Meßfühler zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch
Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Meßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt . Der- artige Meßfühler dienen dazu, über die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas von Verbrennungskraftmaschinen die Einstellung eines Kraftstoff- Luft-Gemisches zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine zu beeinflussen. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann im sogenannten fetten Bereich vorliegen, das heißt, der Kraftstoff liegt im stöchiometrischen Überschuß vor, so daß im Abgas nur eine geringe Menge an Sauerstoff gegenüber anderen teilweise unverbrannten Bestandteilen vorhanden ist. Im sogenannten age- ren Bereich, bei dem der Sauerstoff der Luft in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch überwiegt, ist eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas entsprechend hoch.
Bei einer stöchiometrischen Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sind sowohl der Kraftstoff als auch der Sauerstoff in dem Abgas reduziert .
Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas sind sogenannte Lambda-Sonden bekannt, die im mageren Bereich einen Lambdawert > 1, im fetten Bereich einen Lambdawert < 1 und im stöchiometrischen Bereich einen Lambdawert = 1 detektieren. Die Lambdasonde liefert hierbei in bekannter Weise eine Detektionsspannung, die einer Schaltungsanordnung zugeführt wird. Mit Hilfe der Schaltungsanordnung wird bei bekannten Meßfühlern die Detektionsspannung in eine Pumpspannung für eine Pumpzelle transferiert, die ebenfalls Bestandteil des Meßfühlers ist und dem Abgas ausgesetzt ist. Die Pumpzelle, bei der je nach vorliegender Sauerstoffkonzentration in dem zu messenden Gasgemisch Sauerstoffionen von einer inneren Pumpelektrode zu einer äußeren Pumpelektrode oder umgekehrt gepumpt werden. Je nachdem, ob die Lambda-Sonde einen fetten Bereich, also einen Lambdawert < 1, oder einen mageren Bereich, also einen Lambdawert > 1, detek- tiert, wird über die Schaltungsanordnung bestimmt, ob die' mit einem aktiven Eingang der Schaltungsanordnung verbundene äußere Pumpelektrode als Katode oder Anode geschaltet ist . Die innere Pumpelektrode der Pumpzelle liegt gegen Masse, so daß sich an der Pumpzelle entweder ein anodischer Grenzstrom, bei fettem Meß- gas, oder ein katodischεr Grenzstrom, bei magerem Meßgas, einstellt. Bei stδchiometrischem Betrieb, also wenn der Lambdawert = 1 ist, liegt die Pumpspan- nung nahe 0, so daß kein Grenzstrom fließt.
Die Detektionsspannung des Meßfühlers wird über eine Nernst-Meßzelle ermittelt, bei der ein Sauerstoff- konzentrationsunterschied an einer Nernst-Elektrode und einer Referenzelektrode ermittelt wird. Die Referenzelektrode ist mit einer Konstant-Stromquelle verbunden, während die Nernst-Elektrode an Masse liegt. Hierdurch stellt sich entsprechend des Sauerstoffkonzentrationsunterschiedes die Detektionsspannung ein.
Da sowohl die Nernst-Elektrode als die Innenpu pe- lektrode des Meßfühlers an Masse liegen, ist bekannt, diese über eine gemeinsame Zuleitung mit der Schaltungsanordnung zu verbinden. Hierbei werden die Elek- troden innerhalb des Meßfühlers zunächst getrennt über Leiterbahnen kontaktiεrt, die sich innerhalb des Meßfühlers an einem Kontaktierungspunkt zu der gemeinsamen Zuleitung vereinigen.
Über die Detektion des Pumpstromes der Pumpzelle, der zur Aufrechterhaltung von λ = 1 in einem Meßraum (Hohlraum) des Meßfühlers nötig ist, wird festgestellt, ob es sich bei dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, mit "dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, um ein fettes oder ein mageres Gemisch handelt. Bei einem Wechsel vom fetten in den mageren Bereich oder umgekehrt fällt der Pumpstrom ab beziehungsweise steigt an. Beim Betrieb im stöchiometrischen Bereich, also bei einem Lambdawert = 1, hat der Pumpstrom einen Sprungpunkt, der den Übergang vom mageren zum fetten Bereich beziehungsweise umgekehrt, charakterisiert .
Bei den bekannten Meßfühlern ist nunmehr nachteilig, daß durch die zumindest bereichsweise teilweise Zuleitung der Nernst-Elektrode und der inneren Pump- elektrode deren gemeinsamer Zuleitungswiderstand, der sowohl in dem Nernst-Spannungskreis der Nernst-Meß- zelle als auch in dem Pumpspannungskreis der Pumpmeßzelle eingebunden ist, eine Kopplung verursacht, die Einfluß auf die sogenannte Lambda=l-Welligkeit ausübt. Hierdurch wird ein Gegen- beziehungsweise Überschwingen der Spannungen bei einer Sprungantwort auf den Übergang vom fetten Bereich in den mageren Bereich minimiert.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß eine Gegenkopplung des Pumpspannungskreises und des Nernst-Spannungskreises optimiert ist. Dadurch, daß ein gemeinsamer Zuleitungswiderstand der Nernst- Elektrode und der inneren Pumpelektrode von einem belasteten Spannungsteiler gebildet wird, dessen Einzelwiderstände derart ausgelegt sind, daß eine Gegenkopplung eines Nernst-Spannungskreises und eines Pumpspannungskreises vergrößert wird, läßt sich die Lambda=l-Welligkeit verringern. Die Auslegung der Einzelwidεrstände erfolgt derart, daß ein Übergang der Detektionsspannung der Nernst-Meßzelle vom age- ren zum fetten Bereich beziehungsweise umgekehrt, über den Sprungpunkt, der einen anodischen beziehungsweise katodischen Grenzstrom über die Pumpzelle
auslöst, wirksam wird, so daß eine Gegenkopplung über den gemeinsamen Zuleitungsabschnitt der Nernst-Meß- zelle und der Pumpzelle erreicht wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß dem gemeinsamen Zuleitungsabschnitt der Nernst-Meßzelle und der Pumpmeßzelle ein zusätzlicher externer Widerstand in Reihe geschaltet wird. Durch diesen zusätzlichen externen Widerstand erhöht sich der Gesamtwiderstand des gemeinsamen Zuleitungsabschnittes, so daß bei konstantem Strom, mit dem die Nernst-Meßzelle betrieben wird, die Detektionsspannung größer ist, so daß der Einfluß einer Gegenkopplung durch den ebenfalls über den zusätzlichen Wider- stand fließenden katodischen beziehungsweise anodischen Grenzstrom vergrößert wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Querschnitt des gemeinsamen Zuleitungsabschnittes verringert wird. Durch diese
Verringerung des Querschnittes wird ebenfalls eine Erhöhung des Widerstandswertes des gemeinsamen Zuleitungsabschnittes erreicht, so daß hier ebenfalls in einfacher Weise eine Gegenkopplung zwischen dem Nernst-Spannungskreis und dem Pumpspannungskreis vergrößert wird.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Kontaktierungspunkt der Leiter- bahn der inneren Pumpelektrode mit der Leiterbahn der
Nernst-Elektrode räumlich möglichst nah an die Elektroden heran zu verlagern, so daß die Länge des ge-
meinsamen Zuleitungεabschnittes zunimmt, so daß hierdurch ebenfalls eine definierte Widerstandserhöhung dieses gemeinsamen Zuleitungsabschnittes erreicht ist .
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei- spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Schnittdarstellung durch einen Kopf eines Meßfühlers;
Figur 2 ein Ersatzschaltbild einer gemeinsamen Zuleitung einer Nernst-Elektrode und einer inneren Pumpelektrode des Meßfühlers und
Figur 3 verschiedene Ausführungsvarianten zur Beeinflussung der Widerstände der gemeinsamen Zuleitung gemäß Figur 2.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist ein Meßfühler 10 in einer Schnittdarstellung durch einen Meßkopf gezeigt. Der Meßfühler 10 ist als planarer Breitband-Meßfühler ausgebil-
det und besteht aus einer Anzahl einzelner, übereinander angeordneter Schichten, die beispielsweise durch Foliengießen, Stanzen, Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen strukturiert wer- den können. Auf die Erzielung des Schichtaufbaus soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden, da dieses bekannt ist.
Der Meßfühler 10 dient der Bestimmung einer Sauer- stoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, um ein Steuersignal zur Einstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungs- kraft aschine betrieben wird, zu erhalten. Der Meßfühler 10 besitzt eine Nernst-Meßzelle 12 und eine Pumpzelle 14. Die Nernst-Meßzelle 12 besitzt eine erste Elektrode 16 (Nernst-Elektrode) und eine zweite Elektrode 18 (Referenzelektrode) , zwischen denen ein Festelektrolyt 20 angeordnet ist. Die Elektrode 16 ist über eine Diffusionsbarriere 22 dem zu messenden Abgas 24 ausgesetzt. Der Meßfühler 10 besitzt eine Meßöffnung 26, die mit dem Abgas 24 beaufschlagbar ist. Am Grund der Meßöffnung 26 erstreckt sich die Diffusionsbarriere 22, wobei es zur Ausbildung eines Hohlraumes 28 kommt, innerhalb dem die Elektrode 16 angeordnet ist. Die Elektrode 18 der Nernst-Meßzelle 12 ist in einem Referenzluftkanal 30 angeordnet und einem in dem Referenzluftkanal 30 anliegenden Referenzgas, beispielsweise Luft, ausgesetzt. Der Festelektrolyt 20 besteht beispielsweise aus yttriumoxid- stabilisiertem Zirkoniumoxid, während die Elektroden 16 und 18 beispielsweise aus Platin bestehen.
Der Meßfühler 10 ist mit einer hier lediglich angedeuteten Schaltungsanordnung 32 verbunden, die der Auswertung von Signalen des Meßfühlers 10 und der An- steuerung des Meßfühlers dient. Die Elektroden 16 und 18 sind mit Eingängen 34 beziehungsweise 36 der Schaltungsanordnung 32 verbunden, an denen eine Detektionsspannung UTJ der Nernst-Meßzelle 12 anliegt.
Die Pumpzelle 14 besteht aus einer ersten Elektrode 38 (innere Pumpelektrode) sowie einer zweiten Elektrode 40 (äußere Pumpelektrode) , zwischen denen ein Festelektrolyt 42 angeordnet ist. Das Festelektrolyt 42 besteht wiederum beispielsweise aus einem yttri- umoxidstabilisierten Zirkoniumoxid, während die Elek- troden 38 und 40 wiederum aus Platin bestehen können. Die Elektrode 38 ist ebenfalls in dem Hohlraum 28 angeordnet und somit ebenfalls über die Diffusions- barriere 22 dem Abgas 24 ausgesetzt. Die Elektrode 40 ist mit einer Schutzschicht 44 abgedeckelt, die porös ist, so daß die Elektrode 40 dem Abgas 24 direkt ausgesetzt ist. Die Elektrode 40 ist mit einem Eingang 46 der Schaltungsanordnung 32 verbunden, während die Elektrode 38 mit der Elektrode 16 verbunden ist und mit dieser gemeinsam am Eingang 34 der Schal- tungsanordnung 32 geschaltet ist. Auf diese gemeinsame Zuleitung der Elektroden 16 und 38 zur Schaltungs- anordnung 32 wird anhand der Figuren 2 und 3 noch näher eingegangen.
Der Meßfühler 10 umfaßt ferner eine Heizeinrichcung 49, die von einem sogenannten Heizmäander gebildet
ist und die mit einer Heizspannung UJJ beaufschlagbar ist .
Die Funktion des Meßfühlers 10 ist folgende:
Das Abgas 24 liegt über die Meßöffnung 26 und die Diffusionsbarriere 22 in dem Hohlraum 28 und somit an den Elektroden 16 der Nernst-Meßzelle 12 und der Elektrode 38 der Pumpzelle 14 an. Aufgrund der in dem zu messenden Abgas vorhandenen Sauerstoffkonzentration stellt sich ein Sauerstoffkonzentrationsunter- schied zwischen der Elektrode 16 und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode 18 ein. Über den Anschluß 34 ist die Elektrode 16 mit einer Stromquelle der Schaltungsanordnung 32 verbunden, die einen konstanten Strom liefert. Aufgrund eines vorhandenen Sauerstoffkonzentrationsunterschiedes an den Elektroden 16 und 18 stellt sich eine bestimmte Detektionsspannung UJ (Nernst-Spannung) ein. Die Nernst- Meßzelle 12 arbeitet hierbei als Lambda-Sonde, die detektiert, ob in dem Abgas 24 eine hohe Sauerstoff- konzentration oder eine niedrige Sauerstoffkonzen- tration vorhanden ist. Anhand der Sauerstoffkonzentration ist klar, ob es sich bei dem Kraftstoff-Luft- Gemisch, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, um ein fettes oder ein mageres Gemisch handelt. Bei einem Wechsel vom fetten in den mageren Bereich oder umgekehrt fällt die Detektionsspannung Upj ab beziehungsweise steigt an. Beim stöchiometri- sehen Betrieb, also bei einem Lambdawert = 1, hat die Detektionsspannung UJ einen Sprungpunkt, der den
Übergang vom mageren zum fetten Bereich beziehungsweise umgekehrt, charakterisiert.
Mit Hilfe der Schaltungsanordnung 32 wird die Detek- tionsspannung Urj zum Ermitteln einer Pumpspannung Up eingesetzt, mit der die Pumpzelle 14 zwischen ihren Elektroden 38 beziehungsweise 40 beaufschlagt wird. Je nachdem, ob über die Detektionsspannung UQ signalisiert wird, daß sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch im fetten oder mageren Bereich befindet, ist die Pumpspannung Up negativ oder positiv, so daß die Elektrode 40 entweder als Katode oder Anode geschaltet ist. Entsprechend stellt sich ein Pumpstrom Ip ein, der über eine Meßeinrichtung der Schaltungsanordnung 32 meßbar ist. Mit Hilfe des Pumpstromes Ip werden entweder Sauerstoffionen von der Elektrode 40 zur Elektrode 38 oder umgekehrt gepumpt. Der gemessene Pumpstrom Ip dient zur Ansteuerung einer Einrichtung zur Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird.
Der Detektionsspannungskreis (Nerns -Spannungskreis) und der Pumpspannungskreis sind über die gemeinsame Zuleitung der Elektroden 16 beziehungsweise 38 der Schaltungsanordnung 32 gekoppelt. In Figur 2 ist in einem Ersatzschaltbild die Verbindung der Elektroden 16 und 38 mit der Schaltungsanordnung 32 dargestellt. Anhand des Ersatzschaltbildes wird deutlich, daß die Elektrode 38 zunächst über einen Leiterbahnabschnitt 50 mit einem Kontaktierungspunkt 52 verbunden ist. Die Elektrode 16 ist über einen Leiterbahnabschnitt 54 ebenfalls mit dem Kontaktierungspunkt 52 verbun-
den. Vom Kontaktierungspunkt 52 führt ein Leiterbahnabschnitt 56 zu dem Eingang 34 der Schaltungsanordnung 32. Der Kontaktierungspunkt 52 ist innerhalb des Meßfühlers 10 angeordnet und besitzt einen hier angedeuteten geometrischen Abstand a zu den Elektroden 16 beziehungsweise 38. Entsprechend dem Abschnitt a ergibt sich ein geometrischer Abstand b für den gemeinsamen Zuleitungsabschnitt 56 der Elektroden 16 und 38.
Der Leitungsabschnitt 50 besitzt einen Innenwiderstand Rl, der Leitungsabschnitt 54 einen Innεnwider- stand R2 und der Leitungsabschnitt 54 einen Innenwiderstand R3. Die Schaltung der Widerstände Rl, Rl und R3 bilden einen belasteten Spannungsteilεr, wobei über die Leitungsabschnitte 54 und 56 der konstante Strom fließt, mit dem die Nernst-Meßzelle 12 beaufschlagt wird und über den Leitungsabschnitt 50 und 56 der Pumpstrom Ip fließt.
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsvariante zur Aus- lεgung dεs belasteten Spannungsteilers der Widerstände Rl , R2 und R3. Hier ist ein zusätzlichεr externεr Widerstand R4 zwischen dem Anschluß 34 und der Schal- tungsanordnung 32 (Figur 1) geschaltet. Hierdurch findet quasi eine Erhöhung des Widεrstandswεrtes des gemeinsamen Zulεitungsabschnittεs 56 der Elektroden 16 und 38 statt, wobei der Widerstand sich aus der Summe der Widerstände R3 und R4 ergibt . Diεser höhere Widerstand R3 + R4 führt zu einer Erhöhung der Nernst-Spannung bei konstantem Strom, mit dem die
Nernst-Meßzelle 12 über die Schaltungsanordnung 32 beaufschlagt wird.
Gemäß der in Figur 3b gezeigten Ausführungsvariante ist vorgesehen, den Kontaktierungspunkt 52 geometrisch näher an die Elektroden 16 und 38 heran zu verlagern, so daß die Länge des gemeinsamen Zuleitungsabschnittes 56, das heißt der Abstand b' zwischen dem Kontaktierungspunkt 52 und dem Anschluß 34 vergrößert ist. Hierdurch kommt es ebenfalls zu einer Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandes R3 gegenüber der in Figur 2 gezeigten Ausgangsvariante. Insbesondere wirkt sich hier ein positiver Temperaturkoeffizient des Zuleitungswiderstandes R3 aus.
Nach einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, den gemeinsamen Zuleitungsabschnitt 56 zwischen den Kontaktierungspunkt 52 und den Anschluß 34 mit einem geringeren Querschnitt aufzubringen als ein Querschnitt der Abschnitte 50 beziehungsweise 54, so daß es hierdurch ebenfalls zu einer Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandes R3 kommt .