DE19848578A1

DE19848578A1 - Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators

Info

Publication number: DE19848578A1
Application number: DE19848578A
Authority: DE
Inventors: Jong-Heun Lee
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 1997-10-22
Filing date: 1998-10-21
Publication date: 1999-05-06
Also published as: KR100269211B1; KR19990036522A

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen der Ab nahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators, der insbesonde re dazu dienen soll, das Maß an Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Dreiwegekatalysators, der dazu dient, die Abgase der Ma schine eines Kraftfahrzeuges zu reinigen, in einem weiten Be reich mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Mit zunehmenden Umweltproblemen sind die Beschränkungen hinsichtlich der Abgase von Kraftfahrzeugen, die als ein Haupt grund der Luftverschmutzung anzusehen sind, erhöht worden. Die Zusammensetzung der Abgase von Kraftfahrzeugen mit Benzinmotoren hängt sehr eng vom Mischungsverhältnis zwischen der Luft und dem Kraftstoff, d. h. vom Luftkraftstoffverhältnis ab. Bezogen auf ein theoretisches Luftkraftstoffverhältnis von 14,7 : 1 werden Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und so weiter als schädliche oder giftige Gase bei kraftstoffreichen Verhältnissen und Stickstoffoxide bei kraftstoffarmen Verhältnissen abgegeben.

Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickstoff sind insbeson dere die sogenannten drei giftigen Gase, deren Beseitigung im Abgas zur Entwicklung des sogenannten Dreiwegekatalysators ge führt hat.

Im allgemeinen wird ein Dreiwegekatalysator dadurch erhal ten, daß Cordierit mit einer Wabenstruktur mit Platin Pt, Pala dium Pd, Rhodium Rh und Ceroxid CeO₂ beschichtet wird. Während des normalen Betriebes wird die Maschine eines Kraftfahrzeuges mit einem derartigen Dreiwegekatalysator so gesteuert, daß sie zwischen dem kraftstoffreichen und dem kraftstoffarmen Bereich bezogen auf das theoretische Luftkraftstoffverhältnis läuft. Wenn die drei giftigen Gase durch den Katalysator hindurchgehen, wird das in den Gasen enthaltene Stickstoffoxid vermindert und werden Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid oxidiert, so daß die drei giftigen Gase in unschädliche Gase wie beispielsweise H₂O, CO₂ und N₂ umgewandelt werden.

Es ist bekannt, daß die Leistungsfähigkeit eines Dreiwege katalysators, d. h. seine Reinigungsfähigkeit nahe am theoreti schen Luftkraftstoffverhältnis am größten ist. Es ist somit wichtig, die Maschine so zu regeln, daß sie nahe am theoreti schen Luftkraftstoffverhältnis läuft, indem eine Steuereinrich tung wie beispielweise ein Sauerstoffsensor verwandt wird.

Wenn jedoch der Katalysator über lange Zeit benutzt worden ist oder die Wabenstruktur des Katalysators beschädigt oder zerstört ist, ist eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Katalysators unvermeidlich. Diese hat dann zur Folge, daß giftige Gase in die Luft abgegeben werden, ohne daß eine Reini gung der Abgase in ausreichendem Maße durch den Katalysator erfolgen kann. Um die schädlichen Gase zu vermindern, muß daher das Maß an Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Katalysa tors erfaßt und erkannt werden. Bei einem herkömmlichen Verfah ren zum Erfassen und Erkennen des Maßes an Abnahme der Lei stungsfähigkeit eines Katalysators werden zwei Sensoren vorgese hen, von denen einer stromaufwärts und einer stromabwärts vom Katalysator angeordnet wird, und werden die von den Sensoren kommenden Signale miteinander verglichen. Der bei dem herkömm lichen Verfahren benutzte Sensor kann entweder ein Sauerstoff sensor vom Typ eines Konzentrationselementes, d. h. eine soge nannte Lambdasonde oder ein Breitbereichsluftkraftstoffsensor sein.

Das Verfahren, die Signale von zwei Sauerstoffsensoren vom Typ eines Konzentrationselementes zu vergleichen, beruht zunächst auf dem folgenden Meßprinzip. Ein Sauerstoffsensor vom Typ eines Konzentrationselementes erfaßt ein Luftkraftstoffver hältnis sowie die Konzentration des Sauerstoffs im Abgas, indem die elektromotorische Kraft als Sensorsignal benutzt wird, die durch Sauerstoffionen erzeugt wird, die sich in einem Elektroly ten bewegen. Ein Sauerstoffsensor vom Typ eines Konzentrations elementes zeichnet sich dadurch aus, daß sich das Sensorsignal abrupt in der Nähe des theoretischen Luftkraftstoffverhältnisses ändert. Die elektromotorische Kraft ist zwischen dem kraftstoff reichen Bereich und dem kraftstoffarmen Bereich sehr ver schieden, sie beträgt annähernd 100mV im kraftstoffarmen Bereich jedoch annähern 800mV im kraftstoffreichen Bereich. Wenn bei einer Maschine ein Sauerstoffsensor zur Regelung des Luftkraft stoffverhältnisses benutzt wird, bewegt sich im allgemeinen das Luftkraftstoffverhältnis zwischen annähernd 14 und 15 vor dem Durchgang der Abgase durch den Katalysator. Wenn die Abgase durch einen Katalysator mit hohem Reinigungswirkungsgrad gehen, nimmt das Luftkraftstoffverhältnis jedoch deutlich beispielweise auf 14,4 bis 14,6 um das theoretische Luftkraftstoffverhältnis herum ab. Wenn der Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators sehr hoch ist, führt somit der Unterschied im Luftkraftstoffverhält nis vor und nach dem Durchgang durch den Katalysator zu einer Änderung im Sensorsignal eines Sauerstoffsensors vom Typ eines Konzentrationselementes. Der Umwandlungswirkungsgrad des Kataly sators kann daher dadurch ermittelt werden, daß die Änderung im Sensorsignal vor und nach dem Durchgang des Abgases durch den Katalysator erfaßt wird.

Da sich jedoch das Sensorsignal scharf um das theoretische Luftkraftstoffverhältnis bei einem Sauerstoffsensor vom Typ eines Konzentrationselementes ändert, hat ein derartiger Sauer stoffsensor den Nachteil, daß der Unterschied in den Sensorsig nalen dann nicht erfaßt werden kann, wenn der Reinigungswir kungsgrad des Katalysators nur leicht abnimmt. Es ist berichtet worden, daß der erfaßbare Bereich unter Verwendung eines Sauer stoffsensors vom Typ eines Konzentrationselementes darauf be schränkt ist, daß der Umwandlungswirkungsgrad des Katalysators über 70% der Anfangsleistungsfähigkeit liegt, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Es ist mit anderen Worten unmöglich, das Maß an Abnahme der Leistungsfähigkeit unter Verwendung eines Sauer stoffsensors vom Typ eines Konzentrationselementes über einen weiten Bereich zu erfassen und zu diagnostizieren.

Es gibt auch ein Verfahren, die Sensorsignale von zwei Breitbereichsluftkraftstoffsverhältnissensoren zu vergleichen. Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist ein Breitbereichsluft kraftstoffverhältnissensor eine Weiterentwicklung des üblichen Begrenzungs- oder Grenzstromsensors. Das heißt, daß ein Sensor element zusätzlich bei einem Begrenzungsstromsensor vorgesehen ist und daß eine zusätzliche Treiberschaltung zum Ändern der Richtung und der Amplitude der anliegenden Spannungen nach Maß gabe der Luftkraftstoffverhältnisse vorgesehen ist, derart, daß das Luftkraftstoffverhältnis über einen weiten Bereich von kraftstoffarmen Verhältnissen bis zu kraftstoffreichen Verhält nissen erfaßt werden kann. Es ist allgemein bekannt, daß der Beeinträchtigungsbereich eines Katalysators, der mit einem der artigen Breitbereichsluftkraftstoffsensor erfaßbar ist, bei 40 bis 100% des Anfangsreinigungswirkungsgrades liegt. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Breitbereichsluftkraftstoffsensors besteht darin, daß ein Sensorsignal erhalten werden kann, das mit dem Luftkraftstoffverhältnis linear ist. Wenn somit Breitbe reichsluftkraftstoffverhältnissensoren stromaufwärts und strom abwärts vom Katalysator angeordnet werden und die Sensorsignale verglichen werden, die von beiden Sensoren jeweils erhalten werden, können Daten erzielt werden, die linear proportional zum Maß an Beeinträchtigung des Katalysators sind.

Wenn ein derartiger Breitbereichsluftkraftstoffverhältnis sensor als Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähig keit eines Katalysators verwandt wird, ergeben sich jedoch die folgenden Probleme. Fig. 2 zeigt den Aufbau eines herkömmlichen Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensors. Der herkömmliche Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensor weist eine Schaltung auf, die die elektromotorische Kraft eines Sensorelementes 21 mit 450mV mittels eines Komparators 22 vergleicht und das Ver gleichsergebnis zur Änderung des Pumpstromes an eine Pumpzelle 23 rückkoppelt. In Fig. 2 sind eine Diffusionssperre 24, eine Schutzschicht 25 und eine Dichtschicht 26 dargestellt. Bei dem herkömmlichen Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensor soll ten alle heterogenen Schichten, d. h. das Sensorelement 21 und die Pumpzelle 23, die jeweils zwei Elektroden 27a bis 27d auf weisen, die auf beiden Seiten einer Elektrolytschicht ausgebil det sind, die Diffusionssperre 24, die Schutzschicht 25 und die Dichtschicht 26 gemeinsam durch Brennen gebildet werden. Die Herstellung ist daher schwierig. Der herkömmliche Breitbereichs luftkraftstoffverhältnissensor benötigt darüber hinaus eine komplizierte zusätzliche Schaltung, was seine Kosten erhöht. Es ist somit problematisch, einen derartigen Breitbereichsluft kraftstoffsensor als Sensor zum Erfassen der Abnahme der Lei stungsfähigkeit eines Katalysators zu verwenden.

Wünschenswert wäre daher ein Sensor zum Erfassen der Ab nahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators, der einen ein fachen Aufbau und eine ähnliche Leistungsfähigkeit wie ein Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensor hat, der aber ein facher herstellbar ist.

Weiterhin ist der Grenz- oder Begrenzungsstrom im kraft stoffreichen Bereich verglichen mit dem kraftstoffarmen Bereich relativ hoch. Diese Erscheinung tritt auf, da der Begrenzungs strom im kraftstoffreichen Bereich die Summe der Ströme ist, die durch die Oxidation von H₂, CO und C_mH_n hervorgerufen wird, wäh rend der Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen Bereich die Summe der Ströme ist, die durch die Reduktion von O₂ und NO_x hervor gerufen werden. Aufgrund eines hohen Diffusionskoeffizienten von Wasserstoffist somit der Begrenzungsstrom im kraftstoffreichen Bereich sehr hoch. Ein derartiger Unterschied in den Begren zungsströmen im kraftstoffarmen und kraftstoffreichen Bereich ist zur Erfassung des theoretischen Luftkraftstoffverhältnisses ungünstig.

Durch die Erfindung sollen die obigen Probleme beseitigt werden und soll daher ein Sensor zum Erfassen des Maßes an Ab nahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators innerhalb eines erfaßbaren Bereiches geschaffen werden, der dem Erfas sungsbereich eines Breitbereichsluftkraftstoffsensors ähnlich ist, wobei jedoch erreicht sein soll, daß der erfindungsgemäße Sensor problemlos hergestellt werden kann und einen einfachen Aufbau hat.

Der erfindungsgemäße Sensor zum Erfassen des Maßes an Ab nahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators soll insbesonde re einen gleichen Begrenzungsstrom unabhängig davon liefern, ob man sich im kraftstoffarmen oder kraftstoffreichen Bereich be findet.

Dazu erfaßt der erfindungsgemäße Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalystors eine ionenlei tende Elektrolytschicht, eine Anode und eine Kathode, die je weils auf einer Seite der Elektrolytschicht ausgebildet sind, und Gasdiffusionssteuersperrschichten, die jeweils um die Elek trolytschicht geschichtet sind und die Anode und die Kathode überdecken, wobei die Elektrolytschicht und die Gasdiffusions steuersperrschichten aus dem gleichen Material, das stabilisier tes Zirkoniumdioxid und ein anorganisches Material enthält, gebildet sind.

Der erfindungsgemäße Sensor ist vorzugsweise so ausgebil det, daß die Stärken der Gasdiffusionssteuersperrschichten ver schieden sind oder die Flächenbereiche der Elektroden verschie den sind.

Es wird weiterhin ein Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators vorgeschlagen, der eine ionenleitende Elektrolytschicht, eine Anode und eine Kathode, die parallel zueinander auf einer Seite der Elektrolytschicht ausgebildet sind, und Gasdiffusionssteuersperrschichten umfaßt, die auf eine Seite der Elektrolytschicht geschichtet sind und die Anode und die Kathode überdecken, wobei die Elektrolyt schicht und die Gasdiffusionssteuersperrschichten aus dem glei chen Material, das stabilisiertes Zirkoniumdioxid und ein an organisches Material enthält, gebildet sind.

Vorzugsweise ist dieser Sensor so ausgebildet, daß die Gasdiffusionssteuersperrschichten nur die ionenleitenden Berei che der Elektroden überdecken.

Stabilisiertes Zirkoniumdioxid kann Yttriumoxid stabili siertes Zirkoniumdioxid YSZ, Magnesiumoxid (MgO) stabilisiertes Zirkoniumdioxid MSZ oder Calciumoxid stabilisiertes Zirkoniumdi oxid CSZ sein, die dadurch erhalten werden, daß Zirkoniumdioxid, vorzugsweise YSZ, ein Stabilisator zugegeben wird, der aus einer Gruppe gewählt wird, die aus Yttriumoxid Y₂O₃, Magnesiumoxid MgO und Calciumoxid CaO besteht.

Die Zugabe eines anorganischen Materials zum stabilisierten Zirkoniumdioxid wandelt die feine Struktur des stabilisierten Zirkoniumdioxids in eine poröse Struktur um und wirkt daher als Struktursteuerstoff. Das anorganische Material kann Al₂O₃, YSZ, MSZ und CSZ sein. Wenn YSZ, MSZ und CSZ als anorganisches Mate rial verwandt werden, sollten diese Materialien größere Teil chendurchmesser haben als dann, wenn sie als stabilisiertes Zirkoniumdioxid benutzt werden. Wenn das anorganische Material Aluminiumoxid ist; sollte vorzugsweise der Anteil an anorgani schem Material 10 bis 40 Gew.-% auf der Grundlage des Gesamtge wichtes der Elektrolytschicht und der Diffusionssteuersperr schichten betragen und sollte der Teilchendurchmesser bei 0,5 bis 50 µm liegen. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbei spiel der Erfindung kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Sensors auf einer der beiden Gasdiffusionssteuersperrschichten angeordnet sein.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einer graphischen Darstellung den Katalysator erfassungsbereich eines herkömmlichen Sensors vom Typ eines Konzentrationselementes,

Fig. 2 in einem Diagramm den Aufbau eines herkömmlichen Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensors,

Fig. 3 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Sensors zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators,

Fig. 4 den Aufbau des Sensors von Fig. 3,

Fig. 5 den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zum Erfassen der Abnahme der Lei stungsfähigkeit eines Katalysators,

Fig. 6 den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zum Erfassen der Abnahme der Lei stungsfähigkeit eines Katalysators,

Fig. 7A in einer graphischen Darstellung das Grundprinzip der Erfassung des Sauerstoffs eines üblichen Begrenzungsstrom sensors in einem Oxidationszustand,

Fig. 7B in einer graphischen Darstellung das Prinzip der Erfassung von Kohlenmonoxid eines üblichen Begrenzungsstromsen sors in einem Reduktionszustand,

Fig. 8A und 8B in graphischen Darstellungen das Arbeits prinzip des in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors im kraftstoffarmen und im kraft stoffreichen Bereich jeweils,

Fig. 9 in einer graphischen Darstellung einen Vergleich der Änderung in den Signalen vor und nach dem Durchgang durch einen Dreiwegekatalysator bei einem Sensor vom Typ eines Konzentra tionselementes, bei einem Breitbereichsluftkraftstoffverhält nissensor und bei dem erfindungsgemäßen Sensor,

Fig. 10A und 10B in Diagrammen das Arbeitsprinzip des zwei ten Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungs gemäßen Sensors im kraftstoffarmen und im kraftstoffreichen Bereich jeweils,

Fig. 11 in einer graphischen Darstellung die Begrenzungs stromcharakteristik des in Fig. 4 dargestellten Sensors,

Fig. 12 ein typisches Kraftfahrzeugmaschinensystem zur Erfassung der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators,

Fig. 13A und 13B in graphischen Darstellungen die Ausgangs signale eines herkömmlichen Sauerstoffsensors vom Typ eines Konzentrationselementes bei einer Maschinendrehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute und 2000 Umdrehungen pro Minute jeweils,

Fig. 14A und 14B in graphischen Darstellungen die Ausgangs signale des in Fig. 4 dargestellten Sensors bei einer Maschinen drehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute und 2000 Umdrehungen pro Minute jeweils,

Fig. 15 in einer graphischen Darstellung die Begrenzungs stromcharakteristik des in Fig. 4 dargestellten Sensors, der zwei Gasdiffusionssteuersperrschichten mit verschiedener Stärke aufweist, und zwar im kraftstoffarmen und im kraftstoffreichen Bereich,

Fig. 16A und 16B in graphischen Darstellungen die Ausgangs signale des in Fig. 4 dargestellten Sensors, der zwei Gasdiffu sionssteuersperrschichten mit verschiedener Stärke hat, und zwar für einen Maschinendrehzahl von 800 Umdrehungen pro Minute und 2000 Umdrehungen pro Minute jeweils, und

Fig. 17 in einer graphischen Darstellung die Ausgangssigna le des in Fig. 5 dargestellten Sensors mit zwei Elektroden, die verschiedene Flächenbereiche haben.

In Fig. 3 ist in einer Schnittansicht ein erstes Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators dargestellt. Der in Fig. 3 dargestellte Sensor weist eine Elektrolytschicht 31, Elektroden 32a und 32b, Gasdiffusionssteuersperrschichten 33 und eine Heizung 34 auf. Die beiden Elektroden sind als Anode 32a und Kathode 32b nach Maßgabe der Pumprichtung der Sauer stoffionen bestimmt. Wie es oben beschrieben wurde, hat der er findungsgemäße Sensor verglichen mit dem Breitbereichsluftkraft stoffverhältnissensor von Fig. 2 einen einfachen Aufbau, er kann einen Begrenzungsstrom erfassen, der proportional zur Abweichung vom theoretischen Luftkraftstoffverhältnis sowohl im kraftstoff armen als auch im kraftstoffreichen Bereich ist. Wenn somit Abgas durch den Katalysator in der Nähe des theoretischen Luft kraftstoffverhältnisses gereinigt wird, nimmt der Begrenzungs strom verglichen mit den Verhältnissen vor dem Durchgang durch den Katalysator deutlich ab. Das Maß an Abnahme des Begrenzungs stromes ist weiterhin proportional zum Luftkraftstoffverhältnis, so daß das Maß an Abnahme an Leistungsfähigkeit des Katalysators innerhalb eines breiten Bereiches wie beim Breitbereichsluft kraftstoffverhältnissensor erfaßt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ansicht des Sensors zum Erfassen des Maßes an Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators, der in Fig. 3 dargestellt ist. Der Sensor enthält zwei Elektro den 42a und 42b, die jeweils auf einer Seite einer Elektrolyt schicht 41 ausgebildet sind, und zwei Gasdiffusionssteuersperr schichten 43a und 43b, die um die Elektrolytschicht 41 ge schichtet sind und die Elektroden 42a und 42b jeweils überdec ken. In den Elektroden 42a und 42b ist jeweils ein breiter Be reich ein ionenleitender Bereich, der auf einer hohen Temperatur während des Betriebes des Sensors gehalten wird, und ist ein schmaler Bereich jeweils ein Zuleitungsbereich zum Führen eines elektrischen Signals.

Um das Problem eines hohen Begrenzungsstromes im kraft stoffreichen Bereich verglichen mit dem kraftstoffarmen Bereich zu beseitigen, sollte der Begrenzungsstrom im kraftstoffreichen Bereich herabgesetzt werden oder sollte der Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen Bereich erhöht werden. Um das Maß an Diffusion des Sauerstoffgases zur Kathode zu erhöhen, sollte daher der Flächenbereich der Kathode soweit erhöht werden, daß er größer als der der Anode ist, oder sollte die Stärke der Gasdiffusions steuersperrschicht in der Nähe der Kathode soweit herabgesetzt werden, daß sie kleiner als die der Gasdiffusionssteuersperr schicht in der Nähe der Anode ist.

Wenn bei dem in Fig. 4 dargestellten Sensor somit Sauer stoffionen vom Bereich unter der Elektrolytschicht 41 nach oben gepumpt werden, nimmt der Flächenbereich der Kathode 42b soweit zu, daß er größer als der der Anode 42a wird. Als Alternative kann die Stärke der Gasdiffusionssteuersperrschicht 43b in der Nähe der Kathode 42b so gewählt sein, daß sie kleiner als die der Gasdiffusionssteuersperrschicht 43a in der Nähe der Anode 42a ist. Wenn Elektroden mit verschiedenen Flächenbereichen vorgesehen sind, beträgt vorzugsweise das Flächenverhältnis von Kathode zu Anode 1 : 1,3 bis 2,5.

Fig. 5 zeigt den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zum Erfassen der Abnahme der Lei stungsfähigkeit eines Katalysators. Der Sensor ist ein Planar sensor, bei dem zwei Elektroden 52a und 52b parallel zueinander auf eine Seite einer Elektrolytschicht 51 gedruckt sind und eine poröse Gasdiffusionssteuersperrschicht 53 darauf geschichtet ist.

In Fig. 6 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Sensors zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfä higkeit eines Katalysators dargestellt, der gleichfalls wie der in Fig. 5 dargestellte Sensor ein Planarsensor ist und bei dem eine Gasdiffusionssteuersperrschicht 63 so ausgebildet ist, daß sie nur die ionenleitenden Bereiche der Elektroden 62a und 62b überdeckt.

Bei den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Sensoren kann der Flächenbereich der Kathode erhöht werden, um den Begren zungsstrom im kraftstoffarmen Bereich zu erhöhen (siehe Fig. 10A und 10B).

Die in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Sensoren können als Sauerstoffsensoren vom Begrenzungsstromtyp verwandt werden, wobei sie ausgezeichnete Eigenschaften zeigen sowie problemlos herzustellen sind.

Die Fig. 7A und 7B zeigen das Arbeitsprinzip eines üblichen Begrenzungsstromsensors im kraftstoffarmen Bereich (Oxidations zustand) und im kraftstoffreichen Bereich (Reduktionszustand) jeweils. Wie es in Fig. 7A dargestellt ist, ist das Maß an Dif fusion von Sauerstoffgas größer als das Maß an gepumpten Sauer stoffionen, da dieses im kraftstoffarmen Bereich niedrig ist (d. h. wenn die anliegende Spannung niedrig ist), so daß das Maß an gepumpten Ionen proportional zur anliegenden Spannung zu nimmt. Wenn jedoch das Maß an gepumpten Sauerstoffionen auf einen bestimmte Wert zugenommen hat, wird die Diffusion des Sau erstoffgases der für das Pumpen bestimmende Faktor, so daß ein bestimmter Pumpstrom fließt. Da das Maß an Sauerstoffgas, das zur Kathode diffundiert, direkt proportional zur externen Sauer stoffkonzentration ist, kann als Signal für den Sensor ein Pump strom erhalten werden, der proportional zur Sauerstoffkonzen tration ist. Wie es in Fig. 7B dargestellt ist, werden anderer seits Sauerstoffionen im kraftstoffreichen Bereich in eine Dif fusionskammer von außen gepumpt. Die gepumpten Sauerstoffionen werden dadurch verbraucht, daß in der Diffusionskammer ein Re duktionsgas oxidiert wird, so daß der Begrenzungsstrom propor tional zum Maß an Diffusion des Reduktionsgases ist. Ein übli cher Begrenzungsstromsensor drückt das Luftkraftstoffverhältnis in Form der Höhe des Begrenzungsstromes aus.

Fig. 8A und 8B zeigen das Arbeitsprinzip des Sensors zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators, der in Fig. 3 dargestellt ist, und zwar im kraftstoffarmen Be reich (Oxidationszustand) sowie im kraftstoffreichen Bereich (Reduktionszustand) jeweils. Die Fig. 10A und 10B zeigen das Pumpen von Sauerstoffionen von einer unteren Elektrode zu einer oberen Elektrode, wobei die untere und die obere Elektrode je weils Kathode und Anode sind.

Da gemäß Fig. 8A die Sauerstoffkonzentration im kraftstoff armen Bereich hoch ist, arbeiten zunächst alle Schichten als Diffusionssteuersperrschichten, wenn Sauerstoffionen herausge pumpt werden. In diesem Fall hängt das Maß an gepumpten Sauer stoffionen von dem Maß an Sauerstoffgas ab, das zur Kathode diffundiert. Wenn somit der Pumpstrom als Sensorsignal erfaßt wird, gibt das Sensorsignal die Begrenzungsstromcharakteristik proportional zur Konzentration des Sauerstoffgases wieder. Da im Gegensatz dazu die Konzentration der Reduktionsgase wie bei spielsweise H₂ und CO im kraftstoffreichen Bereich hoch ist, werden die gepumpten Sauerstoffionen über eine Reaktion mit H₂ und CO der Anode verbraucht. Das Maß an gepumpten Sauerstoffio nen hängt dann von dem Maß an Reduktionsgas ab, das zur oberen Elektrode diffundiert. Wie im kraftstoffarmen Bereich wird somit der Pumpstrom als Sensorsignal erfaßt, was zu einer Begrenzungs stromcharakteristik führt, die proportional zur Konzentration des Reduktionsgases ist.

Fig. 9 zeigt einen Vergleich der Sensorsignale einer Lambdasonde, eines Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensors und des erfindungsgemäßen Sensors vor und hinter einem Dreiwege katalysator. In Fig. 9 zeigen die punktierten Linien die Sensor signale vor dem Durchgang durch den Katalysator, zeigen die ausgezogenen Linien die Sensorsignale nach dem Durchgang durch den Katalysator und zeigen die strichpunktierten Linien jeweils die theoretischen Luftkraftstoffverhältnisse. Bei einer Lambda sonde (a) zeigt sich, daß die Signale sich im kraftstoffarmen Bereich oder im kraftstoffreichen Bereich kaum ändern jedoch eine plötzliche und starke Änderung am theoretischen Luftkraft stoffverhältnis erfahren. Wenn somit der Unterschied im Luft kraftstoffverhältnis vor und nach dem Durchgang durch den Kata lysator nicht groß ist, d. h. wenn der Reinigungswirkungsgrad des Katalysators nicht groß ist, ist es schwierig die Abnahme der Leistungsfähigkeit des Katalysators zu erfassen.

Bei einem Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensor (b) sind die erhaltenen Signale nahezu proportional zum Luftkraft stoffverhältnis, so daß ein kleiner Unterschied im Luftkraft stoffverhältnis erfaßt werden kann. Das heißt, daß das Maß an Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit eines Katalysators über einen breiten Bereich erfaßt werden kann. Dabei ist das Signal im kraftstoffarmen Bereich ein positiver Wert und im kraftstoff reichen Bereich ein negativer Wert. Wie es oben beschrieben wurde, ist der Breitbereichsluftkraftstoffverhältnissensor je doch aufgrund seines komplizierten Aufbaus schwierig herzustel len, er benötigt separate komplizierte Schaltungen, was die Herstellungskosten erhöht.

Schließlich ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor zum Erfas sen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators (c) das Signal ein absoluter Wert im Gegensatz zum Signal des Breit bereichsluftkraftstoffverhältnissensors. Bei dem erfindungsgemä ßen Sensor ist es somit nicht möglich, zwischen dem kraftstoff armen Bereich und dem kraftstoffreichen Bereich über das Vor zeichen des Signals zu unterscheiden. Das theoretische Luft kraftstoffverhältnis, bei dem der Reinigungswirkungsgrad des Katalysators am größten ist, wird jedoch als ein Strom gleich Null erfaßt, so daß das bei der Benutzung problemlos ist. Es be steht darüber hinaus keine Notwendigkeit, eine separate Treiber schaltung zum Betreiben des Sensors vorzusehen, um die Pumprich tung des Sauerstoffs und das Maß an gepumptem Sauerstoff zu verändern. Aufgrund des einfachen Aufbaus hat der erfindungs gemäße Sensor somit Vorteile in Hinblick auf seine Herstellung und seine Kosten.

Fig. 10A und 10B zeigen die Arbeitsprinzipien der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Sensoren im kraftstoffarmen Bereich und im kraftstoffreichen Bereich jeweils. Das heißt, daß die Fig. 10A und 10B Schnittansichten der Planarsensoren jeweils mit einer Kathode und einer Anode zeigen, die parallel zueinander auf eine Seite einer Elektrolytschicht gedruckt sind, wobei der Flächenbereich der Kathode erhöht ist, um den Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen Bereich zu erhöhen.

Das hat zur Folge, daß Begrenzungsströme im kraftstoffarmen Bereich und im kraftstoffreichen Bereich, die jeweils propor tional zu den Konzentrationen eines oxidierenden Gases und eines reduzierenden Gases sind, als Sensorsignale erfaßt werden kön nen, wenn der Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfä higkeit eines Katalysators gemäß der Erfindung benutzt wird. Je stärker das Abgas an Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffen HC und Stickstoffoxiden NO_x durch den Katalysator gereinigt wird, um so stärker nimmt der Begrenzungsstrom proportional zum Maß an Reinigung zu. Das Maß an Abnahme der Leistungsfähigkeit des Katalysators kann somit linear über einen breiten Bereich unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors erfaßt werden. Das heißt, daß dann, wenn das Abgas nahezu auf das theoretische Luftkraftstoffverhältnis nach dem Durchgang durch den Katalysa tor gereinigt wird, der Begrenzungsstrom nach dem Durchgang durch den Katalysator scharf abfällt verglichen mit dem Begren zungsstrom vor dem Durchgang durch den Katalysator. Das Maß an Abnahme ist weiterhin proportional zum Luftkraftstoffverhältnis, so daß das Maß an Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysa tors über einen breiten Bereich unter Verwendung des erfindungs gemäßen Sensors erfaßt und diagnostiziert werden kann, wie es sonst nur unter Benutzung des Breitbereichsluftkraftstoffver hältnissensors möglich ist. Da bei dem Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators die Elektro lytschicht und die Gasdiffusionssteuersperrschichten aus dem gleichen Material gebildet sind, haben sie gleiche Wärmeausdeh nungskoeffizienten. Der Sensor hat daher eine ausgezeichnete Wärme- und Stoßfestigkeit und Dauerhaftigkeit und ist leicht herzustellen.

Der erfindungsgemäße Sensor ist weiterhin günstig bei der Erfassung eines theoretischen Luftkraftstoffverhältnisses, da ein gleicher Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen und im kraft stoffreichen Bereich erhalten wird.

Im folgenden werden mehrere Beispiele im einzelnen be schrieben.

Beispiel 1

YSZ-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von annähernd 0,05µm und Al₂O₃-Pulver mit einem mittleren Teilchen durchmesser von annähernd 2µm wurden in einem Verhältnis von 85 : 15 gemischt. Anschließend wurden jeweils 100g des Pulvers 15 g eines Bindemittels (PVB), 8g eines Plastifizierers (DOP) , 80g Toluol und 20g Ethanol als Lösungsmittel sowie 0,5g eines Dis persionsmittels (Triolat) zugegeben. Das Gemisch wurde in einer Zirkondioxidkugelmühle 24 Stunden lang gemahlen, anschließend entschäumt und bandgegossen, wodurch eine Rohfolie mit einer Stärke von 0,4mm gebildet wurde.

Nachdem eine Platinpaste Pt auf beide Oberflächen der YSZ-Al₂O₃ Rohfolie aufgebracht worden war, indem ein Siebdruckver fahren benutzt wurde, wurde die Paste bei annähernd 60°C 3 Stun den lang getrocknet, um Elektrodenschichten zu bilden. Die YSZ-Al₂O₃ Rohfolie wurde auf jede Elektrodenschicht aufgebracht und dann bei 1350°C unter normalen atmosphärischen Bedingungen ge brannt, wodurch der in Fig. 4 dargestellte Sensor gebildet wur de. Die Heizung zum Erwärmen des Sensors wurde dadurch gebildet, daß ein Platinheizungsmuster auf eine Aluminiumrohfolie (4 × 50 × 1mm) aufgedruckt wurde und das ganze bei 1500°C 2 Stunden lang gesintert wurde.

Fig. 11 zeigt in einer graphischen Darstellung die Begren zungsstromcharakteristik des nach dem obigen Verfahren herge stellten Sensors im kraftstoffarmen Bereich (Oxidationszustand) und, im kraftstoffreichen Bereich (Reduktionszustand) gemessen bei 750°C. Was das in Fig. 11 dargestellte Ergebnis anbetrifft, so ist das Restgas außer O₂ CO₂ und CO Stickstoff.

Aus der graphischen Darstellung von Fig. 11 ist erkennbar, daß der Begrenzungsstrom im Oxidationszustand mit steigender Oxidationsgaskonzentration zunimmt. Wie es oben beschrieben wurde, entspricht der Begrenzungsstrom einem Sensorsignal pro portional zum Maß an Sauerstoffgas, das zur Kathode (untere Elektrode) aus allen Richtungen des Sensors diffundiert. Der Begrenzungsstrom nimmt auch im Reduktionszustand mit steigender CO Konzentration zu. Dabei entspricht der Begrenzungsstrom einem Sensorsignal, das proportional zum Maß an CO ist, das zur Anode (obere Elektrode) diffundiert. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysa tors kann somit der Begrenzungsstrom erfaßt werden, der linear proportional zum Maß an Abweichung vom theoretischen Luftkraft stoffverhältnis ist, und zwar unabhängig vom kraftstoffarmen oder kraftstoffreichen Zustand.

Aus der graphischen Darstellung von Fig. 11 ist weiterhin erkennbar, daß der Begrenzungsstrom bei 1% CO nahezu der gleiche wie bei 0,5% O₂ ist, was darauf beruht, daß ein 1/2 Mol Sauer stoff benötigt wird, um 1 Mol CO zu oxidieren. Da die beiden Diffusionssteuersperrschichten, die auf die obere und die untere Fläche der Elektrolytschicht geschichtet sind, weiterhin aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Stärke haben, kann davon ausgegangen werden, daß die Mengen an Gasen, die über die oberen und unteren Diffusionssteuersperrschichten diffundieren, gleich sind.

Indem ein typisches Kraftfahrzeugmaschinensystem aufgebaut wurde, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, wurden die Charakteri stiken der Erfassung der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators für einen herkömmlichen Sauerstoffsensor in Form eines Konzentrationselementes und für den erfindungsgemäße Sen sorgemessen. In Fig. 12 geben die Pfeile 1 und 2 die Strömungs richtungen von Luft und Kraftstoff jeweils in einer Maschine wieder und zeigt der Pfeil 3 die Strömungsrichtung des Abgases. Wie es in Fig. 12 dargestellt ist, wird bei dem System zum Er fassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators eine Lambdasonde 121 zum Betreiben der Maschine bei Verhältnis sen in der Nähe des theoretischen Luftkraftstoffverhältnisses benutzt und sind die zu prüfenden Sensoren 122 und 122', das heißt die herkömmlichen Sauerstoffelemente in Form von Konzen trationselementen oder die erfindungsgemäßen Sensoren in Löchern angeordnet, die stromaufwärts und stromabwärts eines katalyti schen Wandlers 127 angeordnet sind, so daß ein Signalkomparator 123 die Sensorsignale a und b vergleicht, die von den Sensoren 122 und 122' ausgegeben werden. Das System zur Erfassung der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators enthält wei terhin einen Luftströmungssteuersensor 125 zum Steuern der Menge an Luft, die in eine Maschine 124 strömt, eine Maschinensteue rung 126 zum Steuern der Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) der Maschine 124, einen katalytischen Wandler 127 zum Reinigen des Abgases, das von der Maschine ausgegeben wird, und ein Thermome ter 128 zum Messen der Temperatur vor und hinter dem katalyti schen Wandler 127. Zur Durchführung einer Vergleichsmessung der Fähigkeit der Erfassung der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators über einen breiten Bereich wurde ein Katalysator eines Kraftfahrzeuges mit einer DOHC-Maschine mit 1500 cm³ (Kilo meterstand: 40 000 km) benutzt.

Die Fig. 13A und 13B zeigen die Ausgangscharakteristiken eines herkömmlichen Sauerstoffsensors vom Typ eines Konzentra tionselementes vor (gestrichelte Linie) und hinter (ausgezogene Linie) dem Katalysator. Das heißt im einzelnen, daß Fig. 13A die Charakteristiken für den Fall zeigt, daß die Drehzahl der Ma schine 800 Umdrehungen pro Minute beträgt und die Temperatur des Katalysators bei 200°C liegt, und daß Fig. 13B die Charakteri stiken zeigt, wenn die Drehzahl der Maschine 2000 Umdrehungen pro Minute beträgt und die Temperatur des Katalysators bei 250°C liegt. Wie es in den Fig. 13A und 13B dargestellt ist, ändern sich die Sensorsignale vor und hinter dem Katalysator unabhängig von der Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) der Maschine kaum. Das heißt, daß der Reinigungswirkungsgrad des Katalysators unter 70% des Anfangsreinigungswirkungsgrades liegt.

Die Fig. 14A und 14B zeigen die Ausgangscharakteristik des in Fig. 4 dargestellte Sensors zum Erfassen der Abnahme der Lei stungsfähigkeit eines Katalysators vor (gestrichelte Linie) und hinter (ausgezogene Linie) dem Katalysator. Das heißt im einzel nen, daß Fig. 14A die Charakteristik bei einer Drehzahl der Maschine von 800 Umdrehungen pro Minute und einer Temperatur des Katalysators von 200°C zeigt während Fig. 14B die Charakteristik bei einer Drehzahl der Maschine von 2000 Umdrehungen pro Minute und einer Temperatur des Katalysators von 250°C zeigt. In der graphischen Darstellung gibt ein hoher Stromwert ein hohes Maß an Abweichung vom theoretischen Luftkraftstoffverhältnis wieder. Wie es in den Fig. 14A und 14B dargestellt ist, sind die Signale relativ kleiner bei 2000 Umdrehungen pro Minute als bei 800 Um drehungen pro Minute, was darauf beruht, daß die Anzahl von Rückkopplungen wesentlich größer bei 2000 Umdrehungen pro Minute als bei 800 Umdrehungen pro Minute ist, wodurch das theoretische Luftkraftstoffverhältnis wirksam erfaßt wird. Bei beiden Maschi nendrehzahlen nimmt die Amplitude der Sensorsignale nach dem Durchgang durch den Katalysator verglichen mit dem Zustand vor dem Durchgang durch den Katalysator merklich ab. Das zeigt, daß der Katalysator noch eine beträchtliche Reinigungswirkung hat. Da der erfindungsgemäße Sensor zum Erfassen einer Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators als Sensorsignale den Begrenzungsstrom verwendet, der proportional zum Maß an Abwei chung vom theoretischen Luftkraftstoffverhältnis ist, kann er die Abnahme der Leistungsfähigkeit des Katalysators nahezu im selben Bereich erfassen wie es beim herkömmlichen Verfahren der Fall ist, bei dem Sensorsignale von zwei Breitbereichsluftkraft stoffverhältnissensoren verglichen werden.

Die Anzahl an wiederholten Spitzenwerten gibt die Anzahl an Taktzyklen über die kraftstoffarmen und kraftstoffreichen Berei che wieder. Der Sensor vom Typ eines Konzentrationselementes der Fig. 13A und 13B zeigt 5 Taktzyklen in 20 Sekunden bei 800 Um drehungen pro Minute und 13 Taktzyklen in 20 Sekunden bei 2000 Umdrehungen pro Minute. 5 Taktzyklen bedeutet, daß in die kraft stoffarmen und in die kraftstoffreichen Bereiche jeweils fünfmal eingetreten wurde. Da jedoch der Sensor der Fig. 14A und 14B alle Spitzenwerte als absolute Werte ausdrückt, bedeuten 10 Spitzenwerte mit gestrichelten Linien in Fig. 14A, daß in die kraftstoffarmen und kraftstoffreichen Bereiche jeweils fünfmal eingetreten wurde. Die Größe der Spitzen mit gestrichelten Li nien ist weiterhin in Fig. 14A nicht gleich. Die Größe der Spit zenwerte gibt den Begrenzungsstrom wieder und jeder Spitzenwert zeigt den kraftstoffreichen Bereich oder den kraftstoffarmen Bereich an. Das beruht darauf, daß im allgemeinen der Begren zungsstrom im kraftstoffreichen Bereich größer als im kraftstoffarmen Bereich ist und daß der Wasserstoffdiffusions koeffizient im kraftstoffreichen Bereich wesentlich größer als der Koeffizient für andere Gase ist. Ein derartiger Unterschied im Begrenzungsstrom ist nicht günstig, um leistungsfähig das theoretische Luftkraftstoffverhältnis zu erhalten.

Beispiel 2

Um den Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen Bereich zu erhö hen oder den Begrenzungsstrom im kraftstoffreichen Bereich her abzusetzen, wurde der in Fig. 4 dargestellten Sensor nach dem gleichen Verfahren wie beim Beispiel 1 allerdings mit der Aus nahme hergestellt, daß die Stärke der Diffusionssteuersperr schicht 43a auf der Anode 0,4mm betrug während die Stärke der Diffusionssteuersperrschicht 43b auf der Kathode auf 0,15mm vermindert wurde. Fig. 15 zeigt die Begrenzungsstromcharakteri stik dieses Sensors. Verglichen mit der graphischen Darstellung in Fig. 11, die die Begrenzungsstromcharakteristik eines Sensors mit zwei Diffusionssteuersperrschichten gleicher Stärke zeigt, zeigt sich, daß der Begrenzungsstrom bei Sauerstoff im kraft stoffarmen Bereich merklich zunimmt.

Die Fig. 16A und 16B zeigen die Ausgangssignale, die dann erhalten werden, wenn der obige Sensor bei dem in Fig. 12 darge stellten Maschinensystem verwandt wird, und zwar vor (gestri chelte Linie) und hinter (ausgezogene Linie) dem Katalysator. Das heißt, daß im einzelnen Fig. 16A die Ausgangscharakteristik bei einer Drehzahl der Maschine von 800 Umdrehungen pro Minute und einer Temperatur des Katalysators von 200°C zeigt, während Fig. 16B die Ausgangscharakteristik bei einer Drehzahl der Ma schine von 2000 Umdrehungen pro Minute und einer Temperatur des Katalysators von 250°C zeigt. Die Höhe der Spitzenwerte ist verglichen mit Fig. 14A gleichmäßiger. Es versteht sich somit, daß die Begrenzungsströme im kraftstoffreichen Bereich und im kraftstoffarmen Bereich durch eine Steuerung der Stärke der Dif fusionssteuersperrschichten ausgeglichen werden können.

Beispiel 3

Um den Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen Bereich zu erhö hen oder im kraftstoffreichen Bereich herabzusetzten, wurde der in Fig. 5 dargestellte Sensor nach dem gleichen Verfahren wie beim Beispiel 1 hergestellt, wobei lediglich der Flächenbereich der Kathode von dem der Anode verschieden gemacht wurde. Fig. 17 zeigt die Begrenzungsstromcharakteristik des erhaltenen Sensors vor dem Katalysator. Die gestrichelten Linien gehören zu einem Sensor, dessen Flächenbereich der Kathode zweimal so groß wie der Flächenbereich der Anode ist, und die ausgezogenen Linien gehören zu einem Sensor, bei dem der Flächenbereich der Anode zweimal so groß wie der Flächenbereich der Kathode ist. Um die Sensorsignale von Fig. 17 zu erhalten, wurden die gebildeten Sensoren bei der in Fig. 12 dargestellten Kraftfahrzeugmaschine angeordnet und wurde die Drehzahl der Maschine auf 800 Umdrehun gen pro Minute festgelegt. Wie es in Fig. 17 dargestellt ist, ist der Begrenzungsstrom sowohl im kraftstoffarmen als auch im kraftstoffreichen Bereich bei dem Sensor gleich, der eine große Kathode verwendet, was durch gestrichelte Linien wiedergegeben ist, im Gegensatz zu dem Sensor, der eine große Anode verwendet, was durch ausgezogene Linien wiedergegeben ist. Der Grund dafür besteht darin, daß der Begrenzungsstrom bei einem Oxidationsgas im kraftstoffarmen Bereich mit zunehmender Kathodenfläche zu nimmt. Es ist bevorzugt, den Flächenbereich der Kathode zu erhö hen, um das theoretische Luftkraftstoffverhältnis zu erreichen, wenn die in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Sensoren gebildet werden.

Wie es oben beschrieben wurde, kann der erfindungsgemäße Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators, bei dem Gasdiffusionssteuersperrschichten auf beide Seiten der Elektrolytschicht angeordnet sind, die stabili siertes Zirkoniumdioxid enthält und mit einer Kathode und einer Anode versehen ist, den Begrenzungsstrom proportional zur Abwei chung von theoretischen Luftkraftstoffverhältnis erfassen, ohne daß eine zusätzliche Treiberschaltung zum Ändern der Richtung des Pumpstromes in Abhängigkeit vom kraftstoffarmen Bereich oder kraftstoffreichen Bereich benötigt wird. Der erfindungsgemäße Sensor kann daher eine Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators über den gleichen breiten Bereich wie ein Breitbe reichsluftkraftstoffsensors erfassen. Da die Elektrolytschicht und die Gasdiffusionssteuersperrschichten aus dem gleichen Mate rial beim erfindungsgemäßen Sensor bestehen, ist der Herstel lungsvorgang vereinfacht und sind die Wärmeausdehnungskoeffi zienten aller Schichten des Sensors gleich, was ihm eine ausge zeichnete Hitze- und Stoßbeständigkeit gibt. Durch eine Steue rung der Stärke der Gasdiffusionssteuerschicht oder des Flächen bereiches der Elektroden kann darüber hinaus ein gleichförmiger Begrenzungsstrom im kraftstoffarmen Bereich und im kraftstoff reichen Bereich erhalten werden. Der erfindungsgemäße Sensor hat einen kleinen planaren Aufbau, so daß die Aufwärmzeit des Sen sors wesentlich geringer als bei einem Sensor vom Typ eines rohrförmigen Konzentrationselementes ist.

Claims

1. Sensor zum Erfassen der Abnahme der Leistungsfähigkeit eines Katalysators, gekennzeichnet durch
eine ionenleitende Elektrolytschicht (31),
eine Anode (32a) und eine Kathode (32b), die auf der Elek trolytschicht (31) ausgebildet sind, und
Gasdiffusionssteuersperrschichten (33), die auf der Elek trolytschicht (31) ausgebildet sind und die Anode (32a) und die Kathode (32b) überdecken,
wobei die Elektrolytschicht (31) und die Gasdiffusionssteu ersperrschichten (33) aus dem gleichen Material bestehen, das stabilisiertes Zirkoniumdioxid und ein anorganisches Material enthält.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierte Zirkoniumdioxid aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ), Magnesium oxid stabilisiertem Zirkoniumdioxid (MSZ) und Calciumoxid stabi lisiertem Zirkoniumdioxid (CSZ) besteht, die dadurch erhalten werden, daß ein Stabilisator, der aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Yttriumoxid (Y₂O₃), Magnesiumoxid (MgO) und Calciumoxid (CaO) besteht, Zirkoniumdioxid zugegeben wird, und das anorgani sche Material aus einer Gruppe gewählt ist, die aus Aluminium oxid, YSZ, MSZ und CSZ besteht, deren Teilchendurchmesser größer als der des stabilisierten Zirkoniumdioxid ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an anorganischen Material 10 bis 40 Gew.-% auf der Grund lage des Gesamtgewichtes der Elektrolytschicht (31) und der Gasdiffusionssteuersperrschichten (33) beträgt, wenn das anorga nische Material Aluminiumoxid ist.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode beide parallel zueinander auf einer Außen fläche der Elektrolytschicht ausgebildet sind.

5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Kathode auf gegenüberliegenden Flächen der Elek trolytschicht ausgebildet sind und die Gasdiffusionssteuersperr schichten auf der Anode und der Kathode ausgebildet sind.

6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenbereich der Kathode größer als der der Anode ist, so daß nahezu die gleiche Leistungsfähigkeit sowohl im kraft stoffarmen als auch im kraftstoffreichen Bereich erzielt wird.

7. Sensor nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionssteuersperrschicht, die die Anode über deckt, dicker als die Gasdiffusionssteuersperrschicht ist, die Kathode überdeckt, so daß nahezu die gleiche Leistungsfähigkeit im kraftstoffarmen Bereich als auch im kraftstoffreichen Bereich erzielt wird.

8. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionssteuersperrschichten nur die ionenleitenden Bereiche der Anode und Kathode überdecken.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenbereich der Kathode größer als der der Anode ist, so daß nahezu die gleiche Leistungsfähigkeit im kraftstoffarmen Bereich wie im kraftstoffreichen Bereich erzielt wird.

10. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionssteuersperrschicht, die die Anode überdeckt, dicker als die Gasdiffusionssteuersperrschicht ist, die die Kathode überdeckt, so daß nahezu die gleiche Leistungsfähigkeit im kraftstoffarmen Bereich wie im kraftstoffreichen Bereich erzielt wird.