DE4333232A1

DE4333232A1 - Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Gasgemischen

Info

Publication number: DE4333232A1
Application number: DE4333232A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl Phys Friese; Hermann Dipl Chem Dietz; Hermann Fischer; Manfred Koeder; Werner Dipl Phys Gruenwald; Ulrich Dipl Ing Eisele
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: KR100370694B1; JP3626775B2; KR950009249A; DE4333232B4; JPH07174729A; US5474665A

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler mit Pumpreferenz zur Bestimmung des Gehaltes an Sauerstoff in Gasgemischen, insbe sondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren im mageren, neu tralen und fetten Bereich. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der neuen Abgassensoren zur Regelung der Zu sammensetzung des den Verbrennungsmotoren zuzuführenden Kraftstoff/Luft-Gemisches.

Stand der Technik

Bekanntlich können Verbrennungsmotoren, wie Diesel- und Otto motoren, je nach dem gewünschten Betriebszustand mit Kraft stoff/Luft-Verhältnissen betrieben werden, in denen der Kraftstoff im stöchiometrischen Überschuß vorliegt (fetter Bereich), der Sauerstoff der Luft stöchiometrisch überwiegt (magerer Bereich) oder in denen Kraftstoff und Luft der Stö chiometrie entsprechen. Die Zusammensetzung des Kraftstoff/ Luft-Gemisches bestimmt die Zusammensetzung des Abgases. Im fetten Bereich finden sich erhebliche Mengen an unverbrann tem oder teilweise verbranntem Kraftstoff, während der Sau erstoff fast verschwunden ist. Im mageren Bereich liegen die Verhältnisse umgekehrt, und bei stöchiometrischer Zusammen setzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches sind sowohl Kraftstoff als auch Sauerstoff minimiert. Ein gängiges Maß für das Kraftstoff/Luft-Verhältnis ist der im Abgas gemessene Lamb da-Wert, der im mageren Bereich <1, im fetten Bereich <1 und im neutralen Bereich =1 ist.

Die Kenntnis der Zusammensetzung des Abgases ist die Grund lage für regelnde Eingriffe mit dem Ziel, die Zusammenset zung des Kraftstoff/Luft-Gemisches den jeweiligen Erforder nissen entsprechend zu optimieren. Seit vielen Jahren sind Sonden bekannt, die den Sauerstoffgehalt des Abgases messen und das Meßsignal an eine Auswerteschaltung geben, die das Treibstoff/Luft-Verhältnis den jeweiligen Erfordernissen ent sprechend regelt. Diese Sonden können potentiometrisch oder polarographisch arbeiten. Potentiometrische Sonden beruhen auf der Messung der Spannung zwischen zwei Elektroden, die unter unterschiedlichem Partialdruck des zu bestimmenden Gases stehen. Polarographische Sonden beruhen auf der Messung des Grenzstromes einer Pumpzelle.

Aus der DE-A1 36 32 456 ist eine Sonde zur Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches für Verbrennungsmotoren bekannt, die eine erste Pumpzelle mit zwei porösen Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten einer ersten Platte aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten angeordnet sind, sowie eine zweite Pumpzelle mit ebenfalls zwei porösen Elek troden aufweist, die wiederum auf gegenüberliegenden Seiten einer zweiten Platte aus einem Sauerstoff leitenden Fest elektrolyten angeordnet sind. Je eine poröse Elektrode der beiden Pumpzellen steht mit einem zwischen den Pumpzellen befindlichen Gasraum in Kontakt, der seinerseits über einen als Diffusionsbegrenzungs- oder Drosselteil wirkenden Kanal mit dem zu messenden Gas in Verbindung steht. Eine der porö sen Elektroden der ersten Pumpzelle, und zwar die nicht mit dem Gasraum in Kontakt stehende Elektrode, dient zugleich als interne Sauerstoffbezugsreferenz. Diese Elektrode ist über ein Leckdrosselteil mit der anderen, mit dem Gasraum in Kontakt stehenden Elektrode der ersten Pumpzelle verbunden. Bei einer bestimmten Ausführungsform können die beiden mit dem Gasraum in Kontakt stehenden Elektroden zu einer einzi gen Elektrode zusammengefaßt sein.

Vorteile der Erfindung

Die Meßfühler mit Pumpreferenz nach den Ansprüchen 1 bis 7 sind fertigungstechnisch günstig, zeigen bei Verwendung nach den Ansprüchen 8 und 9 die erwünschte hohe Empfindlichkeit und arbeiten zuverlässig auch über lange Zeiträume. Hierzu trägt insbesondere die Druckausgleichsverbindung von der Sauerstoffreferenzzone zur Atmosphäre bei. Sie verhindert, daß reduzierende Komponenten aus dem Meßgas in die Sauer stoffreferenzzone diffundieren. Die Gefahr einer solchen Diffusion ist deshalb gegeben, weil aufgrund des geringen Pumpstromes der Sauerstoffpartialdruck an der Sauerstoffre ferenzelektrode nicht zu einer Konvektionsströmung in der Druckausgleichsverbindung führen kann. Die Schaltungsanord nung ist gegenüber der in DE-A 36 32 456 angegebenen deut lich einfacher. Fertigungstechnisch besonders elegant ist der Meßfühler nach Anspruch 5, bei dem Heizung und Sauer stoffreferenz räumlich und funktional zusammengefaßt sind.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Meßfühlers nach der Erfindung im Längsschnitt, einschließlich des Prinzips einer Regelschaltung. Fig. 2 zeigt eine Kennlinie eines solchen Meßfühlers, nämlich die Abhängigkeit des Pumpstromes I_M in der Meßzelle vom Lambda-Wert. In Fig. 3 werden zwei weitere Kennlinien eines Meßfühlers nach der Erfindung wiedergege ben, nämlich die Pumpspannung U_P der Referenzzelle B in Ab hängigkeit vom Lambda-Wert, wie sie sich ohne regelnde Ein griffe ergeben würde, sowie eine aus dem Pumpstrom I_M der Meßzelle abgeleitete, kompensierte Meßspannung U_M, wiederum gegen den Lambda-Wert aufgetragen. In Fig. 4 wird eine an dere Ausführungsform eines Meßfühlers nach der Erfindung im Querschnitt wiedergegeben, bei der die Zahl der Anschlüsse vermindert ist. Hier ist die der Fig. 1 weitgehend entspre chende Regelschaltung fortgelassen. Das gilt auch für Fig. 5, die im Längsschnitt eine besonders vorteilhafte Ausfüh rungsform eines Meßfühlers nach der Erfindung wiedergibt.

Beschreibung der Erfindung

Mit den Meßfühlern nach der Erfindung läßt sich der Sauer stoffgehalt von Abgasen aus Verbrennungsmotoren im fetten, neutralen und mageren Bereich bestimmen und die Zusammenset zung des den Motoren zugeführten Kraftstoff/Luft-Gemisches regeln. Wie aus den Fig. 1, 4 und 5 ersichtlich, enthal ten die Meßfühler eine Meßzelle A und eine Referenzzelle B mit porösen Elektroden 1 bis 3, wobei die Elektrode 2 beiden Zellen gemeinsam ist. Die Elektroden 1 bis 3 sind mit einem Festelektrolyten 4 verbunden. Über ein Diffusionsloch 20 und eine Diffusionsbarriere 5 wird der Elektrode 2 Abgas zuge führt.

Zur Meßzelle gehören die Elektroden 1 und 2, die im allge meinen aus Platin bestehen. Sie sind zweckmäßig 0,5 bis 2 µm stark und porös. Stärkere Elektroden erschweren den Durch gang der Gase und erhöhen so die Ansprechzeit der Sensoren auf Veränderungen im Sauerstoffgehalt des Abgases.

Als Festelektrolyt 4 eignet sich besonders Zirkon(IV)-oxid, das vorteilhaft durch ein Oxid eines Elementes der 2. Neben gruppe des Periodensystems der Elemente stabilisiert, zweck mäßig teilstabilisiert ist. Geeignete stabilisierende Oxide sind beispielsweise Scandiumoxid und vorzugsweise Yttrium oxid sowie die Oxide der höheren seltenen Erden mit einer Ordnungszahl <64, wie Erbiumoxid und Ytterbiumoxid. Die für eine Teilstabilisierung optimalen Mengen lassen sich durch Versuche unschwer bestimmen. Für das System Zirkon(IV)-oxid /Yttrium-(III)-oxid liegen sie bei 4 bis 7 Molprozent. Ande re geeignete ionenleitende Festelektrolyte sind Mischoxide des Zirkon(IV)-oxids mit Titan(IV)-oxid, Wismut(III)-oxid und/oder Cer(IV)-oxid.

Die Diffusionsbarriere 5 besteht zweckmäßig aus porösem Zir kon(IV)-oxid in einer Stärke, die im allgemeinen zwischen 15 und 45 µm liegt. Sie bewirkt, daß der Strom I_M in der Meß zelle A ausschließlich durch den Diffusionsvorgang bestimmt wird und trägt dazu bei , daß über der Elektrode 2 ein kon stanter Sauerstoffpartialdruck aufrechterhalten werden kann. Bei Betrieb im mageren Bereich, d. h. bei sauerstoffreichen Abgasen, behindert die Diffusionsbarriere 5 vornehmlich die Diffusion von Sauerstoff zur Elektrode 2, bei Betrieb im fetten Bereich, d. h. bei Abgasen, die viel unverbrannte An teile und wenig Sauerstoff enthalten, vornehmlich die Diffu sion von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Wasserstoff wiederum zur Elektrode 2. Die Diffusionsbarriere 5 muß nach Form, Größe und Porösität so beschaffen sein, daß sich an der Elektrode 2 der Sauerstoffpartialdruck einstellen kann, der der Referenzspannung U_R entspricht. Bei Meßfühlern für die Bestimmung von Sauerstoff in Abgasen von Verbrennungsmo toren beträgt die letztere in der Regel etwa 400 mV, was ei nem Sauerstoffpartialdruck von etwa 10^-8 bar entspricht. Dieser Partialdruck stellt sich ein, wenn der Motor bei Lambda-Werten von etwa 1 betrieben wird. Ist der Diffusions widerstand der Barriereschicht zu klein, so gelangt bei Be trieb im mageren Bereich zuviel Sauerstoff zur Elektrode 2, so daß der Meßstrom I_M nicht spannungsunabhängig (also kein Grenzstrom) und damit nicht mehr ein Maß für die Sauerstoff konzentration im Abgas bzw. für den Lambda-Wert ist. Bei zu großem Diffusionswiderstand fließt zwar ein Grenzstrom, der jedoch nur klein ist, so daß die Empfindlichkeit des Meßfüh lers zu wünschen übrig läßt.

Die Referenzzelle B ist ebenfalls eine Pumpzelle. Ihre Elek trode 3 besteht im allgemeinen wiederum aus Platin. Sie ist zweckmäßig gleichfalls porös; die Poren stellen dann eine Sauerstoffreferenzzone 17 dar. Ihre Stärke beträgt zweckmä ßig 5 bis 25 µm. Die Elektrode 3 ist gegen das Abgas herme tisch abgeschlossen und ist über eine Druckausgleichsverbin dung 18 mit der Atmosphäre verbunden. Der Sauerstoffdruck an der Elektrode 3 stellt sich auf etwa 1 bar ein, weil der von der Elektrode 2 in Ionenform abgepumpte und an der Elektrode 3 gasförmig entwickelte Sauerstoff durch die Druckaus gleichsverbindung 18 in die Umgebung entweicht.

Die Meßzelle A und die Referenzzelle B können in der aus den Fig. 1 und 4 ersichtlichen Weise mit dem Substrat 6 ver bunden sein, das zweckmäßig aus Aluminumoxid besteht. An das Substrat schließt sich eine Heizvorrichtung 7 an, die ihrer seits durch eine Abdeckung 8 geschützt wird, welche wiederum aus Aluminiumoxid bestehen kann. Es ist aber auch möglich, die Heizvorrichtung in üblicher Weise zwischen zwei Schich ten aus Zirkon(IV)-oxid anzuordnen. Die Heizvorrichtung 7 heizt die beiden Zellen auf Temperaturen auf, bei denen die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 4 ausreichend groß ist. Diese Temperaturen betragen vorteilhaft 550 bis 800°C.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Meßfühler nach der Erfindung, die in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Elektro de 3 und die Heizvorrichtung 7 räumlich und funktional in einer porösen Isolierung 9 zusammengefaßt. Dabei bilden die poröse Isolierung 9 der Heizvorrichtung 7, zweckmäßig aus Aluminiumoxid bestehend, gemeinsam mit der porösen Elektrode 3 die Sauerstoffreferenzzone 17 und gemeinsam mit der porö sen Elektrode 3 in Verbindung mit der porösen Leiterbahn 3′ die Druckausgleichsverbindung 18. Die poröse Isolierung 9 ist mit dem Substrat 6 abgedeckt, das bei dieser Ausfüh rungsform die Schutzfunktion der Abdeckung 8 mitübernimmt. Diese Ausführungsform bietet, wie erwähnt, fertigungstechni sche Vorteile.

Wie aus den Längsschnitten der Fig. 1 und 5 ersichtlich, werden die Signale der Elektroden 1, 2 und 3 mit entspre chenden Leiterbahnen 1′, 2′ und 3′ zum atmosphärenseitigen Ende des Meßfühlers geleitet, wo sie mittels nicht darge stellter Durchkontaktierungen an die Oberfläche des Meßfüh lers geführt sind. Die Heizvorrichtung 7 verfügt über zwei Zuleitungen, von denen in den beiden Figuren nur die Heizer zuleitung 7′ dargestellt ist, die wiederum am atmosphären seitigen Ende des Meßfühlers mit ebenfalls nicht dargestell ten Leitungskontakten versehen sind. Die Leiterbahnen 1′, 2′, und 3′ können in bekannter Weise zwischen den verschie denen Folien des Festelektrolyten 4 bzw. des Substrates 6 bis an das atmosphärenseitige Ende des Meßfühlers geführt und dort nebeneinander bzw. gegenüberliegend als Kontakte für jeweils einen nicht dargestellten Anschluß ausgebildet werden.

An die Elektrode 3 schließt sich, wie gesagt, die poröse Leiterbahn 3′ an, die zusammen mit der porösen Elektrode 3 sowie gegebenenfalls - nach Fig. 5 - zusammen mit der Hei zerisolierung 9 die Druckausgleichsverbindung 18 bildet, durch die der an der Elektrode 3 entwickelte Sauerstoff ent weicht. Schon aus fertigungstechnischen Gründen empfiehlt es sich, zur Herstellung der Elektrode 3 und der Leiterbahn 3′ das gleiche Material zu verwenden. Es bilden sich dann beim Sintern sowohl in der Elektrode 3 als auch in der Leiterbahn 3′ Poren aus, die einen Druckausgleich mit der Atmosphäre ermöglichen. Man kann aber auch einen offenen Kanal von der Elektrode 3 zum atmosphärenseitigen Ende des Meßfühlers vor sehen oder ein von dem Elektrodenmaterial verschiedenes po röses, dicht leitendes Material, wie Aluminiumoxid, einset zen. In diesen Fällen muß aber eine gesonderte Leiterbahn 3′ geschaffen werden, die das Signal der Elektrode 3 zur Aus werteschaltung leitet.

Die Meßzelle und die Referenzzelle sind zweckmäßig durch ei ne Regelschaltung verbunden, wie sie im Prinzip in Fig. 1 dargestellt ist. Die Regelschaltung wird von der Spannungs quelle 10 mit einer Versorgungsspannung U_V betrieben. Wenn der Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abga sen von Verbrennungsmotoren eingesetzt wird, ist zweckmäßig die Batterie des Kraftfahrzeuges die Spannungsquelle 10. Ei ne Stromquelle 12 liefert einen konstanten Pumpstrom I_P für die Referenzzelle B, der beispielsweise 50 Mikroampère be tragen kann. Weiterhin ist eine Referenzspannungsquelle 12 vorhanden, die die Referenzspannung U_R liefert. Diese be trägt beim Einsatz in Verbrennungsmotoren im allgemeinen et wa 400 mV. Es ist aber auch möglich, eine andere Referenz spannung U_R vorzugeben, die unter den gegebene Verhältnissen der elektromotorischen Kraft bei Lambda = 1 entspricht, bei spielsweise eine Spannung zwischen 300 und 800 mV. Die Refe renzspannung ist auf den Eingang eines Operationsverstärkers 13 gelegt. Ein invertierender Eingang des Operationsverstär kers 13 ist mit der Elektrode 3 und der Stromquelle 11 ver bunden.

Ändert sich nun bei Gemischwechsel über die Diffusionsbar riere 5 der Sauerstoffpartialdruck an der Elektrode 2, so verändert sich auch die Pumpspannung U_P zwischen der Elek trode 2 und der Elektrode 3. Bei einem Wechsel in den fetten Bereich steigt gemäß Fig. 3 die Pumpspannung U_P an, bei ei nem Wechsel in den mageren Bereich sinkt hingegen die Pump spannung U_P unter den Wert von etwa 400 mV, der Lambda = 1 entspricht. Die Pumpspannung U_P liegt, wie erwähnt am inver tierenden Ende des Operationsverstärkers 13 an. Der als Differenzverstärker arbeitende Operationsverstärker 13 ver gleicht die Referenzspannung U_R mit der am invertierenden Eingang anliegenden Pumpspannung U_P. Daraus resultiert, daß bei fettem Gasgemisch am Ausgang-des Operationsverstärkers 13 ein negatives Spannungspotential mit einer entsprechenden Meßspannung U_M anliegt, die einen Meßstrom I_M derart an treibt, daß Sauerstoff in Ionenform von der Elektrode 1 zur Elektrode 2 gepumpt wird. Bei magerem Gasgemisch liegt dage gen die Meßspannung U_M mit einem positiven Spannungspoten tial am Ausgang des Operationsverstärkers 13 an, wodurch sich die Stromrichtung des Meßstromes umkehrt und Sauer stoffionen von der Elektrode 2 zur Elektrode 1 transportiert werden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 13 ist über ein Ampèremeter 14 auf die Elektrode 1 gelegt. Mit dem Am pèremeter 14 wird der Meßstrom bzw. Grenzstrom I_M gemessen. Zwischen den Elektroden 1 und 2 kann mittels des Spannungs messers 15 die Meßspannung U_M und zwischen den Elektroden 2 und 3 mittels einen zweiten Spannungsmessers 16 die Pump spannung U_P abgegriffen werden. Anstelle des Ampèremeters 14 kann alternativ eine Meßeinrichtung zugeschaltet sein, die die Stromwerte des Meßstromes I_M einem Steuergerät zur Rege lung der Zusammensetzung des Kraftstoff/Luft-Gemisches für einen Verbrennungsmotor zuführt.

Die Regelschaltung stellt sicher, daß ein konstanter, gerin ger Sauerstoffpartialdruck über der Elektrode 2 aufrechter halten wird, der zweckmäßig etwa 10^-8 bar beträgt. Er wird durch die vorgegebene Referenzspannung U_R festgelegt. Dieser Druck entspricht bekanntlich etwa dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas bei stöchiometrischem Kraftstoff/Luft-Verhältnis. Bei Betrieb im mageren Bereich ist der Sauerstoffpartial druck über der Elektrode 2 trotz der Diffusionsbarriere 5 höher. Deshalb wird die Spannung U_M der Meßzelle erhöht, und Sauerstoff wird kathodisch reduziert und in Ionenform zur Elektrode 1 gepumpt und dort entladen:

1/2 O₂ + 2e⁻ → O^2-

(Reaktion an Elektrode 2 als Kathode bei magerem Gemisch)

O^2- → 1/2 O₂ + 2e⁻

(Reaktion an Elektrode 1 als Anode bei magerem Gemisch).

Je nach dem Sauerstoffanteil im Abgas muß mehr oder weniger Sauerstoff in Ionenform von der Elektrode 2 zur Elektrode 1 gepumpt werden, wenn an der Elektrode 2 ein Sauerstoffpar tialdruck von etwa 10^-8 bar aufrechterhalten werden soll. Das geschieht durch Veränderung der Pumpspannung U_M, die der Operationsverstärker aufgrund des Vergleichs der Pumpspan nung U_P mit der Referenzspannung U_R vorgibt. Dementsprechend ist die Stromstärke in der Meßzelle I_M höher oder niedriger. Die Stromstärke I_M ist eine wichtige Größe, denn sie ist das Maß für den Sauerstoffgehalt im Abgas, nämlich dem Sauer stoffgehalt direkt proportional.

Bei Betrieb im fetten Bereich, also mit Sauerstoffpartial drücken im Abgas von etwa 10^-20 bar, läge der Sauerstoffpar tialdruck an der Elektrode 2 in derselben Größenordnung. Es muß also Sauerstoff von der Elektrode 1 in Ionenform zur Elektrode 2 gepumpt werden, wenn dort ein Sauerstoffpartial druck von etwa 10^-8 bar aufrechterhalten werden soll:

CO₂ + 2e⁻ → CO + O^2-
H₂O + 2e^- → H₂ + O^2-

(Reaktion an Elektrode 1 als Kathode im fetten Gemisch).

Die Sauerstoffionen oxidieren an der Elektrode 2 einerseits die andiffundierenden oxidierbaren Anteile, beispielsweise:

CO + O^2- → CO₂ + 2e⁻
H₂ + O^2- → H₂O + 2e⁻
C₂H₄ + 6 O^2- → 2 CO₂ + 2 H₂O + 12e⁻

(Reaktionen an Elektrode 2 als Anode bei fetten Gemisch).

Andererseits werden Sauerstoffionen zu molekularem Sauer stoff entladen, bis der durch die Referenzspannung U_R8 (z. B. 400 mV) vorgegebene Sauerstoffpartialdruck (z. B. 10 bar) erreicht ist:

O^2- → 1/2 O₂ + 2e⁻

(Reaktion an Elektrode 2 als Anode bei fettem Gemisch).

Bei zweckentsprechender Diffusionsbarriere 5 fließt ein Grenzstrom, denn alle andiffundierenden oxidierbaren Anteile werden oxidiert und elementarer Sauerstoff wird nur solange entwickelt, bis der vorgegebene Partialdruck erreicht ist.

Die Regelschaltung bewirkt, wie erläutert, daß die Polaritä ten der Elektroden 1 und 2 umgepolt werden, wenn die Quali tät des Abgases wechselt, d. h. dessen Zusammensetzung sich vom mageren in den fetten Bereich oder umgekehrt verändert.

Der Zusammenhang von Polarität, Lambda-Wert, Pumpspannung U_M und Stromstärke I_M sei anhand der Fig. 3 erläutert, in der die Kennlinie der Referenzzelle (Spannung U_P gegen Lambda- Wert) und die Kennlinie der Meßzelle (Pumpspannung der Meß zelle U_M gegen Lambda-Wert) aufgetragen sind. Wenn der Ver brennungsmotor mit einem stöchiometrischen Kraftstoff/Luft- Gemisch betrieben wird, der Lambda-Wert also 1 ist, beträgt die Pumpspannung U_M in der Meßzelle praktisch 0 V und die Spannung in der Referenzzelle etwa 400 mV. Ändert sich die Zusammensetzung des Abgases in Richtung auf den mageren Be reich, beispielsweise auf Lambda = 1,04, so führen bereits kleine Verschiebungen im Lambda-Wert zu einer starken Ver minderung der Spannung U_P. Die Regelungsschaltung schaltet daraufhin die Elektrode 1 als Anode und die Elektrode 2 als Kathode. Die Spannung U_M in der Meßzelle wird erhöht und so viel Sauerstoff in Ionenform von der Elektrode 2 abgepumpt, daß der Sauerstoffpartialdruck über der Elektrode 2 wieder etwa 10^-8 bar und die Spannung U_P der Referenzzelle wieder etwa 400 mV beträgt. Solange sich die Zusammensetzung des Abgases nicht ändert, muß Sauerstoff in Ionenform abgepumpt werden und fließt ein entsprechender Strom I_M, dessen Stärke in der Fig. 2 abgelesen werden kann und der, in Verbindung mit der Polarität der Elektroden 1 und 2, dem Sauerstoffge halt des Abgases proportional ist.

Verschiebt sich die Zusammensetzung des Abgases in Richtung auf Lambda = 1, zum Beispiel auf Lambda = 1,02, so vermin dert sich zwar die Stromstärke I_M entsprechend dem niedrige ren Sauerstoffgehalt des Abgases, aber die Polarität der Elektroden 1 und 2 bleibt erhalten. Erst wenn sich der Lamb da-Wert auf <1 verändert, beispielsweise auf 0,99, veran laßt der dann eintretende Sprung der Größe U_P von bei spielsweise etwa 400 mV auf etwa 960 mV die Regelschaltung, die Elektroden 1 und 2 umzupolen und, mittels einer entspre chenden Veränderung der Pumpspannung U_M, Sauerstoff in Form von Ionen von der Elektrode 1 zur Elektrode 2 zu pumpen. Die dem Ionenfluß entsprechende Stromstärke I_M bleibt erhalten, solange sich der Sauerstoffgehalt im Abgas nicht ändert, und ist, wiederum in Verbindung mit der Polarität der beiden Elektroden, ein Maß für den Sauerstoffgehalt des Abgases.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Abgas sonde nach der Erfindung, bei der die Zahl der Anschlüsse auf 4 vermindert ist. Das wird erreicht, indem der Pumpstrom I_P der Referenzzelle B über einen - zweckmäßig auf die Ab gassonde aufgedruckten - Vorwiderstand 21 in der Größenord nung von 100 kΩ an den Heizungsanschlüssen abgegriffen wird. Der Pumpstrom I_P ist dann zwar wegen der wechselnden Span nung an der Heizung nur noch näherungsweise konstant. Es bleibt aber sichergestellt, daß sich in der Elektrode 3 ein Sauerstoffdruck von etwa 1 bar einstellt, so daß sie als Re ferenzelektrode dienen kann.

Die Abgassonden nach der Erfindung werden in an sich bekann ter Weise nach üblichen Verfahren gefertigt. Das Substrat 6 und die Abdeckung 8 können aus Folien hergestellt und die Elektroden aufgedruckt oder nach einem anderen der bekannten Verfahren aufgebracht werden. Der Festelektrolyt 3 und die Barriereschicht 5 werden zweckmäßig durch Siebdruck aufge bracht. Nach dem Aufbau des Sensors aus den einzelnen Kompo nenten werden diese durch Co-sintern, zweckmäßig bei 1200 bis 1450 °C, fest miteinander verbunden. In den Fig. 1, 4 und 5 wurde auf die Darstellung von Isolierschichten für die Leiterbahnen verzichtet. Diese Isolierschichten sind notwendig, damit die Leiterbahnen nicht als zusätzliche Elektroden arbeiten. Ein Fachmann weiß jedoch, wo und wie Elektroden zu isolieren sind.

Claims

1. Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gas gemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, enthaltend
eine elektrochemische Meßzelle (A) mit den Elektroden (1, 2) und eine elektrochemische Referenzzelle (B) mit den Elektro den (2, 3) , welche eine interne Sauerstoffreferenzzone (17) aufweist, die gegenüber dem Gasgemisch hermetisch abgeschlos sen und über eine Druckausgleichsverbindung (18) mit der At mosphäre verbunden ist;
eine Diffusionsbarriere (5), die die Diffusion der Bestand teile des Gasgemisches zu der der Meßzelle und der Referenz zelle gemeinsamen Elektrode (2) erschwert;
und eine Heizvorrichtung (7), die die Meßzelle (A) und die Referenzzelle (B) auf eine Temperatur zu erhitzen vermag, bei der die Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten (4) in der elektrochemischen Meßzelle (A) und in der elektrochemischen Referenzzelle (B) hinreichend groß ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, verbunden mit einer Regel schaltung, enthaltend eine Spannungsquelle (10), die die Ver sorgungsspannung (U_V) liefert; eine Stromquelle (11), die in der Referenzzelle einen konstanten Pumpstrom (I_P) aufrechter hält; eine Referenzspannungsquelle (12), dies auf eine be stimmte konstante Spannung (U_R) eingestellt werden kann; und
einen Operationsverstärker (13), der die zwischen den Elek troden (2) und (3) anliegende Pumpspannung (U_P) mit der Refe renzspannung (U_R) vergleicht.

3. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei die Sauer stoffreferenzzone (17) mit einer zur Atmosphäre führenden po rösen Leiterbahn (3′) derart verbunden ist, daß die Sauer stoffreferenzzone (17) und die poröse Leiterbahn (3′) gemein sam die Druckausgleichsverbindung (18) bilden.

4. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Elek trode (3) porös ist und die Poren die Sauerstoffreferenzzone (17) darstellen.

5. Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Heiz vorrichtung (7) in eine in Nachbarschaft zu der porösen Elek trode (3) angeordnete poröse Isolierung (9) eingebettet ist, die gemeinsam mit der porösen Elektrode (3) die Sauerstoffre ferenzzone (17) und gemeinsam mit der porösen Elektrode (3) und der porösen Leiterbahn (3′) die Druckausgleichsverbindung (18) bildet.

6. Meßfühler nach Anspruch 5, wobei die poröse Isolierung (9) aus Aluminiumoxid besteht.

7. Meßfühler nach den Ansprüche 1 bis 6, wobei der Fest elektrolyt (4) der Meßzelle (A) und der Referenzzelle (B) aus teil- oder vollstabilisiertem Zirkon(IV)-oxid besteht.

8. Verwendung der Meßfühler nach den Ansprüchen 1 bis 7 für die Regelung der Zusammensetzung des Verbrennungsmotoren zu geführten Kraftstoff/Luft-Gemisches.

9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Referenzspannung (U_R) auf einen Wert von etwa 400 mV eingestellt ist.