DE10228121A1

DE10228121A1 - Gasfühleraufbau zur Minimierung von Fehlern im Fühlerausgangssignal

Info

Publication number: DE10228121A1
Application number: DE10228121A
Authority: DE
Inventors: Keigo Mizutani; Eiichi Kurokawa; Masahiro Taguchi; Daisuke Makino
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US20020195338A1; US6740217B2; JP2003083936A

Abstract

Die Anmeldung befasst sich mit einem Gasfühler (1), der aus einer Pumpzelle (2), einer Überwachungszelle (3) und einer Fühlerzelle (4) besteht. Die Fühlerzelle (4) wird mit Energie versorgt, damit sie einen Fühlerzellenstrom erzeugt, und die Überwachungszelle wird mit Energie versorgt, damit sie einen Überwachungszellenstrom erzeugt. Zwischen einer einem Gashohlraum (7) ausgesetzten Fühlerzellenelektrode (41) und einer Fühlerzellenenergieversorgung (451) und zwischen einer dem Gashohlraum (7) ausgesetzten Überwachungszellenelektrode (31) und einer Überwachungszellenstromversorgung (351) befinden sich ein Fühlerzellen- und ein Überwachungszellenstromdetektor (452, 352), die den Fühlerzellenstrom und den Überwachungszellenstrom messen können, ohne dass durch von der Überwachungszelle (3) zur Fühlerzelle (4) und in umgekehrter Richtung fließende Stromkomponenten elektrisches Rauschen hinzukommt.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gasfühler, der dazu verwendet werden kann, im Abgas eines Kraftfahrzeugmotors die Konzentration eines spezifischen Gasbestandteils wie Stickoxid zu messen, und insbesondere auf einen verbesserten Aufbau eines solchen Gasfühlerelements, der so ausgelegt ist, dass Fehler im Fühlerausgangssignal minimiert werden.
Bei der Verbrennungssteuerung eines Kraftfahrzeugmotors werden typischerweise NO_x-Fühler verwendet, die im Abgassystem des Motors eingebaut sind und mit auf Festelektrolytplatten ausgebildeten elektrochemischen Zellen ausgestattet sind, die als Überwachungszelle, Pumpzelle und Fühlerzelle bezeichnet werden. Die Pumpzelle hält die Konzentration an Sauerstoff (O₂) innerhalb einer Messgaskammer auf ungefähr null. Die Überwachungszelle gibt als Funktion der Sauerstoffkonzentration innerhalb der Messgaskammer eine elektromotorische Kraft oder einen Grenzstrom aus. Das Ausgangssignal der Überwachungszelle wird zur Pumpzelle rückgeführt, um die Sauerstoffmoleküle in die oder aus der Messgaskammer zu pumpen. Die Fühlerzelle dissoziiert die NO_x-Moleküle innerhalb der Messgaskammer und gibt Sauerstoff ab, der bei der Dissoziierung der NO_x-Moleküle erzeugt wird, um als Funktion der Konzentration an NO_x-Molekülen einen Strom zu erzeugen.
Fig. 7 zeigt ein Vergleichsbeispiel für einen solchen NO_x-Fühler.
Bei dem dargestellten Aufbau befindet sich die Überwachungszelle 3 in der Nähe der Fühlerzelle 4, was dazu führen kann, dass Sauerstoffionenströme wie durch den Pfeil a angegeben von einer Messgaselektrode 31 zu einer Bezugselektrode 32 der Überwachungszelle 3 und wie durch den Pfeil d angegeben von einer Messgaselektrode 41 der Fühlerzelle 4 zur Bezugselektrode 32 der Überwachungszelle 3 fließen.
Der NO_x-Fühler weist eine Überwachungsschaltung 93 auf, die mit einer Energieversorgung 932 und einem Überwachungszellenstromdetektor 931 ausgestattet ist. Der Überwachungszellenstromdetektor 931 misst einen unerwünschten Strom, der sich aus den Sauerstoffionenströmen a und d ergibt. Richtig wäre es, wenn in der Überwachungszelle 3 als Funktion der Sauerstoffkonzentration ein Stromfluss erzeugt würde, der sich aus der Summe a und c zusammensetzt. Bei der Überwachungszelle 3 ergibt sich daher die Schwierigkeit, die Sauerstoffkonzentration genau zu messen.
Entsprechend sollte in der Fühlerzelle 4 als Funktion der NO_x-Konzentration ein Stromfluss erzeugt werden, der sich aus der Summe b und d zusammensetzt, doch misst eine mit einer Energieversorgung 942 und einem Fühlerzellenstromdetektor 941 ausgestattete Fühlerschaltung 94 einen unerwünschten Strom, der sich aus der Summe b und c ergibt. Dadurch kommt zu dem Ausgangsignal der Fühlerzelle 4 ein Fehler hinzu.
Das obige Problem tritt häufig bei Gasfühlern auf, bei denen sowohl eine Überwachungszelle als auch eine Fühlerzelle eingesetzt werden.
Angesichts dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gasfühler zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile beim Stand der Technik vermeidet und so ausgelegt ist, dass er die Fehler im Fühlerausgangssignal minimiert.
Die Erfindung sieht hierzu einen Gasfühler für eine Motorverbrennungssteuerung und/oder ein Katalysatorsystem vor, der im Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors eingebaut werden kann, um im Abgas die Konzentration eines sich in Sauerstoffionen dissoziierenden sauerstoffhaltigen Gasbestandteils oder eines gegenüber Sauerstoffionen reaktiven Sauerstoffaktivgasbestandteils wie NO_x, CO oder HC zu messen.
Der Gasfühler umfasst: (a) einen Gashohlraum, in den über einen vorgegebenen Verteilungswiderstand Gas eingelassen wird, das im wesentlichen aus Sauerstoffmolekülen und einem spezifischen Gas wie NO_x, CO oder HC besteht; (b) eine Pumpzelle, die ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement, eine erste Pumpzellenelektrode und eine zweite, dem Gashohlraum ausgesetzte Pumpzellenelektrode enthält und die auf das Anlegen einer Spannung an der ersten und zweiten Pumpzellenelektrode anspricht, indem sie selektiv Sauerstoffmoleküle in den und aus dem Gashohlraum pumpt, um die Konzentration an Sauerstoffmolekülen innerhalb des Gashohlraums auf einen gewünschten Wert einzustellen; (c) eine Fühlerzelle, die ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement, eine erste Fühlerzellenelektrode und eine zweite, dem Gashohlraum ausgesetzte Fühlerzellenelektrode enthält und die über die erste und zweite Fühlerzellenelektrode mit elektrischer Energie versorgt wird, um als Funktion der Konzentration des spezifischen Gases innerhalb des Gashohlraums einen elektrischen Strom zu erzeugen; d) eine Überwachungszelle, die ein Sauerstoffionen leitendes Element, eine erste Überwachungszellenelektrode und eine zweite, dem Gashohlraum ausgesetzte Überwachungszellenelektrode enthält und die über die erste und zweite Überwachungszellenelektrode mit elektrischer Energie versorgt wird, um als Funktion der Konzentration der Sauerstoffmoleküle innerhalb des Gashohlraums einen elektrischen Strom zu erzeugen; (e) eine Fühlerzellenenergieversorgung, die die Fühlerzelle mit der elektrischen Energie versorgt; (f) einer Überwachungszellenenergieversorgung, die die Überwachungszelle mit der elektrischen Energie versorgt; (g) einen Fühlerzellenstromdetektor, der den von der Fühlerzelle erzeugten Strom misst; und (h) einen Überwachungszellenstromdetektor, der den von der Überwachungszelle erzeugten Strom misst. Der Fühlerzellenstromdetektor befindet sich zwischen der zweiten, dem Gashohlraum ausgesetzten Fühlerzellenelektrode und der Fühlerzellenenergieversorgung. Entsprechend befindet sich der Überwachungszellenstromdetektor zwischen der zweiten, dem Gashohlraum ausgesetzten Überwachungszellenelektrode und der Überwachungszellenenergieversorgung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gasfühler außerdem eine Steuerungsschaltung, die die an die Pumpzelle angelegte Spannung so steuert, dass der von dem Überwachungszellenstromdetektor gemessene Strom mit einem konstanten Wert in Übereinstimmung gebracht wird.
Der Gasfühler kann außerdem eine Konzentrationsmessschaltung enthalten, die die Differenz zwischen den von dem Überwachungszellenstromdetektor und dem Fühlerzellenstromdetektor gemessenen Strömen ermittelt, um ein Signal zu erzeugen, das die Konzentration des spezifischen Gases innerhalb des Gashohlraums angibt.
Die Sauerstoffionen leitenden Elemente der Fühlerzelle und der Überwachungszelle können in Form eines einstückigen Festelektrolytelements vorliegen.
Die Erfindung wird im Folgenden näher anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und den beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1(a) eine Längsschnittansicht eines Gasfühlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1(b) eine quer verlaufende Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 1(a);
Fig. 2 eine auseinander gezogene Perspektivansicht eines Fühlerelements des Gasfühlers von Fig. 1(a) und Fig. 1(b);
Fig. 3 eine quer verlaufende Schnittansicht mit elektrischen Verbindungen zwischen Fühler- und Überwachungszellen und ihren Stromdetektoren;
Fig. 4(a) eine Längsschnittansicht eines Gasfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4(b) eine quer verlaufende Schnittansicht entlang der Linie B-B in Fig. 4(a);
Fig. 5(a) eine Längsschnittansicht eines Gasfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 5(b) eine quer verlaufende Schnittansicht entlang der Linie C-C in Fig. 5(a);
Fig. 6(a) eine Längsschnittansicht eines Gasfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6(b) eine quer verlaufende Schnittansicht entlang der Linie D-D in Fig. 6(a); und
Fig. 7 eine quer verlaufende Schnittansicht mit elektrischen Verbindungen zwischen Fühler- und Überwachungszellen und ihren Stromdetektoren bei einem Vergleichsbeispiel für den Gasfühler.
In den Fig. 1(a) und 1(b) ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gasfühlers 1 für eine Motorverbrennungssteuerung und/oder für ein Katalysatorsystem gezeigt, der im Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors eingebaut werden kann, um im Abgas die Konzentration eines sich in Sauerstoffionen dissoziierenden sauerstoffhaltigen Gasbestandteils oder eines gegenüber Sauerstoffionen reaktiven Sauerstoffaktivgasbestandteils wie NO_x, CO oder HC zu messen.
Im Folgenden wird ein Beispiel diskutiert, bei dem im Abgas eines Kraftfahrzeugmotors NO_x, gemessen wird. Zur Messung der NO_x-Konzentration im Abgas befindet sich der Gasfühler 1 in einem Zylindergehäuse und ist so in dem Auspuffrohr eingebaut, dass sein in der Zeichnung linkes Ende dem Abgas ausgesetzt ist und sein rechtes Ende Luft ausgesetzt ist, die als Bezugsgas dient.
Das Gasfühlerelement 1 enthält allgemein eine erste Sauerstoffionen leitende Festelektrolytplatte 14, eine zweite Sauerstoffionen leitende Festelektrolytplatte 16, eine Pumpzelle 2, eine Überwachungszelle 3 und eine Fühlerzelle 4.
Die erste Festelektrolytplatte 14 bildet zusammen mit an gegenüberliegenden Oberflächen der ersten Festelektrolytplatte 14 angeordneten Elektroden 21 und 22 die Sauerstoffpumpzelle 2. Die zweite Festelektrolytplatte 16 bildet zusammen mit einer Messgaselektrode 31 und einer Bezugselektrode 32 die Überwachungszelle 3 und zusammen mit einer Messgaselektrode 41 und einer Bezugselektrode 42 die Fühlerzelle 4.
Der Gasfühler 1 enthält außerdem eine Pumpschaltung 25, eine Überwachungsschaltung 35 und eine Fühlerschaltung 45. Die Pumpschaltung 25 enthält eine Pumpzellenenergieversorgung 251 und ist mit den Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2 verbunden. Die Überwachungsschaltung 35 enthält eine Überwachungszellenenergieversorgung 351 und ist mit den Elektroden 31 und 32 der Überwachungszelle 3 verbunden. Die Fühlerschaltung 45 enthält eine Fühlerzellenenergieversorgung 451 und ist mit den Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 verbunden. Die Überwachungsschaltung 35 weist außerdem einen Überwachungszellenstromdetektor 352 auf, der den durch die Elektroden 31 und 32 der Überwachungszelle 3 fließenden Strom misst. Die Fühlerschaltung 45 weist außerdem einen Fühlerzellenstromdetektor 452 auf, der den durch die Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 fließenden Strom misst.
Der Gasfühler 1 enthält des weiteren einen ersten Abstandshalter 15, einen zweiten Abstandshalter 17 und ein Heizelement 19, die zusammen mit den ersten und zweiten Festelektrolytplatten 14 und 16 einen Schichtaufbau bilden. Der erste Abstandshalter 15 definiert zwischen den ersten und zweiten Festelektrolytplatten 14 und 16 einen Gashohlraum 7, in den Abgas eingeleitet wird. Der zweite Abstandshalter 17 definiert zwischen der zweiten Festelektrolytplatte 16 und dem Heizelement 19 einen Bezugsgashohlraum 121. Das Heizelement 19 erwärmt die Pumpzelle 2, die Überwachungszelle 3 und die Fühlerzelle 4 auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur.
Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, setzt sich der Gashohlraum 7 aus einer ersten Messgaskammer 111 und einer zweiten Messgaskammer 112 zusammen, die durch in dem Abstandshalter 15 ausgebildete Fenster definiert werden. Die erste und zweite Messgaskammer 111 und 112 stehen miteinander über eine Mündung 102 in Verbindung und sind in Längsrichtung des Gasfühlers 1 (d. h. in Richtung des Gasstroms) aufgereiht. Die Mündung 102 fungiert als Verteilungswiderstand.
Die erste Messgaskammer 111 führt über ein Stiftloch (d. h. ein Gaseinlassloch) 101, das in Dickenrichtung durch die Spitze der ersten Festelektrolytplatte 14 hindurchgeht und als Verteilungswiderstand dient, in das Auspuffrohr. Die Größe des Stiftlochs 101 ist so gewählt, dass die Diffusionsrate des dadurch in die erste und zweite Messgaskammer 111 und 112 eingelassenen Messgases mit einer gewünschten Diffusionsrate in Übereinstimmung gebracht wird.
Auf der ersten Festelektrolytplatte 14 befindet sich eine poröse Schutzschicht 131 aus beispielsweise einem porösen Aluminiumoxidmaterial. Die Schutzschicht 131 bedeckt die Elektrode 21 der Pumpzelle 2 und das Stiftloch 101, um die der ersten und zweiten Gasmesskammer 111 und 112 ausgesetzten Elektroden vor schädigenden Gasbestandteilen zu schützen und um ein Verstopfen des Stiftlochs 101 zu verhindern. Anstelle des Stiftlochs 101 kann in der Spitze der ersten Festelektrolytplatte 14 auch ein für Messgas durchlässiges poröses Element vorgesehen werden.
Der Bezugsgashohlraum 121 führt nach außen in das Auspuffrohr oder in die eine konstante Sauerstoffkonzentration aufweisende umgebende Atmosphäre, um dadurch die Luft einzulassen, die als Bezugsgas verwendet wird. Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, wird der Bezugsgashohlraum 121 durch ein in dem zweiten Abstandshalter 17 ausgebildetes viereckiges Fenster definiert. Der Bezugsgashohlraum 121 führt durch einen sich in Längsrichtung des zweiten Abstandshalters 17 erstreckenden Schlitz zur Atmosphäre. Der erste und zweite Abstandshalter 15 und 17 bestehen aus einem isolierenden Material wie Aluminiumoxid. Die erste und zweite Festelektrolytplatte 14 und 16 bestehen jeweils aus einem Sauerstoffionen leitenden Elektrolyt wie Zirkoniumoxid oder Ceroxid.
Die Pumpzelle 2 weist wie gesagt die Elektroden 21 und 22 auf. Die Elektrode 22 ist der ersten Messgaskammer 111 ausgesetzt, die im Gasstrom stromaufwärts von der zweiten Messgaskammer 112 gelegen ist. Die Elektrode 21 liegt auf der Außenseite der ersten Festelektrolytplatte 14 und ist von der Schutzschicht 131 bedeckt. Die Pumpzelle 2 reduziert und dissoziiert bzw. ionisiert Sauerstoffmoleküle (O₂), die in dem außerhalb des Gasfühlers 1 vorkommenden Abgas enthalten sind, und pumpt sie in den Gashohlraum 7. Außerdem dissoziiert bzw. ionisiert sie die Sauerstoffmoleküle (O₂) und pumpt sie aus den Gashohlraum 7 heraus, wenn die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Gashohlraums 7 höher als ein vorgegebener Wert ist, mit dem die Konzentration an Sauerstoffmolekülen innerhalb des Gashohlraums 7 auf einem vorgegebenen Niveau gehalten wird.
Die Fühlerzelle 4 weist wie gesagt die Bezugselektrode 42 und die Messgaselektrode 41 auf, die auf gegenüberliegenden Oberflächen der zweiten Festelektrolytplatte 16 liegen. Die Messgaselektrode 41 ist der zweiten Messgaskammer 112 ausgesetzt. Die Bezugselektrode 42 ist dem Bezugsgashohlraum 121 ausgesetzt. Die Fühlerzelle 4 gibt an den Bezugsgashohlraum 121 Sauerstoff ab, der erzeugt wird, wenn in dem Abgas enthaltende NO_x-Moleküle innerhalb der zweiten Messgaskammer 112 dissoziiert werden, um die Konzentration an NO_x-Molekülen zu messen.
Wie bei der Fühlerzelle 4 befinden sich die Bezugselektrode 32 und die Messgaselektrode 31 bei der Überwachungszelle 3 auf den gegenüberliegenden Oberflächen der zweiten Festelektrolytplatte 16. Die Bezugselektrode 32 ist dem Bezugsgashohlraum 121 ausgesetzt. Die Messgaselektrode 31 ist der zweiten Messgaskammer 112 ausgesetzt. Die Überwachungszelle 3 misst die Konzentration an Sauerstoffmolekülen innerhalb der zweiten Messgaskammer 112.
Die der ersten Messgaskammer 111 ausgesetzte Elektrode 22 der Pumpzelle 2 und die der zweiten Messgaskammer 112 ausgesetzte Elektrode 31 der Überwachungszelle 3 bestehen vorzugsweise aus einem Material, das gegenüber NO_x, inaktiv ist bzw. NO_x kaum dissoziiert, um die Dissoziierungsmenge an NO_x in dem Gas zu minimieren. So können zum Beispiel poröse Cermetelektroden verwendet werden, die als Hauptbestandteile Pt und Au enthalten. Der Metallbestandteil der Cermetelektroden enthält vorzugsweise 1 bis 10 Gew.-% Au. Wenn der Au-Gehalt mehr als 10% beträgt, kann dies zu einer übermäßigen Verminderung der Elektrodenaktivierung führen. Wenn er dagegen weniger als 1% beträgt, kann dies zu einer unerwünschten Steigerung der Elektrodenaktivierung führen.
Die der zweiten Messgaskammer 112 ausgesetzte Elektrode 41 der Fühlerzelle 4 besteht vorzugsweise aus einem Material, das gegenüber NO_x hochaktiv ist oder leicht NO_xdissoziiert. So kann zum Beispiel eine poröse Cermetelektrode verwendet werden, die Pt und Rh enthält. Der Metallbestandteil der Cermetelektrode enthält vorzugsweise 10 bis 50 Gew.-% Rh. Wenn der Rh-Gehalt mehr als 50% beträgt, kann dies aufgrund von Sauerstoffeinschluss im Rh zu einem instabilen Verhalten der Elektroden führen. Wenn der Rh-Gehalt dagegen weniger als 10% beträgt, kann dies zu einer unerwünschten Verminderung der Sauerstoffdissoziierungsaktivität führen.
Die Elektrode 21 der Pumpzelle 2, die Elektrode 32 der Überwachungszelle 3 und die Elektrode 42 der Fühlerzelle 4 werden vorzugsweise als poröse, Pt-haltige Cermetelektroden ausgeführt.
Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, sind die Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2, die Elektroden 31 und 32 der Überwachungszelle 3 und die Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 mit Leitungen 211, 221, 311, 321, 411 und 421 versehen, die durch die erste bzw. zweite Festelektrolytplatte 14 und 16 hindurch gehen.
Die Leitungen 211, 221, 311, 321, 411 und 421 stehen über Löcher 222, 312, 313, 322, 323, 324, 412, 413, 422, 423 und 424 mit Anschlüssen 212, 223, 314, 325, 414 und 425 in Verbindung. Die Anschlüsse 212 und 223 sind elektrisch mit der Pumpschaltung 25 verbunden. Die Anschlüsse 314 und 325 sind elektrisch mit der Überwachungsschaltung 35 verbunden. Entsprechend sind die Anschlüsse 414 und 425 elektrisch mit der Fühlerschaltung 45 verbunden. Wie aus Fig. 1(b) deutlich hervorgeht, sind die Bezugselektroden 32 und 42 mit einem Masseanschluss 46 verbunden. Die Überwachungsschaltung 35 steht über eine Regelungsschaltung 26 mit der Pumpzellenenergieversorgung 251 der Pumpschaltung 25 in Verbindung.
Es ist ratsam, dass auf den Bereichen der gegenüberliegenden Hauptflächen der ersten und zweiten Festelektrolytplatte 14 und 16, die sich von den Bereichen unterscheiden, auf denen die Elektroden 21, 22, 31, 32, 41 und 42 ausgebildet sind, insbesondere zwischen den Leitungen 221, 211, 311, 321, 411 und 421 und den Oberflächen der ersten und zweiten Festelektrolytplatte 14 und 16 Isolierschichten aus beispielsweise Aluminiumoxid ausgebildet sind.
Das Heizelement 19 besteht aus einer Aufschichtung aus einer Heizelementlage 195 und einer Isolierschicht 196 aus Aluminiumoxid. Die Heizelementlage 195 besteht aus einem isolierendem Material wie Aluminiumoxid und weist eine aufgemusterte Heizelementelektrode 191 auf, die über eine Leitung 192 und ein Loch 193 mit einem Anschluss 194 verbunden ist. Der Heizelementelektrode 191 wird über den Anschluss 194 elektrische Energie zugeführt, um die Zellen 2, 3 und 4 auf eine vorgegebene Aktivierungstemperatur zu erwärmen. Die Heizelementelektrode 191 kann in Form einer Cermetelektrode aus Pt und einer Keramik wie Aluminiumoxid ausgeführt werden.
Der Gasfühler 1 lässt sich anfertigen, indem durch Extrusionsformtechniken Lagen für die Festelektrolytplatten 14 und 15 und die Abstandshalter 15 und 17 hergestellt werden, sämtliche Elektroden auf den Lagen durch Siebdruck ausgebildet werden, die Lagen zur Überlappung gebracht werden und diese dann gebrannt werden.
Im Folgenden wird kurz die Funktionsweise des Gasfühlers 1 beschrieben.
Das O₂, NO_x, H₂O usw. enthaltende Abgas wird über die poröse Schutzschicht 131 und das Stiftloch 101 in die erste Messgaskammer 111 des Gashohlraums 7 eingelassen. Die Menge des in den Gashohlraum 7 eindringenden Abgases hängt von den Diffusionswiderständen der porösen Schutzschicht 131 und das Stiftlochs 101 ab. Das Abgas geht durch die Mündung 102 und erreicht die zweite Messgaskammer 112.
Wenn an die Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2 über die Pumpzellenenergieversorgung 251 der Pumpschaltung 25 eine Spannung angelegt wird, die an der Elektrode 21 ein positives Potenzial entstehen lässt, führt dies dazu, dass Sauerstoffmoleküle innerhalb der ersten Messgaskammer 111 an der Elektrode 22 ionisiert werden und zu der Elektrode 21 gepumpt bzw. transportiert werden. Wenn dagegen an die Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2 eine Spannung angelegt wird, die an der Elektrode 22 ein positives Potenzial entstehen lässt, führt dies dazu, dass Sauerstoffmoleküle und Wasserdampf im Auspuffrohr des Motors an der Elektrode 21 ionisiert werden und zu der Elektrode 22 gepumpt bzw. transportiert werden. Bei diesem Sauerstoffpumpvorgang wird durch Änderung der Höhe und Orientierung der an die Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2 angelegten Spannung die Konzentration an Sauerstoffmolekülen innerhalb des Gashohlraums 7 gesteuert.
An die Elektroden 31 und 32 der Überwachungszelle 3 wird eine Spannung (z. B. 0,40 V) angelegt, mit der sich an der dem Bezugsgashohlraum 121 ausgesetzten Elektrode 32 ein positives Potenzial entwickeln kann. Dies führt dazu, dass Sauerstoffmoleküle innerhalb der zweiten Messgaskammer 112 an der Elektrode 31 ionisiert werden und zu der Elektrode 32 gepumpt bzw. transportiert werden. Die Elektrode 31 ist wie gesagt eine Pt-Au-Cermetelektrode, die gegenüber NO_x als dem zu messenden Zielgasbestandteil inaktiv ist, weswegen zwischen den Elektroden 31 und 32 unabhängig von der Menge an NO_x als Funktion der durch die poröse Schutzschicht 131 und das Stiftloch 101 gehenden und in die erste Messgaskammer 111 und die zweite Messgaskammer 112 eindringenden Menge O₂ ein Sauerstoffionenstrom (nachstehend auch als Überwachungszellenstrom bezeichnet) fließt. Die Konzentration an Sauerstoffmolekülen innerhalb des Gashohlraums 7 wird konstant gehalten, indem der zwischen den Elektroden 31 und 32 fließende Überwachungszellenstrom wie in Fig. 1(b) gezeigt durch den Überwachungszellenstromdetektor 352 gemessen wird und die an die Elektroden 21 und 22 der Pumpzelle 2 angelegte Spannung über die Regelungsschaltung 26 so gesteuert wird, dass der Überwachungszellenstrom auf einem konstanten Wert (z. B. 0,5 µA) gehalten wird.
An die Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 wird eine Spannung (z. B. 0,40 V) angelegt, mit der sich an der dem Bezugsgashohlraum 121 ausgesetzten Elektrode 42 ein positives Potenzial entwickeln kann. Dies führt dazu, dass Sauerstoffmoleküle und NO_x-Moleküle innerhalb der zweiten Messgaskammer 112 des Gashohlraums 7 an der Elektrode 41 ionisiert werden, sodass Sauerstoffionen zu der Elektrode 42 gepumpt bzw. transportiert werden, da die Elektrode wie gesagt in Form einer Pt-Rh-Cermetelektrode ausgeführt ist, die gegenüber NO_x aktiv ist. Daher fließt durch die Elektroden 41 und 42 als Funktion der NO_x-Konzentration in der zweiten Messgaskammer 112 ein Sauerstoffionenstrom (nachstehend auch als Fühlerzellenstrom bezeichnet).
Dadurch, dass die an die Pumpzelle 2 angelegte Spannung so gesteuert wird, dass der durch die Überwachungszelle 3 fließende Überwachungszellenstrom auf einem konstanten Niveau (z. B. 0,5 µA) gehalten wird, führt dies dazu, dass der Fühlerzellenstrom so zwischen den Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 fließt, dass er auf einem konstanten Niveau (z. B. 0,5 µA) bleibt, wenn das Gas kein NO_x enthält. Wenn das Gas dagegen NO_x-Moleküle enthält, führt dies dazu, dass die Menge der durch die Dissoziation der NO_x-Moleküle erzeugten Menge an Sauerstoffionen steigt, was wiederum dazu führt, dass der durch die Fühlerzelle 4 fließende Fühlerzellenstrom als Funktion der Konzentration an NO_x zunimmt. Indem der zwischen den Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 fließende Fühlerzellenstrom unter Verwendung des Fühlerzellenstromdetektors 452 gemessen wird, lässt sich also die in dem Gas enthaltene Konzentration an NO_x unabhängig von den in dem Gas enthaltenen Sauerstoffmolekülen mit einem höheren Grad an Genauigkeit ermitteln.
Der von der Überwachungszelle 3 erzeugte Überwachungszellenstrom fließt, wie durch die Pfeile a und c in Fig. 3 angegeben ist, von der Elektrode 31 zu sowohl der Elektrode 32 als auch zu der angrenzenden Elektrode 42 der Fühlerzelle 4. Entsprechend fließt der von der Fühlerzelle 4 erzeugte Fühlerzellenstrom, wie durch die Pfeile b und d in Fig. 3 angegeben ist, von der Elektrode 41 zu sowohl der Elektrode 42 als auch zu der angrenzenden Elektrode 32 der Überwachungszelle 3.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Fall, bei dem der Überwachungszellenstromdetektor 931 und der Fühlerzellenstromdetektor 941 zwischen der Überwachungszellenenergieversorgung 932 und der Elektrode 32 der Überwachungszelle 3 bzw. zwischen der Fühlerzellenenergieversorgung 942 und der Elektrode 42 der Fühlerzelle 4 eingebaut sind, greift der Überwachungszellenstromdetektor 931 die Stromkomponente a des Überwachungszellenstroms und die Stromkomponente d des Fühlerzellenstroms ab und greift der Fühlerzellenstromdetektor 941 die Stromkomponente b des Fühlerzellenstroms und die Stromkomponente c des Überwachungszellenstroms ab, was beim Ermitteln der Sauerstoff- und NO_x-Konzentrationen zu Fehlern führt.
Um dieses Problem zu vermeiden, sind bei dem Aufbau dieses Ausführungsbeispiels, wie in Fig. 3 deutlich dargestellt ist, der Überwachungszellenstromdetektor 352 und der Fühlerzellenstromdetektor 452 auf der positiven Seite der Überwachungszellenenergieversorgung 351 und der Fühlerzellenenergieversorgung 451, d. h. zwischen der Überwachungszellenenergieversorgung 351 und der Elektrode 31 der Überwachungszelle 3 bzw. zwischen der Fühlerzellenenergieversorgung 451 und der Elektrode 41 der Fühlerzelle 4 angeordnet. Der Überwachungszellenstromdetektor 352 misst daher die beiden Stromkomponenten a und c des Überwachungszellenstroms, während der Fühlerzellenstromdetektor 452 die beiden Stromkomponenten b und d des Fühlerzellenstroms misst, wodurch eine korrekte Ermittlung der Sauerstoff- und NO_x-Konzentrationen ermöglicht wird.
Die Fig. 4(a) und 4(b) zeigen den Gasfühler 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Gasfühler 1 weist einen zweiten Bezugsgashohlraum 122 auf, der zu der umgebenden Atmosphäre führt. Wie aus Fig. 4(b) deutlich hervorgeht, sind die Überwachungszelle 3 und die Fühlerzelle 4 der zweiten Messgaskammer 112 und der zweiten Bezugsgaskammer 122 ausgesetzt. Die Pumpzelle 2 ist der ersten Messgaskammer 111 und dem ersten Bezugsgashohlraum 121 ausgesetzt.
Der zweite Bezugsgashohlraum 122 wird durch die Abstandshalter 132 und 133 definiert, die sich auf der ersten Festelektrolytplatte 14 befinden. Die Abstandshalter 132 und 133 bestehen beide aus Aluminiumoxid. Die Anordnung und die Funktionsweise sind ansonsten die gleichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Die Elektrode 21 der Pumpzelle 2 ist dem ersten Bezugsgashohlraum 121 zugewandt, wodurch der Pumpzelle 2 ermöglicht wird, Sauerstoffmoleküle aus der umgebenden Atmosphäre (d. h. dem ersten Bezugsgashohlraum 121) heraus in die erste Messgaskammer 111 zu pumpen. Dieser Aufbau ist daher für den Fall geeignet, dass das Abgas kaum eine Sauerstoffquelle wie Wasserdampf enthält.
Die Fig. 5(a) und 5(b) zeigen den Gasfühler 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Überwachungszelle 3 ist dem zweiten Bezugsgashohlraum 122 und der zweiten Messgaskammer 112 ausgesetzt. Die Fühlerzelle 4 befindet sich zwischen der zweiten Messgaskammer 112 und dem ersten Bezugsgashohlraum 121. Die Abstandshalter 15, 17, 132 und 133 bestehen aus Festelektrolytplatten. Die Anordnung ist ansonsten mit der des ersten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels verleiht den Elektroden 31 und 32 der Überwachungszelle 3 und den Elektroden 41 und 42 der Fühlerzelle 4 verglichen mit den obigen Ausführungsbeispielen eine größere Fläche, wodurch sich eine höhere Impedanz der Überwachungszelle 3 und der Fühlerzelle 4 ergibt. Abgesehen von dem Heizelement 19 bestehen die meisten Teile des Gasfühlers 1 aus Festelektrolytmaterial, wodurch sich weniger Verbindungsstellen zwischen Teilen aus unterschiedlichem Material ergeben, was die Anfertigung des Gasfühlers 1 erleichtert.
Die Fig. 6(a) und 6(b) zeigen den Gasfühler 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich im Hinblick auf den Aufbau der Pumpschaltung 25, der Überwachungsschaltung 35 und der Fühlerschaltung 45 unterscheidet.
Die Pumpschaltung 25 enthält die Pumpzellenenergieversorgung 251 und einen Pumpzellenstromdetektor 252. Der Pumpzellenstromdetektor 252 misst den durch die Pumpzelle 2 fließenden Pumpzellenstrom. Die Regelungsschaltung 26 überwacht das Ausgangssignal des Pumpzellenstromdetektors 252 und stellt die über die Pumpzellenenergieversorgung 251 an die Pumpzelle 2 angelegte Spannung auf ein Niveau ein, durch das eine vorbestimmte Beziehung Pumpstrom zu an Pumpzelle angelegter Spannung erfüllt wird.
Der Überwachungszellenstromdetektor 352 und der Fühlerzellenstromdetektor 452 sind mit einem Stromdifferenzdetektor 5 verbunden. Der Stromdifferenzdetektor 5 ermittelt die Differenz zwischen den Ausgangsignalen des Überwachungsstromdetektors 352 und des Fühlerzellenstromdetektors 452 und erzeugt ein Signal, das die Konzentrationen an NO_x angibt. Der Überwachungszellenstrom ist eine Funktion der Sauerstoffkonzentration innerhalb der zweiten Messgaskammer 112. Der Fühlerzellenstrom ist eine Funktion der Summe der Sauerstoff- und NO_x-Konzentrationen innerhalb der zweiten Messgaskammer 112. Die von dem Stromdifferenzdetektor 5 ermittelte Stromdifferenz entspricht daher der Konzentration an NO_x innerhalb der zweiten Messgaskammer 112.
Die Anordnung ist ansonsten mit der des ersten Ausführungsbeispiels identisch, weswegen auf eine ausführliche Erläuterung verzichtet wird.
Der Erfindung wurde zwar anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, um das Verständnis zu erleichtern, doch versteht es sich von selbst, dass die Erfindung auch auf verschiedene andere Weise ausgeführt werden kann, ohne von dem in den Patentansprüchen angegebenen Schutzumfang abzuweichen.
Ein Gasfühler besteht aus einer Pumpzelle, einer Überwachungszelle und einer Fühlerzelle. Die Fühlerzelle wird mit Energie versorgt, damit sie einen Fühlerzellenstrom erzeugt, und die Überwachungszelle wird mit Energie versorgt, damit sie einen Überwachungszellenstrom erzeugt. Zwischen einer einem Gashohlraum ausgesetzten Fühlerzellenelektrode und einer Fühlerzellenenergieversorgung und zwischen einer dem Gashohlraum ausgesetzten Überwachungszellenelektrode und einer Überwachungszellenstromversorgung befinden sich ein Fühlerzellen- und ein Überwachungszellenstromdetektor, die den Fühlerzellenstrom und den Überwachungszellenstrom messen können, ohne dass durch von der Überwachungszelle zur Fühlerzelle und in umgekehrter Richtung fließende Stromkomponenten elektrisches Rauschen hinzukommt.

Claims

1. Gasfühler (1), mit:
einem Gashohlraum (7), in den über einen vorgegebenen Verteilungswiderstand (101, 131) Gas eingelassen wird, das im wesentlichen aus Sauerstoffmolekülen und einem spezifischen Gas besteht;
einer Pumpzelle (2), die ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement (14; 16), eine erste Pumpzellenelektrode (21) und eine zweite, dem Gashohlraum ausgesetzte Pumpzellenelektrode (22) enthält und die auf das Anlegen einer Spannung an der ersten und zweiten Pumpzellenelektrode anspricht, indem sie selektiv Sauerstoffmoleküle in den und aus dem Gashohlraum pumpt, um die Konzentration an Sauerstoffmolekülen innerhalb des Gashohlraums auf einen gewünschten Wert einzustellen;
einer Fühlerzelle (4), die ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytelement (16; 14), eine erste Fühlerzellenelektrode (42) und eine zweite, dem Gashohlraum ausgesetzte Fühlerzellenelektrode (41) enthält und die über die erste und zweite Fühlerzellenelektrode mit elektrischer Energie versorgt wird, um als Funktion der Konzentration des spezifischen Gases innerhalb des Gashohlraums einen elektrischen Strom zu erzeugen;
einer Überwachungszelle (3), die ein Sauerstoffionen leitendes Element (16; 14), eine erste Überwachungszellenelektrode (32) und eine zweite, dem Gashohlraum ausgesetzte Überwachungszellenelektrode (31) enthält und die über die erste und zweite Überwachungszellenelektrode mit elektrischer Energie versorgt wird, um als Funktion der Konzentration der Sauerstoffmoleküle innerhalb des Gashohlraums einen elektrischen Strom zu erzeugen;
einer Fühlerzellenenergieversorgung (451), die die Fühlerzelle mit der elektrischen Energie versorgt;
einer Überwachungszellenenergieversorgung (351), die die Überwachungszelle mit der elektrischen Energie versorgt;
einem Fühlerzellenstromdetektor (452), der den von der Fühlerzelle erzeugten Strom misst und sich zwischen der zweiten, dem Gashohlraum ausgesetzten Fühlerzellenelektrode (41) und der Fühlerzellenenergieversorgung (451) befindet; und
einem Überwachungszellenstromdetektor (352), der den von der Überwachungszelle erzeugten Strom misst und sich zwischen der zweiten, dem Gashohlraum ausgesetzten Überwachungszellenelektrode (31) und der Überwachungszellenenergieversorgung (351) befindet.

2. Gasfühler nach Anspruch 1, mit einer Steuerungsschaltung (26), die die an die Pumpzelle (2) angelegte Spannung so steuert, dass der von dem Überwachungszellenstromdetektor (352) gemessene Strom mit einem konstanten Wert in Übereinstimmung gebracht wird.

3. Gasfühler nach Anspruch 1, mit einer Konzentrationsmessschaltung (5), die die Differenz zwischen den von dem Überwachungszellenstromdetektor (352) und dem Fühlerzellenstromdetektor (452) gemessenen Strömen ermittelt, um ein Signal zu erzeugen, das die Konzentration des spezifischen Gases innerhalb des Gashohlraums angibt.

4. Gasfühler nach Anspruch 1, bei dem die Sauerstoffionen leitenden Elemente der Fühlerzelle (4) und der Überwachungszelle (3) in Form eines einstückigen Festelektrolytelements (16) vorliegen.

5. Gasfühler nach Anspruch 1, bei dem das spezifische Gas entweder ein sich in Sauerstoffionen dissoziierendes sauerstoffhaltiges Gas oder ein gegenüber Sauerstoffionen reaktives Sauerstoffaktivgas ist.