DE102008001997A1

DE102008001997A1 - Lambda jump probe with alternating reference

Info

Publication number: DE102008001997A1
Application number: DE200810001997
Authority: DE
Inventors: Dirk Liemersdorf; Uwe Glanz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-12-03
Also published as: WO2009144051A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gases in einem Messgasraum (122), insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine (160). Dabei wird ein Sensorelement (110) mit mindestens einer ersten Elektrode (112) und mindestens einer zweiten Elektrode (114) und mindestens einem die erste Elektrode (112) und die zweite Elektrode (114) verbindenden Festelektrolyten (116) verwendet. Die erste Elektrode (112) wird mit Gas aus dem Messgasraum (122) beaufschalgt, wohingegen die zweite Elektrode (114) gegenüber dem Messgasraum (122) abgeschirmt angeordnet ist. Es werden ein Strom und/oder eine Spannung zwischen der ersten Elektrode (112) und der zweiten Elektrode (114) erfasst, wobei aus einem kurzfristigen Anstieg des Stroms und/oder der Spannung auf eine Änderung in der Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum (122) geschlossen wird, insbesondere auf einen Wechsel von einem fetten Gasgemisch zu einem mageren Gasgemisch oder umgekehrt. Dabei wird eine zeitverzögerte Angleichung einer Gasgemischzusammensetzung an der zweiten Elektrode (114) an eine Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum (122) ermöglicht.The invention relates to a method for determining a composition of a gas in a measurement gas space (122), in particular for determining an oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine (160). In this case, a sensor element (110) having at least one first electrode (112) and at least one second electrode (114) and at least one solid electrolyte (116) connecting the first electrode (112) and the second electrode (114) is used. The first electrode (112) is charged with gas from the measurement gas space (122), whereas the second electrode (114) is shielded from the measurement gas space (122). A current and / or voltage is sensed between the first electrode (112) and the second electrode (114), with a short-term rise in current and / or voltage indicative of a change in the gas mixture composition in the sample gas space (122) is, in particular to a change from a rich gas mixture to a lean gas mixture or vice versa. In this case, a time-delayed adaptation of a gas mixture composition at the second electrode (114) to a gas mixture composition in the measurement gas space (122) is made possible.

Description

Stand der TechnikState of the art

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. Insbesondere werden Sensorelemente dieser Art in so genannten „Lambdasonden” eingesetzt, und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie. Auch auf andere Arten von Sensorelementen, welche Festelektrolyte der beschriebenen Art umfassen, ist die Erfindung jedoch anwendbar, also neben Sprungsonden und Breitbandsonden auch auf ähnliche Arten von Sensoren mit Festelektrolyten, zum Beispiel auch zur Messung von CO, NO_x oder NH₃. Ohne Beschränkung des Schutzumfangs wird im Folgenden die Erfindung am Beispiel von Lambdasonden erläutert, wobei jedoch, im Lichte der obigen Ausführungen, auch andere Arten von Sensorelementen, beispielsweise Sensorelemente zur Bestimmung der Konzentration anderer Gaskomponenten, beispielsweise Sauerstoff enthaltender Gaskomponenten, hergestellt werden können.The invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions. Such sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure air-fuel-gas mixture compositions. In particular, sensor elements of this type are used in so-called "lambda sensors", and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology. However, the invention is also applicable to other types of sensor elements, which include solid electrolytes of the type described, so in addition to jump probes and broadband probes on similar types of sensors with solid electrolyte, for example, to measure CO, NO _x or NH ₃ . Without limiting the scope of protection, the invention is explained below using the example of lambda probes, but, in the light of the above, other types of sensor elements, such as sensor elements for determining the concentration of other gas components, such as oxygen-containing gas components, can be produced.

Mit der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ) wird 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 mehrer 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.With the so-called air ratio "lambda" (λ) becomes generally in combustion engineering the relationship between an actually offered air mass and one for the combustion theoretically required (i.e., stoichiometric) Air mass designated. The air ratio is thereby by means of one or more Sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system an internal combustion engine measured. Accordingly, "rich" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel surplus) Air ratio λ <1 whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. Next Automotive technology will be such and similar Sensor elements in other areas of technology (in particular combustion technology), for example in aviation technology or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.

Lambdasonden sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine erste Ausführungsform stellt die so genannte „Sprungsonde” dar, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potenzialdifferenz zwischen einem Referenzgas und dem zu messenden Gasgemisch beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden. Als Festelektrolyt wird aufgrund seiner guten Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, YSZ) oder ähnliche Keramiken eingesetzt. 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. Die beschriebenen Sensorprinzipien von Sprungzellen und Pumpzellen lassen sich vorteilhaft auch kombiniert einsetzen in so genannten „Mehrzellern”.lambda probes are known in various embodiments. A first Embodiment represents the so-called "jump probe", their measurement principle on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference gas and the gas mixture to be measured. Reference electrode and measuring electrode are above the solid electrolyte connected with each other. As a solid electrolyte is due to its good Oxygen-ion-conducting properties usually zirconium dioxide (eg, yttrium-stabilized zirconia, YSZ) or the like Ceramics used. Alternatively or in addition to jump probes, so-called "pump cells" are also used where an electrical "pumping voltage" to two over the solid electrolyte connected electrodes is applied, wherein the "pumping current" is measured by the pumping cell. The described sensor principles of jump cells and pump cells can be used advantageously combined in so-called "multicellulars".

Bekannte Sensorelemente sind jedoch in der Praxis mit einigen Nachteilen und Herausforderungen behaftet. So ist insbesondere der Aufbau üblicher Sensorelemente vergleichsweise komplex, da eine Vielzahl von Elektroden und ein vergleichsweise komplexer Schichtaufbau erforderlich ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bekannte Sensorelemente Referenzelektroden verwenden, welche äußerst empfindlich gegenüber Verschmutzungen reagieren und welche dementsprechend abgeschirmt werden müssen.Known However, sensor elements are in practice with some disadvantages and challenges. So in particular the structure is more common Sensor elements comparatively complex, since a plurality of electrodes and a relatively complex layer structure is required. Another disadvantage is that known sensor elements Use reference electrodes, which are extremely sensitive react to soiling and which accordingly must be shielded.

Aus DE 102 19 881 A1 ist ein Messsensor für die Bestimmung eines Partialdruckes eines Messgases in einem Messgasraum bekannt, welcher einen Ionenleiter aufweist, auf dem Pumpelektroden angebracht sind. Eine der Pumpelektroden ist mit Hilfe einer Abdeckung gasdicht abgedichtet. Durch eine Messung der Nernstschen Spannung an den Pumpelektroden oder durch eine Messung der zwischen den Pumpelektroden gemessenen Ladungsmenge kann ein Partialdruck des Messgases im Messgasraum bestimmt werden.Out DE 102 19 881 A1 a measuring sensor for the determination of a partial pressure of a measuring gas in a measuring gas space is known, which has an ion conductor, are mounted on the pumping electrodes. One of the pumping electrodes is sealed gas-tight by means of a cover. By measuring the Nernst voltage at the pumping electrodes or by measuring the amount of charge measured between the pumping electrodes, a partial pressure of the measuring gas in the measuring gas space can be determined.

Die in DE 102 19 881 A1 beschriebene Vorrichtung weist gegenüber herkömmlichen Breitbandsensoren den Vorteil auf, dass die gasdicht abgedichtete Pumpelektrode gut gegenüber Umwelteinflüssen und Verschmutzungen abgeschirmt ist. Das beschriebene Messverfahren geht jedoch von einigen idealisierten Annahmen aus, wie insbesondere einem stets eindeutigen und bekannten Zusammenhang zwischen geflossener Ladungsmenge und Strom. Diese Zusammenhänge können jedoch in der Praxis Schwankungen unterworfen sein, oder die Messung der Größen kann aufgrund von messtechnischen Unwägbarkeiten erschwert sein, was die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung erheblich vermindern kann.In the DE 102 19 881 A1 described device has over conventional broadband sensors has the advantage that the gas-tight sealed pumping electrode is well shielded against environmental influences and contamination. However, the measuring method described starts from some idealized assumptions, such as in particular an always clear and known relationship between the amount of charge flow and current flow. However, these relationships may be subject to variations in practice, or the measurement of quantities may be difficult due to metrological uncertainties, which may significantly reduce the accuracy and reliability of the measurement.

Des weiteren erfordert das beschriebene Verfahren nach DE 102 19 881 A1 eine aufwendige Betriebs- und Auswerteschaltung, welche die in mehreren Phasen stattfindende Spannungs- bzw. Stromaufprägung, deren zeitliche Steuerung bzw. Regelung, die hochgenaue Messung des zugehörigen Messstroms bzw. der Ladungsmenge und die Durchführung des nachfolgenden Auswertungsalgorithmus realisiert.Furthermore, the described method requires DE 102 19 881 A1 an elaborate operation and evaluation circuit, which takes place in several phases voltage or current impression, their timing or regulation, the highly accurate measurement of the associated measuring current or the charge amount and the through implementation of the subsequent evaluation algorithm realized.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gases in einem Messgasraum, welche die genannten Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Das Verfahren kann insbesondere mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden und die Vorrichtung kann eingerichtet sein, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Insofern kann bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Verfahrens auf die Vorrichtung verwiesen werden und umgekehrt. Das Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere genutzt werden, um eine Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch zu bestimmen, also beispielsweise einen Partialdruck und/oder einen Anteil dieser Gaskomponente in dem Gasgemisch. Insbesondere können die Vorrichtungen und das Verfahren genutzt werden, um eine Sauerstoffkonzentration (das heißt einen Anteil an Sauerstoff und/oder einen Partialdruck des Sauerstoffs) in einem Abgas einer Brennkraftmaschine zu bestimmen. Insofern kann auf die oben dargestellten Funktionsprinzipien so genannter Lambdasonden verwiesen werden. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch möglich, beispielsweise ein Einsatz in anderen Gebieten, in denen Verbrennungsprozesse überwacht werden, beispielsweise in Gasthermen.The The invention relates to a method and a device for determination a composition of a gas in a measuring gas space, which the mentioned disadvantages of known methods and devices at least largely avoided. The method can in particular by means of a Device according to the invention carried out be and the device may be arranged to a inventive Perform procedure. In that respect, with respect possible embodiments of the method on the device be referenced and vice versa. The method and the device In particular, they can be used to create a concentration to determine a gas component in a gas mixture, so for example a partial pressure and / or a proportion of this gas component in the gas mixture. In particular, the devices and the method can be used to determine an oxygen concentration (the is called a proportion of oxygen and / or a partial pressure of oxygen) in an exhaust gas of an internal combustion engine. Insofar can on the above-mentioned functional principles so be referred to lambda probes. Other applications However, they are possible, for example, use in others Areas where combustion processes are monitored, for example in gas heating.

Es wird ein Sensorelement verwendet, welches mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode sowie mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist. Diese Elektroden und der Festelektrolyt, wobei sinngemäß auch jeweils mehrere derartiger Elemente vorgesehen sein können, bilden im Folgenden zusammen mindestens eine Nernstzelle. Dabei ist das Sensorelement erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass die erste Elektrode direkt oder indirekt, das heißt beispielsweise über eine Schutzschicht, welche Verschmutzungen verhindert, mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist. Die zweite Elektrode ist hingegen gegenüber dem Messgasraum abgeschirmt angeordnet.It a sensor element is used, which at least a first Electrode and at least one second electrode and at least one connecting the first electrode and the second electrode Has solid electrolyte. These electrodes and the solid electrolyte, where mutatis mutandis, several such Elements can be provided, together form below at least one Nernst cell. In this case, the sensor element according to the invention is such designed that the first electrode directly or indirectly, the means, for example, a protective layer, which prevents contamination, can be acted upon with gas from the sample gas space is. The second electrode, however, is opposite the sample gas space shielded arranged.

Unter einer abgeschirmten Anordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung zu verstehen, bei welcher der Gaszutritt aus dem Messgasraum zu der zweiten Elektrode zumindest teilweise behindert wird, also beispielsweise zeitverzögert im Vergleich zu dem Gaszutritt zu der ersten Elektrode erfolgt oder vollständig verhindert wird. Für die Funktion des erfindungsgemäßen Messprin zips muss dabei nicht notwendigerweise eine definierte, exakte Abdeckung, d. h. vollständige Trennung, der zweiten Elektrode von dem Messgasraum erzielt werden, sondern lediglich eine zeitverzögerte Angleichung der Atmosphäre an der zweiten Elektrode, d. h. in unmittelbarer Nähe der zweiten Elektrode, an die Gasgemischszusammensetzung in dem Messgasraum. Eine beabsichtigte und gezielt herbeigeführte Undichtigkeit der Abschirmung kann in bestimmten Ausführungsformen sogar gezielt genutzt werden, um eine Beschleunigung des Ansprechverhaltens oder eine Erhöhung der maximalen Wechselfrequenz (beispielsweise einen Wechsel von einer fetten Gasgemischszusammensetzung zu einer mageren Gasgemischszusammensetzung) aufgrund eines schnelleren Austauschs des Referenzgaszustandes an der zweiten Elektrode zu erreichen.Under a shielded arrangement according to the present invention is an arrangement to understand in which the gas from the measurement gas space to the second electrode at least partially hindered is, for example, delayed compared to the gas inlet to the first electrode is carried out or completely is prevented. For the function of the invention Messprin zips does not necessarily have a defined, exact Cover, d. H. complete separation, the second electrode be achieved by the sample gas space, but only a time-delayed Equalization of the atmosphere at the second electrode, d. H. in the immediate vicinity of the second electrode, to the gas mixture composition in the sample gas space. An intentional and deliberately induced Leakage of the shield may be in certain embodiments even be used specifically to speed up the response or an increase in the maximum alternating frequency (for example a change from a rich gas mixture composition to a lean gas mixture composition) due to faster exchange of the reference gas state at the second electrode.

Die Abschirmung der zweiten Elektrode, welche eine zeitverzögerte Angleichung des Gasgemischs an die Gaszusammensetzung in dem Messgasraum bewirkt, kann durch verschiedene technische Maßnahmen oder Anordnungen realisiert werden, die teilweise auch kombiniert werden können. So kann beispielsweise die zweite Elektrode in einem gegenüber dem Messgasraum zumindest weitgehend abgeschlossenen Hohlraum angeordnet sein, also einem von dem Messgasraum getrennten leeren oder ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen Material (beispielsweise einem porösen Material) angefüllten Volumen. Damit kann der Aufbau des Sensorelements beispielsweise dem in DE 102 19 881 A1 beschriebenen Aufbau entsprechen, in welchem ebenfalls eine Elektrode in einem abgeschlossenen Hohlraum angeordnet ist. Der Hohlraum kann im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in einer tieferen Schichtebene des Sensorelements, oder kann auch auf einer Oberfläche des Sensorelements, beispielsweise einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Sensorelements realisiert sein, beispielsweise durch Aufbringen entsprechender Abdeckungen über eine auf dieser Oberfläche angeordneten zweiten Elektrode. Auch mehrere Hohlräume können vorgesehen sein. Beispielsweise können mehrere zweite Elektroden vorgesehen sein, mit jeweils einem oder mehreren Hohlräumen, oder mehrere zweite Elektroden, welche sich einen gemeinsamen Hohlraum teilen.The shielding of the second electrode, which effects a time-delayed alignment of the gas mixture with the gas composition in the measurement gas space, can be realized by various technical measures or arrangements which can also be partially combined. Thus, for example, the second electrode can be arranged in a cavity which is at least largely closed relative to the measuring gas space, ie an empty volume completely or partially filled with a gas-permeable material (for example a porous material). Thus, the structure of the sensor element, for example, the in DE 102 19 881 A1 in which also an electrode is arranged in a closed cavity. The cavity can be arranged in the interior of the sensor element, for example in a lower layer plane of the sensor element, or can also be realized on a surface of the sensor element, for example, a surface of the sensor element facing the sample gas space, for example by applying corresponding covers over a second arranged on this surface Electrode. Also, a plurality of cavities may be provided. For example, a plurality of second electrodes may be provided, each having one or more cavities, or a plurality of second electrodes which share a common cavity.

Im Gegensatz zu der DE 102 19 881 A1 ist der Begriff des Hohlraums im Sinne der vorliegenden Erfindung weit zu fassen, denn der Hohlraum kann, alternativ zu einem vollständig gasdicht abgeschlossenen Volumen, auch als lediglich abgeschirmtes Volumen ausgestaltet sein. So muss der Hohlraum jedoch lediglich „weitgehend” abgeschlossen sein, was neben einem vollständigen gasdichten Abschluss auch eine strömungsbegrenzte Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Messgasraum implizieren kann. Der Begriff „abgeschlossen” bezieht sich dabei auf die Tatsache, dass ein Gaswechsel, also eine Änderung der Zusammensetzung des Gases in dem Messgasraum, von der zweiten Elektrode gar nicht oder zumindest zeitverzögert registriert wird, was im Falle einer Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Messgasraum beispielsweise durch einen Strömungswiderstand (zum Beispiel in Form eines verengten Spaltes, eines Drosselelements, eines porösen Elements mit einer gezielt eingestellten Porosität oder ähnlichem) gewährleistet werden kann.Unlike the DE 102 19 881 A1 For the purposes of the present invention, the term "cavity" is to be understood broadly, since, as an alternative to a completely gas-tight volume, the cavity can also be designed as a merely shielded volume. However, the cavity only has to be "largely" closed, which, in addition to a complete gas-tight closure, can also imply a flow-limited connection between the cavity and the sample gas space. The term "completed" refers to the fact that a gas change, ie a change in the composition of the gas in the Measuring gas space, is not registered by the second electrode or at least delayed, which in the case of a connection between the cavity and the sample gas space, for example by a flow resistance (for example in the form of a narrowed gap, a throttle element, a porous element with a specifically set porosity or similar) can be guaranteed.

Der Begriff des Strömungswiderstands kann dabei grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebige Elemente umfassen, welche einen Gaszutritt bzw. einen Gasaustausch verlangsamen, also neben eine Strömung begrenzenden Elementen auch beispielsweise eine Diffusion begrenzenden Elemente. Besonders bevorzugt ist die Verwendung mindestens eines der folgenden Elemente: ein eine Strömung und/oder Diffusion begrenzender Spalt, insbesondere ein Spalt mit einem im Vergleich zu einer Elektrodenfläche sehr kleinen Strömungsquerschnitt (z. B. einem um mindestens einen Faktor 1/10 oder um mindestens 1/100 kleineren Strömungsquerschnitt); ein Drosselelement; ein poröses Element. In jedem Fall sollte der Gasaustausch zwischen der Umgebung der zweiten Elektrode und dem Messgasraum im Vergleich zu dem Gasaustausch zwischen der Umgebung der ersten Elektrode und dem Messgasraum durch den Strömungswiderstand verzögert sein.Of the Concept of flow resistance can basically in the context of the present invention comprise any elements which slow a gas inlet or a gas exchange, so in addition to a flow limiting elements, for example a diffusion limiting elements. Particularly preferred is the Use at least one of the following elements: a flow and / or diffusion-limiting gap, in particular a gap with a very small compared to an electrode surface Flow cross-section (eg one by at least one factor 1/10 or at least 1/100 smaller flow area); a throttle element; a porous element. In any case should be the gas exchange between the environment of the second electrode and the sample gas space compared to the gas exchange between the Delays the environment of the first electrode and the sample gas space by the flow resistance be.

Der Hohlraum kann entweder ungefüllt ausgeführt sein oder kann auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen Material, beispielsweise einem porösen, gasdurchlässigen keramischen Material wie z. B. grobporigem Al₂O₃, gefüllt sein.The cavity can be either unfilled or can also be wholly or partially with a gas-permeable material, such as a porous, gas-permeable ceramic material such. As coarsely porous Al ₂ O ₃ , be filled.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung der Abschirmung in Form eines Hohlraums kann die Abschirmung der zweiten Elektrode gegenüber dem Messgasraum jedoch auf andere Weise erfolgen. So kann beispielsweise die Abschirmung der zweiten Elektrode gegenüber dem Messgasraum auch dadurch erfolgen, dass diese zweite Elektrode durch eine oder mehrere Abdeckschichten gegenüber dem Messgasraum abgeschirmt ist, beispielsweise durch eine im Wesentlichen gasundurchlässige Abdeckschicht im Sinne der obigen Definition. Die mindestens eine Abdeckschicht kann unmittelbar auf die mindestens eine zweite Elektrode aufgebracht sein, kann aber auch wiederum einen ungefüllten oder ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen Material (beispielsweise einem porösen Material) gefüllten Hohlraum zwischen Elektrode und Abdeckschicht belassen. Die Abdeckschicht kann wiederum für eine vollständige Trennung der zweiten Elektrode von dem Messgasraum sorgen, kann jedoch, alternativ, wiederum auch lediglich eine Abschirmung in Form einer zeitverzögerten Angleichung der Gaszusammensetzung an der zweiten Elektrode an das Gasgemisch in dem Messgasraum sorgen. Beispielsweise kann die Abdeckschicht die zweite Elektrode ganz oder teilweise bedecken und dafür sorgen und beispielsweise porös ausgestaltet sein, so dass die zweite Elektrode mit Zeitverzögerung auf eine Änderung der Gasgemischszusammensetzung in dem Messgasraum reagiert. So können beispielsweise die erste Elektrode und die zweite Elektrode gassymmetrisch angeordnet sein, wobei lediglich die zweite Elektrode durch die zusätzliche Abdeckschicht gegenüber dem Messgasraum abge schirmt ist. Die Möglichkeit der Abschirmung der zweiten Elektrode durch die Abdeckschicht bietet gegenüber der Anordnung der zweiten Elektrode in dem Hohlraum den Vorteil einer vereinfachten Herstellbarkeit und einer Verringerung der Herstellungskosten im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen mit dem Hohlraum.alternative or in addition to the configuration of the shield in Shape of a cavity may be the shield of the second electrode However, compared to the sample gas space done in other ways. For example, the shield opposite the second electrode the measuring gas space also be done by this second electrode through one or more covering layers opposite the measuring gas space is shielded, for example by a substantially gas-impermeable cover layer as defined above. The at least one cover layer can be applied directly to the at least one second electrode, but can also turn an unfilled or whole or partially with a gas-permeable material (for example a porous material) filled cavity between Leave electrode and cover layer. The cover layer can turn for a complete separation of the second electrode from the Gas room provide, but, alternatively, in turn, only a shield in the form of a time-delayed approximation the gas composition at the second electrode to the gas mixture in the measuring gas chamber. For example, the cover layer cover the second electrode in whole or in part and for that care and, for example, be porous, so that the second electrode with time delay to a change the gas mixture composition in the sample gas space reacts. So can For example, the first electrode and the second electrode gas symmetrical be arranged, wherein only the second electrode through the additional covering layer opposite the measuring gas chamber is shielded abge. The possibility of shielding the second Electrode through the cover provides over the Arrangement of the second electrode in the cavity has the advantage of simplified manufacturability and a reduction in manufacturing costs in comparison to the devices known from the prior art with the cavity.

Erfindungsgemäß werden ein Strom und/oder eine Spannung zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode erfasst und aus einem kurzfristigen Anstieg des Stroms und/oder der Spannung (in positiver oder in negativer Richtung) auf eine Änderung der Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum geschlossen. Insbesondere kann aus diesem kurzfristigen Anstieg des Stroms und/oder der Spannung auf einen Wechsel von einem fetten Gasgemisch zu einem mageren Gasgemisch oder umgekehrt geschlossen werden, also auf einen Luftzahlwechsel (d. h. einen Wechsel von λ > 1 nach λ < 1 oder umgekehrt). Unter einem „kurzfristigen Anstieg” ist dabei insbesondere ein Peak zu verstehen, also ein zumindest lokales Extremum (Maximum oder Minimum), also ein Anstieg, gefolgt von einem Abfall, wobei naturgemäß bei einem negativen Anstieg des Stroms und/oder der Spannung zunächst ein Abfall, gefolgt von einem Anstieg, auftritt, was ebenfalls von dem Begriff „Peak” umfasst sein soll.According to the invention a current and / or a voltage between the at least one first Detected electrode and the at least one second electrode and from a short-term increase in current and / or voltage (in positive or negative direction) on a change closed the gas mixture composition in the sample gas space. Especially may be due to this short-term increase in current and / or voltage to a change from a rich gas mixture to a lean gas mixture or vice versa be closed, so on a change in air (i.e., a change from λ> 1 to λ <1 or vice versa). Under a "short-term Increase "is to be understood in particular as a peak, ie an at least local extremum (maximum or minimum), ie one Rise, followed by a fall, naturally occurring at a negative increase of the current and / or voltage first Waste followed by an increase occurs, which is also due to the Term "peak" should be included.

Um diesen kurzfristigen Anstieg zu erreichen, also den beschriebenen Peak, sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren derart eingerichtet, dass eine zeitverzögerte Angleichung einer Gasgemischzusammensetzung an der zweiten Elektrode an eine Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum ermöglicht wird. Unter einer derartigen Angleichung ist dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass sich insbesondere eine nachzuweisende Gaskomponente, beispielsweise Sauerstoff, in ihrer Konzentration bzw. ihrem Partialdruck an der zweiten Elektrode, beispielsweise in dem Hohlraum, mit einer Zeitverzögerung an die Konzentration bzw. den Partialdruck in dem Messgasraum zumindest weitgehend angleicht. Findet also in dem Messgasraum ein Wechsel der Gasgemischzusammensetzung statt, beispielsweise ein Wechsel von einer fetten Gasgemischzusammensetzung hin zu einer mageren Gasgemischzusammensetzung oder umgekehrt, während an der abgeschirmten zweiten Elektrode der Gaszustand zunächst (d. h. für ein kurzes Zeitintervall, welches später die Peakbreite bestimmen kann) keine Änderung der Gasgemischszusammensetzung stattfindet, so ändert dies die Nernst-Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, was als Anstieg in einem Strom und/oder einer Spannung zwischen den beiden Elektroden erfasst wird. Da sich anschließend die Gasgemischzusammensetzung an der zweiten Elektrode an diejenige in dem Messgasraum angleicht, ist dieser Strom bzw. diese Spannung jedoch nur von kurzer Dauer, was in einem Peak resultiert. Dieser Peak wird erfindungsgemäß erfasst, beispielsweise mittels eines Spit zenwertdetektors, eines Diskriminators oder einer ähnlichen elektronischen Schaltung. Hieraus kann auf einen Wechsel in der Gasgemischzusammensetzung geschlossen werden.In order to achieve this short-term increase, ie the peak described, the device according to the invention and the method according to the invention are set up in such a way that a time-delayed adaptation of a gas mixture composition at the second electrode to a gas mixture composition in the measurement gas space is made possible. For the purposes of the present invention, such an approximation means that in particular a gas component to be detected, for example oxygen, in its concentration or its partial pressure at the second electrode, for example in the cavity, with a time delay to the concentration or the Partial pressure in the measuring gas chamber at least largely equalizes. Thus, if there is a change in the gas mixture composition in the measuring gas space, for example a change from a rich gas mixture composition to a lean gas mixture composition or vice versa, ie At the shielded second electrode, the gas state first (ie, for a short time interval which may later determine the peak width), there is no change in the gas mixture composition, this changes the Nernst voltage between the first electrode and the second electrode, which is an increase in one Current and / or a voltage between the two electrodes is detected. Since the gas mixture composition at the second electrode then adjusts to that in the measurement gas space, this current or voltage is only short-lived, which results in a peak. This peak is detected according to the invention, for example by means of a Spit zenwertdetektors, a discriminator or a similar electronic circuit. From this it can be concluded that there is a change in the gas mixture composition.

Die zeitverzögerte Angleichung der Gasgemischzusammensetzung an der zweiten Elektrode an die Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum kann beispielsweise durch mindestens eine der folgenden Maßnahmen ermöglicht werden. So können insbesondere die erste Elektrode und die zweite Elektrode über mindestens einen Widerstand, insbesondere mindestens einen Messwiderstand, kurzgeschlossen werden. Dieser Messwiderstand kann naturgemäß auch den Wert Null annehmen oder zumindest sehr klein sein, beispielsweise im bereich weniger Ohm. Bevorzugt sind beispielsweise Bereiche zwischen 0 Ω und 10 kΩ, insbesondere Bereiche zwischen 10 Ω und 1 kΩ. Über diesen Messwiderstand kann beispielsweise auch eine Spannung abgegriffen werden, welche zugleich einen Strom zwischen den beiden Elektroden erfassen kann. Die Angleichung der Gasgemischzusammensetzung kann dann über den Festelektrolyten erfolgen, also beispielsweise in Form eines Sauerstoffionentransports durch den Festelektrolyten, welcher durch einen Ladungsausgleich über den Messwiderstand ermöglicht wird und welcher durch die Nernst-Spannung zwischen den beiden Elektroden elektrochemisch angetrieben wird.The time-delayed approximation of the gas mixture composition at the second electrode to the gas mixture composition in the Sample gas space, for example, by at least one of the following Measures are allowed. So can in particular the first electrode and the second electrode via at least one resistor, in particular at least one measuring resistor, short-circuited become. This measuring resistor can of course also assume the value zero or at least be very small, for example in the range of less ohms. For example, areas between are preferred 0 Ω and 10 kΩ, especially between areas 10 Ω and 1 kΩ. About this measuring resistor For example, a voltage can be tapped, which at the same time can detect a current between the two electrodes. The approximation of the gas mixture composition can then over take place the solid electrolyte, so for example in the form of a Oxygen ion transport through the solid electrolyte, which by allows charge compensation via the measuring resistor and which by the Nernst voltage between the two electrodes is driven electrochemically.

Alternativ oder zusätzlich kann die zumindest weitgehende Angleichung der Gasgemischzusammensetzung an der zweiten Elektrode, beispielsweise in dem Hohlraum oder zwischen der Abdeckschicht und der zweiten Elektrode, an die Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum, wie oben angedeutet, auch dadurch erfolgen, dass der Messgasraum und die zweite Elektrode zwar weitgehend gegeneinander abgeschlossen sind, jedoch nach wie vor über mindestens eine Verbindung mit einer Gasdurchlässigkeit miteinander verbunden sind. Diese Verbindung ist jedoch vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diese einen derartigen Strömungswiderstand aufweist, derart, dass ein Zustrom bzw. Abstrom des Gases und/oder mindestens einer Gaskomponente (beispielsweise Sauerstoff) durch die Verbindung derart begrenzt ist, dass die Beaufschlagung der zweiten Elektrode mit dem Gas bei einem Wechsel der Gasgemischzusammensetzung gegenüber der Beaufschlagung der ersten Elektrode zeitverzögert erfolgt. In anderen Worten ändert sich die Gasgemischzusammensetzung an der zweiten Elektrode, wenn sich die Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum ändert, mit einer Zeitverzögerung. Diese Zeitverzögerung kann vorzugsweise im Bereich von mindestens einigen Millisekunden bis hin in den Bereich von einigen Sekunden liegen. Auf diese Weise kann, beispielsweise durch Anpassung des Strömungswiderstands, insbesondere auch das Abklingen des Signalpeaks bei einem Wechsel der Gasgemischzusammensetzung beeinflusst werden.alternative or in addition, the at least extensive approximation the gas mixture composition at the second electrode, for example in the cavity or between the cover layer and the second Electrode, to the gas mixture composition in the sample gas space, as indicated above, also take place in that the sample gas space and the second electrode is largely closed against each other are, but still have at least one connection are connected to each other with a gas permeability. These However, connection is preferably designed such that these has such a flow resistance, in such a way that an inflow or outflow of the gas and / or at least one gas component (For example, oxygen) is limited by the compound so is that the admission of the second electrode with the gas at a change of the gas mixture composition over the Applying the first electrode is delayed. In other words, the gas mixture composition changes at the second electrode, when the gas mixture composition in the sample gas chamber changes, with a time delay. This time delay may preferably be in the range of at least a few milliseconds down to the range of some Seconds lie. That way, for example, through customization the flow resistance, especially the decay the signal peak when changing the gas mixture composition to be influenced.

Wie oben beschrieben, können der kurzfristige Anstieg des Stroms und/oder der Spannung insbesondere als Signalpeak registriert werden. Dabei kann insbesondere das Vorzeichen dieses Signalpeaks erfasst werden, da aus diesem Vorzeichen auf eine Richtung der Änderung der Gasgemischzusammensetzung geschlossen werden kann. Der Signalpeak stellt somit beispielsweise zumindest näherungsweise eine „Ableitung” der Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum dar, so dass das Verfahren auch als differenzielles Verfahren bezeichnet werden kann. Es können insbesondere Wechsel in der Gasgemischzusammensetzung sowie deren Richtungen, also beispielsweise ein Wechsel von einer fetten Gasgemischzusammensetzung hin zu einer mageren Gasgemischzusammensetzung oder umgekehrt, erfasst werden. Aus der Richtung der Änderung der Gasgemischzusammensetzung kann, insbesondere von einem Wechsel von einem fetten Zustand in einen mageren Zustand oder umgekehrt, auf den aktuellen Zustand geschlossen werden. So kann beispielsweise das Vorzeichen des jeweils letzten Signalpeaks gespeichert werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Vorrichtung mindestens einen Datenspeicher umfassen, beispielsweise einen Datenspeicher zum speichern eines einzelnen Bits oder „Flags”, um die aktuelle Gasgemischzusammensetzung zu charakterisieren. Insbesondere kann so eine Information darüber gespeichert werden, ob die Gasgemischzusammensetzung sich in einem fetten Zustand oder in einem mageren Zustand befindet. Mit jedem neuen Signalpeak kann dann beispielsweise dieser gespeicherte Wert geändert werden, um den jeweils neuen Zustand zu charakterisieren.As described above, the short-term increase in electricity and / or the voltage can be registered in particular as a signal peak. In particular, the sign of this signal peak can be detected be there from this sign on a direction of change the gas mixture composition can be closed. The signal peak thus represents, for example, at least approximately a "derivative" of Gas mixture composition in the sample gas space, so that the process can also be referred to as a differential method. It can in particular changes in the gas mixture composition and their directions, So for example, a change from a rich gas mixture composition towards a lean gas mixture composition or vice versa become. From the direction of change of the gas mixture composition may, in particular, from a change of a fat state in a lean state or vice versa, to the current state getting closed. For example, the sign of each last signal peaks are stored. For this purpose, for example the device comprises at least one data memory, for example one Data memory for storing a single bit or "flags", to characterize the current gas mixture composition. In particular, can Such information is stored about whether the Gas mixture composition in a rich state or in a is in a meager condition. For example, with each new signal peak this stored value will be changed to the respective one characterize new condition.

Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung beispielsweise eine Steuerung umfassen, in welcher der Speicher integriert ist. Beispielsweise kann dieser Speicher Bestandteil einer zentralen Motorsteuerung sein, in welcher nunmehr ein Speicherelement (beispielsweise ein flüchtiger und/oder ein nicht-flüchtiger Speicher) vorgesehen wird, um den jeweils aktuellen Wert der Gasgemischzusammensetzung, beispielsweise der Luftzahl, zu speichern. So kann beispielsweise ein Flag gesetzt werden, welches eine Information darüber beinhaltet, ob sich die Gasgemischzusammensetzung aktuell in einem fetten oder in einem mageren Zustand befindet, welches mit jedem neuen registrierten Peak aktualisiert bzw. geändert werden kann. Die Vorrichtung kann weiterhin, wie oben beschrieben, eine entsprechende Vorrichtung zur Registrierung der Peaks beinhalten, welche ebenfalls ganz oder teilweise in der Motorsteuerung vorgesehen sein kann, wobei diese Vorrichtung naturgemäß auch als separate Einrichtung ausgestaltet sein kann. Die Steuerung kann insbesondere programmtechnisch eingerichtet sein, um das beschriebene Verfahren durchzuführen.For this purpose, the device may for example comprise a controller in which the memory is integrated. For example, this memory may be part of a central engine control, in which now a memory element (for example, a volatile and / or a non-volatile ger memory) is provided in order to store the current value of the gas mixture composition, for example, the air ratio. For example, a flag may be set that includes information about whether the gas mixture composition is currently in a rich or lean state that can be updated with each new registered peak. The device may furthermore, as described above, include a corresponding device for registering the peaks, which may likewise be provided wholly or partly in the motor control, whereby this device may of course also be designed as a separate device. In particular, the controller can be set up in terms of programming in order to carry out the described method.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere derart erweitert werden, dass dieses nicht nur die Gasgemischzusammensetzung charakterisiert bzw. bestimmt, sondern auch aktiv Einfluss auf diese Gasgemischzusammensetzung nimmt. Insbesondere lässt sich zu diesem Zweck das Verfahren um eine Zweipunktregelung erweitern, um, entsprechend der Information über die Gasgemischzusammenset zung, eine Konzentration einer Gaskomponente in dem Gas einzustellen. Insbesondere kann eine Einstellung auf eine Luftzahl λ = 1 mittels einer derartigen Zweipunktregelung erfolgen. Derartige Zweipunktregelungen werden bereits heute im Zusammenhang mit Sprungsonden in der Automobiltechnik eingesetzt. Beispielsweise kann mittels des Verfahrens gezielt auf die Motorsteuerung eingewirkt werden, um die Gasgemischzusammensetzung von fett nach mager oder umgekehrt zu ändern. Wird beispielsweise erkannt, dass sich das Gasgemisch im fetten Luftzahlbereich befindet, so kann gezielt Einfluss auf die Motorsteuerung bzw. eine Luftzufuhr zu einem Verbrennungsmotor und/oder eine geregelte Kraftstoffeinspritzung genommen werden, so dass das Gasgemisch magerer wird, solange bis wieder ein Wechsel von einer fetten Luftzahl hin zu einer mageren Luftzahl in Form eines entsprechenden Peaks registriert wird. Umgekehrt kann, wie festgestellt wird, dass sich die Luftzahl im mageren Bereich bewegt, das Gasgemisch fetter ausgestaltet wird, beispielsweise durch eine Reduzierung der Frischluftzufuhr zu dem Verbrennungsmotor und/oder eine Änderung der Kraftstoffeinspritzung, solange, bis wiederum ein Wechsel vom mageren Luftzahlbereich in den fetten Luftzahlbereich registriert wird. Auf diese Weise kann mittels der genannten Zweipunktregelung eine Regelung auf einen Wert um λ = 1 erfolgen.The in particular, the method according to the invention can be so be extended, that this not only the gas mixture composition characterized or determined, but also actively influence this Gas mixture composition increases. In particular, can be for this purpose, extend the procedure by a two-step system, um, according to the information about the gas mixture composition, to adjust a concentration of a gas component in the gas. In particular, a setting on an air ratio λ = 1 done by means of such a two-step control. Such two-point regulations Already today are associated with jump probes in automotive technology used. For example, by means of the method targeted the engine control be acted upon to the gas mixture composition change from bold to lean or vice versa. For example recognized that the gas mixture is in the rich air range, This can have a specific influence on the engine control or an air supply to an internal combustion engine and / or a regulated fuel injection be taken so that the gas mixture is leaner until Again, a change from a fat air to a lean Air ratio is registered in the form of a corresponding peak. Vice versa It can be said that the air ratio is in the lean range moves, the gas mixture is made richer, for example by reducing the supply of fresh air to the internal combustion engine and / or a change in fuel injection, as long as, until in turn a change from the lean air range in the rich air range is registered. In this way, by means of said two-step control a control to a value by λ = 1 done.

Um einen undefinierten Ausgangszustand zu vermeiden, also eine anfängliche Unkenntnis darüber, ob sich das Gasgemisch beispielsweise in einem fetten Luftzahlbereich oder in einem mageren Luftzahlbereich befindet, bestehen verschiedene Möglichkeiten. Eine erste Möglichkeit besteht darin, die beim Anlassen eines Motors üblicherweise häufig auftretenden Luftzahlwechsel zu nutzen, welche in den meisten Fällen unvermeidlich sind und welche zu entsprechenden Peaks in dem genannten Verfahren führen. Auf diese Weise ist in aller Regel, sobald das Verfahren bzw. eine Zweipunktregelung beginnt, bereits mindestens ein Peak aufgetreten, aus welchem auf die aktuelle Gasgemischzusammensetzung bzw. Luftzahl geschlossen werden kann, insbesondere unter Ausnutzung des Vorzeichens dieses Peaks. Alternativ oder zusätzlich kann auch gezielt bzw. gesteuert eine bestimmte Gasgemischzusammensetzung herbeigeführt werden, beispielsweise indem gezielt eine Luftzahl erhöht oder erniedrigt wird, solange, bis ein Peak auftritt. Erfolgt beispielsweise nach einer vorgegebenen Erhöhung noch kein Peak, so kann die Richtung der Veränderung der Gasgemischzusammensetzung gewechselt werden, im Rahmen eines „Trial and Error”-Verfahrens, solange bis ein Peak registriert wird. Auf diese Weise kann eine anfängliche Unsicherheit über den Zustand vermieden werden.Around to avoid an undefined initial state, ie an initial one Ignorance of whether the gas mixture, for example in a rich air range or in a lean air range There are several possibilities. A first Possibility is that when starting an engine usually to use frequently occurring changes in air exchange, which in the most cases are unavoidable and which ones are appropriate Leading peaks in said process. In this way is usually as soon as the procedure or a two-step control begins, at least one peak has already occurred from which the current gas mixture composition or air ratio closed can be, in particular taking advantage of the sign of this Peaks. Alternatively or additionally, also targeted or controlled a certain gas mixture composition brought about be, for example by specifically increasing an air ratio or decreased until a peak occurs. For example, it does a given increase still no peak, so the Direction of change of the gas mixture composition as part of a "Trial and Error" procedure, until a peak is registered. This way a can initial uncertainty about the condition avoided become.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen betreffen die Ausgestaltung des Hohlraums, in welchem die mindestens eine zweite Elektrode angeordnet ist. So kann dieser mindestens eine Hohlraum beispielsweise im Inneren des Sensorelements angeordnet sein, so dass sich die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Festelektrolyten befinden können. Unter „im Inneren” des Sensorelements ist dabei zu verstehen, dass die beiden Elektroden durch mindestens eine Festelektrolytschicht getrennt sind, wobei sich beispielsweise die erste Elektrode auf der Oberfläche des Sensorelements befinden kann und die zweite Elektrode in einer tieferen Schicht des Sensorelements.Further advantageous embodiments relate to the embodiment of the cavity in which the at least one second electrode is arranged is. So this can at least one cavity, for example, inside be arranged of the sensor element, so that the at least a first electrode and the at least one second electrode, for example on opposite sides of the at least one solid electrolyte can be located. Under "inside" the Sensor element is to be understood that the two electrodes are separated by at least one solid electrolyte layer, wherein for example, the first electrode on the surface of the Sensor element can be located and the second electrode in a deeper Layer of the sensor element.

Alternativ oder zusätzlich können die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode jedoch auch in gleichen Schichtebenen angeordnet sein. So kann beispielsweise die mindestens eine zweite Elektrode ebenfalls auf der Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein und gegenüber dem Messgasraum durch mindestens eine gasundurchlässige Abdeckschicht oder eine den Gaszufluss begrenzende bzw. zeitlich verzögernde Abdeckschicht getrennt sein. Beispielsweise kann diese Abdeckschicht auf die mindestens eine zweite Elektrode aufgedruckt werden, was fertigungstechnisch besonders einfach zu realisieren ist. Des weiteren ist für das grundlegende Funktionsprinzip keine definierte, exakte Abdeckschicht erforderlich, da lediglich eine zeitliche Verzögerung der Gasangleichung an der zweiten Elektrode erforderlich ist. Dies impliziert eine einfachere Herstellung sowie eine Verringerung der Herstellungskosten. Vorzugsweise kann jedoch auch eine Optimierung des Messverfahrens bzw. der Vorrichtung durch eine definierte Ausgestaltung der Abdeckschicht durchgeführt werden.Alternatively or additionally, however, the at least one first electrode and the at least one second electrode may also be arranged in the same layer planes. Thus, for example, the at least one second electrode may likewise be arranged on the surface of the sensor element and be separated from the measuring gas space by at least one gas-impermeable covering layer or a covering layer which delimits or delays the gas flow. For example, this cover layer can be printed on the at least one second electrode, which is particularly easy to implement in terms of manufacturing technology. Furthermore, no defined, exact covering layer is required for the basic functional principle, since only a time delay of the gas equalization at the second electrode is required. This implies a simpler manufacture and a reduction in manufacturing costs. virtue However, an optimization of the measuring method or the device can be carried out by a defined embodiment of the cover layer.

Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. So lässt sich insbesondere der Aufbau des Sensorelements gegenüber herkömmlichen Sensorelementen stark vereinfachen. Weiterhin lassen sich Referenzluftkanäle, welche in der Praxis schwer zu realisieren sind und in der Regel hohe Fertigungstoleranzen aufweisen, vermeiden. Es ist lediglich eine Abschirmung der zweiten Elektrode gegenüber dem Messgasraum, beispielsweise mittels mindestens einer Abdeckschicht und/oder mindestens eines Hohlraums, erforderlich, wobei der Hohlraum jedoch nicht notwendigerweise mit einem Referenzgasraum, beispielsweise einer Luftumgebung einer Brennkraftmaschine, verbunden sein muss. Zudem lassen sich, gegenüber bekannten Sensorelementen mit Referenzluftkanälen, Vergiftungserscheinungen der Referenzelektroden vermeiden. Derartige Vergiftungen können beispielsweise auftreten, wenn Fettgase von außen, beispielsweise von einem Motorraum, durch den Referenzluftkanal zur Referenzelektrode vordringen. Da im vorliegenden Fall der Hohlraum bzw. die abgeschirmte Umgebung der zweiten Elektrode erfindungsgemäß abgeschlossen sein kann, ist das Auftreten derartiger Vergiftungen unwahrscheinlich. Zudem kommt es auf das absolute Elektrodenpotential der zweiten Elektrode, welche gegenüber dem Messgasraum abgeschirmt ist, im Wesentlichen nicht an, da lediglich Änderungen in der Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode registriert werden. Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung sind somit gegenüber herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen äußerst robust und unempfindlich gegenüber Störungen und einfach und kostengünstig realisierbar. Es wird eine Detektion insbesondere des Lambda-Sprunges ohne Verwendung von Referenzluftkanälen ermöglicht und somit eine Realisierung einer effizienten und dennoch einfachen Zweipunkt-Lambda-Regelung bewerkstelligt. Auch messtechnisch lassen sich das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung einfacher umsetzen als viele vergleichbare Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise gemäß der DE 102 19 881 A1 . So kann beispielsweise eine vereinfachte Auswertungsschaltung eingesetzt werden, welche lediglich eine Vorrichtung zur Spannungsmessung beinhaltet, jedoch nicht notwendigerweise eine Stromquelle oder eine Spannungsquelle.The proposed method and apparatus have numerous advantages over known methods and apparatus. In particular, the structure of the sensor element can be greatly simplified compared to conventional sensor elements. Furthermore, reference air channels, which are difficult to realize in practice and generally have high manufacturing tolerances, can be avoided. It is merely a shielding of the second electrode relative to the sample gas space, for example by means of at least one cover layer and / or at least one cavity required, the cavity, however, does not necessarily have to be connected to a reference gas space, such as an air environment of an internal combustion engine. In addition, with respect to known sensor elements with reference air channels, poisoning phenomena of the reference electrodes can be avoided. Such poisonings can occur, for example, when fat gases from the outside, for example from an engine compartment, penetrate through the reference air channel to the reference electrode. Since in the present case the cavity or the shielded environment of the second electrode can be completed according to the invention, the occurrence of such poisonings is unlikely. In addition, the absolute electrode potential of the second electrode, which is shielded from the measuring gas space, essentially does not matter, since only changes in the potential difference between the first electrode and the second electrode are registered. The proposed method and the proposed device are thus compared to conventional methods and devices extremely robust and insensitive to interference and easy and inexpensive to implement. It is possible to detect, in particular, the lambda jump without the use of reference air ducts and thus accomplish an implementation of an efficient yet simple two-point lambda control. Also metrologically, the proposed method and the proposed device can be implemented more easily than many comparable methods and devices of the prior art, such as in accordance with DE 102 19 881 A1 , Thus, for example, a simplified evaluation circuit may be used, which only includes a device for measuring voltage, but not necessarily a current source or a voltage source.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 1 ein Beispiel einer dem Stand der Technik entsprechenden Sprungsonde mit einem Referenzluftkanal; 1 1 an example of a prior art jump probe with a reference air duct;

2 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform; 2 a schematic structure of a device according to the invention in a first embodiment;

2.1 einen schematischen Aufbau einer zu 2 analogen zylindrischen Ausführungsform; 2.1 a schematic structure of a 2 analog cylindrical embodiment;

3 einen zu 2 alternativen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; 3 one too 2 alternative schematic structure of a device according to the invention in a second embodiment;

3.1 einen schematischen Aufbau einer zu 3 analogen zylindrischen Ausführungsform; 3.1 a schematic structure of a 3 analog cylindrical embodiment;

4 einen schematischen Verlauf der Nernst-Spannung und des Sauerstoffpartialdrucks an einem Sensorelement gemäß den 2 oder 3; 4 a schematic profile of the Nernst voltage and the oxygen partial pressure at a sensor element according to the 2 or 3 ;

5 einen Signalverlauf an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu einer herkömmlichen Breitbandsonde; und 5 a waveform on a device according to the invention in comparison with a conventional broadband probe; and

6 einen schematischen Gesamtaufbau einer an einer Brennkraftmaschine eingesetzten erfindungsgemäßen Vorrichtung. 6 a schematic overall construction of a device according to the invention used on an internal combustion engine.

In 1 ist stark schematisiert ein Aufbau eines dem Stand der Technik entsprechenden Sensorelements 110 dargestellt. Dieses Sensorelement 110 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Sprungsonde ausgestaltet und lässt sich beispielsweise zur Regelung der Gemischbildung in einem Verbrennungsmotor auf einen Punkt mit λ = 1 einsetzen, beispielsweise mit einer Zweipunkt-Regelungsstrategie (fett/mager). Das Sensorelement 110 weist eine erste Elektrode 112, eine zweite Elektrode 114 und einen die beiden Elektroden 112, 114 verbindenden Festelektrolyten 116 auf, welcher beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) umfassen kann. Die beiden Elektroden 112, 114 und der Festelektrolyt 116 bilden zusammen eine Nernstzelle 118. Während die erste Elektrode 112 über eine Schutzschicht 120, beispielsweise eine Schutzschicht 120 aus porösem, gasdurchlässigem Aluminiumoxid, unmittelbar einem Gas in einem Messgasraum 122 ausgesetzt ist, ist die zweite Elektrode 114 in einem Referenzluftkanal 124 angeordnet. Dieser Referenzluftkanal 124 ist beispielsweise mit einem Außenraum der Brennkraftmaschine verbunden, beispielsweise einem Motorraum, in welchem beispielsweise ein bekannter Sauerstoff-Partialdruck herrscht. Weiterhin ist in dem bekannten Sensorelement 110 ein Heizelement 126 vorgesehen, welches von einer Isolationsschicht 128 umgeben ist und mittels dessen die Temperatur der Nernstzelle 118 auf eine optimale Arbeitstemperatur (beispielsweise eine Betriebstemperatur von 600 bis 700°C) einstellbar ist.In 1 is highly schematic a structure of a prior art sensor element 110 shown. This sensor element 110 is designed in the illustrated embodiment as a jump probe and can be used, for example, to control the mixture formation in an internal combustion engine to a point with λ = 1, for example, with a two-point control strategy (bold / lean). The sensor element 110 has a first electrode 112 , a second electrode 114 and one the two electrodes 112 . 114 connecting solid electrolyte 116 which may include, for example, yttrium-stabilized zirconia (YSZ). The two electrodes 112 . 114 and the solid electrolyte 116 together form a Nernst cell 118 , While the first electrode 112 over a protective layer 120 , For example, a protective layer 120 made of porous, gas-permeable alumina, directly a gas in a sample gas space 122 exposed is the second electrode 114 in a reference air channel 124 arranged. This reference air channel 124 For example, it is connected to an external space of the internal combustion engine, for example an engine compartment in which, for example, a known partial pressure of oxygen prevails. Farther is in the known sensor element 110 a heating element 126 provided, which of an insulation layer 128 surrounded and by means of which the temperature of the Nernst cell 118 to an optimum working temperature (for example, an operating temperature of 600 to 700 ° C) is adjustable.

Die in 1 gezeigte Sprungsonde basiert auf der Nernst-Konzentrationszelle, die sich hier aus den beiden Elektroden 112, 114 (beispielsweise Platin-Elektroden) und dem Festelektrolyten 116 zusammensetzt. Der Festelektrolyt 116 weist bei einer Betriebstemperatur von ca. 600 bis 700°C eine hohe Sauerstoffionenleitfähigkeit auf. Die dafür notwendige Wärme wird durch das integrierte Heizelement 126 in das System eingebracht. Während an der als Referenzelektrode dienenden zweiten Elektrode 114, entsprechend der Zusammensetzung von Luft, ein Sauerstoffpartialdruck von pO₂ ^R von 0,21 bar herrscht, herrscht in dem Messgasraum 122 ein Sauerstoff-Partialdruck pO₂ ^A, welcher von der Luftzahl des Gases in dem Messgasraum 122 abhängt. Herrscht beispielsweise in dem Referenzluftkanal 124 ein Überschuss an Sauerstoff im Vergleich zu dem Messgasraum 122, so werden an der Referenzelektrode 114, die einem höheren Sauerstoffpartialdruck ausgesetzt ist, vermehr Sauerstoffanionen in das Kristallgitter des Festelektrolyten 116 eingebaut. Aufgrund des starken Konzentrationsgefälles der Sauerstoffionen zwischen den Elektroden wandern diese Sauerstoffionen zur Außenelektrode 112. Da, je nach Art des Materials des Festelektrolyten 116, beispielsweise nur die Diffusion von Sauerstoffanionen durch den Festelektrolyten möglich ist, findet eine Reduktionsreaktion an der zweiten Elektrode 114, welche hier als Kathode wirkt, statt: ½O₂ + 2e^– = O^2– (1). In the 1 The jumping probe shown is based on the Nernst concentration cell, which consists of the two electrodes 112 . 114 (For example, platinum electrodes) and the solid electrolyte 116 composed. The solid electrolyte 116 has a high oxygen ion conductivity at an operating temperature of about 600 to 700 ° C. The necessary heat is provided by the integrated heating element 126 introduced into the system. While on the second electrode serving as a reference electrode 114 , according to the composition of air, an oxygen partial pressure of pO ₂ ^R of 0.21 bar prevails, prevails in the sample gas space 122 an oxygen partial pressure pO ₂ ^A , which of the air ratio of the gas in the sample gas space 122 depends. Dominates, for example, in the reference air channel 124 an excess of oxygen compared to the sample gas space 122 , so be on the reference electrode 114 , which is exposed to a higher oxygen partial pressure, more oxygen anions in the crystal lattice of the solid electrolyte 116 built-in. Due to the strong concentration gradient of the oxygen ions between the electrodes, these oxygen ions migrate to the outer electrode 112 , There, depending on the type of material of the solid electrolyte 116 For example, only the diffusion of oxygen anions through the solid electrolyte is possible, finds a reduction reaction at the second electrode 114 , which acts as a cathode here, instead of: ½O ₂ + 2e ^- = O ^2- (1).

An der als Außenelektrode wirkenden ersten Elektrode 112 findet eine Oxidationsreaktion statt. Hierbei werden die Sauerstoffionen aus dem Kristallgitter ausgebaut und reagieren unter der Abgabe von zwei Elektronen zu molekularem Sauerstoff: O² = ½O₂ + 2e^– (2). At the first electrode acting as outer electrode 112 an oxidation reaction takes place. Here, the oxygen ions are removed from the crystal lattice and react with the release of two electrons to molecular oxygen: O ² = ½O ₂ + 2e ^- (2).

Folglich tritt an der zweiten Elektrode 114 ein Elektronenmangel und der Außenelektrode 112 ein Elektronenüberschuss auf, welcher zu einem elektrischen Feld innerhalb der Nernstzelle 118 führt. Die aus dem elektrischen Feld resultierende Kraft auf die Sauerstoffionen wirkt der Diffusionskraft entgegen. In dem Punkt, in dem die wirkenden Kräfte betraglich gleich sind, ist das elektrochemische Gleichgewicht erreicht. Entsprechend der elektrischen Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 112 (Anode) und der zweiten Elektrode 114 (Kathode) lässt sich eine dem Sauerstoffpartialdruck im Messgasraum 122 zugehörige Spannung messen:

Consequently, occurs at the second electrode 114 an electron deficiency and the outer electrode 112 an electron surplus, which leads to an electric field within the Nernst cell 118 leads. The force resulting from the electric field on the oxygen ions counteracts the diffusion force. In the point where the acting forces are equal in magnitude, the electrochemical equilibrium is reached. According to the electric potential difference between the first electrode 112 (Anode) and the second electrode 114 (Cathode) can be a oxygen partial pressure in the sample gas space 122 measure the corresponding voltage:

Dabei bezeichnet R die Gaskonstante, T die Temperatur in Kelvin, z die Ladung der Sauerstoffionen und F die Farraday-Konstante.there R denotes the gas constant, T the temperature in Kelvin, z the Charge of oxygen ions and F the Farraday constant.

Da sich der Sauerstoffpartialdruck in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses um mehrere Größenordnungen ändert, ergibt sich eine steile Kennlinie der Nernst-Spannung an der Nernstzelle 118 im Bereich von λ = 1. Diese Kennlinie ist in 4 dargestellt. Dabei bezeichnet die Kurve 130 die Nernst-Spannung U_N (linke Achse) und die Kurve 132 die den Sauerstoffpartialdruck pO₂ in dem Messgasraum 122 (rechte Achse). Am Übergang zwischen dem fetten Bereich 134 (λ < 1) und dem mageren Bereich 136 (λ > 1) ergibt sich ein steiler Sprung in der Nernst-Spannung 130 von ca. 900 mV.Since the oxygen partial pressure in the vicinity of the stoichiometric air / fuel ratio changes by several orders of magnitude, there is a steep characteristic of the Nernst voltage at the Nernst cell 118 in the range of λ = 1. This characteristic is in 4 shown. The curve indicates 130 the Nernst voltage U _N (left axis) and the curve 132 the oxygen partial pressure pO ₂ in the measuring gas space 122 (right axis). At the transition between the fat area 134 (λ <1) and the lean region 136 (λ> 1) results in a steep jump in the Nernst voltage 130 of about 900 mV.

Das in 1 dargestellte, dem Stand der Technik entsprechende Sensorelement 110 mit dem Referenzluftkanal 124 weist die oben beschriebenen Nachteile eines komplexen Aufbaus, einer problematischen Stabilität des Referenzluftkanals 124 sowie einer möglichen Referenzluftkanalvergiftung durch Eindringen von Fettgasen in den Referenzluftkanal 124 auf. In 2 ist hingegen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 138 in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einer Schnittdarstellung ähnlich zur Darstellung in 1 gezeigt. Die Vorrichtung 138 umfasst ein Sensorelement 110 sowie eine Steuerung 140. Die Steuerung 140 kann ganz oder teilweise, wie oben beschrieben, Bestandteil einer Motorsteuerung sein.This in 1 illustrated, the prior art corresponding sensor element 110 with the reference air channel 124 has the above-described disadvantages of a complex structure, a problematic stability of the reference air channel 124 and a possible reference air channel poisoning by the ingress of fat gases in the reference air channel 124 on. In 2 on the other hand is a device according to the invention 138 in a first embodiment according to the invention in a sectional view similar to the representation in FIG 1 shown. The device 138 includes a sensor element 110 and a controller 140 , The control 140 may be wholly or partially, as described above, part of a motor control.

Das Sensorelement 110 entspricht in seinem Aufbau zunächst weitgehend dem Aufbau des Sensorelements 110 gemäß 1. Insofern kann bezüglich der möglichen Ausgestaltungen und Elemente weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Wiederum sind eine erste Elektrode 112, eine zweite Elektrode 114 und ein die beiden Elektroden 112, 114 verbindender Festelektrolyt 116 vorgesehen, welche gemeinsam ein Nernstzelle 118 bilden. Die Arbeitstemperatur dieser Nernstzelle kann wiederum durch ein Heizelement 126 eingestellt werden. Die erste Elektrode 116 ist wiederum dem Gas im Messgasraum 122 ausgesetzt, beispielsweise einem Abgas. Diese Elektrode kann somit auch als äußere Sensorelektrode, ASE, bezeichnet werden. Die zweite Elektrode 114 ist wiederum in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren des Sensorelements 110 angeordnet und kann somit als innere Sensorelektrode, ISE, bezeichnet werden.The sensor element 110 In its construction initially corresponds largely to the structure of the sensor element 110 according to 1 , In this respect, with regard to the possible embodiments and elements can be largely referenced to the above description. Again, a first electrode 112 , a second electrode 114 and one the two electrodes 112 . 114 connecting solid electrolyte 116 provided, which together a Nernst cell 118 form. The working temperature of this Nernst cell can in turn be controlled by a heating element 126 be set. The first electrode 116 is in turn the gas in the sample gas space 122 exposed, for example, an exhaust gas. This electrode can thus also be referred to as external sensor electrode, ASE. The second electrode 114 is again in the illustrated embodiment in the interior of the sensor element 110 arranged and can thus be referred to as the inner sensor electrode, ISE.

Im Gegensatz zu dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist jedoch die zweite Elektrode 114 in einem Hohlraum 142 angeordnet. Der Hohlraum 142 kann allgemein entweder vollständig materialfrei sein oder ein Gas enthalten oder kann, alternativ oder zusätzlich, auch ganz oder teilweise durch eine poröses Material gefüllt sein. Der Hohlraum 142 muss gegenüber dem Messgasraum 122, wie oben beschrieben, nicht vollständig gasdicht abgedichtet sein, sondern es muss lediglich eine zeitverzögerte Reaktion der Hohlraumatmosphäre auf einen Wechsel der Gasgemischzusammensetzung im Messgasraum 122 erfolgen. Es ist weder eine vollständig gasdichte Ausgestaltung des Hohlraums 142 erforderlich, noch muss ein geometrisch exaktes Volumen des Hohlraums 142 erreicht werden, da bei dem im folgenden beschriebenen Messprinzip keine konstante exakte Referenz notwendig ist, sondern lediglich ein differenzielles Verfahren eingesetzt wird. Dies ermöglicht einen stark vereinfachten Herstellungsprozess mit relativ hohen Toleranzen.In contrast to the prior art embodiment according to 1 however, it is the second electrode 114 in one cavity 142 arranged. The cavity 142 may generally either be completely free of material or contain a gas or may, alternatively or additionally, also be completely or partly filled by a porous material. The cavity 142 must be opposite the sample gas chamber 122 as described above, not be sealed completely gas-tight, but it must only a delayed reaction of the cavity atmosphere on a change of the gas mixture composition in the sample gas space 122 respectively. It is neither a completely gastight embodiment of the cavity 142 necessary, nor must a geometrically exact volume of the cavity 142 be achieved, since in the measuring principle described below, no constant exact reference is necessary, but only a differential method is used. This allows a greatly simplified manufacturing process with relatively high tolerances.

In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 110 als planares Sensorelement mit einem ebenen Schichtaufbau ausgestaltet. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich. So zeigt 2.1 ein zu 2 alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 138 mit einem Beispiel eines zylindrischen Sensorelements 110. Der Aufbau und die Funktionsweise sind im Wesentlichen analog zu 2, so dass weitgehend auf die obigen Ausführungen verwiesen werden kann. Im Gegensatz zu 2 ist jedoch der Festelektrolyt 116 in Form eines Hohlzylinders realisiert. Dieser Hohlzylinder kann beispielsweise wiederum einen Hohlstab aus Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid umfassen. Im Inneren des hohlzylindrischen Festelektrolyten 116 ist der Hohlraum 142 ausgebildet, in welchen die zweite Elektrode 114 eingebracht ist. Der Hohlraum 142 kann beispielsweise wieder vollständig ungefüllt ausgestaltet sein oder kann auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, beispielsweise porösen Material ausgefüllt sein. Dabei ist der Hohlzylinder vorzugsweise derart ver schlossen, beispielsweise an beiden Enden, dass der Hohlraum 142 zum Messgasraum 122 hin und vorzugsweise auch zu einem Umgebungsraum, beispielsweise einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs und/oder einem Steckeranschluss der Vorrichtung 138 bzw. des Sensorelements 110 zumindest weitgehend abgeschlossen ist. Dies kann durch ein Verschließen der Enden des Hohlzylinders technisch vergleichsweise leicht realisiert werden. Auf der äußeren Umfangsfläche des Hohlzylinders sind die Heizelemente 126 und die Isolationsschichten 128 angeordnet. Weiterhin ist dort die erste Elektrode 112 auf den Festelektrolyten 116 aufgebracht, welche unmittelbar dem Messgasraum 122 ausgesetzt sein kann, welche jedoch auch wiederum durch eine einfache poröse Schutzschicht 120 abgedeckt sein kann.In the in 2 illustrated embodiment, the sensor element 110 designed as a planar sensor element with a flat layer structure. However, this is not necessarily required. So shows 2.1 one too 2 alternative embodiment of the device 138 with an example of a cylindrical sensor element 110 , The structure and operation are essentially analogous to 2 , so that reference can be made largely to the above statements. In contrast to 2 is however the solid electrolyte 116 realized in the form of a hollow cylinder. For example, this hollow cylinder may again comprise a hollow rod of yttria-stabilized zirconia. Inside the hollow cylindrical solid electrolyte 116 is the cavity 142 formed, in which the second electrode 114 is introduced. The cavity 142 For example, it can again be configured completely unfilled or can also be completely or partially filled with a gas-permeable, for example porous material. In this case, the hollow cylinder is preferably closed ver so, for example, at both ends that the cavity 142 to the sample gas chamber 122 towards and preferably also to an ambient space, for example an engine compartment of a motor vehicle and / or a plug connection of the device 138 or the sensor element 110 at least largely completed. This can be technically comparatively easily realized by closing the ends of the hollow cylinder. On the outer peripheral surface of the hollow cylinder are the heating elements 126 and the insulation layers 128 arranged. Furthermore, there is the first electrode 112 on the solid electrolyte 116 applied, which directly to the sample gas space 122 However, which in turn can be exposed by a simple porous protective layer 120 can be covered.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 138 dargestellt, bei welchem die beiden Elektroden 112, 114 in der gleichen Schichtebene angeordnet sind. In diesem Fall sind die beiden Elektroden 112, 114 auf der Oberfläche des Sensorelements angeordnet, also dem Messgasraum 122 zuweisend. In diesem Fall kann also auch die zweite Elektrode 114 auf der Oberfläche des Sensorelements 110 beispielsweise aufgedruckt sein, beispielsweise durch Aufdrucken einer entsprechenden Platin-Paste auf ein YSZ-Substrat. Der Hohlraum 142 ist somit nicht im Inneren des Sensorelements angeordnet, sondern kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass auf die zweite Elektrode 114 eine gasundurchlässige Schicht 144 aufgedruckt wird, welche den Hohlraum 142 in Form eines kleinen Spalts oberhalb der zweiten Elektrode 114 freilässt. Da es, wie oben beschrieben, auf das exakte Volumen dieses Hohlraums 142 im Wesentlichen nicht ankommt, kann dieser Spalt beispielsweise durch übliche Fertigungstoleranzen erzeugt werden. Gegebenenfalls kann somit die gasundurchlässige Schicht 144 auch direkt auf die zweite Elektrode 114 gedruckt werden, da im realen Herstellungsprozess meist ein geringer Spalt zwischen der Elektrode und der Abdeckschicht entsteht, bzw. dieser Spalt kann gezielt durch die verwendeten Material- und Herstellungsparameter eingestellt werden. Wie oben dargestellt, ist unter einer „gasundurchlässigen” Schicht 144 dabei auch eine Schicht mit umfasst, welche zwar einen geringfügigen Durchtritt des Gases durch die Schicht 144 ermöglicht, welcher jedoch zeitverzögert zu einer Änderung der Gasgemischzusammensetzung im Messgasraum 122 erfolgt. Der Durchtritt einen Gases kann in weiteren Ausführungsformen auch gezielt genutzt werden, um eine Beschleunigung des Ansprechverhaltens des Sensorelements 110 zu erreichen.In 3 is another embodiment of a device according to the invention 138 shown, in which the two electrodes 112 . 114 are arranged in the same layer plane. In this case, the two electrodes 112 . 114 arranged on the surface of the sensor element, ie the sample gas space 122 zuweisend. In this case, so can the second electrode 114 on the surface of the sensor element 110 For example, be printed, for example by printing a corresponding platinum paste on a YSZ substrate. The cavity 142 is thus not arranged in the interior of the sensor element, but can for example be generated by the fact that the second electrode 114 a gas impermeable layer 144 imprinting the cavity 142 in the form of a small gap above the second electrode 114 leaves free. Since, as described above, on the exact volume of this cavity 142 essentially does not matter, this gap can be generated for example by conventional manufacturing tolerances. Optionally, thus, the gas-impermeable layer 144 also directly to the second electrode 114 are printed, since in the real manufacturing process usually a small gap between the electrode and the cover layer is formed, or this gap can be selectively adjusted by the material and manufacturing parameters used. As shown above, under a "gas impermeable" layer 144 It also includes a layer which, although a slight passage of the gas through the layer 144 allows, however, which delayed in time to a change in the gas mixture composition in the sample gas space 122 he follows. The passage of a gas can also be used selectively in further embodiments in order to accelerate the response of the sensor element 110 to reach.

Weiterhin ist in 3 wiederum symbolisch die Steuerung 140 dargestellt. Diese Steuerung umfasst eine Messanordnung 146, welche auch bei dem Aufbau gemäß 2 realisiert werden kann. Bei dieser Messanordnung 146, welche ganz oder teilweise beispielsweise wiederum unmittelbar am Sensorelement 110 und/oder ganz oder teilweise dezentralisiert an einer zentralen Motorsteuerung reali siert werden kann, werden die beiden Elektroden 112, 114 über einen Messwiderstand 148, beispielsweise einen ohmschen Messwiderstand 148 (in 3 mit R_L bezeichnet) verbunden. Dieser Messwiderstand 148 kann beispielsweise einen ohmschen Widerstand von 1 kΩ aufweisen, kann jedoch auch sehr klein sein, bis hin zum Kurzschluss. Weiterhin ist eine Spannungsmessvorrichtung 150 vorgesehen, welche die Spannung zwischen den beiden Elektroden 112, 114 misst, die in 3 mit U_LSF-AR bezeichnet ist. Diese Spannung fällt über dem Messwiderstand 148 ab, so dass diese gleichzeitig einen Strom zwischen den Elektroden 112, 114 charakterisiert.Furthermore, in 3 again symbolic the control 140 shown. This control comprises a measuring arrangement 146 , which also in the structure according to 2 can be realized. In this measuring arrangement 146 , which in whole or in part, for example, again directly on the sensor element 110 and / or decentralized in whole or in part to a central engine control can be realized, the two electrodes 112 . 114 via a measuring resistor 148 , for example, an ohmic measuring resistor 148 (in 3 with R _L ). This measuring resistor 148 may for example have a resistance of 1 kΩ, but may also be very small, up to a short circuit. Furthermore, a voltage measuring device 150 provided the voltage between the two electrodes 112 . 114 measures that in 3 with U _LSF-AR is designated. This voltage drops above the measuring resistor 148 at the same time allowing them to flow between the electrodes simultaneously 112 . 114 characterized.

Im folgenden soll exemplarisch am Beispiel einer mageren Abgaszusammensetzung in dem Messgasraum 122 das Messprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert werden. Die Messung für eine fette Abgaszusammensetzung erfolgt analog. Zunächst liegt keine Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 112, 114 vor, da sowohl im Abgas im Messgasraum 122 als auch an der abgedeckten zweiten Elektrode 114 im Hohlraum 142 ein Sauerstoffüberschuss vorliegt. Findet dann ein Mager-Fett-Wechsel in der Gasgemischzusammensetzung im Messgasraum 122 statt, so erreicht nun das Fettgas zuerst nur die offenliegende erste Elektrode 112, da der Hohlraum 142 gegenüber dem Messgasraum 122 abgeschlossen ist bzw. die oben beschriebene Zeitverzögerung eintritt. Somit stellt sich zwischen den beiden Elektroden 112, 114 die bekannte Nernst-Spannung ein, was zu einem positiven Spannungssprung in dem mittels der Spannungsmessvorrichtung 150 registrierten Signal führt. Dieses Signal ist in 5 dargestellt und dort mit der Bezugsziffer 152 bezeichnet (linke Skala).The following is an example of the example of a lean exhaust gas composition in the sample gas space 122 the measuring principle of the method according to the invention will be explained. The measurement for a rich exhaust gas composition is analogous. Initially there is no potential difference between the two electrodes 112 . 114 before, since both in the exhaust gas in the sample gas space 122 as well as on the covered second electrode 114 in the cavity 142 an excess of oxygen is present. Then finds a lean-fat change in the gas mixture composition in the sample gas space 122 instead, the fat gas now only reaches the exposed first electrode 112 because of the cavity 142 opposite the sample gas chamber 122 is completed or the time delay described above occurs. Thus arises between the two electrodes 112 . 114 the known Nernst voltage, resulting in a positive voltage jump in the means of the voltage measuring device 150 registered signal leads. This signal is in 5 represented and there with the reference number 152 designated (left scale).

Da die beiden Elektroden 112, 114 über den Messwiderstand 148 verbunden sind, wird durch die Spannungsdifferenz sofort ein entgegenwirkender Stromfluss (Sauerstoffionenfluss im Festelektrolyten 116 und Elektronenstrom über den Messwiderstand 148) ausgelöst, wodurch resultierend die Nernst-Spannung schnell wieder abgebaut wird. Dieser Abbau ist verbunden damit, dass Sauerstoff aus dem Hohlraum 142 im Bereich der zweiten Elektrode 114 herausgepumpt wird. Somit ergibt sich auch in dem Hohlraum 142 eine fette Abgaszusammensetzung. Im Folgenden sind nunmehr, da die Abgaszusammensetzung in dem Hohlraum 142 wieder an die Abgaszusammensetzung in dem Messgasraum 122 angeglichen ist, die beiden Elektroden 112, 114 der gleichen Abgaszusammensetzung ausgesetzt, so dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden wieder Null wird. Das Signal 152 in 5 weist somit nur einen kurzfristigen Anstieg, also einen Peak 154 in positiver Richtung, auf. Die abfallende Flanke dieses Peaks 154 wird durch die Geschwindigkeit, mit welcher sich die Atmosphäre im Hohlraum 142 an die Atmosphäre im Messgasraum 122 angleicht, bestimmt. Die Steilheit dieses Abfalls kann somit beispielsweise durch den Betrag des Messwiderstands 148 bzw. einer Verbindung zwischen Messgasraum 122 und Hohlraum 142 (z. B. in Form eines Spalts, einer Porosität oder ähnlichen Verbindungselementen) bzw. einen Strömungswiderstand dieser Verbindung eingestellt werden.Because the two electrodes 112 . 114 over the measuring resistor 148 are connected by the voltage difference immediately an opposing current flow (oxygen ion flux in the solid electrolyte 116 and electron current across the measuring resistor 148 ), as a result of which the Nernst voltage is rapidly reduced again. This degradation is associated with allowing oxygen from the cavity 142 in the region of the second electrode 114 pumped out. This also results in the cavity 142 a rich exhaust gas composition. In the following, now that the exhaust gas composition is in the cavity 142 again to the exhaust gas composition in the sample gas space 122 is aligned, the two electrodes 112 . 114 exposed to the same exhaust gas composition, so that the potential difference between the two electrodes is zero again. The signal 152 in 5 thus has only a short-term increase, so a peak 154 in a positive direction, up. The falling edge of this peak 154 is determined by the speed with which the atmosphere in the cavity 142 to the atmosphere in the sample gas chamber 122 adjusts, certainly. The steepness of this drop can thus, for example, by the amount of the measuring resistor 148 or a connection between sample gas space 122 and cavity 142 (For example in the form of a gap, a porosity or similar connecting elements) or a flow resistance of this compound can be adjusted.

Falls mm die Abgaszusammensetzung im Messgasraum 122 wieder mager wird, so erreicht zunächst das Magergas wieder nur die offenliegende erste Elektrode 112, und es ergibt sich ein negativer Spannungspeak 156. Analog zu oben wird die Spannung durch einen Sauerstofftransport, diesmal zur abgedeckten Elektrode 114, hin abgebaut, und die Gasumgebung der abgedeckten zweiten Elektrode 114 wechselt wieder hin zu einer mageren Zusammensetzung, so dass sich resultierend anschließend wieder keine Potentialdifferenz ergibt und der Peak 156 abgebaut wird.If mm, the exhaust gas composition in the sample gas chamber 122 becomes lean again, so first the lean gas reaches again only the exposed first electrode 112 , and there is a negative voltage peak 156 , Analogous to the above, the voltage is through an oxygen transport, this time to the covered electrode 114 , degraded, and the gas environment of the covered second electrode 114 changes again to a lean composition, so that then results again no potential difference and the peak 156 is reduced.

Damit ergibt sich, bei einem getakteten Wechsel der Gasgemischzusammensetzung im Messgasraum 122, das in 5 mit der Kurve 152 beschriebene Signalverhalten der Vorrichtung 138. Die Messung wurde dabei an einem nicht-optimierten Prototypen in einem motorähnlichen Abgas (Gasbrenner) durchgeführt. Als Referenz ist in Kurve 158 in 5 das Signal einer kommerziellen Standard-Breitbandsonde angegeben (rechte Achse in 5). Die Gaszusammensetzung im Messgasraum 122 wird dabei abwechselnd zwischen Sauerstoffüberschuss und Sauerstoffmangel geschaltet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 138 zeigt beim Durchlaufen des λ = 1-Punktes (siehe Referenzkurve 158) im Falle eines Mager-Fett-Wechsels den charakteristischen positiven Peak 154 von ca. 380 mV, und im Falle eines Fett-Mager-Wechsels den starken negativen Peak 156 von ca. –380 mV im Signal 152 der Spannungsmessvorrichtung 150. Dieses Signal 152 kann aufgrund des wechselnden Vorzeichens eindeutig einem aktuellen Abgaszustand (fett oder mager) zugeordnet werden. Entsprechend des jeweils letzten aufgetretenen Peaks 154, 156 kann darauf geschlossen werden, in welchem Zustand sich das Abgas im Messgasraum 122 derzeit befindet.This results in a clocked change of the gas mixture composition in the sample gas space 122 , this in 5 with the curve 152 described signal behavior of the device 138 , The measurement was carried out on a non-optimized prototype in a motor-like exhaust gas (gas burner). As reference is in curve 158 in 5 the signal of a standard commercial broadband probe indicated (right axis in 5 ). The gas composition in the sample gas chamber 122 is alternately switched between oxygen excess and lack of oxygen. The device according to the invention 138 shows when passing through the λ = 1 point (see reference curve 158 ) in the case of a lean-fat change the characteristic positive peak 154 of about 380 mV, and in the case of a fat-lean change the strong negative peak 156 from approx. -380 mV in the signal 152 the tension measuring device 150 , This signal 152 Due to the changing sign, it can be clearly assigned to a current exhaust state (rich or lean). According to the last occurred peak 154 . 156 It can be concluded in which state the exhaust gas in the sample gas space 122 currently located.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 138 kann beispielsweise in einer Brennkraftmaschine 160 im Rahmen einer Zweipunktregelung eingesetzt werden. Dies ist in 6 schematisch dargestellt. Die gezeigte Brennkraftmaschine 160 umfasst einen Verbrennungsmotor 162 mit einem Einspritzsystem 164, einem Ansaugtrakt 166 und einem Abgastrakt 168. Eine mögliche Abgasrückführung ist in 6 nicht berücksichtigt. Enthalten ist beispielsweise eine Drosselklappe 170, welche die Luftzufuhr zu dem Verbrennungsmotor 162 regelt. Alternativ oder zusätzlich kann die Gasgemischszusammensetzung beispielsweise auch durch eine Regelung oder Steuerung der Kraftstoffeinspritzung eingestellt werden. Weiterhin kann im Ansaugtrakt 166 eine in 6 nicht gezeigte Messvorrichtung zur Messung der Ansaugluftmasse angeordnet sein, beispielsweise ein Heißfilmluftmassenmesser. Im Abgastrakt 168 ist ein Sensorelement 110, beispielsweise ein Sensorelement 110 gemäß den Ausführungsbeispielen in den 2 oder 3, angeordnet, sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 172. Diese Abgasnachbehandlungsvorrichtung 172 kann beispielsweise ein oder mehrere Katalysatoren beinhalten. Weiterhin ist eine Steuerung 140 vorgesehen, welche beispielsweise ganz oder teilweise Bestandteil einer zentralen Motorsteuerung (Engine Control Unit, ECU) 174 sein kann. Die zentrale Motorsteuerung 174 kann beispielsweise den Verbrennungsmotor 162 steuern, Signale der einzelnen Sensoren aufnehmen und beispielsweise die Drosselklappe 170 und/oder die Kraftstoffeinspritzung einstellen.The device according to the invention 138 For example, in an internal combustion engine 160 be used in a two-step system. This is in 6 shown schematically. The internal combustion engine shown 160 includes an internal combustion engine 162 with an injection system 164 , an intake tract 166 and an exhaust tract 168 , One possible exhaust gas recirculation is in 6 not considered. Included is, for example, a throttle 170 indicating the air supply to the internal combustion engine 162 regulates. Alternatively or additionally, the gas mixture composition can also be adjusted, for example, by a regulation or control of the fuel injection. Furthermore, in the intake system 166 one in 6 Not shown measuring device for measuring the intake air mass may be arranged, for example, a Heißfiluuftmassenmesser. In the exhaust tract 168 is a sensor element 110 , For example, a sensor element 110 according to the embodiments in the 2 or 3 , arranged, and an exhaust aftertreatment device 172 , This exhaust aftertreatment device 172 may include, for example, one or more catalysts. Furthermore, there is a controller 140 provided, for example, wholly or partly part of a central engine control unit (Engine Control Unit, ECU) 174 can be. The central engine control 174 for example, the internal combustion engine 162 control, record signals from each sensor and, for example, the throttle 170 and / or adjust the fuel injection.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann, entsprechend der obigen Beschreibung, beispielsweise eine Zweipunktregelung durchgeführt werden, welche beispielsweise auf dem in 5 dargestellten Signal 152 beruht. Zu diesem Zweck können beispielsweise die Peaks 154, 156 registriert werden, und entsprechend beispielsweise eine Information darüber gespeichert werden, ob sich das Abgas im Messgasraum 122 derzeit im fetten oder im mageren Zustand befindet, und der Verbrennungsmotor 162 bzw. die Brennkraftmaschine 160 können entsprechend geregelt werden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck jeweils ein Flag innerhalb der Steuerung 140 gesetzt werden, welches charakterisiert, in welchem Luftzahlbereich sich das Abgas derzeit befindet, und die Drosselklappe 170 und/oder der Verbrennungsmotor 162 können jeweils derart angesteuert werden, dass sich das System hin zum jeweils anderen Luftzahlbereich bewegt. Dabei kann das in 5 dargestellte Signal 152 auch noch weiter ausgewertet werden, beispielsweise indem Abstände zwischen den Peaks 154, 156 erfasst werden, die Peakbreite relativ zur Periode der Peaks ermittelt wird, ein Duty Cycle ermittelt wird oder ähnliches. Auf diese Weise lässt sich einfach eine entsprechende Regelung realisieren.In the method according to the invention, according to the above description, for example, a two-step control can be performed, which, for example, on the in 5 represented signal 152 based. For this purpose, for example, the peaks 154 . 156 are registered, and accordingly stored, for example, information about whether the exhaust gas in the sample gas space 122 currently in rich or lean condition, and the internal combustion engine 162 or the internal combustion engine 160 can be regulated accordingly. For example, for this purpose, in each case a flag within the controller 140 which characterizes which air range the exhaust currently is in, and the throttle 170 and / or the internal combustion engine 162 can each be controlled such that the system moves towards the other air number range. This can be done in 5 displayed signal 152 be further evaluated, for example, by distances between the peaks 154 . 156 are detected, the peak width is determined relative to the period of the peaks, a duty cycle is determined or the like. In this way, it is easy to implement a corresponding control.

In 3.1 ist wiederum ein zu 3 alternatives Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 138 dargestellt, bei welchem, ähnlich zu 2.1, anstelle eines planaren Sensorelements 110 ein zylindrisches Sensorelement 110 eingesetzt wird.In 3.1 is again one too 3 alternative embodiment of a device 138 in which, similar to 2.1 , instead of a planar sensor element 110 a cylindrical sensor element 110 is used.

Das Sensorelement 110 gemäß 3.1 umfasst einen Trägerstab 176, welcher beispielsweise als zylindrischer Trägerstab ausgestaltet sein kann. Auch andere Querschnittsgeometrien sind jedoch grundsätzlich denkbar. Der Trägerstab 176 kann, wie in 3.1 dargestellt, beispielsweise als Stab aus Vollmaterial ausgestaltet sein, kann jedoch, ähnlich zu 2.1, wiederum auch beispielsweise als Hohlstab ausgeführt sein. Der Trägerstab 176 kann grundsätzlich aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden, beispielsweise aus Aluminiumoxid, beispielsweise Al₂O₃. Weiterhin kann auch ganz oder teilweise eine Herstellung aus einem Festelektrolytmaterial, beispielsweise wiederum Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid, erfolgen.The sensor element 110 according to 3.1 includes a support rod 176 , which can be configured for example as a cylindrical support rod. However, other cross-sectional geometries are also conceivable in principle. The support rod 176 can, as in 3.1 can be configured, for example, designed as a rod made of solid material, however, similar to 2.1 Again, for example, be designed as a hollow rod. The support rod 176 may in principle be made of any suitable material, for example of alumina, for example Al ₂ O ₃ . Furthermore, production in whole or in part of a solid electrolyte material, for example yttrium-stabilized zirconium dioxide, may again take place.

Auf dem Trägerstab 176 sind wiederum vorzugsweise mindestens ein Heizelement 126 und Isolationsschichten 128 angeordnet. Weiterhin ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Festelektrolytschicht 116 auf den Trägerstab 176 aufgebracht. Wird jedoch beispielsweise der Trägerstab 176 ganz oder teilweise selbst aus Festelektrolytmaterial hergestellt, so kann auf diese zusätzliche Festelektrolytschicht 116 auch verzichtet werden, da dann der Trägerstab 176 zusätzlich die Funktion des Festelektrolyten 116 übernehmen kann.On the support rod 176 are again preferably at least one heating element 126 and insulation layers 128 arranged. Furthermore, in the illustrated embodiment, a solid electrolyte layer 116 on the support rod 176 applied. However, for example, the carrier rod 176 wholly or partly even made of solid electrolyte material, so can this additional solid electrolyte layer 116 also be waived, since then the carrier rod 176 additionally the function of the solid electrolyte 116 can take over.

Auf der dem Messgasraum 122 zuweisenden Seite der Festelektrolytschicht 116 sind dann die erste Elektrode 112 und die zweite Elektrode 114 angeordnet. Während die erste Elektrode 112 unmittelbar dem Messgasraum 122 ausgesetzt ist bzw. optional lediglich durch eine poröse Schutzschicht 120 abgedeckt ist, ist die zweite Elektrode 114 wiederum gegenüber dem Messgasraum 122 derart abgeschirmt, dass sich die Atmosphäre im Bereich der zweiten Elektrode 114 im Vergleich zur ersten Elektrode 112 nur mit zeitlicher Verzögerung an eine Änderung der Gaszusammensetzung im Messgasraum 122 anpasst. Dies erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum dadurch, dass über der zweiten Elektrode 114 eine Abdeckschicht 144 aufgebracht ist, welche einen Hohlraum 142 definiert. Die Abdeckschicht 144 ist, wie dies auch in 3 der Fall sein kann, entweder vollständig gasundurchlässig oder zumindest derart ausgestaltet, dass ein Gasaustausch zwischen dem Messgasraum 122 und dem Hohlraum 142 verlangsamt erfolgt, so dass eine Angleichung der Atmosphäre in dem Hohlraum 142 an ehre Änderung der Gaszusammensetzung in dem Messgasraum 122 mit zeitlicher Verzögerung erfolgt.On the the measuring gas chamber 122 assigning side of the solid electrolyte layer 116 are then the first electrode 112 and the second electrode 114 arranged. While the first electrode 112 directly to the sample gas chamber 122 is exposed or optionally only by a porous protective layer 120 is covered, is the second electrode 114 again opposite the sample gas space 122 shielded so that the atmosphere in the area of the second electrode 114 compared to the first electrode 112 only with a time delay to a change in the gas composition in the sample gas space 122 adapts. In the illustrated embodiment, this again takes place in that above the second electrode 114 a cover layer 144 is applied, which is a cavity 142 Are defined. The cover layer 144 is, as well as in 3 may be the case, either completely gas-impermeable or at least designed such that a gas exchange between the sample gas space 122 and the cavity 142 slows down, allowing an approximation of the atmosphere in the cavity 142 to honor change of the gas composition in the sample gas space 122 with a time delay.

Für die Funktionsweise und den weiteren Aufbau der Ausführungsform in 3.1 kann weitgehend auf die obige Beschreibung der 3 verwiesen werden.For the operation and the further structure of the embodiment in 3.1 can be largely based on the above description of 3 to get expelled.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10219881 A1 [0005, 0006, 0007, 0011, 0012, 0026]

Claims

Method for determining a composition of a gas in a measuring gas space ( 122 ), in particular for determining an oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine ( 160 ), wherein a sensor element ( 110 ) with at least one first electrode ( 112 ) and at least one second electrode ( 114 ) and at least one the first electrode ( 112 ) and the second electrode ( 114 ) connecting solid electrolyte ( 116 ), the first electrode ( 112 ) with gas from the sample gas space ( 122 ) is acted upon, wherein the second electrode ( 114 ) with respect to the sample gas space ( 122 ) is arranged shielded, wherein a current and / or a voltage between the first electrode ( 112 ) and the second electrode ( 114 ), wherein a short-term increase of the current and / or the voltage to a change in the gas mixture composition in the sample gas space ( 122 ), in particular a change from a rich gas mixture to a lean gas mixture or vice versa, whereby a time-delayed adaptation of a gas mixture composition to the second electrode ( 114 ) to a gas mixture composition in the measuring gas space ( 122 ).

Method according to the preceding claim, wherein the time-delayed alignment of the gas mixture composition at the second electrode ( 114 ) by at least one of the following measures: - the first electrode ( 112 ) and the second electrode ( 114 ) are at least one resistor, in particular at least one measuring resistor ( 148 ), wherein the alignment of the gas mixture composition over the solid electrolyte ( 116 ) he follows; The second electrode ( 114 ) is connected to the sample gas chamber ( 122 ) by at least one connection, wherein an inflow and / or outflow through the connection is limited by at least one flow resistance such that the application of the second electrode ( 114 ) with the gas opposite to the loading of the first electrode ( 112 ) takes place with a time delay.

Method according to one of the two preceding claims, wherein the short-term rise of the current and / or the voltage as a signal peak ( 154 . 156 ), whereby the sign of the signal peak is detected.

Method according to the preceding claim, wherein the sign of the respective last signal peak ( 154 . 156 ) to characterize the current mixed gas composition, in particular information as to whether the gas mixture composition is in a rich state or in a lean state.

Method according to one of the preceding claims, wherein a two-point control is performed to a Adjust concentration of a gas component in the gas, in particular to regulate an air ratio λ of the gas to λ = 1.

Method according to one of the preceding claims, wherein to produce a defined initial state, a change in the gas mixture composition in the sample gas space ( 122 ) is purposefully brought about.

Contraption ( 138 ) for determining a composition of a gas in a measuring gas space ( 122 ), in particular for determining an oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine ( 160 ), in particular using a method according to one of the preceding claims, wherein the device ( 138 ) a sensor element ( 110 ) with at least one first electrode ( 112 ) and at least one second electrode ( 114 ) and at least one the first electrode ( 112 ) and the second electrode ( 114 ) connecting solid electrolyte ( 116 ), wherein the first electrode ( 112 ) with gas from the sample gas space ( 122 ) is acted upon, wherein the second electrode ( 114 ) with respect to the sample gas space ( 122 ), wherein a time-delayed alignment of a gas mixture composition on the second electrode ( 114 ) to a gas mixture composition in the measuring gas space ( 122 ), wherein the sensor element ( 110 ) is arranged to supply a current and / or a voltage between the first electrode ( 112 ) and the second electrode ( 114 ), the device ( 138 ), a controller ( 140 ), wherein the controller ( 140 ) is arranged from a short-term increase of the current and / or the voltage to a change in the gas mixture composition in the sample gas space ( 122 ), in particular a change from a rich gas mixture to a lean gas mixture or vice versa.

Contraption ( 138 ) according to the preceding claim, wherein the second electrode ( 114 ) in a relative to the sample gas space ( 122 ) at least substantially closed cavity ( 142 ) is arranged, in particular in a inside of the sensor element ( 110 ) arrange cavity ( 142 ).

Contraption ( 138 ) according to one of the preceding device claims, wherein the second electrode ( 114 ) by at least one covering layer ( 144 ), in particular a printed cover layer, in particular a substantially gas-impermeable cover layer ( 144 ), from the sample gas space ( 122 ) is shielded.

Contraption ( 138 ) according to one of the preceding device claims, wherein the device ( 138 ) is arranged to detect the short-term rise of the current and / or the voltage as a signal peak ( 154 . 156 ), the sign of the signal peak ( 154 . 156 ), the device ( 138 ) further comprises at least one memory, wherein the device ( 138 ) is set to the sign of the last signal peak ( 154 . 156 ) in the at least one store to characterize the current gas mixture composition.