WO2006084836A1 - Gasmessfühler - Google Patents

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WO2006084836A1
WO2006084836A1 PCT/EP2006/050710 EP2006050710W WO2006084836A1 WO 2006084836 A1 WO2006084836 A1 WO 2006084836A1 EP 2006050710 W EP2006050710 W EP 2006050710W WO 2006084836 A1 WO2006084836 A1 WO 2006084836A1
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WO
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gas
pumping
electrode
solid electrolyte
gas sensor
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PCT/EP2006/050710
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Kanters
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to JP2007554542A priority patent/JP4663000B2/ja
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    • 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
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • G—PHYSICS
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    • 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 gas sensor for determining the concentration of a gas component in a measurement gas, in particular for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of internal combustion engines, according to the preamble of claim 1.
  • the pair of electrodes is actuated in a pulsed manner and the inner pumping electrode and outer pumping electrode are alternately applied to a potential of different sizes, whereby alternately oxygen is pumped from the atmosphere into the diffusion barrier (pumping-in phase) and pumped out from the diffusion barrier to the atmosphere (pumping-out phase).
  • a current flows from the inner pumping electrode to the outer pumping electrode, which is referred to as a bias current or bias current
  • a pumping current from the outer pumping electrode to the inner pumping electrode which is referred to as sensing current or measuring current.
  • Inner pump electrode and outer pump electrode have a potential difference of e.g. 0.3V and in the Auspumpphase between the outer pump electrode and the inner pumping electrode, a potential difference of, for example, 0.1V exists.
  • the gas sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage of a much higher measurement accuracy in the determination of the concentration of the gas components in the sample gas, in particular in the determination of the oxygen concentration or the air / fuel ratio ( ⁇ ) in exhaust gases.
  • the provision of the cavity between the diffusion barrier and the inner pumping electrode arranged on the solid electrolyte produces a region of constant oxygen concentration which serves as a storage volume. Unlike the gas sensor described above, the oxygen therefore does not have to be stored in the diffusion barrier, as a result of which the diffusion barrier is shortened and, as a result of the shortened diffusion barrier, the measurement signal is falsified.
  • the gas sensor according to the invention has only two electrodes, which allows a cost-effective production, and a wide ⁇ -measuring range, which undergoes a significant expansion in the fat region of the exhaust gas.
  • the measure of the concentration of the gas component or of the ⁇ value of the exhaust gas is the pump current measured and averaged over one or more clock cycles.
  • filtered pumping current used as a measure of the concentration of the gas component of the measured in the pumping and pumping out and with a time constant, which is significantly greater than the period of the clocking.
  • the amount of oxygen fed into the cavity during the pumping-in phase is regulated as a function of the momentary oxygen concentration in the measuring gas.
  • the so-called bias current is preferably set as a function of the measured concentration of the gas component.
  • the bias current it is also possible to specify a specific charge quantity with which an equivalent amount of oxygen is pumped into the cavity. This is advantageous if the constancy of the bias current is difficult to achieve.
  • FIG. 1 shows a detail of a longitudinal section of a sensor element of a gas sensor for the exhaust gas measurement of internal combustion engines, schematized,
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the function of the gas sensor in the rich gas operation
  • FIG. 4 is a block diagram of the gas sensor with sensor element and control unit
  • FIG. 9 is a block diagram of the gas sensor with sensor element according to FIG. 8 and control unit. - A -
  • the gas sensor or gas sensor described here is used to determine the concentration of a gas component in a measurement gas and is preferably used as a lambda probe for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of internal combustion engines, with the air / fuel ratio in the exhaust gas of internal combustion engines, the so-called. Value is specified, is determined. The following description therefore refers to such a gas sensor for the ⁇ value determination.
  • the gas sensor or gas sensor has a schematic in Fig. 1 in longitudinal section shown sensor element 11, which is usually accommodated in a housing and exposed to the exhaust gas with its gas-sensitive part.
  • a pair of electrodes is arranged, which is connected via conductor tracks and a connector to a out of the housing and to a control unit 10 (FIG.
  • the pair of electrodes comprises an outer pump electrode 12 and an inner pump electrode 13, both of which are arranged on a solid electrolyte body 14, which consists for example of yttrium-stabilized zirconium oxide (ZrO 2 ).
  • ZrO 2 yttrium-stabilized zirconium oxide
  • the solid electrolyte body 14 is laminated together from a plurality of solid electrolyte layers or foils, in which an electrical resistance heater 15, which is embedded in an insulating layer not shown here, is arranged.
  • the resistance heater 15 serves to set a constant operating temperature of the solid electrolyte body 14.
  • the outer pumping electrode 12 is arranged on the outside of the solid electrolyte body 14 and thus exposed directly to the exhaust gas, while the exhaust gas can only reach the inner pumping electrode 13 via a diffusion barrier 16.
  • a cavity 17 is formed in the interior of the solid electrolyte body 14, on which a channel 18 opening on the outside of the solid electrolyte body 14 continues.
  • the inner pumping electrode 13 is applied to the solid electrolyte body 14 in the cavity 17, and the channel 18 is completely filled with a porous ceramic material, eg ZrO 2 or Al 2 O 3 , to form the diffusion barrier 16.
  • the electrode pair 12, 13 is clocked by a clock generator 27 of the controller 10 (Fig. 4) clocked with a selected clock frequency and selected clock ratio, wherein in each clock period T, the two pumping electrodes 12, 13 with a potential changing Polarity are occupied.
  • a clock generator 27 of the controller 10 Fig. 4
  • the voltage applied to the pair of electrodes at 50% duty cycle is shown in phantom (curve a).
  • pump-in phase A which in the example corresponds to half a clock period, a positive potential (and a negative potential to the outer pumping electrode 12) is applied to the inner pumping electrode 13.
  • a pumping current -I P also referred to as bias current
  • bias current flows from the inner pumping electrode 13 to the outer pumping electrode 12 in the pumping-in phase as a movement of positive charge carriers Auspumpphase B, which in turn extends in the example over half a clock period, is at the outer pumping electrode 12 has a positive potential (and at the inner pumping electrode 13 has a negative potential).
  • negatively charged oxygen ions migrate through the diffusion barrier 16 to the outer pumping electrode, and a pumping current + I P flows from the outer electrode 12 to the inner electrode 13. Note that both clock ratio and clock frequency and applied voltage can be varied.
  • the profile of the pump current I P as a movement of positive charge carriers from the outer pumping electrode 12 to the inner pumping electrode 13 is shown in solid lines in FIGS. 2 and 3 (curve b).
  • oxygen is pumped into the cavity 17 through the solid electrolyte in the pumping-in phase A, and oxygen is pumped out of the cavity 17 via the solid electrolyte in the pumping-out phase B.
  • various exhaust gas components enter the
  • Cavity 16 either by electrochemical reaction at the inner pumping electrode 13 release oxygen or oxygen.
  • the resulting in the cavity 17 total oxygen equivalent concentration C 0 is shown in Fig. 2 for the Magergas ses and in
  • FIGS. 2 and 3 for the operation of the rich gas each shown in phantom (curve c). It should be noted that the diagrams in FIGS. 2 and 3 have been based on idealized conditions in order to clarify the mechanism which is taking place. In realiter, the transitions in curves b are not as erratic as shown, but run continuously with less increase.
  • the measured in the measuring stage 28 pumping current I p with a time constant, which is significantly greater than the period T of the clocking, filtered (block 19 in Fig. 4).
  • FIG. 3 shows the conditions for lean-burn operation described with reference to FIG. 2 for lean operation.
  • the oxygen pumped into the cavity 17 reacts with the fat gas, which is either already present in the cavity 17 or diffused into the cavity 17 via the diffusion barrier 16, with the gas component CH 4 , which by binding of oxygen CO 2 and H 2 O is formed.
  • the oxygen remaining from the reaction builds an oxygen equivalent concentration in the cavity 17
  • the so-called bias current By means of the pumping current -I P flowing in the pumping-in phase A, the so-called bias current, an extension of the measuring range of the gas sensor in the rich-gas operation (excess fuel) is achieved.
  • this bias current In lean gas operation (excess air), this bias current has an unfavorable effect because it further increases the amount of oxygen formed by the electrochemical reaction in the cavity 17 and thus the oxygen flow to be pumped, so that the electrodes 12, 13 are unnecessarily stressed and age faster.
  • the amount of oxygen pumped into the cavity 17 during the pumping-in phase A is set as a function of the oxygen concentration in the exhaust gas, that is to say the air / fuel ratio.
  • the lambda signal which can be removed at block 19 in control unit 10 is used, which is fed into a filter 20, for example a PID filter.
  • the output of the filter 20 determines the magnitude of the bias current.
  • the controller 10 does not specify a specific constant bias current as a function of the lambda signal, but rather a specific amount of charge, which is pumped into the cavity 17 as an equivalent amount of oxygen. This is advantageous if the constancy of the bias current is difficult to achieve.
  • a sample and hold circuit 31 is connected to the output of the differential amplifier 30 for continuous measurement of the internal resistance of the sensor element 11, which samples the bias current -I P once in each clock period and holds the sample until the next measurement. With the measured resistance value, the temperature of the solid electrolyte with the resistance heater 15 present in the sensor element 11 can be constantly adjusted to the operating temperature.
  • Fig. 5, 6 and 7 three sensor elements 11 are shown in fragmentary longitudinal section, which are modified with respect to the arrangement of pumping electrodes 12, 13, cavity 17 and diffusion barrier 16.
  • hollow space 17 and diffusion barrier 16 are formed as concentric rings, wherein the diffusion barrier 16 encloses a gas inlet channel 21 opening on the outer surface of the solid electrolyte body 14 and the cavity 17 enclosing the diffusion barrier 16.
  • the two pumping electrodes 12, 13 are designed as ring electrodes, which are separated by the solid electrolyte, in turn the outer pumping electrode 12 on the outside of the solid electrolyte body 14, concentrically surrounding the gas inlet channel 21 and arranged the inner pumping electrode 13 in the cavity 17 and also on the solid electrolyte body 14th is applied.
  • outer pumping electrode 12 and inner pumping electrode 13 are arranged on the outside of the solid electrolyte body 14, on the same large surface.
  • the inner pumping electrode 13 is covered by the formation of the cavity 17 of the diffusion barrier 16, which is for this purpose box-shaped and rests with its box edges on the outside of the solid electrolyte body 14.
  • the diffusion barrier 16 may still be covered by a protective layer 22.
  • the sensor element 11 according to FIG. 7 differs from the sensor element 11 in FIG. 6 only in that the outer pumping electrode 12 is arranged on the other large surface of the solid electrolyte body 14, which is remote from the large surface carrying the inner pumping electrode 13 with the diffusion barrier 16.
  • FIG. 8 shows a sensor element 11, which is constructed identically to that in FIG. 1, but has an additional electrode on the outside of the solid electrolyte body 14, which forms a so-called Nernst electrode 24 and is covered by a porous protective layer 23.
  • the inner pumping electrode 13 arranged in the cavity 17 is used as a reference electrode, which can be realized in a simple manner by suppressing the pumping-out phase B, so that the cavity 17 always remains filled with oxygen.
  • FIG. 8 shows a sensor element 11, which is constructed identically to that in FIG. 1, but has an additional electrode on the outside of the solid electrolyte body 14, which forms a so-called Nernst electrode 24 and is covered by a porous protective layer 23.
  • the inner pumping electrode 13 arranged in the cavity 17 is used as a reference electrode, which can be realized in a simple manner by suppressing the pumping-out phase B, so that the cavity
  • the clock generator 27 is thus turned off and a reference current source 26 is applied to the electrode pair 12, 13.
  • the ⁇ value is derived, which is taken in Fig. 9 at the lower ⁇ output of the controller 10.
  • the operation "broadband probe” is again set and the ⁇ value is in Fig. 9 upper ⁇ output of the controller 10 at.
  • the outside pumping electrode 12 disposed on the outside of the solid electrolyte body 14 exposed to the measurement or exhaust gas may also be exposed to a reference gas, preferably atmospheric air, without changing the function of the probe.
  • the sensor can also be used to determine the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gas of internal combustion engines.
  • the pump voltage lying on the electrode pair 12, 13 is predetermined in the control unit 10 (FIG. 4).
  • the pumping current can also be predetermined.

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Abstract

Es wird ein Gasmessfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, angegeben, der ein auf einem Festelektrolyten (14) angeordnetes Elektrodenpaar (12, 13), bestehend aus einer Außenpumpelektrode (12) und einer für das über eine Diffusionsbarriere (16) zugeführte Messgas zugänglichen Innenpumpelektrode (13), die getaktet angesteuert und in jeder Taktperiode mit einem Potential wechselnder Polarität belegt sind. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Gasmessfühlers ohne zusätzliche Elektroden ist zwischen der Diffusionsbarriere (16) und der Innenpumpelektrode (13) ein Hohlraum (17) angeordnet, der als Speichervolumen für den durch den Festelektrolyten (14) gepumpten Sauerstoff dient.

Description

Gasmessfühler
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gasmessfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Gasmessfühler oder Gassensor zur Bestimmung des λ- Wertes in Abgasen von Brennkraftmaschinen (M. Ohsuga & Y. Ohyama " A study on the oxygen-biased wide ränge air-fuel ratio sensor for rieh and lean air-fuel ratios", Sensors and Actuators, 9 (1986), Seite 287 - 300) ist die Außenpumpelektrode des auf dem Festelektrolyten angeordneten Elektrodenpaars der Atmosphäre ausgesetzt und die Innenpumpelektrode von einer Diffusionsbarriere mit abgestimmter Dicke abgedeckt, die vom Abgas beaufschlagt ist. Das Elektrodenpaar wird getaktet angesteuert und dabei die Innenpumpelektrode und Außenpumpelektrode abwechselnd an ein Potential unterschiedlicher Größe gelegt, wodurch abwechselnd Sauerstoff aus der Atmosphäre in die Diffusionsbarriere hineingepumpt (Einpumpphase) und aus der Diffusionsbarriere zur Atmosphäre hin herausgepumpt (Auspumpphase) wird. Dabei fließt in der Einpumpphase ein Strom von der Innenpumpelektrode zur Außenpumpelektrode, der als sog. bias current oder Biasstrom bezeichnet wird, und in der Auspumpphase ein Pumpstrom von der Außenpumpelektrode zur Innenpumpelektrode, der als sensing current oder Messstrom bezeichnet wird. Der letzte
Stromwert in jeder Auspumpphase wird mittels einer Sample and Hold-Schaltung erfasst und liefert das Maß für die Sauerstoffkonzentration als λ-Wert des Abgases. Der letzte Stromwert in jeder Einpumpphase wird ebenfalls mittels einer Sample and Hold-Schaltung erfasst und liefert ein Steuersignal für einen elektrischen Heizer, mit dem die Temperatur des Festelektrolyten auf einen konstanten Wert eingeregelt wird.
Zur getakteten Ansteuerung des Elektrodenpaars liegt dieses im Brückenzweig einer Schalter- brücke aus vier elektronischen Schaltern, von denen zwei in zwei Diagonalzweigen liegende Schalter durch die Taktimpulse eines Taktgenerators und zwei in den beiden anderen Diagonalzweigen liegenden Schalter durch die invertierten und um eine halbe Taktperiode verschobenen Taktimpulse angesteuert werden. Durch das wechselweise Aufsteuern der jeweiligen Schalterpaare werden an das Elektrodenpaar in jeder Taktperiode zwei in der Polarität wechselnde Potentiale gelegt wobei in der Einpumpphase zwischen
Innenpumpelektrode und Außenpumpelektrode eine Potentialdifferenz von z.B. 0,3V und in der Auspumpphase zwischen der Außenpumpelektrode und der Innenpumpelektrode eine Potentialdifferenz von beispielweise 0,1V besteht.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil einer wesentlich höheren Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration der Gaskomponenten im Messgas, insbesondere bei der Bestimmung der Sauerstoff konzentration bzw. des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses (λ) in Abgasen. Durch das Vorsehen des Hohlraums zwischen Diffusionsbarriere und der auf dem Festelektrolyten angeordneten Innenpumpelektrode entsteht ein Bereich konstanter Sauerstoffkonzentration, der als Speichervolumen dient. Anders als bei dem eingangs beschriebenen Gassensor muss der Sauerstoff damit nicht in die Diffusionsbarriere eingespeichert werden, wodurch sich die Diffusionsbarriere verkürzt und infolge der verkürzten Diffusionsbarriere das Messsignal verfälscht wird. Wie der eingangs beschriebene bekannte Gassensor besitzt der erfindungsgemäße Gasmessfühler nur zwei Elektroden, was eine kostengünstige Herstellung ermöglicht, und einen weiten λ-Messbereich, der eine wesentliche Erweiterung in den Fettbereich des Abgases erfährt. Durch das Betreiben der Elektroden mit wechselndem Potential wird deren Pumpfähigkeit für Sauerstoff verbessert.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gasmessfühlers möglich. Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung wird als Maß für die Konzentration der Gaskomponente bzw. des λ- Wertes des Abgases der über eine oder mehrere Taktperioden gemessene und gemittelte Pumpstrom herangezogen. Alternativ wird als Maß für die Konzentration der Gaskomponente der in der Ein- und Auspumpphase gemessene und mit einer Zeitkonstanten, die deutlich größer ist als die Periodendauer der Taktung, gefilterte Pumpstrom verwendet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die in der Einpumpphase in den Hohlraum eingespeiste Sauerstoffmenge abhängig von der momentanen Sauerstoffkon- zentration im Messgas geregelt. Dadurch ergibt sich einerseits im Fettbereich eines Abgases die gewünschte Messbereicherweiterung, während im Magerbereich des Abgases die eingepumpte Sauerstoffmenge stark reduziert wird, um die Pumpelektroden nicht unnötig zu belasten.
Zur Regelung der eingespeisten Sauerstoffmenge wird vorzugsweise der in der Einpumpphase fließende Pumpstrom, der sog. Biasstrom, abhängig von der gemessenen Konzentration der Gaskomponente eingestellt. Anstelle der Vorgabe des Biasstroms kann auch eine bestimmte Ladungsmenge vorgegeben werden, mit der eine äquivalente Sauerstoffmenge in den Hohlraum gepumpt wird. Dies ist dann vorteilhaft, wenn sich die Konstanz des Biasstroms nur schwer erreichen lässt.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Sensorelements eines Gasmessfühlers für die Abgasmessung von Brennkraftmaschinen, schematisiert,
Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Gasmessfühlers im Magergasbetrieb,
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion des Gasmessfühlers im Fettgasbetrieb, Fig. 4 ein Blockschaltbild des Gasmessfühlers mit Sensorelement und Steuergerät,
Fig. 5 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt eines Sensorelements des bis 8 Gasmessfühlers in verschiedenen Modifikationen,
Fig. 9 ein Blockschaltbild des Gasmessfühlers mit Sensorelement gemäß Fig. 8 und Steuergerät. - A -
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der hier beschriebene Gasmessfühler oder Gassensor dient zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas und wird bevorzugt als Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen eingesetzt, mit der das Luft/Kraftstoff- Verhältnis im Abgas von Brennkraftmaschinen, das als sog. λ-Wert angegeben wird, bestimmt wird. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich daher auf einen solchen Gasmessfühler für die λ- Wert-Bestimmung.
Der Gasmessfühler oder Gassensor weist ein in Fig. 1 schematisiert im Längsschnitt dargestelltes Sensorelement 11 auf, das üblicherweise in einem Gehäuse aufgenommen und mit seinem gassensitiven Teil dem Abgas ausgesetzt ist. Im gassensitiven Teil ist ein Elektrodenpaar angeordnet, das über Leiterbahnen und einem Anschlussstecker an einer aus dem Gehäuse heraus und zu einem Steuergerät 10 (Fig. 4) geführten Anschlussleitung angeschlossen ist. Das Elektrodenpaar umfasst eine Außenpumpelektrode 12 und eine Innenpumpelektrode 13, die beide auf einem Festelektrolytkörper 14 angeordnet sind, der z.B. aus yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht. Wie in Fig. 1 nicht weiter dargestellt ist, ist der Festelektrolytkörper 14 aus einer Mehrzahl von Festelektrolytschichten oder -folien zusammenlaminiert, in dem ein elektrischer Widerstandsheizer 15, der in einer hier nicht dargestellten Isolationsschicht eingebettet ist, angeordnet ist. Der Widerstandsheizer 15 dient zur Einstellung einer konstanten Betriebstemperatur des Festelektrolytkörpers 14. Die Außenpumpelektrode 12 ist auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 angeordnet und damit direkt dem Abgas ausgesetzt, während zu der Innenpumpelektrode 13 das Abgas nur über eine Diffusionsbarriere 16 gelangen kann. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist im Innern des Festelektrolytkörpers 14 ein Hohlraum 17 ausgebildet, an dem sich ein auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 mündender Kanal 18 fortsetzt. Die Innenpumpelektrode 13 ist im Hohlraum 17 auf den Festelektrolytkörper 14 aufgebracht, und der Kanal 18 ist zur Bildung der Diffusionsbarriere 16 mit einem porösen, keramischen Material, z.B. ZrO2 oder Al2O3, vollständig gefüllt.
Das Elektrodenpaar 12, 13 wird von einem Taktgenerator 27 des Steuergeräts 10 (Fig. 4) getaktet mit einer gewählten Taktfrequenz und gewähltem Taktverhältnis angesteuert, wobei in jeder Taktperiode T die beiden Pumpelektroden 12, 13 mit einem Potential wechselnder Polarität belegt sind. In den Diagrammen der Fig. 2 und 3 ist die an das Elektrodenpaar mit 50% Taktverhältnis angelegte Spannung strichliniert dargestellt (Kurve a). In einer sog. Einpumpphase A, die im Beispiel einer halben Taktperiode entspricht, ist an die Innenpumpelektrode 13 ein positives Potential (und an die Außenpumpelektrode 12 ein negatives Potential) gelegt. Dadurch wandern negativ geladene Sauerstoffionen durch die Diffusionsbarriere 16 zu der Innenpumpelektrode 13. Als Folge des Sauerstoffionenstroms fließt in der Einpumpphase ein als Bewegung positiver Ladungsträger verstandener Pumpstrom -IP, auch Biasstrom genannt, von der Innenpumpelektrode 13 zur Außenpumpelektrode 12. In der sich daran anschließenden Auspumpphase B, die sich im Beispiel wiederum über eine halbe Taktperiode erstreckt, liegt an der Außenpumpelektrode 12 ein positives Potential (und an der Innenpumpelektrode 13 ein negatives Potential). Als Folge wandern negativ geladene Sauerstoffionen durch die Diffusionsbarriere 16 zur Außenpumpelektrode, und es fließt ein Pumpstrom +IP von der Außenelektrode 12 zur Innenelektrode 13. Angemerkt sei, dass sowohl Taktverhältnis und Taktfrequenz als auch die angelegte Spannung variiert werden kann. Der Verlauf des Pumpstroms IP als Bewegung positiver Ladungsträger von der Außenpumpelektrode 12 zur Innenpumpelektrode 13 ist in Fig. 2 und 3 ausgezogen dargestellt (Kurve b). Infolge dieser getakteten Ansteuerung des Elektrodenpaars 12, 13 wird in der Einpumpphase A Sauerstoff durch den Festelektrolyten in den Hohlraum 17 hineingepumpt und in der Auspumpphase B Sauerstoff aus dem Hohlraum 17 über den Festelektrolyten abgepumpt. Neben den durch den Festelektrolyten gepumpten Sauerstoff gelangen verschiedene Abgaskomponenten in den
Hohlraum 16, die entweder durch elektrochemische Reaktion an der Innenpumpelektrode 13 Sauerstoff abgeben oder Sauerstoff binden. Die sich dadurch im Hohlraum 17 insgesamt ergebende Sauerstoff-Äquivalent-Konzentration C0 ist in Fig. 2 für den Magergasbetrieb und in
Fig. 3 für den Fettgasbetrieb jeweils strichpunktiert dargestellt (Kurve c). Es sei angemerkt, dass bei den Diagrammen in Fig. 2 und 3 idealisierte Verhältnisse zugrunde gelegt worden sind, um den ablaufenden Mechanismus zu verdeutlichen. In realiter sind die Übergänge in den Kurven b nicht so sprunghaft wie dargestellt, sondern verlaufen kontinuierlich mit geringerer Steigerung.
Im Magergasbetrieb (Fig. 2) baut sich in der Einpumpphase A die Sauerstoff-Äquivalent- Konzentration C0 im Hohlraum 17 auf (ansteigende Flanke der Kurve c). In der Auspumpphase
B wird im Hohlraum 17 vorhandener Sauerstoff zunächst abgepumpt (abfallende Flanke von Kurve c). Ist kein Sauerstoff mehr im Hohlraum 17 vorhanden, geht der Pumpstrom IP zurück (abfallende Flanke von Kurve b). Das durch die Diffusionsbarriere 16 in den Hohlraum 17 diffundierende Magergas bringt Sauerstoff mit, der ebenfalls abgepumpt wird (waagrechter Abschnitt von Kurve b). Über die Taktperiode stellt sich ein mittlerer Pumpstrom IP ein (Kurve d), der äquivalent ist dem durch die Diffusionsbarriere 16 fließenden Gasstrom und ein Maß für die Sauerstoffkonzentration und damit des Luft-Kraftstoffverhältnisses im Abgas liefert. Der in jeder Taktperiode fließende Pumpstrom Ip wird in einer Messstufe 28 bestehend aus einem Shunt 29 und einem Differenzverstärker 30 des Steuergeräts 10 (Fig. 4) gemessen und über mehrere Taktperioden gemittelt (Block 19 in Fig 4). Alternativ wird der in der Messstufe 28 gemessene Pumpstrom Ip mit einer Zeitkonstanten, die deutlich größer ist als die Periodendauer T der Taktung, gefiltert (Block 19 in Fig. 4).
In Fig. 3 sind die anhand von Fig. 2 für den Magerbetrieb beschriebenen Verhältnisse für den Fettgasbetrieb dargestellt. In der Einpumpphase A reagiert der in den Hohlraum 17 eingepumpte Sauerstoff mit dem Fettgas, das entweder bereits im Hohlraum 17 vorhanden ist oder über die Diffusionsbarriere 16 in den Hohlraum 17 hineindiffundiert, und zwar mit der Gaskomponente CH4, die durch Bindung von Sauerstoff CO2 und H2O entstehen lässtDer aus der Reaktion übrigbleibende Sauerstoff baut im Hohlraum 17 eine Sauerstoff-Äquivalent-Konzentration
C0 auf (ansteigende Flanke der Kurve c), die wesentlich kleiner ist als bei Magergasbetrieb. In der Auspumpphase B wird im Hohlraum 17 vorhandener Sauerstoff zunächst abgepumpt (abfallende Flanke von Kurve c). Wenn kein Sauerstoff mehr im Hohlraum 17 vorhanden ist, geht der Pumpstrom Ip auf Null zurück (abfallende Flanke von Kurve b). Im Hohlraum 17 sammelt sich eindiffundierendes Fettgas, was zu einem Sauerstoffbedarf führt (schräg verlaufender negativer Abschnitt von Kurve c). Der sich ergebende Mittelwert des Pumpstroms Ip (Kurve d) entspricht wiederum dem Gasstrom durch die Diffusionsbarriere 16 und stellt ein Maß für den λ-Wert dar, der kleiner 1 ist.
Durch den in der Einpumpphase A fließenden Pumpstrom -IP, den sog. Biasstrom, wird eine Erweiterung des Messbereichs des Gasmessfühlers im Fettgasbetrieb (Kraftstoffüberschuss) erreicht. Im Magergasbetrieb (Luftüberschuss) wirkt sich dieser Biasstrom ungünstig aus, weil er die durch die elektrochemische Reaktion im Hohlraum 17 sich bildende Sauerstoffmenge und damit den zu pumpenden Sauerstoffstrom noch vergrößert, so dass die Elektroden 12, 13 unnötig stark belastet werden und schneller altern. Um dem zu begegnen, wird die in der Einpumpphase A in den Hohlraum 17 eingepumpte Sauerstoffmenge abhängig von der Sauerstoffkonzentration im Abgas, also dem Luft/Kraftstoff- Verhältnis, eingestellt. Dies kann durch Variation des Taktverhältnisses oder durch variable Bemessung des Biasstroms -IP erreicht werden, so dass der Biasstrom -IP im Magergasbetrieb ausreichend klein wird, um die Elektroden 12, 13 zu entlasten. Zur Einstellung des Biasstroms wird das am Block 19 im Steuergerät 10 abnehmbare Lambdasignal verwendet, das in ein Filter 20, z.B. PID-Filter, eingespeist wird. Der Ausgang des Filters 20 bestimmt die Größe des Biasstroms.
Alternativ wird im Steuergerät 10 nicht ein bestimmter konstanter Biasstrom in Abhängigkeit von dem Lambdasignal vorgegeben, sondern eine bestimmte Ladungsmenge, die als äquivalente Sauerstoffinenge in den Hohlraum 17 gepumpt wird. Dies ist von Vorteil, wenn sich die Konstanz des Biasstroms nur schwer erreichen lässt.
In dem Steuergerät 10 ist zur fortlaufenden Messung des Innenwiderstandes des Sensorelements 11 eine Sample and Hold-Schaltung 31 an dem Ausgang des Differenzverstärkers 30 angeschlossen, die in jeder Taktperiode den Biasstrom -IP einmal abtastet und den Abtastwert bis zur nächsten Messung hält. Mit dem gemessenen Widerstandswert lässt sich die Temperatur des Festelektrolyten mit dem im Sensorelement 11 vorhandenen Widerstandsheizer 15 konstant auf Betriebstemperatur einregeln.
In Fig. 5, 6 und 7 sind drei Sensorelemente 11 im Längsschnitt ausschnittweise dargestellt, die bezüglich der Anordnung von Pumpelektroden 12, 13, Hohlraum 17 und Diffusionsbarriere 16 modifiziert sind. Bei dem Sensorelement gemäß Fig. 5 sind Hohlraum 17 und Diffusionsbarriere 16 als konzentrische Ringe ausgebildet, wobei die Diffusionsbarriere 16 einen auf der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 14 mündenden Gaszutrittskanal 21 und der Hohlraum 17 die Diffusionsbarriere 16 umschließt. Die beiden Pumpelektroden 12, 13 sind als Ringelektroden ausgeführt, die durch den Festelektrolyten getrennt sind, wobei wiederum die Außenpumpelektrode 12 auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14, den Gaszutrittskanal 21 konzentrisch umschließend aufgebracht und die Innenpumpelektrode 13 im Hohlraum 17 angeordnet und ebenfalls auf den Festelektrolytkörper 14 aufgebracht ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind Außenpumpelektrode 12 und Innenpumpelektrode 13 auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14, und zwar auf der gleichen Großfläche, angeordnet. Die Innenpumpelektrode 13 ist unter Ausbildung des Hohlraums 17 von der Diffusionsbarriere 16 überdeckt, die hierzu kastenförmig ausgebildet ist und mit ihren Kastenrändern auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 aufliegt. Die Diffusionsbarriere 16 kann noch von einer Schutzschicht 22 überdeckt sein. Das Sensorelement 11 gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von dem Sensorelement 11 in Fig. 6 nur dadurch, dass die Außenpumpelektrode 12 auf der anderen Großfläche des Festelektrolytkörpers 14 angeordnet ist, die von der die Innenpumpelektrode 13 mit der Diffusionsbarriere 16 tragenden Großfläche abgekehrt ist.
In Fig. 8 ist ein Sensorelement 11 dargestellt, das identisch mit dem in Fig. 1 aufgebaut ist, aber eine zusätzliche Elektrode auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 besitzt, die eine sog. Nernstelektrode 24 bildet und von einer porösen Schutzschicht 23 abgedeckt ist. Mit dieser zusätzlichen Außenelektrode kann mit dem Sensorelement 11 zusätzlich eine Sprung- oder λ=l- Sonde realisiert werden. Die im Hohlraum 17 angeordnete Innenpumpelektrode 13 wird als Referenzelektrode verwendet, was sich in einfacher Weise dadurch realisieren lässt, dass die Auspumpphase B unterdrückt wird, so dass der Hohlraum 17 stets mit Sauerstoff gefüllt bleibt. Wie im Blockschaltbild der Fig. 9 dargestellt ist, wird hierzu das Sensorelement im Steuergerät aus der Betriebsweise "Breitbandssonde" in die Betriebsweise "Sprungsonde" umgeschaltet, was durch Umlegen des Schalters 25 in Fig. 9 symbolisch angedeutet ist. Im Steuergerät 10 wird damit der Taktgenerator 27 abgeschaltet und eine Referenzstromquelle 26 an das Elektrodenpaar 12, 13 gelegt. Von dem Potential der Nernstelektrode 24 wird der λ-Wert abgeleitet, der in Fig. 9 am unteren λ- Ausgang des Steuergeräts 10 abgenommen ist. Nach Zurückschwenken des Schalters 25 in die in Fig. 9 untere Schaltstellung ist wieder die Betriebsweise „Breitbandsonde" eingestellt und der λ-Wert steht am in Fig. 9 oberen λ- Ausgang des Steuergeräts 10 an.
Bei dem in verschiedenen Ausführungsvarianten beschriebenen Messfühler kann die auf der Außenseite des Festelektrolytkörpers 14 angeordnete Außenpumpelektrode 12, die den Mess- bzw. Abgas ausgesetzt ist, auch einem Referenzgas, vorzugsweise atmosphärische Luft, ausgesetzt werden, ohne dass sich die Funktion des Messfühlers ändert.
Der Messfühler kann auch zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird im Steuergerät 10 (Fig. 4) die an dem Elektrodenpaar 12, 13 liegende Pumpspannung vorgegeben. Anstelle der Pumpspannung kann auch der Pumpstrom vorgegeben sein.

Claims

Ansprüche
1. Gasmessfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, insbesondere zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einem auf einem Festelektrolyten angeordneten Elektrodenpaar, bestehend aus einer Außenpumpelektrode (12) und einer für das über eine Diffusionsbarriere (169 zugeführte Messgas zugänglichen Innenpumpelektrode (13), die getaktet angesteuert und in jeder Taktperiode mit einem Potential wechselnder Polarität belegt sind, so dass in einer Einpumpphase ein Pumpstrom (-IP) von der Innenpumpelektrode (13) zur Außenpumpelektrode (12) und in einer Auspumpphase ein inverser Pumpstrom (+IP) von der Außenelektrode (12) zur Innenelektrode (13) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Diffusionsbarriere (16) und Innenpumpelektrode (13) ein Hohlraum (17) angeordnet ist.
2. Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenpumpelektrode (12) dem Messgas, insbesondere dem Abgas, ausgesetzt ist.
3. Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenpumpelektrode (12) einem Referenzgas, vorzugsweise atmosphärischer Luft, ausgesetzt ist.
4. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Hohlraum (17) in einem vorzugsweise aus Festelektrolytschichten zusammengesetzten Festelektrolytkörper (14) ausgebildet ist und in dem Hohlraum (17) ein Messgas-
Zutrittskanal (18) mündet und dass die Außenpumpelektrode (12) auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14) und die Innenpumpelektrode (13) im Hohlraum (17) angeordnet ist.
5. Gasmessfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Hohlraum (17) und Diffusionsbarriere (16) als konzentrisch im Festelektrolytkörper (14) angeordnete Ringe ausgebildet sind, dass die Diffusionsbarriere (16) einen auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14) mündenden Messgas-Zutrittskanal (21) umschließt, dass die Außenelektrode (12) ringförmig ausgebildet ist und auf der Außenfläche des
Festelektrolytkörpers (14) konzentrisch zur Kanalmündung angeordnet ist und dass die Innenpumpelektrode (13) ringförmig ausgebildet und im Hohlraum (17) aufgenommen ist.
6. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Außen- pumpelektrode (12) und Innenpumpelektrode (13) auf einer gleichen Außenfläche oder auf voneinander abgekehrten Außenflächen des Festelektrolytkörpers (14) angeordnet sind und dass die Innenpumpelektrode (13) unter Ausbildung des Hohlraums (17) von der Diffusionsbarriere (16) überdeckt ist.
7. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der über mindestens eine Taktperiode gemessene und gemittelte Pumpstrom (IP) das Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Messgas bildet.
8. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene und mit einer Zeitkonstanten, die deutlich größer ist als die Periodendauer der
Taktung, gefilterte Pumpstrom (IP) das Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Messgas bildet.
9. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Einpumpphase von der Innenpumpelektrode (13) zur Außenpumpelektrode (12) fließende
Pumpstrom (-Ip) oder eine in der Einpumpphase transportierte Ladungsmenge abhängig von der Konzentration der Gaskomponente im Messgas geregelt ist.
10. Gasmessfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene, gemittelte oder gefilterte Pumpstrom (IP) einem Filter (20), vorzugsweise einem PID-Filter, zugeführt ist, an dessen Ausgang die Regelgröße ansteht.
11. Gasmessfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenfläche des Festelektrolytkörpers (14), vorzugsweise auf der die Außenelektrode (12) tragenden Außenfläche, eine von einer porösen Schutzschicht (23) abgedeckte Nernstelektrode (24) angeordnet und die Innenpumpelektrode (13) mit einem Referenzgas beaufschlagt ist und dass das Potential der Nernstelektrode (24) das Maß für die Konzentration der Gaskomponente im Messgas bildet.
12. Gasmessfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung der Innenpumpelektrode (13) mit Referenzgas die Auspumpphase unterdrückbar ist und dass der Innenpumpelektrode (13) ein Referenzpumpstrom zugeführt ist.
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