WO1995015491A1 - Grenzstromsensor zur bestimmung des lambdawertes in gasgemischen - Google Patents

Grenzstromsensor zur bestimmung des lambdawertes in gasgemischen Download PDF

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WO1995015491A1
WO1995015491A1 PCT/DE1994/001388 DE9401388W WO9515491A1 WO 1995015491 A1 WO1995015491 A1 WO 1995015491A1 DE 9401388 W DE9401388 W DE 9401388W WO 9515491 A1 WO9515491 A1 WO 9515491A1
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limit current
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pump cell
diffusion
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PCT/DE1994/001388
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Inventor
Karl-Hermann Friese
Werner Gruenwald
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the invention is based on a limit current sensor for determining the lambda value in gas mixtures according to the preamble of the main claim.
  • a limit current sensor is known from DE-OS 39 08 393, in which a second pump cell is provided to reduce the response time, with which a constant oxygen concentration in the diffusion channel can be set.
  • the second pump cell serves to achieve the steady state equilibrium of the diffusion flow in the diffusion channel at an early stage. Shortening the length of the diffusion channel would likewise bring about a fast response time, but at the same time would increase the limit current too much. Because of the limited current carrying capacity of the electrodes at high oxygen concentrations in the lean gas mixture, a minimum length of the diffusion channel is necessary.
  • it is from EP-Bl-190 750 known to expose the anode of the pump cell to a reference atmosphere. In the lean area, these sensors work like the well-known lean sensor.
  • the oxygen molecules are reduced at the cathode so that the oxygen ions migrate from the cathode to the anode through the ZrO solid electrolyte.
  • the ions are converted into oxygen molecules and released into the atmosphere.
  • there is a chemical equilibrium at the cathode so that there is no pump current.
  • the oxygen ions are conveyed from the cathode to the anode due to the applied pump voltage. At the anode, they are in turn converted into oxygen molecules. Compared to the lean area, the oxygen ion flow flows in the opposite direction. This requires a polarity reversal of the pump voltage. This is realized in that the level of the EMF occurring under stoichiometric conditions is used as the switching signal.
  • a limit current is generally measured at a constant voltage applied to the two electrodes of the limit current sensor.
  • the limit current is linearly dependent on the oxygen partial pressure as long as the diffusion of the gas to the cathode determines the speed of the reaction taking place.
  • Limit current sensors of this type which are exposed to the measurement gas as a whole, are suitable for detecting the oxygen concentration in lean measurement gases. The limit current in the lean region is established between the electrodes as soon as the oxygen molecules reaching the cathode through the diffusion layer are rapidly removed in ion form.
  • the limit current occurs in the rich range when the anode is preceded by a diffusion barrier and the diffusion of H and CO to the anode determines the rate of the overall reaction.
  • the pump voltage slowly increases from the value of 0 volts, so that the pump current increases with increasing pump voltage until the diffusion limit current causes the pump current to be limited. If the cathode were exposed to the measurement gas without a diffusion barrier or only with a low diffusion resistance, there would be no diffusion limiting the pump current, particularly at high partial pressures, as a result of which the current-voltage behavior of the sensor would continue to obey the ohmic conditions.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a limit current sensor for lean exhaust gas
  • FIG. 2 shows the characteristic curve of the limit current versus the oxygen concentration of the limit current sensor according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a limit current sensor for determining the lambda value from the lean exhaust gas to rich exhaust gas
  • FIG. 4 shows a characteristic curve of the limit current over the oxygen concentration of the limit current sensor according to FIG. 3
  • FIG. 5 shows the course of the pump voltage U over the pump current I.
  • the limit current sensor according to FIG. 1 has a first solid electrolyte film 10, for example made of yttrium-stabilized zirconium oxide, with an anode 11 and a first cathode 12 and a second cathode 13.
  • the first cathode 12 forms a first pump cell 14 with the anode 11 and the second cathode 13 forms a second pump cell 15 with the anode 11.
  • a second solid electrolyte foil 16 and a third solid electrolyte foil 17 are arranged parallel to the first solid electrolyte foil 10 .
  • a heater 19 embedded in an electrically insulating layer 18 is positioned between the two solid electrolyte films 16, 17.
  • the insulating layer 19 consists, for example, of Al 0.
  • the solid electrolyte foils 16 and 17 can be used just as well, for example of Al 0. It goes without saying that the insulating layer 18 for embedding the heater 19 can be dispensed with in the case of electrically insulating ceramic films.
  • a gas-tight frame 22 which determines the distance and which, for example, also consists of zirconium oxide.
  • the diffusion channel 20 which forms a diffusion barrier for the measuring gas and which is connected to the measuring gas via a diffusion hole 21.
  • the anode 11 and the two cathodes 12, 13 are, for example, placed in a ring around the diffusion hole 21.
  • the first cathode 12 is positioned with a diffusion path 1 closer to the diffusion hole 21 than the second cathode 13 with a diffusion path 1.
  • the diffusion path 1 to the first cathode 12 is, for example, 0.3 times the diffusion path 1 of the second cathode 13.
  • the diffusion channel 20 is filled with a porous material, for example made of Al 0.
  • the pore size gives that
  • the anode 11 and the cathodes 12, 13 are connected to a voltage supply voltage U, the connection to the cathodes 12, 13 being selectively switchable via a switch 24.
  • An ammeter 23 is also arranged in the circuit for measuring the limit current I. Instead of the ammeter 23, a control unit for controlling the fuel-air mixture is provided in practical use in a motor vehicle.
  • the characteristic curve of the pumping current I of the two pumping cells 14, 15 over the 0 concentration C is shown in FIG.
  • the limit current I of the two pump cells is measured by the ammeter 23.
  • the limit current I of the second pump cell 15 decreases.
  • the pump voltage U is applied to the first cathode 12.
  • the switch 24 is operated in accordance with the dotted line in FIG. 1.
  • the switch 24 is actuated by a control circuit (not shown), the threshold value C being defined by means of a current-proportional pump voltage.
  • the size of the threshold value C at which the switchover from the second pump cell 15 to the first pump cell 14 takes place, depends on the positioning of the first cathode 12 in Diffusion channel 20.
  • FIG. 3 A second exemplary embodiment of a limit current probe, which can be used as a broadband sensor from the lean region to the rich region of a gas mixture, is shown in FIG. 3.
  • the anode 11 is arranged in a reference channel 25.
  • the reference channel 25 is connected to the atmosphere, for example.
  • the measuring gas is led via the diffusion hole 21 and the diffusion barrier 20 to the two cathodes 12 and 13.
  • the arrangement of the cathodes 12 and 13 and their diffusion path 1 and 1 corresponds to the embodiment according to FIG. 1.
  • the cathodes 12, 13 are arranged on the second solid electrolyte film 16.
  • the first solid electrolyte film 10 contains the diffusion hole 21.
  • the anode 11 is followed by a further ceramic film 26, in which the reference channel 25 is introduced.
  • the heater 19 with the insulating layer 18 is arranged directly towards the reference channel 25.
  • the oxygen concentrations shown as negative values in the coordinate system are to be understood.
  • the anodic limit current I' continues to increase, however ch with a smaller slope than the anodic limit current I 'of the first pump cell 14.
  • a threshold value for the limit current can also be set.
  • the pump voltage is proportional to the current.
  • the limit current sensor according to the invention is produced in a known manner using lamination and screen printing technology and by subsequent co-sintering.

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Abstract

Es wird ein Grenzstromsensor zur Bestimmung des Lambdawertes in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Der Grenzstromsensor besitzt auf einem sauerstoffionenleitenden Festelektroeyt angeordnet eine erste Pumpzelle (14) und eine zweite Pumpzelle (15) mit jeweils einer dem Meßgas über eine Diffusionsstrecke (20) (ausgesetzten ersten Kathode (12) und zweiten Kathode (13). Die Pumpzellen (14 und 15) sind derart ausgeführt, daß sich bei gleicher äußerer Sauerstoffkonzentration verschiedene Pumpströme IP einstellen, derart, daß bei einer Sauerstoffkonzentration zumindest in der Nähe eines stöchiometrischen Gasgemisches (μ = 1) die Pumpzelle (14) mit dem höheren Pumpstrom IP aktivierbar ist, während bei einer Sauerstoffkonzentration außerhalb dieses Bereichs die Pumpzelle (15) mit dem niedrigeren Pumpstrom (IP) in Betrieb ist. Dazu sind die Kathoden (12, 13) in der Diffusionsbarriere (20) beabstandet mit jeweils unterschiedlichen Diffusionswegen (l1) und (l2) angeordnet, wobei die eine Kathode (12) der Pumpzelle (14), welche in der Nähe des stöchiometrischen Gasgemisches (μ = 1) im Betrieb ist, einen kürzeren Diffusionsweg (l1) als die Kathode (13) der anderen Pumpzelle (15) aufweist.

Description

Grenzstromsensor zur Bestimmung des Lambdawertes in Gasgemischen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Grenzstromsensor zur Bestimmung des Lambdawertes in Gasgemischen nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 39 08 393 ist ein Grenzstromsensor bekannt, bei dem zur Reduzierung der Ansprechzeit eine zweite Pumpzelle vorgesehen ist, mit der eine konstante Sauerstoffkonzentration im Diffusions¬ kanal einstellbar ist. Die zweite Pumpzelle dient dazu, um früh¬ zeitig den stationären Gleichgewichtszustand des Diffusionsstromes im Diffusionskanal zu erreichen. Eine Verkürzung der Diffusions¬ kanallänge würde zwar ebenfalls eine schnelle Ansprechzeit bewirken, gleichzeitig aber den Grenzstrom zu stark erhöhen. Wegen der be¬ grenzten Strombelastbarkeit der Elektroden bei hohen Sauerstoffkon- zentrationen im mageren Gasgemisch ist eine Mindestlänge des Diffusionskanals notwendig.
Für den Einsatz des Grenzstromsensors vom mageren Bereich (^ > 1) über den stöchiometrischen Bereich (Α = 1) bis hin zum fetten Bereich (/. < _.) des Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses ist es aus der EP-Bl-190 750 bekannt, die Anode der Pumpzelle einer Bezugs¬ atmosphäre auszusetzen. Im mageren Bereich arbeiten diese Sensoren wie die bekannten Magersensor. Die Sauerstoffmoleküle werden an der Kathode reduziert, so daß die Sauerstoffionen von der Kathode zur Anode durch den ZrO -Festelektrolyt wandern. An der Anode werden die Ionen wiederum in Sauerstoffmoleküle umgewandelt und in die Atmosphäre abgegeben. Bei stöchiometrischen Verhältnissen liegt an der Kathode ein chemisches Gleichgewicht vor, so daß kein Pump¬ strom vorliegt. Auch im fetten Bereich werden die Sauerstoffionen von der Kathode zur Anode aufgrund der anliegenden Pumpspannung gefördert. An der Anode werden sie wiederum umgewandelt in Sauer¬ stoffmoleküle. Gegenüber dem mageren Bereich fließt der Sauerstoff- ionenstrom in entgegengesetzter Richtung. Dazu ist eine Umpolung der Pumpspannung notwendig. Dies wird dadurch realisiert, daß der Pegel der bei stöchiometrischen Verhältnissen auftretenden EMK als Schalt¬ signal verwendet wird.
Bei Grenzstromsensoren wird ein Grenzstrom im allgemeinen bei einer konstanten, an den beiden Elektroden des Grenzstromsensors an¬ liegenden Spannung gemessen. Der Grenzstrom ist bei einem sauer¬ stoffhaltigen Meßgas linear vom Sauerstoffpartialdruck so lange abhängig, wie die Diffusion des Gases zur Kathode die Geschwindig¬ keit der ablaufenden Reaktion bestimmt. Derartige, dem Meßgas ins¬ gesamt ausgesetzte Grenzstromsensoren eigenen sich zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration in mageren Meßgasen. Zwischen den Elektroden stellt sich der Grenzstrom im mageren Bereich ein, sobald die durch die Diffusionsschicht an die Kathode gelangenden Sauerstoffmoleküle in Ionenform schnell abtransportiert werden. Im fetten Bereich tritt der Grenzstrom dann auf, wenn der Anode eine Diffusionsbarriere vorgelagert ist und die Diffusion von H und CO zur Anode ge- schwindigkeitsbestimmend für die Gesamtreaktion ist. Bei langsamen Anwachsen der Pumpspannung vom Wert 0 Volt aus liegen zwischen den Elektroden ohmsche Verhältnisse vor, so daß mit zu¬ nehmender Pumpspannung der Pumpstrom ansteigt, bis der Diffusions¬ grenzstrom die Begrenzung des Pumpstroms bewirkt. Wäre die Kathode ohne Diffusionsbarriere bzw. nur mit einem geringen Diffusions- widerstand dem Meßgas ausgesetzt, würde insbesondere bei hohen Partialdrücken es zu keiner den Pumpstrom begrenzenden Diffusion kommen, wodurch das Strom-Spannungs-Verhalten des Sensors weiter den ohmschen Bedingungen gehorcht würde. Dadurch steigt die Pumpspannung immer weiter an, so daß sie schließlich auch bei Werten größer 1 Volt nicht in den Grenzstrombereich und damit nicht zur Meßbarkeit des 0 -Gehalts kommt. Derartig hohe Pumpspannungen führen zur Zerstörung des Festelektrolyten und der Elektrode. Bei niedrigen Partialdrücken würde andererseits bereits ein geringer Diffusions- widerstand ausreichen. Um jedoch den Grenzstromsensor zur Detektierung eines weiten Bereichs von mager bis fett einzusetzen, ist für einen ausreichenden Diffusionswiderstand zu sorgen. Ein ausreichender Diffusionswiderstand, welcher durch einen ent¬ sprechenden Di fusionsweg des Meßgases festgelegt wird, besitzt in der Nähe von stöchiometrischen Verhältnissen den Nachteil, daß kaum noch ein Konzentrationsgef lle vorliegt und somit bereits kleine Fluktuationen von Meßgas das Sensorsignal verfälschen. Auch reichen in diesem Fall bereits kleine Spannungen zur Zerstörung des Fest¬ elektrolyten.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Grenzstromsensor mit den kennzeichnenden Merk¬ malen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß die Empfindlichkeit des Grenzstromsensors im Bereich um das stöchiometrische Verhältnis ( = 1) erhöht wird. Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteil¬ hafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Grenzstromsensors mög¬ lich. Besonders vorteilhaft ist, beide Pumpzellen mit unterschied¬ lichen Diffusionswiderständen auszuführen. Eine einfache Realisierung unterschiedlicher Diffusionswiderstände wird dadurch erzielt, wenn die Kathoden der beiden Pumpzellen mit unterschiedlichen Diffusions- wegen in der Diffusionsbarriere angeordnet sind. Gute Ergebnisse sind erreichbar, wenn der Diffusionsweg der Pumpzelle mit der höheren Empfindlichkeit dem 0,1- bis 0,7-fachen, vorzugsweise dem 0,3-fachen des Diffusionsweges der Pumpzelle mit dem längeren Diffusionsweg entspricht. Eine kostengünstige Ausführung des Grenzstromsensors ist dadurch möglich, für beide Pumpzellen eine gemeinsame Anode mit einer einzigen Anschlußleitung vorzusehen.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Grenzstromsensors für mageres Abgas, Figur 2 die Kennlinie des Grenzstroms über der Sauerstoffkonzentration des Grenzstromsensors gemäß Figur 1, Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Grenzstromsensors zur Be¬ stimmung des Lambda-Wertes vom mageren Abgas bis hin zum fetten Abgas, Figur 4 eine Kennlinie des Grenzstroms über der Sauerstoff- konzentration des Grenzstromsensors gemäß Figur 3 und Figur 5 den Verlauf der Pumpspannung U über dem Pumpstrom I .
Ausführungsbeispiele
Der Grenzstromsensor gemäß Figur 1 besitzt eine erste Festelektro¬ lytfolie 10, beispielsweise aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid, mit einer Anode 11 sowie einer ersten Kathode 12 und einer zweiten Kathode 13. Die erste Kathode 12 bildet mit der Anode 11 eine erste Pumpzelle 14 und die zweite Kathode 13 mit der Anode 11 eine zweite Pumpzelle 15. Parallel zur ersten Festelektrolytfolie 10 ist ein zweite Festelektrolytfolie 16 und ein dritte Fest¬ elektrolytfolie 17 angeordnet. Zwischen den beiden Festelektrolyt¬ folien 16, 17 ist ein in eine elektrisch isolierende Schicht 18 eingebetteter Heizer 19 positioniert. Die isolierende Schicht 19 besteht beispielsweise aus AI 0.. Anstelle der Festelektrolyt¬ folien 16 und 17 können genausogut andere keramische Folien ver¬ wendet werden, beispielsweise aus AI 0 . Es versteht sich von selbst, daß bei elektrisch isolierenden keramischen Folien auf die isolierende Schicht 18 zur Einbettung des Heizers 19 verzichtet werden kann.
Zwischen der ersten Festelektrolytfolie 10, der zweiten Fest¬ elektrolytfolie 16 und dem dritten Festelektrolytträger 17 ist jeweils ein den Abstand bestimmender gasdichter Rahmen 22 vor¬ gesehen, welcher beispielsweise ebenalls aus Zirkoniu oxid besteht.
Zwischen der ersten Festelektrolytfolie 10 und der zweiten Fest¬ elektrolytfolie 16 ist ein eine Diffusionsbarriere für das Meßgas bildender Diffusionskanal 20 ausgeführt, welcher über ein Diffusionsloch 21 mit dem Meßgas in Verbindung steht. Die Anode 11 und die beiden Kathoden 12, 13 sind beispielsweise ringförmig um das Diffusionsloch 21 herumgelegt. Die erste Kathode 12 ist dabei mit einem Diffusionsweg 1 näher zum Diffusionsloch 21 positioniert als die zweite Kathode 13 mit einem Diffusionsweg 1 . Der Diffusionsweg 1 zur ersten Katode 12 beträgt beispielsweise das 0,3-fache des Diffusionsweges 1 der zweiten Kathode 13. Zur Ausbildung eines entsprechenden Diffusionswiderstandes ist der Diffusionskanal 20 mit einem porösen Material, beispielsweise aus AI 0 gefüllt. Die Porengröße gibt dabei unter anderem den
Diffusionswiderstand an. Die Anode 11 und die Katoden 12, 13 sind mit einer Pu pspannungs- guelle U verbunden, wobei der Anschluß an die Kathoden 12, 13 über einen Schalter 24 wahlweise schaltbar ist. Im Stromkreis ist ferner zur Messung des Grenzstromes I ein Amperemeter 23 angeordnet. Anstelle des Amperemeter 23 ist bei der praktischen Anwendung in einem Kraftfahrzeug eine Steuereinheit zur Steuerung des Kraft- stoff-Luftgemisches vorgesehen.
Aus Figur 2 geht die Kennlinie des Pumpstromes I der beiden Pumpzellen 14, 15 über der 0 -Konzentration C hervor. Der Grenz¬ strom I der beiden Pumpzellen wird vom Amperemeter 23 gemessen. Bei einer hohen Sauerstoffkonzentration im Meßgas (Luft = 20,5%) ist die zweite Kathode 13 über den Schalter 24 mit der Spannungsguelle U verbunden. Mit abnehmender Sauerstoffkonzentration C verringert sich der Grenzstrom I der zweiten Pumpzelle 15. Sobald ein vorbe- stimmten Schwellwert C der Sauerstoffkonzentration C erreicht ist, wird die Pumpspannung U auf die erste Kathode 12 gelegt. Dazu wird der Schalter 24 entsprechend der punktierten Linie in Figur 1 betätigt. Die Betätigung des Schalters 24 erfolgt von einer nicht dargestellten Steuerungsschaltung, wobei der Schwellwert C mittels einer stromproportionalen Pumpspannung definiert wird. Der nunmehr vom Amperemeter 23 gemessene Grenzstrom I ist bei der selben Sauerstoffkonzentration bedeutend höher als der Grenzstrom I der zweiten Pumpzelle 15. Mit abnehmender Sauerstoffkonzen¬ tration wird der Grenzstrom I der ersten Pumpzelle 14 immer geringer, bis er bei einer Sauerstoffkonzentration von 10 bar, was einem stöchiometrischen Verhältnis
Figure imgf000008_0001
= 1) entspricht, zu Null wird. Bereits aus der Steilheit der Kennlinie des Grenzstromes I
Pl der ersten Pumpzelle 14 wird deutlich, daß bereits geringe
0 -KonzentrationsSchwankungen des Meßgases in der Nähe von A = l eine deutliche Veränderung des Grenzstromes I bewirken. Dies bedeutet schließlich eine höhere Empfindlichkeit des Grenzstrom¬ sensors im Bereich nahe vo 7. = 1. Die Größe des Schwellwertes C , bei der die Umschaltung von der zweiten Pumpzelle 15 auf die erste Pumpzelle 14 erfolgt, ist abhängig von der Positionierung der ersten Kathode 12 im Diffusionskanal 20.
Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Grenzstromsonde, welche als Breitbandsensor vom mageren Bereich bis zum fetten Bereich eines Gasgemisches einsetzbar ist, geht aus Figur 3 hervor. Bei diesem Grenzstromsensor ist die Anode 11 in einem Referenzkanal 25 ange¬ ordnet. Der Referenzkanal 25 steht beispielsweise mit der Atmosphäre in Verbindung. Das Meßgas wird, wie beim Sensor gemäß Figur 1, über das Diffusionsloch 21 und die Diffusionsbarriere 20 zu den beiden Kathoden 12 und 13 geführt. Die Anordnung der Kathoden 12 und 13 sowie ihr Diffusionsweg 1 und 1 entspricht der Ausführungsform gemäß Figur 1. Die Kathoden 12, 13 sind im vorliegenden Ausführungs¬ beispiel jedoch auf der zweiten Festelektrolytfolie 16 angeordnet. Die erste Festelektrolytfolie 10 enthält, wie im ersten Ausführungs- beispiel, das Diffusionsloch 21. An die Anode 11 schließt sich eine weitere keramische Folie 26 an, in welcher der Referenzkanal 25 ein¬ gebracht ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwecks besserer Wärmeleitung der Heizer 19 mit der isolierenden Schicht 18 unmittelbar zum Referenzkanal 25 hin angeordnet. Es ist aber genauso denkbar, zwischen der Isolationsschicht 18 und dem Referenzkanal 25 eine zusätzliche keramische Folie vorzusehen.
Die in Figur 4 dargestellte Kennlinie zeigt den Verlauf des Pump¬ stroms I von einer Sauerstoffkonzentration im mageren Abgas (/l >1) über die Sauerstoffkonzentration bei ^ = 1 bis hin zu einer Sauerstoffkonzentration im fetten Abgas (, V. < 1). Die Sauerstoffkon¬ zentration im fetten Abgas gibt den Fehlbetrag an Sauerstoff an, der notwendig ist, um das Gasgemisch auf = 1 einzustellen. In diesem Zusammenhang sind die im Koordinatensystem als negative Werte aus¬ gewiesenen Sauerstoffkonzentrationen zu verstehen. Der Verlauf der Kennlinie im mageren Abgas entspricht dem Verlauf gemäß Figur 2. Bei weiterer Annäherung anΛ = 1 wird die Pumpspannung U gemäß Figur 5 auf einen konstanten Wert von beispielsweise 300 Milivolt gehalten.
Bei Α = 1 baut sich, wie schon oben beschrieben, eine der äußeren Pumpspannung entgegengesetzte EMK (Nernst-Spannung) auf, wodurch der vom Amperemeter 23 gemessene Grenzstrom I zu Null wird. Der Sauerstoffpartialdruck im Diffusionskanal 20 stellt sich dabei auf etwa 10 bar ein. Beim Übergang ins fette Abgas ( "W < 1) über¬ wiegt die EMK mit etwa 900 Milivolt. Diese Spannung wirkt jedoch nicht effektiv, da zum einen sie gegen die von außen angelegte Pumpspannung U arbeitet und zum anderen sie sich vor allem bei größeren Pumpströmen durch den Innenwiderstand der EMK-Spannungs¬ guelle reduziert. Wird die von außen angelegte Pumpspannung U nicht zu groß gewählt und ist der Innenwiderstand der EMK-Spannungs- guelle klein, so entwickelt sich unter dem Einfluß der EMK für ^ < 1 ein anodischer Grenzstrom I ' , wobei wiederum bei Überschreiten eines bestimmten, einstellbaren Schwellwertes C auf die zweite Kathode 13 mittels des Schalters 24 geschaltet wird. Dabei fällt der vom Amperemeter 23 gemessene Grenzstrom I ' gemäß der strich-punktierten Linie schlagartig auf einen niedrigeren Wert ab, bis der anodische Grenzstrom I ' an der zweiten Katode 13 einsetzt. Mit fallender Sauerstoffkonzentration steigt nun der anodische Grenzstrom I ' weiter an, jedoch mit einer geringeren Steigung als der anodische Grenzstrom I ' der ersten Pumpzelle 14. Zum Umschalten von der ersten Katode 12 auf die zweite Kathode 13 und umgekehrt kann auch ein Schwellwert für den Grenzstrom einge¬ stellt werden. Im Betrieb der entsprechenden Pumpzelle wird wieder mit stromproportionaler Pumpspannung gearbeitet.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Grenzstromsensors erfolgt in bekannter Weise in Laminier- und Siebdrucktechnik und durch an¬ schließendes co-sintern.

Claims

Ansprüche
1. Grenzstromsensor zur Bestimmung des Lambdawertes in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einer ersten und einer zweiten Pumpzelle mit jeweils auf einem sauerstoffionen- leitenden Festelektrolyt angeordneten Pumpelektroden, wobei die Kathoden der Pumumpelektroden dem zu messenden Gasgemisch über eine Diffusionsbarriere ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpzellen (14, 15) derart ausgeführt sind, daß sich bei gleicher äußerer Sauerstoffkonzentation verschiedene Pumpströme I ein¬ stellen, derart, daß bei einer Sauerstoffkonzentration in einem Bereich in der Nähe eines stöchiometrischen Gasgemisches ( = 1) die
Pumpzelle (14) mit dem höheren Pumpstrom I aktivierbar ist,
P während bei einer Sauerstoffkonzentration außerhalb dieses Bereichs die Pumpzelle (15) mit dem niedrigeren Pumpstrom I in Betrieb ist.
2. Grenzstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (24) vorgesehen sind, welche in Abhängigkeit von einem vor¬ gegebenen Schwellwert für die Sauerstoffkonzentration die eine oder die andere Pumpzelle (14, 15) aktivieren.
3. Grenzstromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert zum Umschalten von der einen auf die andere Pumpzelle (14, 15) mittels eines Pumpstroms (I ) vorgebbar ist.
4. Grenzstromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert zum Umschalten von der einen auf die andere Pumpzelle (14, 15) mittels einer stromproportionalen Pumpspannung (U ) vorgebbar ist.
5. Grenzstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpzellen (14, 15) jeweils unterschiedliche Diffusionswiderstände aufweisen, wobei die Pumpzelle (14), welche in der Nähe des stöchiometrischen Gasgemisches (-^ = 1) im Betrieb ist, einen geringeren Diffusionswiderstand als die andere Pumpzelle (15) besitzt.
6. Grenzstromsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (12, 13) in der Diffusionsbarriere (20) beabstandet mit jeweils unterschiedlichen Diffusionswegen (1 ) und (1 ) an¬ geordnet sind, wobei die eine Kathode (12) der ersten Pumpzelle (14) eeiinneenn ggeerriinnggeerreenn DDiiffffuussiioonnsswweegg ((11,,)) <als die andere Kathode (13) der zweiten Pumpzelle (15) aufweist.
7. Grenzstromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Diffusionswegs (1.) der eine Kathode (12) zwischen dem 0,1- und dem 0,7-fachen des Diffusionsweges (1_) der anderen Kathode (13), vorzugsweise bei dem 0,3-fachen des Diffusionswegs (1-) liegt.
8. Grenzstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Pumpzellen (14, 15) eine gemeinsame als Anode (11) geschaltete Pumpelektrode aufweisen.
9. Grenzstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpspannung (U ) der Pumpzelle (14), welche in der Nähe des stöchiometrischen Gasgemisches C = 1) im Betrieb ist, auf einen konstanten Wert haltbar ist.
10. Grenzstromsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ddiiee PPuummppssppaannnnuunngg ((UU )) kk]leiner als die Nernst-Spannung, vorzugsweise 300 mV ist.
PCT/DE1994/001388 1993-12-03 1994-11-24 Grenzstromsensor zur bestimmung des lambdawertes in gasgemischen WO1995015491A1 (de)

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DE (1) DE4341278B4 (de)
GB (1) GB2290620B (de)
WO (1) WO1995015491A1 (de)

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3487159B2 (ja) * 1997-05-21 2004-01-13 株式会社デンソー ガス濃度検出装置及びその製造方法
DE19950999B4 (de) * 1999-10-22 2013-07-25 Robert Bosch Gmbh Planares Sensorelement
DE10122271B4 (de) * 2001-05-08 2006-06-29 Robert Bosch Gmbh Sensorelemente
DE10232355B4 (de) * 2002-07-17 2005-12-15 Robert Bosch Gmbh Elektrochemischer Messfühler zur Messung der Konzentration von Stickoxiden
DE10345141A1 (de) * 2003-09-29 2005-04-21 Bosch Gmbh Robert Sensorelement
US7181182B2 (en) * 2004-03-17 2007-02-20 Interdigital Technology Corporation Method for steering a smart antenna for a WLAN using a self-monitored re-scan
US7289828B2 (en) * 2004-03-17 2007-10-30 Interdigital Technology Corporation Method for steering a smart antenna for a WLAN using a periodic re-scan
US7236759B2 (en) * 2004-03-17 2007-06-26 Interdigital Technology Corporation Method for steering smart antenna beams for a WLAN using signal and link quality metrics
US7200376B2 (en) * 2004-03-17 2007-04-03 Interdigital Technology Corporation Method for steering smart antenna beams for a WLAN using MAC layer functions
DE102004047602A1 (de) * 2004-09-30 2006-04-13 Robert Bosch Gmbh Sensoreinheit zur Bestimmung eines Messgasparameters
DE102005052430A1 (de) * 2005-11-03 2007-05-10 Robert Bosch Gmbh Sensorelement
CN100405050C (zh) * 2006-03-23 2008-07-23 广州杰赛科技股份有限公司 一种芯片及其含有这种芯片的双向串联片式氧传感器
DE102006062056A1 (de) * 2006-12-29 2008-07-03 Robert Bosch Gmbh Sensorelement mit unterdrückter Fettgasreaktion
DE102007009157A1 (de) * 2007-02-26 2008-08-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonde
DE102008012899A1 (de) * 2008-03-06 2009-09-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Gassensors
DE102009001249A1 (de) * 2009-02-27 2010-09-02 Robert Bosch Gmbh Festelektrolytgassensor für die Messung diverser Gasspezies (I)
DE102012219282A1 (de) * 2012-10-23 2014-04-24 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose des Luftreferenzkanals einer Breitband-Lambdasonde
DE102014200063A1 (de) * 2014-01-07 2015-07-09 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Fettgas-Messfähigkeit einer Abgas-Sonde

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0190750A1 (de) * 1985-02-06 1986-08-13 Hitachi, Ltd. Luft-/Kraftstoffverhältnis-Detektor für ein Automobil
EP0194082A1 (de) * 1985-02-23 1986-09-10 Ngk Insulators, Ltd. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung einer Komponente in Gasen und elektrochemische Einrichtung, geeignet zur Durchführung des Verfahrens
EP0361692A2 (de) * 1988-09-30 1990-04-04 Ford Motor Company Limited Sensor zur Bestimmung der relativen Quantität von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Gasmischung
WO1990010862A1 (de) * 1989-03-15 1990-09-20 Robert Bosch Gmbh SENSORELEMENT FÜR GRENZSTROMSENSOREN ZUR BESTIMMUNG DES μ-WERTES VON GASGEMISCHEN
DE4226537A1 (de) * 1992-08-11 1994-02-17 Bosch Gmbh Robert Polarographischer Sensor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4231733A (en) * 1978-05-31 1980-11-04 Westinghouse Electric Corp. Combined O2 /combustibles solid electrolyte gas monitoring device
JPS6024445A (ja) * 1983-07-20 1985-02-07 Toyota Motor Corp 空燃比検出器
US4579643A (en) * 1983-11-18 1986-04-01 Ngk Insulators, Ltd. Electrochemical device
US4769124A (en) * 1985-08-10 1988-09-06 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Oxygen concentration detection device having a pair of oxygen pump units with a simplified construction

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0190750A1 (de) * 1985-02-06 1986-08-13 Hitachi, Ltd. Luft-/Kraftstoffverhältnis-Detektor für ein Automobil
EP0194082A1 (de) * 1985-02-23 1986-09-10 Ngk Insulators, Ltd. Verfahren zur Konzentrationsbestimmung einer Komponente in Gasen und elektrochemische Einrichtung, geeignet zur Durchführung des Verfahrens
EP0361692A2 (de) * 1988-09-30 1990-04-04 Ford Motor Company Limited Sensor zur Bestimmung der relativen Quantität von einem Sauerstoff enthaltenden Gas in einer Gasmischung
WO1990010862A1 (de) * 1989-03-15 1990-09-20 Robert Bosch Gmbh SENSORELEMENT FÜR GRENZSTROMSENSOREN ZUR BESTIMMUNG DES μ-WERTES VON GASGEMISCHEN
DE4226537A1 (de) * 1992-08-11 1994-02-17 Bosch Gmbh Robert Polarographischer Sensor

Also Published As

Publication number Publication date
CN1116879A (zh) 1996-02-14
DE4341278B4 (de) 2004-05-06
JPH08506666A (ja) 1996-07-16
DE4341278A1 (de) 1995-06-08
US5653858A (en) 1997-08-05
KR960700453A (ko) 1996-01-20
GB9515453D0 (en) 1995-10-04
GB2290620B (en) 1998-01-14
KR100355133B1 (ko) 2003-06-09
CN1043590C (zh) 1999-06-09
GB2290620A (en) 1996-01-03

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