elektrodenhohlraum 124 ergibt sich aus der Pumpfunktion (das heißt der Pumpstromdichte der Elektroden als Funktion der Sauerstoffkonzentration und der Pumpspannung) und der Sauerstoffkonzentration im Messgas. Diese Problematik kann durch die Anordnung gemäß den 11 und 12 weitgehend vermieden werden.
  • Während bei dem Sensorelement 114 gemäß 11 die gesamten Teil-Festelektrolyten 198, 200 gleichzeitig als Diffusionsbarrieren 138 ausgestaltet sind, zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 12, dass dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss. So kann, insbesondere um einen Grenzstrom anzupassen (beispielsweise zur Verringerung des Grenzstromes) ein Teil der Diffusionsbarriere 138 durch ein Elektrolytmaterial 206 mit angepasster (beispielsweise gegenüber dem restlichen Festelektrolyten 122 verringerter oder vergrößerter) Ionenleitfähigkeit (insbesondere Sauerstoffionen-Leitfähigkeit) ersetzt werden. Durch diese angepasste Sauerstoff-Ionenleitfähigkeit werden die Elektroden 120, 126 trotz möglicherweise ungleichmäßiger Sauerstoffkonzentration im Elektrodenhohlraum 124 gleichmäßig belastet und eine minimale Umladung der Doppelschichtkapazitäten der inneren Pumpelektroden 126 erreicht. Es sind weitere Varianten zu den Sensorelementen 114 in den 11 und 12 denkbar, bei denen sich zwischen einem Teilelektrodenpaar 162, 166 bzw. 164, 168 eine Diffusionsbarriere 138 und zwischen dem jeweils anderen Teilelektrodenpaar ein Elektrolyt 122 befindet.
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Claims (23)

  1. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei ein Sensorelement (114) verwendet wird, das mindestens eine Pumpzelle (118) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (126) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) umfasst, wobei die Pumpzelle (118) zunächst mit mindestens einer ersten Pumpspannung und dann mit mindestens einer zweiten Pumpspannung beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode (120, 126) aus der ersten Elektrode (120) und/oder der zweiten Elektrode (126) mehrteilig ausgebildet ist und mindestens zwei Teilelektroden (162, 164, 166, 168) aufweist, wobei für die Beaufschlagung mit der ersten Pumpspannung mindestens eine erste Teilelektrode (162, 166) verwendet wird und wobei für die Beaufschlagung mit der zweiten Pumpspannung mindestens eine von der ersten Teilelektrode (162, 166) verschiedene zweite Teilelektrode (164, 168) verwendet wird.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste Pumpspannung und die zweite Pumpspannung unterschiedliche Polaritäten aufweisen.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (118) mit einer Wechselspannung, insbesondere einer rechteckförmigen Wechselspannung, beaufschlagt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus einem Vergleich mindestens eines bei Beaufschlagung der Pumpzelle (118) mit der ersten Pumpspannung gemessenen ersten Pumpstroms mit mindestens einem bei Beaufschlagung der Pumpzelle (118) mit der zweiten Pumpspannung gemessenen zweiten Pumpstroms auf die physikalische Eigenschaft des Gases geschlossen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) mindestens einen Hohlraum (124) umfasst, wobei mindestens eine der Elektroden (120, 126) der Pumpzelle (118) in dem Hohlraum (124) angeordnet ist, wobei mittels der Pumpzelle (118) mindestens ein Partialdruck mindestens einer Gaskomponente in dem Hohlraum (124) auf einen Sollwert geregelt wird.
  6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Regelung durch eine Wechselspannung mittels Pulsweitenmodulation erfolgt.
  7. Sensoranordnung (110) zur Bestimmung mindestens einer physikalischen Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum (132), insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensoranordnung (110) mindestens ein Sensorelement (114) aufweist, das mindestens eine Pumpzelle (118) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (126) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) verbindenden Festelektrolyten (122) umfasst, wobei mindestens eine Elektrode (120, 126) aus der ersten Elektrode (120) und/oder der zweiten Elektrode (126) mehrteilig ausgebildet ist und mindestens zwei Teilelektroden (162, 164, 166, 168) aufweist, wobei die Sensoranordnung (110) weiterhin mindestens eine elektrische Schaltung (178) aufweist, wobei die elektrische Schaltung (178) eingerichtet ist, dass bei Beaufschlagung der Pumpzelle (118) zunächst mit mindestens einer ersten Pumpspannung und dann mit mindestens einer zweiten Pumpspannung für die Beaufschlagung mit der ersten Pumpspannung mindestens eine erste Teilelektrode (162, 166) verwendet wird und für die Beaufschlagung mit der zweiten Pumpspannung mindestens eine von der ersten Teilelektrode (162, 166) verschiedene zweite Teilelektrode (164, 168) verwendet wird.
  8. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die elektrische Schaltung (178) eine Diodenschaltung, insbesondere mit mindestens einer Hochtemperaturdiode, insbesondere mit mindestens einer SiC-Diode, umfasst.
  9. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Teilelektroden (162, 164, 166, 168) jeweils mit einer Teilleitung (170, 172, 174, 176) verbunden sind, wobei in den Teilleitungen (170, 172, 174, 176) der Teilelektroden (162, 164, 166, 168) einer Elektrode (120, 126) Dioden (180, 182, 184, 186) mit paarweise umgekehrter Polung aufgenommen sind.
  10. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die beiden Teilelektroden (162, 164, 166, 168) hinter den Dioden zu einer gemeinsamen Anschlussleitung (188, 190) zusammengefasst sind.
  11. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Teilleitungen (170, 172, 174, 176) von Teilelektroden (162, 164, 166, 168) unterschiedlicher Elektroden (120, 126) zu einem Teilstück (196) zusammengefasst sind.
  12. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung (110) gerichteten Ansprüche, wobei die elektrische Schaltung (178) ganz oder teilweise in und/oder auf dem Sensorelement (114) und/oder in einer Ansteuereinrichtung der Sensoranordnung (110) und/oder in Ansteuerleitungen (116) integriert ist.
  13. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung (110) gerichteten Ansprüche, wobei die Pumpzelle (118) mindestens zwei Teilpumpzellen (202, 204) umfasst, wobei jede Teilpumpzelle (202, 204) eine Teilelektrode (162, 164) der ersten Elektrode (120) und eine Teilelektrode (166, 168) der zweiten Elektrode (126) umfasst.
  14. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Teilpumpzellen (202, 204) weiterhin jeweils zumindest nicht vollständig bauteilidentische Teil-Festelektrolyten (198, 200) umfassen.
  15. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung (110) gerichteten Ansprüche, wobei mindestens eine erste Teilelektrode (162) der ersten Elektrode (120) und mindestens eine zweite Teilelektrode (168) der zweiten Elektrode (126) und/oder mindestens eine zweite Teilelektrode (164) der ersten Elektrode (120) und mindestens eine erste Teilelektrode (166) der zweiten Elektrode (126) elektrisch verbunden sind.
  16. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung (110) gerichteten Ansprüche, wobei die erste Elektrode (120) mit dem Messgasraum (132) über mindestens eine erste Verbindung (128) in Verbindung steht, wobei die erste Verbindung (128) eine erste Diffusionsbarriere (146) umfasst, wobei die zweite Elektrode (126) mit dem Messgasraum (132) über mindestens eine zweite Verbindung (134) in Verbindung steht, wobei die zweite Verbindung (134) eine zweite Diffusionsbarriere (138) umfasst.
  17. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung (110) gerichteten Ansprüche, wobei die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (126) unterschiedliche Grenzströme aufweisen.
  18. Sensoranordnung (110) nach den beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Diffusionsbarriere (146) und die zweite Diffusionsbarriere (138) unterschiedliche Diffusionswiderstände aufweisen.
  19. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden, auf eine Sensoranordnung (110) gerichteten Ansprüche, wobei mittels das Sensorelement (114) mindestens einen Hohlraum (124) umfasst, wobei mindestens eine der Elektroden (120, 126) der Pumpzelle (118) in dem Hohlraum (124) angeordnet ist.
  20. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens einen Referenzhohlraum und/oder mindestens einen Referenzluftkanal (140) mit bekanntem Partialdruck mindestens einer Gaskomponente aufweist.
  21. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Referenzhohlraum und/oder dem Referenzluftkanal (140) mindestens eine Referenzelektrode (142) angeordnet ist.
  22. Sensoranordnung (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Festelektrolyt (122) ganz oder teilweise als poröser Festelektrolyt ausgestaltet ist und zumindest teilweise als Diffusionsbarriere (134) zwischen dem Messgasraum (132) und dem Hohlraum (124) wirkt.
  23. Sensoranordnung (110) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (120) mindestens eine erste Teilelektrode (162) und mindestens eine zweite Teilelektrode (164) aufweist, wobei die erste Teilelektrode (162) auf einer Oberseite des Sensorelements (114) angeordnet ist und wobei die zweite Teilelektrode (164) auf einer Unterseite des Sensorelements (114) angeordnet ist.
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