DE3744206C2

DE3744206C2 -

Info

Publication number: DE3744206C2
Application number: DE3744206A
Authority: DE
Inventors: Yasuhiko Hamada; Tsunenori Nagoya Aichi Jp Yoshimura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-12-27
Filing date: 1987-12-24
Publication date: 1991-10-31
Also published as: DE3744206A1; JPH07119739B2; JPS6420440A; US4824549A

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2. Dieser Sauerstoffsensor eignet sich beispielsweise zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemisches, das z. B. einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs oder verschiedenen Industrieöfen zugeführt wird, durch Messung am Abgas der Brennkraftmaschine oder des Industrieofens. Durch die Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses kann die Verbrennung gesteuert werden.

Als Sauerstoffsensor für die Messung der Sauerstoffkonzentration in Verbrennungsabgasen, zum Beispiel aus einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist ein Sensor bekannt, bei dem ein Zirkoniumdioxid-Keramikwerkstoff oder ein anderer für Sauerstoffionen durchlässiger Trockenelektrolyt verwendet wird und der zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle arbeitet. Für den Betrieb einer Brennkraftmaschine ist es erforderlich, auf genaue Weise das Luft/Brennstoff-Verhältnis bzw. Gemischverhältnis eines der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches derart zu steuern, daß das tatsächliche Gemischverhältnis mit einem Sollwert übereinstimmt. Im allgemeinen wird dieses Gemischverhältnis durch das Messen der Konzentration des Sauerstoffs in den Abgasen ermittelt, die sich als Funktion des Gemischverhältnisses des der Maschine zugeführten Gemisches ändert. Ein das ermittelte Gemischverhältnis anzeigendes Signal wird einem Brennstoffzuführungs-Steuersystem der Maschine zugeführt, um damit die zugeführte Brennstoffmenge festzulegen, nämlich das tatsächliche Gemischverhältnis derart zu steuern, daß es mit dem Sollwert übereinstimmt.

Ein als Gemischverhältnis-Sensor eingesetzter derartiger Sauerstoffsensor ist aus der US-PS 45 68 443 bekannt. Bei dem aus dieser US-PS bekannten Sauerstoffsensor ist ein Meßelement des Sensors mit einer inneren Gasdiffusionskammer ausgebildet, die mit einem Außenraum in Verbindung steht, der die nachstehend als "Meßgas" bezeichneten Abgase enthält, an denen gemessen werden soll. Das Meßelement hat eine Meßvorrichtung für das Ermitteln der Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre bzw. der Gase in der inneren Gasdiffusionskammer, die aus dem unter einem vorbestimmten Diffusionswiderstand eingeleiteten Meßgas bestehen. Die Meßvorrichtung gibt ein Ausgangssignal ab, das die Sauerstoffkonzentration der Gase in der Gasdiffusionskammer anzeigt. Ferner hat das Meßelement eine Sauerstoffpumpvorrichtung, die mit einem dem Ausgangssignal der Meßvorrichtung entsprechenden Pumpstrom derart betrieben wird, daß die Sauerstoffkonzentration in der Gasdiffusionskammer auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Der der Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführte Pumpstrom wird als ein Parameter erfaßt, der die Sauerstoffkonzentration des Meßgases wiederspiegelt, nämlich der Abgase, die durch die Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches erzeugt werden. D. h., der Pumpstrom gibt das Gemischverhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches wieder.

Im einzelnen enthält gemäß Fig. 2 das Meßelement des Gemischverhältnis-Sensors der aus der US-PS 45 68 443 bekannten Art eine erste elektrochemische Zelle die als Sauerstoffpumpvorrichtung dient, mit einem Trockenelektrolytkörper 2, einer inneren Pumpelektrode 6, die zu einer mit einem Außenraum in Verbindung stehenden inneren flachen Gasdiffusionskammer 4 hin freiliegt, und einer äußeren Pumpelektrode 8, die im wesentlichen zu dem Außenraum freiliegt. Ferner enthält das Meßelement eine zweite elektrochemische Zelle, (Sauerstoffkonzentrationszelle) die als Sauerstoffmeßvorrichtung dient, mit dem Trockenelektrolytkörper 2, einer Meßelektrode 10, die zu der inneren flachen Gasdiffusionskammer 4 hin freiliegt, und einer Bezugselektrode 14, die an einem mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Luftkanal 12 freiliegt. Das Meßelement enthält ferner ein Heizelement 16, das diese beiden elektrochemischen Zellen für das Pumpen und Messen des Sauerstoffs auf geeigneten Betriebstemperaturen hält. Der Sauerstoffsensor mit diesem Meßelement kann nicht nur Abgase bei der Verbrennung eines stöchiometrischen Gemisches, sondern auch Abgase bei der Verbrennung eines mageren oder fetten Gemisches erfassen. Die stöchiometrischen Abgase sind Abgase, die sich als Ergebnis der Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches ergeben, dessen Gemischverhältnis gleich oder nahe dem stöchiometrischen Wert (A/F=14,6) ist bzw. dessen Luftüberschußfaktor λ gleich oder nahe "1" ist. Die Magerverbrennungs-Abgase sind Abgase bei der Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches, dessen Gemischverhältnis (Luftüberschußfaktor) größer als der stöchiometrische Wert ist (λ<1), während die Fettverbrennungs-Abgase die Abgase sind, die bei der Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches abgegeben werden, dessen Gemischverhältnis (Luftüberschußfaktor) kleiner als der stöchiometrische Wert ist (λ<1). Daher können mit diesem Sauerstoffsensor die Gemischverhältnisse der Luft/Brennstoff-Gemische ermittelt werden, die diese unterschiedlichen Abgase ergeben.

In dem Gemischverhältnis-Sensor der vorstehend beschriebenen Art wird das Meßgas aus dem Außenraum gegen den vorbestimmten Diffusionswiderstand in die innere Gasdiffusionskammer 4 eingeleitet, so daß das eingeleitete Meßgas mit der Meßelektrode 10 der Sauerstoffmeßvorrichtung in Berührung kommt. Dabei wird ein elektrischer Strom, der sog. Pumpstrom Ip, zwischen der inneren Pumpelektrode 6 und der äußeren Pumpelektrode 8 hervorgerufen, die innerhalb bzw. außerhalb der Gasdiffusionskammer 4 angeordnet sind; dadurch wird auf bekannte Weise ein Sauerstoffpumpvorgang derart herbeigeführt, daß die Sauerstoffkonzentration der Atmosphäre bzw. des Gases an der Meßelektrode 10 durch die Wirkung der Pumpelelektroden 6 und 8 auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Bei dieser Anordnung wird der Pumpstrom Ip entsprechend einer Änderung der Konzentration einer gewünschten Meßkomponente, nämlich der Sauerstoffkonzentration des Meßgases bzw. Abgases, verändert, d. h., entsprechend einer Änderung des Luftüberschußfaktors λ bzw. des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des Luft/Brennstoff-Gemisches, das das Abgas ergibt. Infolgedessen ist es durch die Messung des Pumpstroms Ip möglich, einen Luftüberschußfaktor λ des Gemisches zu bestimmen, der höher oder niedriger als "1" ist, bzw. ein Gemischverhältnis, das höher oder niedriger als der stöchiometrische Wert ist. D. h., mit diesem Gemischverhältnis-Sensor können nicht nur durch "magere Verbrennung" entstehende Abgase, die sich bei der Verbrennung eines Gemisches mit hohem Luftgehalt ergeben und die einen höheren Sauerstoff-Partialdruck als die stöchiometrischen Abgase haben, sondern auch die bei der "fetten Verbrennung" entstehenden Abgase gemessen werden, die sich bei dem Verbrennen eines Gemisches mit hohem Brennstoffgehalt ergeben und die einen niedrigeren Sauerstoff-Partialdruck als die stöchiometrischen Abgase haben. Die bei der "fetten Verbrennung" entstehenden Abgase enthalten einen großen Anteil an unverbrannten Bestandteilen.

Auf diese Weise kann das Luft/Brennstoff-Verhältnis eines Luft/Brennstoff-Gemisches durch das Messen des über die beiden Pumpelektroden fließenden Pumpstroms Ip bestimmt werden, der sich mit der Sauerstoffkonzentration der aus dem Luft/Brennstoff-Gemisch entstehenden Abgase ändert. Der Pumpstrom Ip entspricht folgender Gleichung:

Ip = A (Pe - Po)/R

wobei Pe der Sauerstoff-Partialdruck der Abgase ist, Po der Sauerstoff-Partialdruck der Gase in der Gasdiffusionskammer 4 ist, R der Widerstand gegen die Diffusion der Abgase aus dem Außenraum in die Gasdiffusionskammer 4 ist und A eine Proportionalitätskonstante bzw. Dimensionskonstante ist.

Damit wird der Pumpstrom Ip durch den Diffusionswiderstand R des Meßelements beeinflußt. Während des Einsatzes des Gemischverhältnis-Sensors ändert sich der Diffusionswiderstand R, wenn sich infolge der Ablagerung von in den Abgasen enthaltenen Teilchen die geometrische Gestalt des Diffusionsweges der Abgase bzw. des Meßgases ändert. Infolgedessen ändert sich gemäß Fig. 3 das Ausgangssignal des Gemischverhältnis-Sensors in der Form des Pumpstroms Ip in bezug auf den Luftüberschußfaktor (das Gemischverhältnis) von dem durch eine ausgezogene Linie dargestellten Zustand auf den durch eine gestrichelte Linie dargestellten Zustand. Daher ergibt sich eine Beeinträchtigung des Sauerstoffsensors durch zeitliche Änderung seiner Ausgangskennwerte, nämlich des Zusammenhanges zwischen dem Pumpstrom Ip und dem Luft/Brennstoff-Verhältnis.

Die DE-OS 36 35 624, eine ältere Anmeldung, betrifft einen Sauerstoffsensor für die Messung an einem Meßgas mit einem Meßelement, das zwei Sauerstoffmeßeinrichtungen umfaßt, wobei zur Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses unterschiedliche Diffusionswege und Diffusionsgeschwindigkeiten ausgenutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffsensor für die Bestimmung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemisches durch Erfassen der aus dem Gemisch entstehenden Abgase bereitzustellen, der im wesentlichen frei von den herkömmlich auftretenden zeitlichen Änderungen der Ausgangskennwerte ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Sauerstoffsensor mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmalen gelöst.

Eine bevorzugte Ausführungsform beider Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors besteht darin, daß die erste und die zweite Sauerstoffmeßvorrichtung sowie die erste und die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung jeweils eine elektrochemische Zelle mit einem Trockenelektrolytkörper und einem Paar von Elektroden sind. Diese vier elektrochemischen Zellen sind zu einer Einheit in das Meßelement eingebaut. Der Trockenelektrolytkörper wird vorzugsweise durch einen für Sauerstoffionen durchlässigen Keramikwerkstoff gebildet. Das Meßelement kann ferner ein Zirkoniumdioxid-Heizelement enthalten, das den Trockenelektrolytkörper der vier elektrochemischen Zellen auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur hält.

Bei der vorstehend erwähnten bevorzugten Ausführungsform ist vorzugsweise jeweils eine der beiden Elektroden der ersten bzw. zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung in dem ersten bzw. zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer angeordnet, während die anderen Elektroden der ersten und der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung durch eine einzige gemeinsame Elektrode gebildet sind, die außerhalb der Gasdiffusionskammer angeordnet ist. Diese einzige gemeinsame Elektrode kann eine Bezugselektrode sein, die einer Bezugsatmosphäre mit einem vorbestimmten Sauerstoff-Partialdruck ausgesetzt ist.

Ferner ist vorzugsweise jeweils eine der beiden Elektroden der ersten bzw. zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung in dem ersten bzw. zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer angeordnet, während die anderen Elektroden der ersten und der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung durch eine einzige gemeinsame Elektrode gebildet sind, die außerhalb der Gasdiffusionskammer angeordnet ist.

Bei beiden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors ist der Diffusionswiderstand der Gasdiffusionskammer vorzugsweise derart bestimmt, daß ein der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführter erster Pumpstrom, der die Sauerstoffkonzentration der Gase in dem ersten Bereich auf einem vorbestimmten Wert hält, zumindest zweimal so groß wie ein der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführter zweiter Pumpstrom, der die Sauerstoffkonzentration der Gase in dem zweiten Bereich auf dem vorbestimmten Wert hält. Diese Gestaltung verbessert die Empfindlichkeit des Sauerstoffsensors und erlaubt eine Kompensation bzw. Korrektur des Sensorausgangssignals hinsichtlich einer Änderung des Diffusionswiderstandes der Gasdiffusionskammer während des Einsatzes des Sauerstoffsensors.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor weist vorzugsweise eine zusätzliche Diffusionswiderstandsvorrichtung auf, die in einem zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich liegenden oder den zweiten Bereich einschließenden dritten Bereich der Gasdiffusionskammer angeordnet ist und die einen weiteren vorbestimmten Widerstand gegen das Hindurchdiffundieren des Meßgases hat, der größer als der vorbestimmte Diffusionswiderstand der Gasdiffusionskammer ist.

Die zusätzliche Diffusionswiderstandsvorrichtung besteht vorzugsweise aus einem in dem dritten Bereich der Gasdiffusionskammer angeordneten porösen Körper.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor enthält vorzugsweise einen porösen Körper der die Gaseinlaßöffnung füllt. Dieser poröse Körper kann als zweiter poröser Körper zusätzlich zu dem vorstehend genannten, in dem dritten Bereich der Gasdiffusionskammer angeordneten porösen Körper vorgesehen werden.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor weist vorzugsweise eine zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer angeordnete Trennvorrichtung auf, die eine geradlinige Diffusion des Meßgases von dem ersten zu dem zweiten Bereich verhindert, um dadurch einen Diffusionsweg zu bilden, der länger als die Länge der geradlinigen Diffusion ist.

Der poröse Körper, die zusätzliche Diffusionswiderstandsvorrichtung oder die Trennvorrichtung bewirkt eine Verteilung des Diffusionswiderstands in dem Meßelement in der Weise, daß der der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführte erste Pumpstrom zumindest zweimal so groß wie der der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführte zweite Pumpstrom ist.

In dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung ein erster Pumpstrom in der Weise zugeführt, daß die Sauerstoffkonzentration des Gases in dem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Zugleich wird der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung ein zweiter Pumpstrom derart zugeführt, daß die Sauerstoffkonzentration des Gases in dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer auf diesem vorbestimmten Wert gehalten wird. Ausgehend von dem Verhältnis des ersten Pumpstroms zu dem zweiten Pumpstrom ist es möglich, während einer langen Betriebsdauer des Sauerstoffsensors das Sensorausgangssignal hinsichtlich einer zeitlichen Änderung des Diffusionswiderstands des Diffusionsweges zwischen dem Außenraum und der Gasdiffusionskammer in dem Meßelement zu korrigieren. Wenn das Meßgas das durch die Verbrennung eines Luft/Brennstoff-Gemisches entstehende Abgas ist, gibt das Sensorausgangssignal das Luft/Brennstoff-Verhältnis des Gemisches wieder.

Nachstehend wird ausführlich das Prinzip erläutert, nach dem im Rahmen der Erfindung das Sensorausgangssignal korrigiert wird. Es sei angenommen, daß der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor als Gemischverhältnis-Sensor für das Bestimmen des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemisches durch das Messen der Sauerstoffkonzentration von Abgasen eingesetzt wird, die durch das Verbrennen des Gemisches entstehen, und daß durch die Sauerstoffpumpvorrichtung entsprechend dem Ausgangssignal der Sauerstoffmeßvorrichtung, das die gerade bestehende Sauerstoffkonzentration in der Gasdiffusionskammer anzeigt, das Gas in der Gasdiffusionskammer auf einen gewünschten Wert gesteuert wird. Bei diesem Sauerstoffsensor ergibt sich ein der Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführter Pumpstrom Ip aus folgender Gleichung:

Ip = 4eσo (Po2ehx - Po2v) (1)

wobei σo der Widerstand gegen das Hindurchdiffundieren der Abgase durch die Gasdiffusionskammer ist, Po2ehx die Sauerstoffkonzentration der Abgase in dem Außenraum ist, Po2v die Sauerstoffkonzentration der Gase in der Gasdiffusionskammer ist und e die Elektronladung ist.

Der Diffusionswiderstand σo entspricht folgender Gleichung:

σo = DA/kTl (2)

wobei D die Diffusionskonstante von Sauerstoff ist, A die Querschnittsfläche der Gasdiffusionskammer ist, k die Boltzmannsche Konstante ist, T die absolute Temperatur ist und l die Länge des Diffusionsweges durch die Gasdiffusionskammer ist.

Unter der Voraussetzung, daß die absolute Temperatur T konstant ist, kann das vorstehend erläuterte Prinzip der Messung mit dem Gemischverhältnis-Sensor beispielsweise durch eine elektrische Schaltung gemäß Fig. 4 veranschaulicht werden. Demnach kann der über einen elektrischen Widerstand Rx fließende Strom Ip folgendermaßen ausgedrückt werden:

Ip = Rx^-1 (Vx - Vo) (3)

wobei Vx das Potential an einer Stelle stromauf des Widerstands ist und Vo das Potential an einer Stelle stromab des Widerstands ist.

Bei einem üblichen Gemischverhältnis-Sensor wird in einem Bereich der Gasdiffusionskammer das Gas, dessen Sauerstoffkonzentration gemessen wird, auf das stöchiometrische Gas gesteuert, das mit dem Abgas identisch ist, das durch die Verbrennung eines stöchiometrischen Luft/Brennstoff-Gemisches entsteht, dessen Luftüberschußfaktor λ gleich "1" ist (was dem Luft/Brennstoff-Verhältnis 14,6 entspricht). D. h., die Sauerstoffkonzentration Po2v des Gases in der Gasdiffusionskammer ist "0", wodurch das Potential Vo in der Gleichung (3) gleich "0" ist. Dadurch ist die Gleichung (3) in folgende Gleichung umgewandelt:

Ip = Vx/Rx (4)

Aus der Gleichung (4) folgt, daß der Strom Ip (Pumpstrom) hinsichtlich Änderungen des elektrischen Widerstands Rx kompensiert bzw. korrigiert werden muß, der dem Diffusionswiderstand der Gasdiffusionskammer äquivalent ist. D. h., es muß die durch die Verschlechterung bzw. Veränderung des Sensors während des Einsatzes verursachte Änderung des Widerstands Rx erfaßt werden, um den als Sensorausgangssignal herangezogenen Strom Ip korrigieren zu können. Die Änderung des Widerstands Rx kann aus dem Verhältnis eines ersten Ausgangssignals des Sensors bei einem ersten Wert des Diffusionswiderstands zu einem zweiten Ausgangssignal des Sensors bei einem zweiten Wert des Diffusionswiderstands ermittelt werden.

Im einzelnen ist gemäß der Darstellung in Fig. 5 eine erste Sauerstoffpumpvorrichtung eine elektrochemische Zelle mit einem Trockenelektrolytkörper 20 und zwei Elektroden 22 und 24, während eine zweite Sauerstoffpumpvorrichtung eine elektrochemische Zelle mit einem Trockenelektrolytkörper 20, der Elektrode 22 und einer Elektrode 26 ist. Ferner ist eine erste Sauerstoffmeßvorrichtung eine elektrochemische Zelle mit einem Trockenelelektrolytkörper 20 und zwei Elektroden 30 und 32, während eine zweite Sauerstoffmeßvorrichtung eine elektrochemische Zelle mit einem Trockenelektrolytkörper 20, der Elektrode 30 und einer Elektrode 34 ist. Die Elektroden 24, 26, 32 und 34 liegen zu einer Gasdiffusionskammer 28 hin frei. Mit der ersten und der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung werden jeweils in der Gasdiffusionskammer 28 die Sauerstoffkonzentrationen der Gase an den inneren Pumpelektroden 24 bzw. 26 der ersten bzw. zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung erfaßt. Das Meßgas bzw. Abgas diffundiert zuerst in einem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer 28, in dem die Elektroden 24 und 32 der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung bzw. der ersten Sauerstoffmeßvorrichtung freiliegen. Dann diffundiert das eingedrungene Meßgas in einen zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer 28, in dem die Elektroden 26 und 34 freiliegen. Wenn nur die erste Sauerstoffpumpvorrichtung betrieben wird, ergibt sich ein Pumpstrom Ip1 gemäß folgender Gleichung:

Ip1 = (V - Vo)/Rx (5)

wobei Rx der Widerstand gegenüber dem Eindiffundieren des Meßgases in den ersten Bereich der Gasdiffusionskammer 28 ist, V die Sauerstoffkonzentration des Meßgases bzw. Abgases in dem äußeren Raum in % ist und Vo die durch das Betreiben der ersten und der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung herbeigeführte Sauerstoffkonzentration des Gases in dem ersten oder zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer 28 in % ist. Wenn Vo gleich "0" ist, ergibt sich daraus

Ip1 = V/Rx (5′)

Wenn nur die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung betrieben wird, ergibt sich ein Pumpstrom Ip₂ gemäß folgender Gleichung:

Ip2 = (V - Vo)/(Rx + Ro) (6)

wobei Ro der Widerstand gegenüber dem Eindiffundieren des Meßgases in den zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer 28 ist. Wenn Vo gleich "0" ist, ergibt sich daher

Ip2 = V/(Rx + Ro) (6′)

Nimmt man an, daß A das anfängliche Verhältnis des Pumpstroms Ip1 zu dem Pumpstrom Ip2 in dem neuen Meßelement ist, bei dem die Diffusionswiderstände Rx und Ro der Gasdiffusionskammer 28 im wesentlichen ihre Nennwerte haben, so ergeben die vorstehenden Gleichungen (5′) und (6′) die folgende Gleichung:

A = Ip1/Ip2 = (Rx + Ro)/Rx = 1 + Ro/Rx

Daraus folgt:

Ro/Rx = A - 1 (7)

Nimmt man an, daß der dem ersten bzw. äußeren Bereich der Gasdiffusionskammer 28 entsprechende Diffusionswiderstand Rx sich während des Einsatzes des Meßelements ändert, während der dem zweiten bzw. inneren Bereich der Gasdiffusionskammer 28 entsprechende Diffusionswiderstand Ro konstant bleibt, werden auf die gleiche Weise wie die vorstehenden Gleichungen (5′) und (6′) folgende Gleichungen erzielt:

Ip1′= v/Rx′ (8)

Ip2′ = v/(Rx′ + Ro) (9)

wobei v die Sauerstoffkonzentration des Meßgases bzw. Abgases ist, die mit dem über eine vorgegebene Zeitdauer eingesetzten Sensor gemessen wird, Ip1′ der Pumpstrom der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung ist, Ip2′ der Pumpstrom der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung ist und Rx′ der dem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer 28 entsprechende Diffusionswiderstand nach der vorgegebenen Einsatzdauer des Sensors ist.

Wenn das Verhältnis des Pumpstroms Ip1′ zu dem Pumpstrom Ip2′ mit B bezeichnet ist, ergibt sich aus den vorstehenden Gleichungen (8) und (9) folgende Gleichung:

B = Ip1′/Ip2′ = (Ro + Rx′)/Rx′) = 1 + Ro/Rx′

Daraus folgt:

Ro/Rx′ = B - 1 (10)

Infolgedessen können Korrekturfaktoren C und D für die erste und die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung jeweils durch folgende Gleichungen (11) bzw. (12) ausgedrückt werden, die aus den vorstehenden Gleichungen (5) bis (10) abgeleitet sind:

C = Ip1/Ip1′ = (V/Rx)/(V/Rx′) = (Rx′/Ro)/(Rx/Ro) = (A-1)/(B-1) (11)

D = Ip2/Ip2′ = (VRx+Ro)/(V/Rx′+Ro) = (Rx′/Ro+1′)/(Rx/Ro+1′) = A/B · (A-1)/(B-1) (12)

Somit können durch das Ermitteln der Pumpströme Ip1 und Ip1′ sowie Ip2 und Ip2′ der ersten bzw. zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung die Korrekturfaktoren C und D für die erste bzw. zweite Sauerstoffpumpvorrichtung aus den Verhältnissen A und B ermittelt werden.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor auf einfache Weise eine Korrektur des Ausgangssignals hinsichtlich der während der Verwendung des Sensors entstehenden Änderungen des Diffusionswiderstands der Gasdiffusionskammer ermöglicht, wodurch das Sensorausgangssignal derart eingestellt werden kann, daß es wie zu Beginn der Verwendung des Sensors die tatsächliche Sauerstoffkonzentration des Meßgases genau wiedegibt. Daher kann dann, wenn dieser Sauerstoffsensor als Gemischverhältnis-Sensor für Abgase aus einer Brennkraftmaschine verwendet wird, der Sensor für das Ermitteln und Steuern des Luft/Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten Luft/Brennstoff-Gemisches über eine verlängerte Zeitdauer eingesetzt werden, selbst nachdem sich durch die zeitliche Verschlechterung bzw. Veränderung der Diffusionswiderstand der Gasdiffusionskammer in dem Meßelement geändert hat.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilseitenansicht eines Querschnitts eines Meßelements eines Gemischverhältnis-Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Sauerstoffsensors längs einer Linie I-I in Fig. 6.

Fig. 2 ist eine der Ansicht in Fig. 1 entsprechende Ansicht, die ein Beispiel für einen bekannten Gemischverhältnis-Sensor zeigt.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, die eine zeitliche Veränderung der Ausgangskennlinie des bekannten Gemischverhältnis-Sensors, nämlich des Zusammenhangs zwischen einem Pumpstrom Ip und einem Luftüberschußfaktor λ, veranschaulicht.

Fig. 4 zeigt eine elektrische Schaltung zur Erläuterung eines in einem Gemischverhältnis-Sensor angewandten Meßverfahrens.

Fig. 5 ist eine Schnittseitenansicht und veranschaulicht das bei dem Sauerstoffsensor gemäß den Ausführungsbeispielen angewandte Prinzip.

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht des Meßelements des Gemischverhältnis-Sensors nach Fig. 1.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Meßelements eines Gemischverhältnis-Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Sauerstoffsensors.

Fig. 8 bis 10 sind der Ansicht in Fig. 1 entsprechende Schnittansichten von Meßelementen des Sauerstoffsensors gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.

Die Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch in Vergrößerung einen Meßbereich des Meßelements eines Gemischverhältnis-Sensors als erstes Ausführungsbeispiel des Sauerstoffsensors zeigt. Das Meßelement ist gemäß der Darstellung in Fig. 6 aus Schichten zu einer Einheit aufgebaut.

In der Fig. 1 ist mit 40 ein allgemein langgestreckter planarer Tockenelektrolytkörper bezeichnet, der aus mehreren übereinandergesetzten Schichten aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen Trockenelektrolyten wie einem Zirkoniumdioxid-Keramikwerkstoff mit Yttriumoxid-Gehalt. Die übereinandergesetzten Trockenelektrolytschichten sind zu dem Trockenelektrolytkörper 40 als Einheit zusammengebacken. In diesem Trockenelektrolytkörper 40 ist eine innere Gasdiffusionskammer in Form einer kreisförmigen dünnen flachen Kammer 42 ausgebildet, die gegen das Durchfiffundieren des Meßgases einen vorbestimmten Widerstand entgegensetzt. Diese kreisförmige, dünne, flache Kammer 42 ist parallel zur Ebene des Trockenelektrolytkörpers 40 ausgebildet. D. h., die Kammer 42 hat eine bestimmte Dicke in der zu den einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Trockenelektrolytkörpers 40 senkrechten Richtung. Der Mittelbereich der Kammer 42 steht über eine Gaseinlaßöffnung 44 mit einem Außenraum 46 in Verbindung, der Abgase als Meßgas enthält. Ferner ist in dem Trockenelektrolytkörper 40 parallel zu seiner Ebene ein Luftkanal 48 ausgebildet, der sich in der Längsrichtung erstreckt.

Die Dicke der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 ist gemäß Fig. 1 durch eine obere Trockenelektrolytschicht 50 und eine untere Trockenelektrolytschicht 52 bestimmt. An der Außenfläche der oberen Trockenelektrolytschicht 50 des Trockenelektrolytkörpers 40 ist unter Ausrichtung mit der Gaseinlaßöffnung 44 eine ringförmige äußere Elektrode 54 angebracht, deren Innenumfang radial außerhalb der Gaseinlaßöffnung 44 liegt. An der Innenfläche der oberen Trockenelektrolytschicht 50 sind eine ringförmige erste innere Pumpelektrode 56 und eine ringförmige zweite innere Pumpelektrode 58 derart angebracht, daß die beiden Pumpelektroden 56 und 58 zu der äußeren Pumpelektrode 54 und zueinander konzentrisch sind. Die erste innere Pumpelektrode 56 ist radial außerhalb der Gaseinlaßöffnung 44 und innerhalb der zweiten inneren Pumpelektrode 58 angeordnet. D. h., die erste und die zweite innere Pumpelektrode 56 und 58 sind mit einem ersten (radial inneren) Bereich bzw. einem zweiten einem (radial äußeren) Bereich der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 ausgefluchtet. Auf diese Weise sind zwei elektrochemische Zellen gebildet, die als Sauerstoffpumpvorrichtung dienen. Im einzelnen ist die erste Sauerstoffpumpvorrichtung durch die Trockenelektrolytschicht 50, die äußere Pumpelektrode 54 und die erste innere Pumpelektrode 56 gebildet, während die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung durch die Trockenelektrolytschicht 50, die äußere Pumpelektrode 54 und die zweite innere Pumpelektrode 58 gebildet ist.

Auf der Oberfläche der unteren Trockenelektrolytschicht 52, die die Kammer 42 begrenzt, sind eine ringförmige erste Meßelektrode 60 und eine ringförmige zweite Meßelektrode 62 derart angebracht, daß diese beiden Meßelektroden 60 und 62 jeweils der ersten bzw. zweiten inneren Pumpelektrode 56 bzw. 58 konzentrisch zu diesen gegenübergesetzt sind und zueinander konzentrisch sind. Auf der den Luftkanal 48 begrenzenden Fläche der Trockenelektrolytschicht 52 ist eine Bezugselektrode 64 angebracht, die mit der ersten und zweiten Meßelektrode 60 und 62 zu der Messung der Sauerstoffkonzentrationen der die Meßelektroden 60 und 62 umgebenden Gase zusammenwirkt. Im einzelnen ist durch die untere Trockenelektrolytschicht 52, die erste Meßelektrode 60 und die Bezugselektrode 64 eine elektrochemische Zelle gebildet, die als erste Sauerstoffmeßvorrichtung dient. Durch die Trockenelektrolytschicht 52, die zweite Meßelektrode 62 und die Bezugselektrode 64 ist eine elektrochemische Zelle gebildet, die als zweite Sauerstoffmeßvorrichtung dient.

Die erste Sauerstoffpumpvorrichtung wird zu einer Pumpwirkung gemäß dem Ausgangssignal aus der ersten Sauerstoffmeßvorrichtung betrieben, das der Sauerstoffkonzentration des Gases in dem an den mit der Gaseinlaßöffnung 44 in Verbindung stehenden Mittelbereich angrenzenden ersten (radial inneren) Bereich der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 entspricht. Die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung wird zu einer Pumpwirkung gemäß dem Ausgangssignal aus der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung betrieben, das der Sauerstoffkonzentration des Gases in dem zweiten (radial äußeren) Bereich der Kammer 42 entspricht. Für das Ermitteln des Luft/Brennstoff-Verhältnisses eines Luft/Brennstoff-Gemisches, das die Abgase in dem Außenraum 46 ergibt, ist ein Schalter 66 für das selektive Betreiben der ersten oder zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung gemäß dem Ausgangssignal der ersten bzw. zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung vorgesehen. In der Fig. 1 ist mit 68 ein Potential- bzw. Spannungsmesser bezeichnet, der das Ausgangssignal aus der ersten oder zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung erfaßt, nämlich die elektromotorische Kraft mißt, die nach dem Funktionsprinzip einer Sauerstoffkonzentrations-Meßzelle induziert wird. Pumpströme Ip1 und Ip2, die jeweils der ersten bzw. zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführt werden, werden entsprechend der mittels des Spannungsmessers 68 gemessenen elektromotorischen Kraft gesteuert. Mit 70 ist in Fig. 1 ein Strommesser für das Messen der jeweils der ersten bzw. zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung zugeführten Pumpströme Ip1 und Ip2 bezeichnet.

An der von der äußeren Pumpelektrode 54 abgewandten Seite des Trockenelektrolytkörpers 40 ist eine Heizvorrichtung angebracht, die eine mit dem Trockenelektrolytkörper 40 einstückig ausgebildete, geeignet elektrisch isolierende Keramikschicht 72 und ein in die Keramikschicht 72 eingebettetes Heizelement 74 aufweist. Das Heizelement 74 wird aus einer äußeren Stromquelle derart gespeist, daß die Sauerstoffpumpvorrichtungen und die Sauerstoffmeßvorrichtungen auf geeignete Betriebstemperaturen erwärmt werden.

In dem auf die vorstehend beschriebene Weise gestalteten Meßelemente des Sauerstoffsensors können die Schichten 50 und 52 des Trockenelektrolytkörpers 40 statt aus dem vorzugsweise verwendeten, vorangehend genannten Zirkoniumdioxid-Keramikwerkstoff aus geeigneten anderen, für Sauerstoffionen durchlässigen Trockenelektrolytmaterialien hergestellt werden, wie beispielsweise aus SrCeO₃ und einer festen Lösung aus Bi₂O₃-Y₂O₃ und Seltenerdmetalloxiden. Die Elektroden 54, 56, 58, 60, 62 und 64 sind vorzugsweise porösen Schichten aus einer Mischung, die aus einem Metall der Platingruppe wie Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium oder Osmium und einem Keramikwerkstoff wie Zirkoniumdioxid, Yttriumoxid oder Aluminiumoxid besteht. Die Mischung für die Elektroden kann durch das Mischen eines Pulvers des gewählten Keramikwerkstoffs mit einem Pulver des gewählten Metalls der Platingruppe hergestellt werden, wonach die Pulvermischung auf bekannte Weise in die geeigneten Formen gebracht und gebrannt wird.

Die Sauerstoffkonzentration in den Meßgasen bzw. Abgasen, die dem Luft/Brennstoff-Verhältnis des Luft/Brennstoff-Gemisches entspricht, aus dem die Abgase entstehen, kann aus dem Pumpstrom Ip1 der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung oder aus dem Pumpstrom Ip2 der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung ermittelt werden. D. h., durch das Betätigen des Schalters 66 wird die Kombination aus der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung und der ersten Sauerstoffmeßvorrichtung oder die Kombination aus der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung und der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung gewählt. Während eines lange andauernden Einsatzes des Gemischverhältnis-Sensors kann sich durch eine Änderung der geometrischen Form oder Dimension des Gasdiffusionsweges wie beispielsweise durch ein gewisses Verstopfen oder Zusetzen des Diffusionsweges der Diffusionswiderstand an dem Einlaß der Kammer 42 verändern. In diesem Fall werden durch das Betätigen des Wählschalters 66 Pumpströme Ip1′ und Ip2, der ersten bzw. zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung ermittelt. Aus den derart gemessenen Pumpströmen Ip1′ und Ip2′ des angewandten Sauerstoffsensors und den anfänglichen Pumpströmen Ip1 und Ip2 des Sensors zu Beginn der Verwendung desselben werden für die erste und die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung die Korrekturwerte C und D ermittelt, um damit die Pumpströme Ip1′ und Ip2′ entsprechend dem Ausmaß der durch den Gebrauch verursachten Änderung des Diffusionswiderstandes des Meßelements zu korrigieren. Auf diese Weise kann durch geeignete Korrektur des Sensorausgangssignals der Sensor nachkalibriert werden, wodurch die genaue Ermittlung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses selbst dann gewährleistet ist, wenn sich während des langzeitigen Einsatzes der Diffusionswiderstand des Meßelements mehr oder weniger verändert.

Der Schichtenaufbau des in Fig. 1 gezeigten Meßelements des Gemischverhältnis-Sensors ist in Fig. 6 ausführlich dargestellt.

Gemäß Fig. 6 ist auf einer der gegenüberliegenden Oberflächen der Trockenelektrolytschicht 50 die äußere Pumpelektrode 54 ausgebildet, während konzentrisch zueinander auf der anderen Oberfläche der Trockenelektrolytschicht 50 die erste und zweite innere Pumpelektrode 56 und 58 ausgebildet sind, wodurch die beiden Sauerstoffpumpvorrichtungen gebildet sind. Die Trockenelektrolytschicht 52 besteht aus drei Schichten 52a, 52b und 52c. Auf der der Trockenelektrolytschicht 50 nächstgelegenen Schicht 52a sind die erste und die zweite Meßelektrode 60 und 62 derart ausgebildet, daß diese Elektroden jeweils radial mit der entsprechenden ersten bzw. zweiten inneren Pumpelektrode 56 und 58 ausgerichtet sind. Auf der von den Meßelektroden 60 und 62 abliegenden Fläche der Schicht 52a ist die Bezugselektrode 64 ausgebildet. Auf diese Weise sind die beiden Sauerstoffmeßvorrichtungen gebildet. Die zwischen die Schichten 52a und 52c eingefügte Schicht 52b hat einen langen rechteckigen Schlitz, der in Verbindung mit der oberen Schicht 52a und der unteren Schicht 52c den Luftkanal 58 bildet, so daß die Bezugselektrode 64 zu dem mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Luftkanal 48 hin freiliegt.

Zwischen die beiden Sauerstoffpumpvorrichtungen und die beiden Sauerstoffmeßvorrichtungen nämlich zwischen die Trockenelektrolytschicht 50 und die Trockenelektrolytschicht 52a, ist eine Abstandshalterschicht 76 aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff eingefügt. Diese Abstandshalterschicht 76 hat eine mit den Elektroden 56, 58, 60 und 62 ausgefluchtete runde Öffnung. Durch diese zwischen die Schichten 50 und 52a gesetzte Abstandshalterschicht 76 ist die vorstehend beschriebene kreisförmige, dünne, flache Kammer 42 gebildet, deren Dicke durch die Dicke der Abstandshalterschicht 76 derart festgelegt ist, daß sich ein vorbestimmter Diffusionswiderstand ergibt. Gemäß der vorangehenden Beschreibung liegen die beiden inneren Pumpelektroden 56 und 58 der beiden Sauerstoffpumpvorrichtungen und die beiden Meßelektroden 60 und 62 der beiden Sauerstoffmeßvorrichtungen in der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 frei.

Die an der Außenseite der Trockenelektrolytschicht 52c ausgebildete Keramikschicht 72 der Heizvorrichtung besteht aus einer inneren Isolierschicht 72a und einer äußeren Isolierschicht 72b, zwischen die das Heizelement 74 eingefügt ist. Die äußere Pumpelektrode 54, die für die beiden Sauerstoffpumpvorrichtungen gemeinsam benutzt wird, ist durch eine poröse Schutzschicht 78 aus einem Keramikwerkstoff abgedeckt. Die vorangehend beschriebene Gaseinlaßöffnung 44 ist der Dicke nach durch die Schutzschicht 78, die äußere Pumpelektrode 54 und die Trockenelektrolytschicht 50 hindurch derart ausgebildet, daß sie mit dem Mittelbereich der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 in Verbindung steht.

Der Schichtenaufbau des Meßelements wird dadurch hergestellt, daß die geeigneten ungebrannten bzw. ungesinterten Rohschichten, nämlich Rohschichten für die Sauerstoffpumpvorrichtungen (50, 54, 56, 58, 78), die Abstandshalterschicht 76, die Sauerstoffmeßvorrichtungen (52a, 52b, 52c, 60, 62, 64) und die Heizvorrichtungsschicht (72a, 74, 72b) übereinandergesetzt und zu einer Einheit zusammengebacken werden.

Die Fig. 7 zeigt ein Meßelement eines Gemischverhältnis-Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Sauerstoffsensors, bei dem die dünne, flache Kammer 42 senkrecht auf die Ebene des Meßelements gesehen die Form einer allgemein spiralförmigen Kammer hat. Bei dem Meßelement nach Fig. 7 steht die Gaseinlaßöffnung 44 mit dem mittigen inneren Endbereich der allgemein spiralförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 in Verbindung, so daß dadurch die Kammer 42 mit dem in Fig. 1 mit 46 bezeichneten Außenraum verbunden ist. Auf der Trockenelektrolytschicht 50 ist die erste innere Pumpelektrode 56 derart angeordnet, daß sie mit dem an den mittigen inneren Endbereich angrenzenden Bereich der Kammer 42 ausgerichtet ist. Die zweite innere Pumpelektrode 58 ist an der Trockenelektrolytschicht 50 derart angebracht, daß sie mit dem äußeren Endbereich als zweiten Bereich der Kammer 42 in Deckung ist. Ferner ist die erste Meßelektrode 60 der ersten Sauerstoffmeßvorrichtung an der Trockenelektrolytschicht 52a unter Ausrichtung mit der ersten inneren Pumpelektrode 56, nämlich mit dem ersten bzw. mittigen Bereich der Kammer 42, ausgerichtet angeordnet, während die zweite Meßelektrode 62 mit der zweiten inneren Pumpelektrode 58, nämlich dem zweiten Bereich bzw. äußeren Endbereich der Kammer 42 ausgerichtet ist. Die anderen Teile dieses Meßelements sind identisch mit den entsprechenden Teilen des Meßelements gemäß den Fig. 1 und 6. Zur Bezeichnung der entsprechenden Teile sind in Fig. 7 die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 6 verwendet.

In dem Meßelement nach Fig. 7 diffundieren die über die Gaseinlaßöffnung 44 eingeleiteten Meß- bzw. Abgase gegen den vorbestimmten Diffusionswiderstand durch die Spiralbahn der allgemein spiralförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 derart hindurch, daß die eingeleiteten Abgase zuerst mit der ersten inneren Pumpelektrode 56 und der ersten Meßelektrode 60 und dann mit der zweiten inneren Pumpelektrode 58 und der zweiten Meßelektrode 62 in Berührung kommen, die an dem anderen Endbereich der Kammer 42 angeordnet sind.

Der vorbestimmte Widerstand der dünnen, flachen Kammer gegen das Diffundieren des Meßgases zwischen dem ersten und zweiten Bereich kann durch geeignetes Festlegen der Querschnittsfläche des Diffusionsweges oder der Längs des Diffusionsweges zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich festgelegt werden.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen Meßelemente mit kreisförmigen, dünnen, flachen Kammern 42, die auf einfache Weise derart gestaltet sind, daß sich ein gewünschter Diffusionswiderstand zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich ergibt, und zwar vorzugsweise derart, daß der Pumpstrom der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung mindestens zweimal so groß ist wie derjenige der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung.

Bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 eine zweite Diffusionswiderstandsvorrichtung in der Form eines ringförmigen porösen Körpers 80 aus Aluminiumoxid oder einem ähnlichen Material derart angeordnet, daß damit ein ringförmiger Raum zwischen dem mit der ersten inneren Pumpelektrode 56 und der ersten Meßelektrode 60 ausgerichteten ersten Bereich und dem mit der zweiten inneren Pumpelektrode 58 und der zweiten Meßelektrode 62 ausgerichteten zweiten Bereich gefüllt ist. Dieser poröse Körper 80 hat einen höheren Diffusionswiderstand als die kreisförmige, dünne, flache Kammer 42, so daß die Diffusion des Meßgases aus dem ersten Bereich in den zweiten Bereich der Kammer 42 in gewünschtem Ausmaß durch den porösen Körper 80 gehemmt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist ein ringförmiger poröser Körper 80, der dem bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 verwendeten ähnlich ist, in der Weise angeordnet, daß er einen radial äußeren Bereich der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 füllt, der den zweiten Bereich, jedoch nicht den ersten Bereich einschließt. Das in den ersten Bereich der Kammer 42 eingeleitete Meßgas diffundiert gegen einen vorbestimmten Diffusionswiderstand durch den porösen Körper 80 hindurch zu der zweiten inneren Pumpelektrode 58 und der zweiten Meßelektrode 62, die in dem zweiten Bereich der Kammer 42 angeordnet sind.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 8 und 9 unterscheiden sich von den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 6 und 7 auch in folgender Hinsicht: die Gaseinlaßöffnung 44 ist durch die ganze Dicke des Meßelements hindurch ausgebildet. Ferner sind die dem Gas in der Kammer 42 ausgesetzten inneren Pumpelektroden 56 und 58 und Meßelektroden 60 und 62 jeweils durch erste poröse keramische Schutzschichten 82 bzw. 84 geschützt. Die gemeinsame äußere Pumpelektrode 54 ist gleichfalls durch eine zweite poröse keramische Schutzschicht 86 geschützt. Weiterhin ist das Heizelement 74 in einer zweiten elektrisch isolierenden Schicht 88 aus Aluminiumoxid oder einem ähnlichen Material eingebettet, die ihrerseits in die erste elektrisch isolierende Schicht, nämlich die Keramikschicht 72 eingebettet ist. Auf diese Weise ist das Heizelement 74 durch die beiden Isolierschichten 72 und 88 geschützt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 hat die zweite poröse keramische Schutzschicht 86 einen vorspringenden Teil, der die Gaseinlaßöffnung 44 füllt, die mit dem Mittelbereich der kreisförmigen, dünnen, flachen Kammer 42 in Verbindung steht. Dieser vorspringende Teil der porösen Schutzschicht 86 wirkt als ein Filter, das zum Abfangen von Teilchen dient, die sonst das unerwünschte Zusetzen oder Verstopfen der Kammer 42 verursachen und das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors nachteilig beeinflussen könnten. Bei dieser Gestaltung ist das Diffundieren des Meßgases zu dem ersten und zweiten Bereich der Kammer 42 zuerst durch die poröse Schutzschicht 86 und dann durch die geringe Dicke bzw. Höhe der Kammer 42 gehemmt. In diesem Sinne ist in Betracht zu ziehen, daß diese Gestaltung ein theoretisch ideales Diffundieren des Meßgases zu den Elektroden 56, 58, 60 und 62 ergibt.

Claims

1. Sauerstoffsensor für die Messung an einem Meßgas wie einem Abgas in einem Außenraum mit einem Meßelement, bestehend aus einer Begrenzungsvorrichtung (50, 52) zum Bilden einer mit dem Außenraum (46) in Verbindung stehenden Gasdiffusionskammer (42), die gegen das Durchdiffundieren des Meßgases einen vorbestimmten Widerstand entgegensetzt und die einen ersten Bereich, zu dem das Meßgas über einen ersten Diffusionsweg diffundiert, und einen zweiten Bereich hat, zu dem das Meßgas durch den ersten Bereich hindurch über einen zweiten Diffusionsweg diffundiert, der länger als der erste Diffusionsweg ist, einer ersten Sauerstoffmeßvorrichtung (52, 60, 64) zur Abgabe eines ersten Ausgangssignals, das die Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer anzeigt, einer auf das erste Ausgangssignal aus der ersten Sauerstoffmeßvorrichtung ansprechenden ersten Sauerstoffpumpvorrichtung (50, 54, 56), die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer einen Sauerstoffpumpvorgang herbeiführt, einer zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung (52, 62, 64) zur Abgabe eines zweiten Ausgangssignals, das die Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer anzeigt, und einer auf das zweite Ausgangssignal aus der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung ansprechenden zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung (50, 54, 58), die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer einen Sauerstoffpumpvorgang herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionskammer (42) eine kreisförmige, dünne flache Kammer ist, die in Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche des Meßelements ihre Dicke hat und deren Mittelbereich mit der Gaseinlaßöffnung (44) in Verbindung steht, wobei der erste Bereich ein radial an den Mittelbereich nach außen angrenzender Ringbereich ist, während der zweite Bereich ein radial außerhalb des ersten Bereichs angeordneter Ringbereich ist.

2. Sauerstoffsensor für die Messung an einem Meßgas wie einem Abgas in einem Außenraum mit einem Meßelement, bestehend aus einer Begrenzungsvorrichtung (50, 52) zum Bilden einer mit dem Außenraum (46) in Verbindung stehenden Gasdiffusionskammer (42), die gegen das Durchdiffundieren des Meßgases einen vorbestimmten Widerstand entgegensetzt und die einen ersten Bereich, zu dem das Meßgas über einen ersten Diffusionsweg diffundiert und einen zweiten Bereich hat, zu dem das Meßgas durch den ersten Bereich hindurch über einen zweiten Diffusionsweg diffundiert, der länger als der erste Diffusionsweg ist, einer ersten Sauerstoffmeßvorrichtung (52, 60, 64) zur Abgabe eines ersten Ausgangssignals, das die Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer anzeigt, einer auf das erste Ausgangssignal aus der ersten Sauerstoffmeßvorrichtung ansprechenden ersten Sauerstoffpumpvorrichtung (50, 54 56), die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem ersten Bereich der Gasdiffusionskammer einen Sauerstoffpumpvorgang herbeiführt, einer zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung (52, 62, 64) zur Abgabe eines zweiten Ausgangssignals, das die Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer anzeigt, und einer auf das zweite Ausgangssignal aus der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung ansprechenden zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung (50, 54, 58), die zur Steuerung der Sauerstoffkonzentration in den Gasen in dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer einen Sauerstoffpumpvorgang herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionskammer (42) eine allgemein spiralförmige dünne flache Kammer ist, die in Richtung senkrecht zu einer Hauptfläche des Meßelements ihre Dicke hat, und die an einem ihrer entgegengesetzten Endbereiche mit der Gaseinlaßöffnung (44) in Verbindung steht, wobei der erste Bereich an den einen Endbereich angrenzt, während der zweite Bereich der andere Endbereich ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen die Gaseinlaßöffnung (44) füllenden porösen Körper (86).

4. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Sauerstoffmeßvorrichtung sowie die erste und die zweite Sauerstoffpumpvorrichtung jeweils eine elektrochemische Zelle mit einem Trockenelektrolytkörper (40) und einem Paar von Elektroden sind.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusionswiderstand der Gasdiffusionskammer (42) derart bestimmt ist, daß ein der ersten Sauerstoffpumpvorrichtung (50, 54, 56) zugeführter erster Pumpstrom (Ip1), der die Sauerstoffkonzentration der Gase in dem ersten Bereich auf einem vorbestimmten Wert hält, zumindest zweimal so groß wie ein der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung (50, 54, 58) zugeführter zweiter Pumpstrom (Ip2) ist, der die Sauerstoffkonzentration der Gase in dem zweiten Bereich auf dem vorbestimmten Wert hält.

6. Sauerstoffsensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine der beiden Elektroden (60 bzw. 62) der ersten bzw. der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung (52, 60, 64 bzw. 52, 62, 64) in dem ersten bzw. dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer (42) angeordnet ist, während die anderen Elektroden der ersten und der zweiten Sauerstoffmeßvorrichtung durch eine einzige gemeinsame Elektrode (64) gebildet sind, die außerhalb der Gasdiffusionskammer angeordnet ist.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige gemeinsame Elektrode (64) einer Bezugsatmosphäre mit einem vorbestimmten Sauerstoff-Partialdruck ausgesetzt ist.

8. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trockenelektrolytkörper (40) durch einen für Sauerstoffionen durchlässigen Zirkoniumdioxid-Keramikwerkstoff gebildet ist.

9. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch ein Heizelement (74), das den Trockenelektrolytkörper (40) der ersten und der zweiten Sauerstoffpumpvorrichtung auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur hält.

10. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet, durch eine zusätzliche Diffusionswiderstandsvorrichtung (80; 86), die in einem zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich liegenden oder den zweiten Bereich einschließenden dritten Bereich der Gasdiffusionskammer (42) angeordnet ist und die gegen das Hindurchdiffundieren des Meßgases einen weiteren vorbestimmten Widerstand hat, der größer als der vorbestimmte Diffusionswiderstand der Gasdiffusionskammer ist.

11. Sauerstoffsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Diffusionswiderstandsvorrichtung aus einem in dem dritten Bereich der Gasdiffusionskammer (42) angeordneten porösen Körper (80) besteht.

12. Sauerstoffsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdiffusionskammer (42) mit dem Außenraum (46) über eine Gaseinlaßöffnung (44) in Verbindung steht, die mit einem zweiten porösen Körper (86) gefüllt ist.

13. Sauerstoffsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich der Gasdiffusionskammer (42) angeordnete Trennvorrichtung (90), die eine geradlinige Diffusion des Meßgases von dem ersten zu dem zweiten Bereich verhindert, um dadurch einen Diffusionsweg zu bilden, der länger als die Länge der geradlinigen Diffusion ist.