WO2007051719A1 - Festelektrolyt gassensorelement, enthaltend eine pumpzelle und einen referenzgaskanal - Google Patents

Festelektrolyt gassensorelement, enthaltend eine pumpzelle und einen referenzgaskanal Download PDF

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Bernd Schumann
Stefan Nufer
Joerg Ziegler
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    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the present invention relates to a sensor element according to the preamble of claim 1.
  • gas sensors For the detection of gas components and / or for the determination of a gas concentration in measuring gas mixtures, the use of gas sensors is known, which generate a measuring signal with reference to the oxygen content in a standing with the measuring gas in gas-conducting communication measuring chamber.
  • lambda probes are so-called lambda probes. These are limit current probes based on a ceramic solid-state electrolyte, which connects two electrodes in an ion-conducting manner.
  • the measuring chamber is preferably equipped with a diffusion barrier that soothes or limits the access of the measuring gas into the measuring chamber.
  • the two electrodes can be acted upon by means of a corresponding circuit with an electrical pumping voltage.
  • the measure of the oxygen ion current between the pumping electrode arranged in the measuring chamber and the counterpumping electrode arranged outside the measuring chamber is the measurable electrical current flowing between the two electrodes.
  • the circuit produces a corresponding voltage applied to the two electrodes. This voltage causes an electric field between the two electrodes whose field forces cause an oxygen ion current through the solid electrolyte.
  • a change in the oxygen concentration which is set constant in the measuring gas flowing into the measuring chamber via the diffusion barrier can be detected by means of a so-called measuring cell.
  • This preferably likewise consists of a solid electrolyte and a measuring electrode arranged in the measuring chamber and a reference electrode exposed to a reference gas, preferably air.
  • the voltage applied between the measuring and reference electrodes is a measure of the difference in the oxygen concentrations between the gas mixture in the measuring chamber and the reference gas.
  • the absolute oxygen concentration in the measuring chamber is known in concentration equalization.
  • the present invention is therefore an object of the invention to improve a sensor of the type set forth.
  • the present invention relates to a sensor element for the determination of gas components in measuring gas mixtures, in particular of gas components in exhaust gases of combustion devices, with a measuring chamber, which is in gas-conducting communication with the sample gas mixture, and a solid electrolyte, for adjusting the oxygen content in the measuring chamber in the measuring chamber arranged pump electrode and a counter pump electrode oxygen ions conductively connects.
  • This sensor element is characterized in that the counterpump electrode is arranged in a reference gas space.
  • the reference gas space connected to the ambient air is dimensioned so that the limiting current at the counter pumping electrode is sufficiently large to produce the transport of O 2 ⁇ to the pumping electrode in the measuring gas space, it can additionally be ensured that no damage occurs even in extreme fat exhaust gases of the sensor element by decomposition of the solid electrolyte and no accompanying browning by a reaction (ZrC> 2 + 4e ⁇ -> Zr + 2 O 2 ⁇ ) may occur.
  • the counter pumping electrode connected to the ambient air can, with suitable dimensioning of the reference gas space, provide enough O 2 ⁇ even for measurements in very rich exhaust gas mixtures in order to completely oxidize the fat exhaust gas present in the measuring chamber at the pumping electrode.
  • the arrangement according to the invention can reliably determine the ⁇ value even in very rich gas mixtures and over longer periods of time.
  • the pumping electrode may be formed together with a first measuring electrode and / or also the counterpump electrode together with a second measuring electrode in correspondingly modified embodiments.
  • the number of electrodes can be reduced to two even with a suitable choice of material.
  • the wiring of the sensor element is to be adjusted according to the number of electrodes used depending on the embodiment.
  • the Counter pump electrode can be positioned near the heating element, so that the counter pump electrode can be brought to operating temperature quickly and thus is ready for use trouble-free.
  • a part of the reference gas space formed between the heating element and the counterpump electrode may be designed to be as small as possible, taking into account a sufficient supply of oxygen, even for rich mixtures.
  • a further positive influencing of the measuring signal is possible through a diffusion barrier arranged upstream of the measuring gas mixture, which, viewed over its effective cross-section, forms a substantially equal diffusion resistance in front of the surface of the pumping electrode facing it.
  • a uniform aging of the pumping electrode over its entire effective cross section can be achieved. This is based on the fact that, viewed over the effective cross-section of the pumping electrode, all parts participate approximately equally in the formation or reduction of oxygen ions for keeping constant the oxygen content in the gas in the measuring chamber.
  • Figure 1 to 3 are schematic representations of a
  • the sensor element 1 shows a schematic representation of a longitudinal section through a sensor element according to the invention.
  • the sensor element 1 has an elongated shape, and is preferably constructed on the basis of a yttrium-stabilized zirconium dioxide which, in addition to the function of a solid electrolyte 3, simultaneously also has the function of a carrier element 2.
  • the pumping electrode 4 is arranged in a measuring chamber 7 and to provide a constant
  • Example of the ambient air causes a good signal continuity of the probe, especially in a
  • Another advantage of the present sensor element is, with suitable dimensioning of the reference gas space 8, in a significantly broader field of application of the sensor element according to the invention.
  • the counterpump electrode even with very rich exhaust gas from O 2 according to O 2 + 2e -> 2O 2 provide enough O 2 to the pumping electrode to ensure a reliable signal.
  • the correct dimensioning of the reference air duct is important for this. That is, the limit current at the counterpump electrode must be sufficiently large to ensure the transport of O 2 ⁇ to the pumping electrode. The richer the gas mixture to be measured, the larger the limit current for the reference air duct must be selected because more O 2 must be replenished.
  • the sensor element 1 according to FIG. 1 furthermore has a reference electrode 11 and a measuring electrode 12, by means of which, together with a corresponding circuit, the oxygen concentration in the measuring chamber 7 can be determined.
  • the counterpump electrode 5 and the pumping electrode 4 can then be subjected to a pumping voltage which causes an oxygen ion current which compensates for the concentration deviation in the measuring chamber through the solid electrolyte.
  • the pumping electrode 4 and the measuring electrode 12 are formed together.
  • the counterpump electrode 5 and the reference electrode 11 are here in the present case formed separately, but they can also be formed together in modified embodiments, for example, for reasons of savings.
  • the reference electrode can be operated differently from Figure 1 in a further reference gas space. Then it is possible to operate the reference electrode as a pumped reference electrode.
  • a heating element 13 is disposed in the sensor element 1 below the reference gas chamber 8.
  • the sensor element 1 In order to be able to reduce the effects of the strong flow fluctuations, which occur particularly in exhaust systems of internal combustion engines, on the measurement signals of the sensor element, the sensor element 1, according to FIG.
  • a diffusion barrier 14 This is designed such that, viewed over its effective cross-section, it forms a substantially equal diffusion resistance in front of the surface of the pumping electrode 4 facing it. Symbolically, the sample gas mixture is shown by the arrow 15 in FIG. In order to bring about an even more rapid uniform distribution of the gas concentration in the measuring chamber 7, a gas space 16 is formed in this embodiment between the diffusion barrier 14 and the pumping electrode 4.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through the sensor element 1 along the line III-III in FIG. 2 designed such that it has a wide supply region 17, to which a taper 18 in the measuring cell region 19 connects in order to ensure the best possible heat conduction of the heating element to the measuring cell.
  • the reference air channel must be dimensioned so that 1 ⁇ (air) ⁇ ⁇ l p (fat exhaust)
  • Ip (air) limiting current for cathodically operated pump electrode in air
  • K P equivalent to a typical engine exhaust

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Abstract

Sensorelement (1) zur Bestimmung von Gaskomponenten in Messgasgemischen, insbesondere von Gaskomponenten in Abgasen von Verbrennungsvorrichtungen, mit einer Messkammer (7), die mit dem Messgasgemisch in Gas leitender Verbindung steht, und einem Festkörperelektrolyten (3), der zur Einstellung des Sauerstoff gehalts in der Messkammer (7) eine in der Messkammer angeordnete Pumpelektrode (4) und eine Gegenpumpe lekt rode (5) Sauerstoff ionen leitend verbindet. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Gegenpumpelektrode (5) in einem Referenzgasraum (8) angeordnet ist.

Description

PESTELEKTROLYT GASSENSORELEMENT, ENTHALTEND EINE PUMPZELLE UND EINEN REFERENZGASKANAL
Beschreibung
Titel Sensorelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Zum Nachweis von Gaskomponenten und/oder zur Bestimmung einer Gaskonzentration in Messgasgemischen ist die Verwendung von Gassensoren bekannt, die ein Messsignal unter Bezugnahme auf den Sauerstoffgehalt in einer mit dem Messgas in gasleitender Verbindung stehenden Messkammer erzeugen.
Eine Art solcher Sensoren sind sogenannte Lambdasonden . Hierbei handelt es sich um Grenzstromsonden auf der Basis eines keramischen Festkörperelektrolyten, der zwei Elektroden ionenleitend verbindet. Die Messkammer ist vorzugsweise mit einer den Zutritt des Messgases in die Messkammer beruhigenden bzw. auch begrenzenden Diffusionsbarriere ausgestattet.
Zur Einstellung des Sauerstoffgehaltes in der Messkammer können die beiden Elektroden mittels einer entsprechenden Schaltung mit einer elektrischen Pumpspannung beaufschlagt werden. Das Maß für den Sauerstoffionenstrom zwischen der in der Messkammer angeordneten Pumpelektrode und der außerhalb der Messkammer angeordneten Gegenpumpelektrode ist der dabei messbare, zwischen den beiden Elektroden fließende elektrische Strom. Je nach Sauerstoffmangel bzw. Sauerstoffüberschuss in der Messkammer, was bei Abgasen fettes bzw. mageres Gemisch bedeutet, wird durch die Schaltung eine entsprechende Spannung an die beiden Elektroden angelegt. Diese Spannung verursacht zwischen den beiden Elektroden ein elektrisches Feld, deren Feldkrafte einen Sauerstoffionenstrom durch den Festkorperelektrolyten bewirken.
Eine durch das über die Diffusionsbarriere in die Messkammer zufließende Messgas verursachte Änderung der darin konstant eingestellten Sauerstoffkonzentration kann mittels einer sogenannten Messzelle festgestellt werden. Diese besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem Festkorperelektrolyten und einer in der Messkammer angeordneten Messelektrode und einer einem Referenzgas, vorzugsweise Luft, ausgesetzten Referenzelektrode. Die zwischen der Mess- und Referenzelektrode anliegende Spannung ist ein Maß für die Differenz der Sauerstoffkonzentrationen zwischen dem Gasgemisch in der Messkammer und dem Referenzgas. Bei bekanntem Sauerstoffgehalt im Referenzgas, also etwa 21 % bei Luft, ist bei Konzentrationsausgleich auch die absolute Sauerstoffkonzentration in der Messkammer bekannt.
Anwendung finden solche Gassensoren, häufig auch Sonden genannt, zur Regelung von Verbrennungsprozessen. Sie werden zur Bewertung des dabei entstehenden Abgases benutzt, wodurch mit entsprechenden weiteren Maßnahmen bereits eine massive Schadstoffreduzierung z.B. bei Verbrennungsmotoren erzielt werden konnte. Aufgrund der zunehmenden Bedeutung von Schadstoffemissionen ist es aber wünschenswert, sowohl die mobilen als auch die immobilen Verbrennungsprozesse noch besser in den Griff zu bekommen.
Aufgabe und Vorteile der vorliegenden Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
Die Losung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch die Merkmale der Unteranspruche sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen beschrieben.
Demnach betrifft die vorliegende Erfindung ein Sensorelement zur Bestimmung von Gaskomponenten in Messgasgemischen, insbesondere von Gaskomponenten in Abgasen von Verbrennungsvorrichtungen, mit einer Messkammer, die mit dem Messgasgemisch in Gas leitender Verbindung steht, und einem Festkörperelektrolyten, der zur Einstellung des Sauerstoffgehalts in der Messkammer eine in der Messkammer angeordnete Pumpelektrode und eine Gegenpumpelektrode Sauerstoffionen leitend verbindet. Dieses Sensorelement zeichnet sich dadurch aus, dass die Gegenpumpelektrode in einem Referenzgasraum angeordnet ist.
Dieser Anordnung der Gegenpumpelektrode in einem Referenzgasraum liegt die Erkenntnis zugrunde, dass damit eine sehr hohe Signalstetigkeit der Sonde, insbesondere beim Lambda = 1-Durchgang erzielt werden kann. Die bisher aus dem Stand der Technik bekannte, sogenannte Lambda = 1-Welligkeit des als Messsignal dienenden Pumpstroms kann mit einem derart aufgebauten Sensorelement stark reduziert werden. Dies liegt insbesondere daran, dass der Gaswechsel zwischen fett und mager im Messgas auf die für die Sauerstoffionenaufnähme zur SauerstoffVersorgung der Messkammer im Referenzgasraum angeordnete Gegenpumpelektrode keinen Einfluss hat. Die sich speziell im Lambda = 1-Durchgang stark ändernden Oxidations- und Reduktionsvorgänge können nämlich durch die gasdichte Trennung zwischen Messgas und Gegenpumpelektrode keine das Messsignal beeinflussende Mengenänderung der an der Oberfläche der Gegenpumpelektrode für den Pumpvorgang zur Verfügung stehenden freien Sauerstoffionen bewirken.
Durch eine gasleitende Verbindung des Referenzgasraums mit der Umgebungsluft kann nicht nur sichergestellt werden, dass diese Messsignalstabilisierung über die gesamte Lebensdauer des Sensorelementes gewährleistet werden kann. Es kann weiterhin auch ein deutlich erweiterter Einsatzbereich des Sensorelementes, hin in Richtung zu sehr fetten, also sauerstoffarmen Messgasgemischen zur Verfügung gestellt werden .
Unter der Bedingung, dass der mit der Umgebungsluft verbundene Referenzgasraum so dimensioniert ist, dass der Grenzstrom an der Gegenpumpelektrode ausreichen groß ist, um den Transport von O2~ zur Pumpelektrode im Messgasraum herzustellen, kann zusätzlich gewährleistet werden, dass auch in extremen Fettabgasen keine Schädigung des Sensorelementes durch Zersetzung des Festkörperelektrolyten und keine damit einhergehende Braunfärbung durch eine Reaktion (ZrC>2 + 4e~ -> Zr + 2 O2~) eintreten kann. Die mit der Umgebungsluft in Verbindung stehende Gegenpumpelektrode kann bei geeigneter Dimensionierung des Referenzgasraumes auch bei Messungen in sehr fetten Abgasgemischen genügend O2~ zur Verfügung stellen, um das an der Pumpelektrode in der Messkammer anliegende Fettabgas vollständig zu oxidieren. Damit kann die erfindungsgemäße Anordnung auch in sehr fetten Gasgemischen zuverlässig und über längere Zeiträume den λ-Wert bestimmen.
Zur Reduzierung des Herstellungsaufwandes bzw. auch der Herstellungskosten eines derartigen Sensorelementes kann in entsprechend abgewandelten Ausführungsformen beispielsweise die Pumpelektrode gemeinsam mit einer ersten Messelektrode und/oder auch die Gegenpumpelektrode gemeinsam mit einer zweiten Messelektrode ausgebildet sein. Bei jeweils gemeinsamer Ausbildung der Pumpelektrode mit der ersten Messelektrode in der Messkammer, und der Gegenpumpelektrode mit der zweiten Messelektrode in einem Referenzgasraum, auch Referenzelektrode genannt, kann die Anzahl der Elektroden bei geeigneter Materialwahl sogar auf zwei reduziert werden. Die Beschaltung des Sensorelementes ist dabei entsprechend der Anzahl der verwendeten Elektroden je nach Ausführungsform anzupassen .
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform kann die Gegenpumpelektrode nahe dem Heizelement positioniert werden, so dass die Gegenpumpelektrode rasch auf Betriebstemperatur gebracht werden kann und damit störungsfrei einsatzbereit ist. Insbesondere vorteilhaft ist es hierbei, wenn eine möglichst störungsfreie Wärmeübertragung zwischen dem Heizelement und der Messzelle zur Verfügung gestellt werden kann. In einer ersten Ausführungsform kann dazu ein zwischen dem Heizelement und der Gegenpumpelektrode ausgebildeter Teil des Referenzgasraums, unter Berücksichtigung einer ausreichenden Sauerstoffzufuhr auch für fette Gemische, möglichst klein ausgebildet sein. Hierzu bietet sich beispielsweise eine Verjüngung am Ende eines großvolumig ausgebildeten Referenzgasraums in dem Bereich an, in welchem die Gegenpumpelektrode angeordnet ist.
Eine weitere positive Beeinflussung des Messsignales ist durch eine der Messkammer in Richtung zum Messgasgemisch vorgeschalteten Diffusionsbarriere möglich, welche über ihren wirksamen Querschnitt betrachtet, einen im Wesentlichen gleich großen Diffusionswiderstand vor der ihr zugewandten Oberfläche der Pumpelektrode ausbildet. Damit kann eine gleichmäßige Alterung der Pumpelektrode über deren gesamten wirksamen Querschnitt erzielt werden. Dies beruht darauf, dass über den wirksamen Querschnitt der Pumpelektrode betrachtet, alle Teile in etwa gleich an der Bildung bzw. Reduzierung von Sauerstoffionen zur Konstanthaltung des Sauerstoffanteils im Gas in der Messkammer beteiligt sind.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen :
Figur 1 bis 3 schematische Darstellungen eines
Sensorelementaufbaus in unterschiedlichen Schnittdarstellungen .
Im Einzelnen zeigt die Figur 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes durch ein erfindungsgemäßes Sensorelement. Das Sensorelement 1 weist eine längliche Form auf, und ist vorzugsweise auf der Basis eines yttriumstabilisierten Zirkondioxides aufgebaut, welches neben der Funktion eines Festkörperelektrolyten 3 gleichzeitig auch die Funktion eines Trägerelementes 2 aufweist. Der Festkörperelektrolyt 3 bildet zusammen mit einer Pumpelektrode 4 und einer Gegenpumpelektrode 5 eine für einen Sauerstoffionentransfer geeignete Pumpzelle 6 aus.
Die Pumpelektrode 4 ist dazu in einer Messkammer 7 angeordnet und zur Bereitstellung einer konstanten
Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 7 über den
Festkörperelektrolyten 3 Sauerstoffionen leitend mit der erfindungsgemäß in einem Referenzgasraum 8 angeordneten
Gegenpumpelektrode 5 verbunden. Die Anordnung der
Gegenpumpelektrode 5 in einem Referenzgas, im vorliegenden
Beispiel der Umgebungsluft, bewirkt eine gute Signalstetigkeit der Sonde, insbesondere bei einem
Lambda λ = 1-Durchgang des Messgasgemisches.
Negative Auswirkungen auf das Messsignal, wie sie bei bisher bekannten Anordnungen als Nichtmonotonie des SauerstoffSignals beim Durchgang der Abgaszusammensetzung durch λ = 1 beobachtet werden, die auf die Anordnung der Gegenpumpelektrode im Messgas zurückgeführt wird, können mit diesem Sensorelementaufbau ausgeschaltet werden.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Sensorelementes liegt, bei geeigneter Dimensionierung des Referenzgasraums 8, in einem deutlich breiteren Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Sensorelementes. Beispielsweise kann bei einer Anordnung eines solchen Sensorelementes in einem Abgasstrang die Gegenpumpelektrode auch bei sehr fettem Abgas aus O2 gemäß O2 + 2e -> 2O2 genügend O2 zur Pumpelektrode liefern, um ein zuverlässiges Signal zu gewährleisten. Dafür ist allerdings die richtige Dimensionierung des Referenzluftkanals wichtig. D.h. der Grenzstrom an der Gegenpumpelektrode muss ausreichend groß sein, um den Transport der O2~ zur Pumpelektrode sicherzustellen. Je fetter das zu messende Gasgemisch ist, desto größer muss der Grenzstrom für den Referenzluftkanal gewählt werden, weil mehr O2 nachgeliefert werden muss.
Läge die Gegenpumpelektrode dagegen im Abgas, so könnte im Fettabgas O2" lediglich aus CO2 (CO2 + 2e~ -> CO + O2") oder H2O (H2O + 2e~ -> H2 + 02~) gewonnen werden. Für diese Reaktionen wäre eine deutlich höhere Pumpspannung nötig. Könnte nach einer solchen Reaktionen nicht mehr genügend 02~ gebildet werden (die Gefahr bestünde vor allem bei sehr fetten Gemischen, weil dann viel 02~ benötigt wird) , so käme es zu einer Zersetzung der ZrO2-Keramik (ZrO2 + 4e- -> Zr + 2O2~) und damit zu einer Schädigung des Sensorelements (Braunfärbung) . Eine solche Schädigung des Sensorelementes kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau jedoch verhindert werden.
Das Sensorelement 1 nach Figur 1 weist im Weiteren eine Referenzelektrode 11 und eine Messelektrode 12 auf, über die zusammen mit einer entsprechenden Schaltung die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer 7 ermittelt werden kann. Abhängig von dem so ermittelten Sauerstoffkonzentrationswert können dann die Gegenpumpelektrode 5 und die Pumpelektrode 4 mit einer Pumpspannung beaufschlagt werden, der einen die Konzentrationsabweichung in der Messkammer ausgleichenden Sauerstoffionenstrom durch den Festkörperelektrolyten verursacht .
In der vorliegenden Ausführungsform sind die Pumpelektrode 4 und die Messelektrode 12 gemeinsam ausgebildet. Die Gegenpumpelektrode 5 und die Referenzelektrode 11 sind hier vorliegend getrennt ausgebildet, sie können in abgewandelten Ausführungsformen z.B. aus Ersparnisgründen aber ebenfalls gemeinsam ausgebildet sein. Alternativ kann die Referenzelektrode abweichend von Figur 1 in einem weiteren Referenzgasraum betrieben werden. Dann besteht die Möglichkeit die Referenzelektrode auch als gepumpte Referenzelektrode zu betreiben. Um das Sensorelement, insbesondere jedoch die Gegenpumpelektrode 5 möglichst rasch auf Betriebstemperatur bringen zu können, ist unterhalb des Referenzgasraumes 8 ein Heizelement 13 im Sensorelement 1 angeordnet. Um die Auswirkungen der insbesondere in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren auftretenden starken Strömungsschwankungen auf die Messsignale des Sensorelementes reduzieren zu können, weist das Sensorelement 1, entsprechend der Figur 1, weiterhin eine Diffusionsbarriere 14 auf. Diese ist so ausgebildet, dass sie über ihren wirksamen Querschnitt betrachtet einen im Wesentlichen gleich großen Diffusionswiderstand vor der ihr zugewandten Oberfläche der Pumpelektrode 4 ausbildet. Symbolisch ist in der Figur 1 das Messgasgemisch durch den Pfeil 15 dargestellt. Um eine noch raschere gleichmäßige Verteilung der Gaskonzentration in der Messkammer 7 zu bewirken, ist in dieser Ausführungsform zwischen der Diffusionsbarriere 14 und der Pumpelektrode 4 noch ein Gasraum 16 ausgebildet.
Den weiteren Aufbau dieses Sensorelementes zeigt die Figur 2 in einer Querschnittsdarstellung II-II entsprechend der Figur 1. Die Figur 3 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch das Sensorelement 1 entsprechend der Linie III-III in der Figur 2. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist der Referenzluftkanal 8 so gestaltet, dass er einen breiten Zuleitungsbereich 17 aufweist, an den sich eine Verjüngung 18 im Messzellenbereich 19 anschließt, um eine möglichst gute Wärmeleitung des Heizelementes zur Messzelle sicherzustellen.
Um eine ausreichende Zufuhr an Sauerstoff an die Gegenpumpelektrode der Messzelle des Sensorelementes 1 gewährleisten zu können, wird z.B. folgendes Verhältnis vorgeschlagen :
b > r > s und t > s sowie s ≤ b/4.
Zur Abschätzung des nötigen Grenzstroms des Referenzluftkanals an der Luft kann folgende Abschätzung dienen: Der Referenzluftkanal muss so dimensioniert werden, dass 1^ (Luft) ≥ \lp (Fettabgas) | gilt.
/^ (Luft): Grenzstrom für kathodisch betriebene
Gegenpumpelektrode an Luft IP Fettabgas : Betrag des Pumpstroms an der Pumpelektrode bei Fettabgas. Je kleiner λ, desto größer
Ip Fettabgas
1 Td = I p (Fettabgas) \lIP (Luft)
Ip(Luft): Grenzstrom für kathodisch betriebene Pumpelektrode an Luft
Damit gilt 1^ (Luft)≥1rel *1P (Luft)
In folgender Tabelle ist Irei bis λ = 0,4 bestimmt (Annahme: C : H-Verhältnis im Kraftstoff 1:2; es handelt sich um ideales Fettabgas, d.h. das Fettabgas besteht nur aus einem CO, H2, CO2, H2O und N2) .
Figure imgf000011_0001
Irei wurde für zwei verschiedene Fettabgase ausgerechnet: KP (Gleichgewichtskonstante für Wassergleichgewicht) = 3,5 entspricht einem typischen Motorabgas und KP = 2, entspricht einem H2-reichen Fettabgas.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement (1) zur Bestimmung von Gaskomponenten in Messgasgemischen, insbesondere von Gaskomponenten in Abgasen von Verbrennungsvorrichtungen, mit einer Messkammer (7), die mit dem Messgasgemisch in Gas leitender Verbindung steht, und einem Festkörperelektrolyten (3) , der zur Einstellung des Sauerstoffgehalts in der Messkammer (7) eine in der Messkammer angeordnete Pumpelektrode (4) und eine Gegenpumpelektrode (5) Sauerstoffionen leitend verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenpumpelektrode (5) in einem Referenzgasraum (8) angeordnet ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgasraum (8) mit der Umgebungsluft in Gas leitender Verbindung steht.
3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgasraum (8) so dimensioniert ist, dass der Grenzstrom an der Gegenpumpelektrode (5) ausreichend groß ist, um den Transport von 02- durch den Festelektrolyten (3) zur Pumpelektrode (4) im Messgasraum (7) auch in extremen Fettabgasen sicher zu stellen.
4. Sensorelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpelektrode (4) gemeinsam mit einer ersten Messelektrode (12) ausgebildet ist.
5. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenpumpelektrode (5) gemeinsam mit einer zweiten Messelektrode (11) ausgebildet ist.
6. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrode (11) in einem separaten Referenzgasraum ist und dort als gepumpte Referenz betrieben werden kann.
7. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenpumpelektrode (5) nahe am Heizelement (13) liegt und damit die Gegenpumpelektrode (5) sowie die Messzelle schnell auf Betriebstemperatur ist.
8. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkammer in Richtung zum Messgasbereich eine Diffusionsbarriere (14) vorgeschaltet angeordnet ist.
9. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (14), über ihren wirksamen Querschnitt betrachtet, einen im Wesentlichen gleich großen Diffusionswiderstand vor der ihr zugewandten Oberfläche der Pumpelektrode (4) ausbildet .
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