WO2008080735A1 - Sensor element with additional fat gas regulation - Google Patents

Sensor element with additional fat gas regulation Download PDF

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WO2008080735A1
WO2008080735A1 PCT/EP2007/063231 EP2007063231W WO2008080735A1 WO 2008080735 A1 WO2008080735 A1 WO 2008080735A1 EP 2007063231 W EP2007063231 W EP 2007063231W WO 2008080735 A1 WO2008080735 A1 WO 2008080735A1
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WO
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electrode
gas
sensor element
pump
gas space
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/063231
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German (de)
French (fr)
Inventor
Henrico Runge
Holger Reinshagen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/417Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Definitions

  • the invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions.
  • sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure air-fuel-gas mixture compositions.
  • sensor elements of this type are used in so-called “lambda sensors” and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology.
  • Air ratio is measured by one or more sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system of an internal combustion engine.
  • “rich” gas mixtures i.e., gas mixtures with a fuel surplus
  • “lean” gas mixtures i.e., gas mixtures with a fuel deficiency
  • Sensor elements in other areas of technology used, for example in aeronautical engineering or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.
  • Numerous different embodiments of the sensor elements are known from the prior art and are described, for example, in Robert Bosch GmbH: “Sensors in Motor Vehicles", June 2001, pp. 112-117 or in T. Baunach et al: “Clean exhaust gas through ceramic sensors", Physik Journal 5 (2006) No. 5, pp. 33-38.
  • One embodiment represents the so-called “jump probe” whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured.
  • the potential difference between the electrodes has a characteristic jump, which can be exploited in order to be able to use zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized zirconium dioxide) or similar ceramics
  • zirconium dioxide eg yttrium-stabilized zirconium dioxide
  • Various exemplary embodiments of such jump probes which are also referred to as "Nernst cells", are described, for example, in DE 10 2004 035 826 A1, DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1.
  • pump cells are used in which an electrical “pumping voltage” is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, whereby the “pumping current” is measured by the pump cell
  • both electrodes are usually connected to the gas mixture to be measured, whereby one of the two electrodes (usually via a permeable protective layer) is exposed directly to the gas mixture to be measured, alternatively this electrode can also be exposed to an air reference
  • the second of the two electrodes it is usually designed such that the gas mixture can not get directly to this electrode, but must first penetrate a so-called "diffusion barrier" to get into an adjacent to this second electrode cavity.
  • the diffusion barrier used is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii. If lean exhaust gas passes through this diffusion barrier into the cavity, oxygen molecules are electrochemically reduced to oxygen ions by means of the pumping voltage at the second, negative electrode, are transported through the solid electrolyte to the first, positive electrode and released there again as free oxygen.
  • the sensor elements are usually operated in the so-called limiting current mode, that is to say in an operation in which the pump voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counter electrode. In this operation, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensors Soretti often be referred to as Proportionalsensoren.
  • the sensor elements may contain one or more cells operating according to the jump sensor principle and one or more pump cells is described in EP 0 678 740 B1.
  • Various modifications of this multicellular construction are known.
  • a further problem of known sensor elements is that different operating states exist, which require different control points, that is to say in particular the setting of specific air numbers, which lie in different ranges.
  • cost-effective limiting-current lean-load sensors in the form of single-cell pump cells can be used, in particular for the operation of diesel vehicles, since diesel vehicles are usually controlled to a lean air ratio.
  • there are operating states in which one another Air ratio, in particular to an air ratio in the slightly rich range (eg ⁇ 0.9) is controlled.
  • NSC NOx storage catalytic converter
  • a filter for example a particle filter
  • the sensor element can be used in a lambda probe or as a lambda probe, preferably as a marginal flow lean-load sensor, preferably in the field of diesel technology.
  • the method can also be used in the rich air range or for other types of control.
  • the sensor element used by the method has at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the at least one first electrode and the at least one second electrode.
  • a basic idea of the present invention is that the above-described non-uniqueness of the pumping current characteristic can be attributed to the reactions taking place at the anode in the case of simple pumping-current sensor elements (for example limit-current leaner probes) in the region of slightly lean exhaust gases and also in the area of rich gas mixtures , In this case, both electrodes are exposed to the exhaust gas.
  • the reactions cause a current signal as in lean operation, resulting in a characteristic that is unique only in measurements in the lean exhaust gas.
  • the at least one second electrode (which is usually switched at least temporarily as a pump anode) is shielded from the gas space, so that in the vicinity of this at least one second electrode no or only slightly reducing gas components such For example, H 2 or CO, are located.
  • this shielding is to take place in that, while the at least one first electrode can be acted upon by the gas mixture from the at least one gas space, the at least one second electrode is connected to at least one reference gas space separated from the gas space.
  • this may be an engine compartment of the internal combustion engine or else a separate reference gas chamber with an at least approximately known and constant gas mixture composition.
  • the fuel gas concentrations in the non-equilibrium exhaust gas e.g.
  • Non-equilibrium exhaust gas close to ⁇ l) and the excess fuel gases in the rich exhaust gas can then no longer influence the signal of the sensor element, since no fuel gas conversion can take place at the pump anode.
  • the at least one reference gas space should be realized in such a way that it ensures a removal of the gas, in particular of the oxygen, which is formed at the at least one second electrode.
  • the result of this sensor element arrangement is an unambiguous characteristic curve in the range of air> ⁇ > 1, so that this simple sensor element, for example as a single cell, can be used cost-effectively for use in diesel vehicles for measurement in the air> ⁇ > 1 range.
  • the sensor element can thus be used as a limit current lean-burn sensor because of the unique characteristic in the lean range.
  • an electronic control device may be provided, which may initially (optionally) comprise at least one operating state, which is designed as a lean control state.
  • This lean control state can be used in the lean range of the gas mixture, i. in a range in which there is a stoichiometric excess of the gas component to be detected (for example oxygen).
  • the control device is set up to charge the at least two electrodes with a (for example constant) pumping voltage, which is preferably selected such that it ensures a limiting current operation (ie an operation in the saturation region of the pumping current).
  • a limiting current operation ie an operation in the saturation region of the pumping current.
  • at least one pump current signal is measured between the at least one first electrode and the at least one second electrode. Due to the now given uniqueness of the pumping current characteristic, this current signal can for example be assigned a lambda value.
  • the proposed method thus still offers the advantage of at least one second operating state, namely at least one rich state.
  • the above-described lean-control state can be used in normal operation, whereas the at least one rich-control state is used in a regeneration operation of the at least one catalyst and / or filter.
  • the method can also be used only with the at least one grease control state.
  • the sensor element is operated in a rich area of the gas mixture, ie in a region in which there is a stoichiometric deficit of the gas component to be detected.
  • a control point of the gas mixture is set (for example, one or more predetermined lambda values, for example in the range described above between 0.9 and 0.95).
  • the gas component to be detected is present at the control point in a predetermined concentration, which corresponds to a control Nernst voltage between the at least one first electrode, which is exposed to the gas mixture, and the at least one second electrode, which is exposed to the reference atmosphere in the reference gas space ,
  • the control device is set up to apply a regulating pumping voltage to the at least one first electrode and the at least one second electrode, which is directed counter to the normal Nernst voltage, so that the two voltages are just compensated at the control point.
  • a current signal between the at least one first electrode and the at least one second electrode is measured. If this at least one current signal is different from zero, this indicates a deviation from the at least one control point, which in turn can be used, for example, to generate a control signal for changing the gas mixture composition in the gas space, for example in the form of an effect on an air mass feed to one combustion process.
  • Figure 1 is a pumping current characteristic
  • FIG. 2 shows a layer structure of a sensor element configured as a single cell with an inner pumping cathode and inner pump anode and superimposed supply lines; 3 shows a sensor element according to Figure 3, but with adjacent leads;
  • FIG. 4 shows a sensor element with an external pump cathode and an inner pump anode
  • Figure 5 is a schematic representation of a system with a sensor element and a control device.
  • Figure 6 shows an example of a pumping current control with a control point in the rich area.
  • FIG. 1 schematically shows a profile of a pumping current I p as a function of the air ratio ⁇ of a gas mixture.
  • This is the expected course of the characteristic curve for a design according to the invention of a sensor element with a second electrode, which is completely shielded from the gas mixture (fuel gas).
  • this at least one second electrode is operated as a pump anode.
  • other types of wiring are conceivable, for example, sonication with alternating polarity.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a sensor element 210 in a perspective representation of the layer structure, which can be used for the method according to the invention.
  • this sensor element 210 is a protozoa, which is comparatively easy and inexpensive to implement.
  • the described sensor element 210 can be used, for example, as a limit current lean-burn probe in order to analyze gas mixture in a gas space 212.
  • the sensor element 210 has, on the side facing the gas space 212, a first solid electrolyte 214, for example an yttrium-stabilized zirconium dioxide electrolyte.
  • a first solid electrolyte 214 for example an yttrium-stabilized zirconium dioxide electrolyte.
  • the solid electrolyte 214 is contacted by a pump anode 216 (for example a platinum electrode and / or an oxide electrode) and a pump cathode 218, wherein pump anode 216 and pump cathode 218 are arranged next to one another.
  • the pumping cathode 218 functions as the above-described first electrode, and the pumping anode 216 constitutes the second electrode.
  • a second solid electrolyte 220 is arranged so that pump anode 216 and pump cathode 218 are embedded between the two solid electrolytes 214, 220. While the pump anode 216 is merely formed as a single electrode, the pump cathode 218 has a first partial cathode 222 and a second partial cathode 224, the first partial cathode 222 contacting the uppermost solid electrolyte 214, and the second partial cathode 224 contacting the lower, second solid electrolyte 220. However, the two partial cathodes 222, 224 are electrically conductively connected so that they act as a single pumping cathode 218, but with an enlarged surface area. As a result, the internal resistance of the sensor element 210 can be reduced.
  • a cathode cavity 226 is provided between the two partial cathodes 222, 224.
  • gas mixture from the gas space 212 can penetrate into the cathode cavity 226.
  • a diffusion barrier 230 is provided, which has a porous, dense ceramic material and which limits the limiting current of the pumping cathode 218.
  • the pump cathode 218 is electrically contacted by a cathode lead 232 disposed on the lower solid electrolyte 220.
  • the pump cathode 218 can be connected to a corresponding electronic circuit (see FIG. 5) and, for example, supplied with a voltage.
  • an anode cavity 238 is provided which is connected via an exhaust air channel 240 with a separate from the gas chamber 212 reference gas space 242.
  • Anodenhohlraum 238 and / or exhaust duct 240 are filled with an oxygen-permeable porous filling element 244 on Al 2 ⁇ 3 basis or filled with another porous material or unfilled executed.
  • the exhaust air duct 240 preferably has at least one of the following properties: the at least one exhaust air duct 240 has a rectangular cross-sectional area; the at least one exhaust duct 240 has a length in the range of 1 mm to 50 mm, preferably in the range of 10 mm to 30 mm; the at least one exhaust duct 240 has a cross-sectional area in the range of 0.001 mm 2 to 1 mm 2 , preferably from 0.01 to 0.1 mm 2 ; - The at least one exhaust duct 240 has a cross-sectional area, wherein the
  • Ratio of the cross-sectional area to the surface of the at least one pump anode 216 in the range between 2 and 0.01, preferably in the range between 0.3 and 0.05, is located. In this way, on the one hand optimal removal of oxygen from the pump anode 216 is ensured, and on the other hand diffusion of impurities to the pump station 216 through the exhaust air duct 240 is largely prevented.
  • the pump anode 216 is electrically contacted via an anode feed line 246 and connected via a further electrical through-connection 248 in the solid electrolyte 214 to an anode connection 250 arranged on the upper side of the solid electrolyte 214. Via this anode terminal 250, the pump anode 216 can be connected, for example, to the electronic device described above, so that, for example, a voltage can be applied between pump anode 216 and pump cathode 218 and / or a pump current can be measured.
  • Anode lead 246 and cathode lead 232 are in the Exemplary embodiment according to Figure 2 arranged one above the other.
  • An electrical insulation of pump anode 216 or anode feed line 246 relative to the cathode feed line 232 takes place through the porous filling element 244, which has electrically non-conductive properties.
  • a heating element 252 is arranged, which comprises a heating resistor element 256 embedded between two insulator foils 254.
  • the heating resistance element 256 can be electrically contacted via through-connections 258 in a carrier substrate 260 (for example, again a solid electrolyte) via heating connections 262 on the side of the carrier substrate 260 facing away from the gas space 212 and supplied with a heating current.
  • this heating current can be regulated with a regulation which, for example, sets a constant internal resistance of the sensor element 210.
  • the pumping current characteristic shown in FIG. 1 can essentially be realized.
  • a pumping current corresponding to the oxygen partial pressure is measured in the lean region 114 (linearly increasing characteristic curve), no current in the rich region 112, since there is no free oxygen and the selected pumping voltage is advantageously below the decomposition voltage of the water.
  • no fuel gas oxidation can occur on the internal, shielded fuel gas-blind pump anode 216.
  • This makes it possible to realize a cost-effective sensor element 210 constructed as a single cell, which is also suitable for use in diesel vehicles.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a second exemplary embodiment of a sensor element 210 which can be used for the proposed method, again not showing electronic circuit components.
  • the structure corresponds largely to the embodiment of Figure 2, so that reference can be made to this embodiment with respect to the individual elements.
  • the pump cathode 218 has two partial cathodes 222, 224, but also the pump anode 216 is formed in two parts, with an upper partial anode 310 which contacts the upper solid electrolyte 214, and a lower second partial anode 312, which contacts the underlying solid electrolyte 220.
  • the partial anodes 310, 312 are in turn, in analogy to the partial cathodes 222, 224, electrically connected to each other.
  • the two partial anodes 310, 312 are separated from each other by the anode cavity 238, which in turn, in analogy to FIG. 3, is filled with the porous filling element 244.
  • the anode cavity 238 is also connected to the reference gas space 242 via the exhaust air duct 240, which is likewise filled with the porous filling element 244, in the exemplary embodiment according to FIG.
  • the exemplary embodiment of the sensor element 210 according to FIG. 3 there is no arrangement of the electrode feed lines 232, 246 arranged one above the other, by means of which the pump cathode 218 and the pump anode 216 are contacted.
  • the anode feed line 246 and the cathode feed line 232 are arranged next to one another on the lower solid electrolyte 220, wherein the exhaust air channel 240 extends centrally between the two electrode feed lines 232, 246 and parallel to them.
  • the contacting of the electrode leads 232, 246 takes place analogously to the exemplary embodiment in FIG. 2 via the electrode terminals 234, 250.
  • the sensor element 210 according to FIG. 3 thus again has a "fuel gas-blind" pump anode 216, so that in turn the characteristic shown in FIG. 1 can be achieved.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a sensor element 210 to FIGS. 2 and 3, in which, in contrast to the exemplary embodiments in FIGS. 2 and 3, only the anode 216 is arranged in the sensor element interior, whereas the pump cathode 218 is arranged on the outer, the gas space 212 facing surface of the solid electrolyte 214 is arranged.
  • the pump anode 216 is formed integrally in this case and arranged directly above the upper insulator film 254 of the heating element 252. Via the anode lead 246, which is also arranged on the upper insulator film 254, the anode via 248 in the upper solid electrolyte 214 and the anode terminal 250, the pump anode 216 may be supplied with a potential or connected to a corresponding electronic circuit (see below Figure 5). Again, the anode 216 communicates with the reference gas space 242 via the exhaust air duct 240, which in turn is filled with the porous element 244. Exhaust duct 240 and porous element 244 isolate the A- nodenzutechnisch 246 relative to the upper solid electrolyte 214. Furthermore, in this embodiment, again, an (not shown here) anode cavity may be provided, which in turn may be configured hollow or with a porous filling element.
  • the pump cathode 218 is disposed on top of the solid electrolyte 214 and may be electrically contacted by a cathode lead 232 and a cathode terminal 234, which are also disposed on the surface of the solid electrolyte 214.
  • the cathode feed line 232 is electrically separated from the solid electrolyte 214 by an insulation element 410.
  • the pump cathode 218 is shielded with a gas-impermeable cover layer 412 opposite the gas space 212.
  • the diffusion barrier 230 is provided, the function of which has already been described above and which limits the limiting current of the pumping cathode 218. Gas mixture from the gas space 212 must penetrate the diffusion barrier 230 in order to reach the pumping cathode 218.
  • a cathode cavity may also be provided here, which in turn is filled or hollowed out with a porous filling element and which is not shown in FIG.
  • the mode of operation of the sensor element 210 essentially corresponds to the mode of operation of the sensor elements according to FIGS. 2 and 3, so that reference can be made to the above description with regard to the further components.
  • the characteristic shown in FIG. 1 can be realized on the basis of the pump anode 216 which is shielded with respect to the gas space 212.
  • the sensor elements 210 according to the invention can thus be used as lean-burn lean-load sensors due to their construction with the "fuel gas-blind" pump anode 216.
  • a targeted control of rich operating be possible, for example, for a time-limited regeneration of a catalyst.
  • the system according to the invention has an electronic control device 510, the mode of operation of which is to be explained with reference to FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 5 shows a sensor element 210 according to the invention and a control device 510, wherein a sensor element structure is used which substantially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. Accordingly, with respect to this structure, reference may be made to the above description.
  • FIG. 6 shows a pump current characteristic which is used for targeted control.
  • the control device 510 is initially designed in order to utilize the linear pump current characteristic for a broadband control in a lean control state in the lean region 114.
  • a pump voltage source 512 is used to apply a pumping voltage between pump anode 216 and pump cathode 218.
  • the "pump anode” 216 actually functions as an anode during the pumping process, so is applied with a positive pump voltage U p.
  • the pump current I p is measured, which is indicated by the pump anode 216, pump cathode 218 and solid electrolyte 214 6 can clearly be deduced from the unambiguous and linear characteristic curve in the lean region 114.
  • the control device 510 may comprise an electronic control unit 518 comprising the pumping voltage source 512 and the pumping current measuring device This control electronics 518 can, for example, generate a control signal 520 which corresponds to the air ratio and forward it to other components of the internal combustion engine, for example a motor control. Conversely, the control electronics 518 can be activated via corresponding control signals 522, for example is to switch between the different operating states.
  • a further operating state in which a specific ⁇ value ⁇ 1 is to be regulated.
  • a Nernst voltage arises between the pump anode in pump cell 516 due to the oxygen concentration gradient between anode cavity 238 and cathode cavity 226 216 and pump cathode 218, which is the one described above. written pumping voltage is set opposite.
  • the "pump cell” 516 in this case forms a Nernst cell in which the "pump cathode” 218 now acts as a Nernst anode and the "pump anode” 216 as a Nernst cathode Value calculate this Nernst voltage or determine it experimentally.
  • a voltage is now applied by the control device 510 by means of the pump voltage source 512 between pump cathode 218 and pump anode 216, which corresponds in magnitude to the Nernst voltage which corresponds to the desired ⁇ Value, which is, however, directed just opposite to the Nernst voltage.
  • the pumping voltage U p thus compensates for the Nernst voltage U N at the control point. Exactly at the control point, therefore, no current flows between the two electrodes 216, 218.
  • control device 510 can be configured such that it can be switched over between the two operating states by means of a drive signal 522.
  • various control points 610 may be predetermined, for example in the form of pump voltages which correspond to particular ⁇ values. For example, this can be done in the form of an electronic table.

Abstract

The invention relates to a method for measuring a gas constituent of a gas mixture in a gas space (212), using a sensor element (210) comprising at least one first electrode (218), at least one second electrode (216), and at least one solid electrolyte (214) connecting the at least two electrodes (216, 218). The at least one second electrode (216) is shielded from the gas space (212) and connected to a reference gas space (242). The sensor element (210) also comprises a control device (510) comprising at least two operating states, first, a lean regulation state during which an air ratio λ is derived from a linear pump flow characteristic and a corresponding lean regulation can be carried out, and then, a fat regulation state in which a defined air ratio λ < 1 in the fat region (112) of the gas mixture can be adjusted by using a pump voltage which corresponds to the Nernst voltage occuring for said air ratio.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Sensorelement mit zusätzlicher FettgasregelungSensor element with additional grease gas control
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen. Insbesondere werden Sensorelemente dieser Art in sog. „Lambdasonden" eingesetzt und spielen eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Diesel- technologie.The invention is based on known sensor elements which are based on electrolytic properties of certain solids, ie the ability of these solids to conduct certain ions. Such sensor elements are used in particular in motor vehicles to measure air-fuel-gas mixture compositions. In particular, sensor elements of this type are used in so-called "lambda sensors" and play an essential role in the reduction of pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology.
Mit der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. DieWith the so-called air ratio "lambda" (λ), the relationship between an air mass actually offered and a theoretically required (that is to say stoichiometric) air mass is generally referred to in combustion technology
Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnlicheAir ratio is measured by one or more sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system of an internal combustion engine. Correspondingly, "rich" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel surplus) have an air ratio λ <1, whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. In addition to automotive technology, such and similar
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Ausführungsformen der Sensorelemente bekannt und werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug", Juni 2001, S. 112-117 oder in T. Baunach et al: „Sauberes Abgas durch Keramiksensoren", Physik Journal 5 (2006) Nr. 5, S. 33-38, beschrieben. Eine Ausführungsform stellt die so genannte „Sprungsonde" dar, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffϊonen-leitenden Eigenschaften in der Regel Zir- kondioxid (z.B. Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher genutzt werden kann, um die Gasgemischzu- sammensetzung zu messen und/oder zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 Al, DE 199 38 416 Al und DE 10 2005 027 225 Al beschrieben.Sensor elements in other areas of technology (in particular combustion technology) used, for example in aeronautical engineering or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants. Numerous different embodiments of the sensor elements are known from the prior art and are described, for example, in Robert Bosch GmbH: "Sensors in Motor Vehicles", June 2001, pp. 112-117 or in T. Baunach et al: "Clean exhaust gas through ceramic sensors", Physik Journal 5 (2006) No. 5, pp. 33-38. One embodiment represents the so-called "jump probe" whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured. As a rule, the potential difference between the electrodes, especially at the transition between the rich gas mixture and the lean gas mixture, has a characteristic jump, which can be exploited in order to be able to use zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized zirconium dioxide) or similar ceramics Various exemplary embodiments of such jump probes, which are also referred to as "Nernst cells", are described, for example, in DE 10 2004 035 826 A1, DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1.
Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen" zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung" an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzt. Alternativ kann diese Elektrode auch einer Luftreferenz ausgesetzt sein. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch in der Regel derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird zumeist eine poröse kerami- sehe Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet. Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen reduziert, werden durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die Sensorelemente werden zumeist im so ge- nannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sen- sorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich Pumpzellen über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen, weshalb Pumpzellen insbesondere in so genannten Breitbandsensoren zum Einsatz kommen, um auch bei Gasgemischszusammensetzungen abseits von λ=l zu messen und/oder zu regeln.Alternatively or in addition to jump probes, so-called "pump cells" are used in which an electrical "pumping voltage" is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, whereby the "pumping current" is measured by the pump cell In the case of pump cells, both electrodes are usually connected to the gas mixture to be measured, whereby one of the two electrodes (usually via a permeable protective layer) is exposed directly to the gas mixture to be measured, alternatively this electrode can also be exposed to an air reference The second of the two electrodes However, it is usually designed such that the gas mixture can not get directly to this electrode, but must first penetrate a so-called "diffusion barrier" to get into an adjacent to this second electrode cavity. The diffusion barrier used is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii. If lean exhaust gas passes through this diffusion barrier into the cavity, oxygen molecules are electrochemically reduced to oxygen ions by means of the pumping voltage at the second, negative electrode, are transported through the solid electrolyte to the first, positive electrode and released there again as free oxygen. The sensor elements are usually operated in the so-called limiting current mode, that is to say in an operation in which the pump voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counter electrode. In this operation, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensors Sorelemente often be referred to as Proportionalsensoren. In contrast to jump sensors, pump cells can be used over a comparatively wide range for the air ratio lambda, which is why pump cells are used in particular in so-called broadband sensors in order to measure and / or control gas mixture compositions apart from λ = 1.
Die oben beschriebenen Sensorprinzipien von Sprungzellen und Pumpzellen lassen sich vorteilhaft auch kombiniert einsetzen, in so genannten „Mehrzellern". So können die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Zellen und ein oder meh- rere Pumpzellen enthalten. Ein Beispiel eines „Doppelzellers" ist in EP 0 678 740 Bl beschrieben. Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum einer Pumpzelle gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt, dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht. Verschiedene Abwandlungen dieses mehrzelligen Aufbaus sind bekannt.The sensor principles of jump cells and pump cells described above can advantageously also be used in combination, in so-called "multicellulars." For example, the sensor elements may contain one or more cells operating according to the jump sensor principle and one or more pump cells is described in EP 0 678 740 B1. In this case, by means of a Nernst cell, the oxygen partial pressure in the above-described cavity of a pump cell adjoining the second electrode is measured and the pumping voltage is adjusted by regulation so that the condition λ = 1 always prevails in the cavity. Various modifications of this multicellular construction are known.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente zeigen jedoch in vielen Fällen lediglich im mageren Abgas eine eindeutige Kennlinie. Im leicht mageren Bereich, also wenn λ sich dem Wert 1 nähert, ist jedoch in vielen Fällen eine Abweichung der Pumpstrom-Kennlinie vom theoretischen Verlauf zu beobachten. Statt eines Absinkens des Pumpstroms mit kleiner werdenden Lambda- Werten hin zum Wert λ = 1 ist sogar in vielen Fällen ein Anstieg desHowever, the known from the prior art sensor elements show in many cases only in the lean exhaust gas a unique characteristic. However, in the slightly lean region, ie when λ approaches 1, in many cases a deviation of the pumping current characteristic from the theoretical curve can be observed. Instead of sinking the pumping current with decreasing lambda values towards the value λ = 1, an increase of the
Pumpstroms zu beobachten. Diese Abweichung bewirkt, dass die Pumpstrom-Kennlinie keinen eindeutigen Verlauf mehr aufweist, aus welchem auf die Luftzahl zurück geschlossen werden kann. Dies macht sich beispielsweise bei Lambdasonden für den Einsatz in Dieselfahr- zeugen, bei welchen üblicherweise im leicht mageren Bereich gearbeitet wird, negativ be- merkbar.To observe pumping current. This deviation causes the pumping current characteristic no longer has a clear course, from which it can be concluded that the air ratio. This is for example in lambda probes for use in diesel vehicles, which is usually worked in the slightly lean area, negatively noticeable.
Eine weitere Problematik bekannter Sensorelemente besteht darin, dass verschiedene Be- triebszustände existieren, welche unterschiedliche Regelpunkte, also insbesondere die Einstellung bestimmter Luftzahlen, verlangen, die in unterschiedlichen Bereichen liegen. So lassen sich beispielsweise insbesondere für den Betrieb von Dieselfahrzeugen kostengünstige Grenzstrom-Magersonden in Form von einzelligen Pumpzellen einsetzen, da Dieselfahrzeuge üblicherweise auf eine Luftzahl im mageren Bereich geregelt werden. Gleichwohl existieren insbesondere bei Dieselfahrzeugen mit Katalysatoren, Betriebszustände, in denen auf eine andere Luftzahl, insbesondere auf eine Luftzahl im leicht fetten Bereich (z.B. λ=0,9) geregelt wird. Insbesondere sind dies Betriebszustände, in denen der Katalysator (beispielsweise ein NOx- Speicherkatalysator, NSC) und/oder ein Filter, beispielsweise ein Partikelfilter, regeneriert wird. Da übliche Grenzstrom-Magersonden in diesem Bereich jedoch im Idealfall in diesem Bereich kein Stromsignal liefern, ist ein derartiger Wechsel des Betriebszustandes mit herkömmlichen Sensorelementen nicht oder nur schwer möglich.A further problem of known sensor elements is that different operating states exist, which require different control points, that is to say in particular the setting of specific air numbers, which lie in different ranges. For example, cost-effective limiting-current lean-load sensors in the form of single-cell pump cells can be used, in particular for the operation of diesel vehicles, since diesel vehicles are usually controlled to a lean air ratio. Nevertheless, especially in diesel vehicles with catalytic converters, there are operating states in which one another Air ratio, in particular to an air ratio in the slightly rich range (eg λ = 0.9) is controlled. In particular, these are operating states in which the catalyst (for example a NOx storage catalytic converter, NSC) and / or a filter, for example a particle filter, is regenerated. However, since conventional limiting current Magersonden provide in this area, ideally, no current signal in this area, such a change of operating condition with conventional sensor elements is not possible or difficult.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Messung einer Gaskomponente in einem Gasgemisch vorgeschlagen, welches die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente vermeidet. Insbesondere kann das Sensorelement in einer Lambdasonde oder als Lambdasonde eingesetzt werden, vorzugsweise als Grenzstrom-Magersonde, vorzugsweise im Bereich der Dieseltechnologie. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren jedoch auch im fetten Luftzahlbereich eingesetzt werden oder auch für andere Arten der Regelung. Das von dem Verfahren verwendete Sensorelement weist mindestens einer erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten auf.Accordingly, a method is proposed for measuring a gas component in a gas mixture which avoids the disadvantages of the sensor elements known from the prior art. In particular, the sensor element can be used in a lambda probe or as a lambda probe, preferably as a marginal flow lean-load sensor, preferably in the field of diesel technology. Alternatively or additionally, however, the method can also be used in the rich air range or for other types of control. The sensor element used by the method has at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the at least one first electrode and the at least one second electrode.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die oben beschriebene Nicht-Eindeutigkeit der Pumpstrom-Kennlinie bei einfachen Pumpstrom-Sensorelementen (z.B. Grenzstrom-Magersonden) im Bereich leicht magerer Abgase und auch im Bereich fetter Gasgemische auf die an der Anode ablaufenden Reaktionen zurückzuführen ist. In diesem Fall sind beide Elektroden dem Abgas ausgesetzt. Die Reaktionen bewirken ein Stromsignal wie im Magerbetrieb, was eine Kennlinie zur Folge hat, die lediglich bei Messungen im mageren Abgas eindeutig ist. Bereits geringe Mengen an Brenngas (speziell H2) beeinflussen das Messsignal, so dass die Eindeutigkeit von Kennlinien der Grenzstrom-Magersonden auch im Nichtgleichgewichtsabgas, wie es beispielsweise in der Dieseltechnologie eingesetzt wird, schon nahe bei λ=l,0 nicht mehr gegeben ist. Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorge- schlagen, die im Fettgas ablaufenden Reaktionen an der Pumpanode, wie beispielsweise die ReaktionenA basic idea of the present invention is that the above-described non-uniqueness of the pumping current characteristic can be attributed to the reactions taking place at the anode in the case of simple pumping-current sensor elements (for example limit-current leaner probes) in the region of slightly lean exhaust gases and also in the area of rich gas mixtures , In this case, both electrodes are exposed to the exhaust gas. The reactions cause a current signal as in lean operation, resulting in a characteristic that is unique only in measurements in the lean exhaust gas. Even small amounts of fuel gas (especially H 2 ) affect the measurement signal, so that the uniqueness of characteristics of the boundary-stream Magersonden even in non-equilibrium exhaust gas, as used for example in diesel technology, already close to λ = l, 0 is no longer given. Accordingly, according to the invention, the reactions taking place in the fatty gas at the pump anode, such as, for example, the reactions, are proposed
CO + O2 -> CO2 + 2e H2 + O2 -> H2O + 2e ,CO + O 2 -> CO 2 + 2e H 2 + O 2 -> H 2 O + 2e,
dadurch zu unterbinden, dass die mindestens eine zweite Elektrode (welche insbesondere zumindest zeitweise in der Regel als Pumpanode geschaltet wird) von dem Gasraum abge- schirmt wird, so dass sich in der Umgebung dieser mindestens einen zweiten Elektrode keine oder nur wenig reduzierende Gaskomponenten, wie beispielsweise H2 oder CO, befinden.to prevent the at least one second electrode (which is usually switched at least temporarily as a pump anode) is shielded from the gas space, so that in the vicinity of this at least one second electrode no or only slightly reducing gas components such For example, H 2 or CO, are located.
Diese Abschirmung soll erfϊndungsgemäß dadurch erfolgen, dass, während die mindestens eine erste Elektrode mit dem Gasgemisch aus dem mindestens einen Gasraum beaufschlagbar ist, die mindestens eine zweite Elektrode mit mindestens einem vom Gasraum getrennten Referenzgasraum verbunden ist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Motorraum der Verbrennungskraftmaschine handeln oder auch einen separaten Referenzgasraum mit einer zumindest näherungsweise bekannten und konstanten Gasgemischzusammensetzung.According to the invention, this shielding is to take place in that, while the at least one first electrode can be acted upon by the gas mixture from the at least one gas space, the at least one second electrode is connected to at least one reference gas space separated from the gas space. For example, this may be an engine compartment of the internal combustion engine or else a separate reference gas chamber with an at least approximately known and constant gas mixture composition.
Die Brenngaskonzentrationen im Nichtgleichgewichtsabgas (z.B. Diesel-The fuel gas concentrations in the non-equilibrium exhaust gas (e.g.
Nichtgleichgewichtsabgas nahe bei λ=l) und die überschüssigen Brenngase im fetten Abgas können dann das Signal des Sensorelements nicht mehr beeinflussen, da kein Brenngasumsatz an der Pumpanode erfolgen kann. Der mindestens eine Referenzgasraum soll demzufolge derart realisiert werden, dass dieser einen Abtransport des an der mindestens einen zweiten E- lektrode entstehenden Gases, insbesondere des Sauerstoffs, gewährleistet. Ergebnis dieser Sensorelement-Anordnung ist eine eindeutige Kennlinie im Bereich Luft > λ > 1 , so dass sich dieses einfache Sensorelement beispielsweise als Einzeller kostengünstig für den Einsatz in Dieselfahrzeugen zur Messung im Bereich Luft > λ > 1 einsetzen lässt.Non-equilibrium exhaust gas close to λ = l) and the excess fuel gases in the rich exhaust gas can then no longer influence the signal of the sensor element, since no fuel gas conversion can take place at the pump anode. Accordingly, the at least one reference gas space should be realized in such a way that it ensures a removal of the gas, in particular of the oxygen, which is formed at the at least one second electrode. The result of this sensor element arrangement is an unambiguous characteristic curve in the range of air> λ> 1, so that this simple sensor element, for example as a single cell, can be used cost-effectively for use in diesel vehicles for measurement in the air> λ> 1 range.
Untersuchungen haben gezeigt, dass bei dem Aufbau des Sensorelements mit der abgeschirmten mindestens einen zweiten Elektrode tatsächlich eine eindeutige Pumpstrom-Kennlinie erreichen lässt, da im mageren Abgas ein Pumpstrom entsprechend des Sauerstoff- Partialdruckes gemessen wird. Im fetten Abgas hingegen wird kein Pumpstrom gemessen, da kein freier Sauerstoff vorliegt und da im Betrieb die Pumpspannung (typischerweise zwischen 100 mV und 1,0 V, vorzugsweise zwischen 300 mV und 800 mV und besonders bevorzugt zwischen 600 mV und 700 mV) unterhalb der Zersetzungsspannung von Wasser liegt. Somit können keine Brenngasoxidationen an der mindestens einen zweiten Elektrode, welche nunmehr abgeschirmt und „brenngasblind" ist, ablaufen. -D-Investigations have shown that in the construction of the sensor element with the shielded at least one second electrode can actually achieve a unique pumping current characteristic, since in the lean exhaust gas, a pumping current is measured according to the oxygen partial pressure. In contrast, no pumping current is measured in the rich exhaust gas, since there is no free oxygen and since during operation the pumping voltage (typically between 100 mV and 1.0 V, preferably between 300 mV and 800 mV and particularly preferably between 600 mV and 700 mV) below the Decomposition voltage of water is. Thus, no fuel gas oxidations at the at least one second electrode, which is now shielded and "fuel gas blind", run off. D-
Das Sensorelement ist somit als Grenzstrom-Magersonde aufgrund der eindeutigen Kennlinie im mageren Bereich einsetzbar. Hierfür kann beispielsweise eine elektronische Steuervorrichtung vorgesehen sein, welche zunächst (optional) mindestens einen Betriebszustand umfassen kann, der als Magerregelungszustand ausgestaltet ist. Dieser Magerregelungszustand kann eingesetzt werden im mageren Bereich des Gasgemischs, d.h. in einem Bereich, in dem ein stöchiometrischer Überschuss der nachzuweisenden Gaskomponente (beispielsweise Sauerstoff) vorliegt. In diesem Magerregelungszustand ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um die mindestens zwei Elektroden mit einer (beispielsweise konstanten) Pumpspannung zu be- aufschlagen, welche vorzugsweise so gewählt wird, dass diese einen Grenzstrombetrieb (also einen Betrieb im Sättigungsbereich des Pumpstroms) gewährleistet. Dabei wird mindestens ein Pumpstromsignal zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode gemessen. Aufgrund der nunmehr gegebenen Eindeutigkeit der Pumpstrom-Kennlinie lässt sich diesem Stromsignal beispielsweise ein Lambda-Wert zuord- nen.The sensor element can thus be used as a limit current lean-burn sensor because of the unique characteristic in the lean range. For this purpose, for example, an electronic control device may be provided, which may initially (optionally) comprise at least one operating state, which is designed as a lean control state. This lean control state can be used in the lean range of the gas mixture, i. in a range in which there is a stoichiometric excess of the gas component to be detected (for example oxygen). In this lean control state, the control device is set up to charge the at least two electrodes with a (for example constant) pumping voltage, which is preferably selected such that it ensures a limiting current operation (ie an operation in the saturation region of the pumping current). In this case, at least one pump current signal is measured between the at least one first electrode and the at least one second electrode. Due to the now given uniqueness of the pumping current characteristic, this current signal can for example be assigned a lambda value.
Die oben beschriebenen Maßnahmen allein ermöglichen jedoch noch nicht die beispielsweise in Dieselapplikationen gewünschte Regelung von bestimmten Betriebszuständen im Bereich λ < 1,0. Für die Regenerierung von bestimmten Filtern (beispielsweise Diesel-Partikelfiltern) und/oder Katalysatoren im Dieselabgasstrang ist jedoch eine Regelung von Betriebszuständen auch im Bereich zwischen λ = 0,9 und λ = 0,95, also im fetten Bereich, zu gewährleisten. Der Begriff des „Katalysators" ist dabei weit zu fassen und umfasst im allgemeinen Abgas- Nachbehandlungssysteme, wie beispielsweise NSC-Systeme (NSC: NOx storage catalyst, NOx- Speicherkatalysatoren) .The above-described measures alone, however, do not yet make it possible to control certain operating states in the range λ <1.0, for example in diesel applications. For the regeneration of certain filters (for example, diesel particulate filters) and / or catalysts in the diesel exhaust line, however, a control of operating states is also to be ensured in the range between λ = 0.9 and λ = 0.95, ie in the rich region. The term "catalyst" is to be understood broadly and generally includes exhaust aftertreatment systems, such as NSC systems (NSC: NOx storage catalyst, NOx storage catalysts).
Zusätzliche zu dem oben beschriebenen Vorteil einer eindeutigen Kennlinie im mageren Bereich, verbunden mit einem entsprechenden Magerregelungszustand, bietet das vorgeschlagene Verfahren somit noch den Vorteil mindestens eines zweiten Betriebszustandes, nämlich mindestens eines Fettregelungszustandes. Beispielsweise kann der oben beschriebene Mager- regelungszustand im Normalbetrieb verwendet werden, wohingegen der mindestens eine Fett- regelungszustand in einem Regenerationsbetrieb des mindestens einen Katalysators und/oder Filters eingesetzt wird. Alternativ kann das Verfahren jedoch auch lediglich mit dem mindestens einen Fettregelungszustand eingesetzt werden. In dem mindestens einen Fettregelungszu- stand wird das Sensorelement in einem fetten Bereich des Gasgemischs betrieben, also in einem Bereich, in welchem ein stöchiometrischer Unterschuss der nachzuweisenden Gaskomponente vorliegt. Dabei wird ein Regelungspunkt des Gasgemisches eingestellt (beispielsweise einen oder mehrere vorgegebene Lambda- Werte, z.B. in dem oben beschriebenen Bereich zwischen 0,9 und 0,95). Die nachzuweisende Gaskomponente liegt bei dem Regelungspunkt in einer vorgegebenen Konzentration vor, welcher eine Regel-Nernst-Spannung zwischen der mindestens einen ersten Elektrode, welche dem Gasgemisch ausgesetzt ist, und der mindestens einen zweiten Elektrode, welche der Referenzatmosphäre in dem Referenzgasraum ausgesetzt ist, entspricht. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, um die mindestens eine erste Elektrode und die mindestens eine zweite Elektrode mit einer Regel-Pumpspannung zu beaufschlagen, welche der Regel-Nernst-Spannung entgegen gerichtet ist, so dass sich am Regelungspunkt die beiden Spannungen gerade kompensieren. Dabei wird ein Stromsignal zwischen der mindestens einen ersten Elektrode und der mindestens einen zweiten Elektrode gemessen. Ist dieses mindestens eine Stromsignal von Null verschieden, so indiziert dies eine Abweichung von dem mindestens einen Regelungspunkt, was wiederum beispielsweise zur Erzeugung einer Regelsignals zur Veränderung der Gasgemischzusammensetzung in dem Gasraum genutzt werden kann, beispielsweise in Form einer Einwirkung auf eine Luftmassen- zuführung zu einem Verbrennungsprozess.In addition to the above-described advantage of a clear characteristic in the lean region, combined with a corresponding lean control state, the proposed method thus still offers the advantage of at least one second operating state, namely at least one rich state. For example, the above-described lean-control state can be used in normal operation, whereas the at least one rich-control state is used in a regeneration operation of the at least one catalyst and / or filter. Alternatively, however, the method can also be used only with the at least one grease control state. In the at least one grease control stand the sensor element is operated in a rich area of the gas mixture, ie in a region in which there is a stoichiometric deficit of the gas component to be detected. Here, a control point of the gas mixture is set (for example, one or more predetermined lambda values, for example in the range described above between 0.9 and 0.95). The gas component to be detected is present at the control point in a predetermined concentration, which corresponds to a control Nernst voltage between the at least one first electrode, which is exposed to the gas mixture, and the at least one second electrode, which is exposed to the reference atmosphere in the reference gas space , The control device is set up to apply a regulating pumping voltage to the at least one first electrode and the at least one second electrode, which is directed counter to the normal Nernst voltage, so that the two voltages are just compensated at the control point. In this case, a current signal between the at least one first electrode and the at least one second electrode is measured. If this at least one current signal is different from zero, this indicates a deviation from the at least one control point, which in turn can be used, for example, to generate a control signal for changing the gas mixture composition in the gas space, for example in the form of an effect on an air mass feed to one combustion process.
Auf diese Weise lassen sich kostengünstige, einfach aufgebaute Sensorelemente herstellen, welche beispielsweise sowohl als Grenzstrom-Magersonde einsetzbar sind als auch für den beschriebenen Regenerationsbetrieb. Neben den beschriebenen konstruktiven Besonderheiten der Abschirmung der mindestens einen zweiten Elektrode erfordert dies lediglich einen geringen apparativen Aufwand, da im wesentlichen eine entsprechende Steuervorrichtung (bei- spielsweise mit einem oder mehreren Mikrocomputern, Hardware-Bausteinen und Software- Komponenten) vorgesehen werden muss, um die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sensorelements zu erzielen. -o-In this way, inexpensive, simply constructed sensor elements can be produced which can be used, for example, both as a limiting current lean-burn sensor and for the described regeneration operation. In addition to the described design features of the shielding of the at least one second electrode, this requires only a small amount of equipment, since essentially a corresponding control device (for example, with one or more microcomputers, hardware components and software components) must be provided to the Inventive embodiment of the sensor element to achieve. -O-
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
Figur 1 eine Pumpstrom-Kennlinie;Figure 1 is a pumping current characteristic;
Figur 2 einen Schichtaufbau eines als Einzeller ausgestalteten Sensorelements mit innen liegender Pumpkathode und innen liegender Pumpanode und übereinander liegenden Zuleitungen; Figur 3 ein Sensorelement gemäß Figur 3, jedoch mit nebeneinander liegenden Zuleitungen;FIG. 2 shows a layer structure of a sensor element configured as a single cell with an inner pumping cathode and inner pump anode and superimposed supply lines; 3 shows a sensor element according to Figure 3, but with adjacent leads;
Figur 4 ein Sensorelement mit außen liegender Pumpkathode und innen liegender Pumpanode;FIG. 4 shows a sensor element with an external pump cathode and an inner pump anode;
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Sensorelement und einer Steuervorrichtung; undFigure 5 is a schematic representation of a system with a sensor element and a control device; and
Figur 6 ein Beispiel einer Pumpstrom-Regelung mit einem Regelungspunkt im fetten Bereich.Figure 6 shows an example of a pumping current control with a control point in the rich area.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der Figur 1 ist schematisch ein Verlauf eines Pumpstroms Ip als Funktion der Luftzahl λ eines Gasgemisches dargestellt. Dabei handelt es sich um den erwarteten Verlauf der Kennlinie für ein erfindungsgemäßes Design eines Sensorelements mit einer zweiten Elektrode, welche vollständig gegenüber dem Gasgemisch (Brenngas) abgeschirmt ist. Hier wie im Folgen- den sei als Beispiel angenommen, dass diese mindestens eine zweite Elektrode als Pumpanode betrieben wird. Es sind jedoch auch andere Arten der Beschaltung denkbar, beispielsweise Beschallungen mit wechselnder Polarität. Die senkrechte gestrichelte Linie 110 bezeichnet dabei in Figur 1 den Wert λ = 1, welcher den fetten Bereich 112 vom mageren Bereich 114 trennt. Dabei ist zu erkennen, dass die zu erwartende Kennlinie im Bereich λ > 1 linear an- steigt und im fetten Bereich, also für λ < 1, den Wert 0 annimmt.FIG. 1 schematically shows a profile of a pumping current I p as a function of the air ratio λ of a gas mixture. This is the expected course of the characteristic curve for a design according to the invention of a sensor element with a second electrode, which is completely shielded from the gas mixture (fuel gas). Here, as in the following, it is assumed as an example that this at least one second electrode is operated as a pump anode. However, other types of wiring are conceivable, for example, sonication with alternating polarity. In FIG. 1, the vertical dashed line 110 denotes the value λ = 1, which separates the rich region 112 from the lean region 114. It can be seen that the expected characteristic increases linearly in the range λ> 1 and assumes the value 0 in the rich range, ie for λ <1.
Wäre die zweite Pumpelektrode (Pumpanode) nicht, wie die Erfindung vorschlägt, gegenüber dem Brenngas abgeschirmt, so wäre insbesondere im fetten Bereich 112 ein nicht verschwin- dender Pumpstrom zu beobachten, welcher auf die oben beschriebenen Fettgasreaktionen an der Pumpanode zurückzuführen ist. Bereits im leicht mageren Bereich, also im Bereich 114 nahe bei λ = 1, wäre eine Abweichung vom linearen Verlauf der Kennlinie zu beobachten.If the second pumping electrode (pumping anode) were not shielded from the fuel gas, as the invention suggests, then in particular in the rich region 112, a non-disappearance would occur. dender pumping current to be observed, which is due to the above-described fatty gas reactions at the pump anode. Even in the slightly lean region, ie in the region 114 close to λ = 1, a deviation from the linear course of the characteristic would be observed.
In Figur 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 210 in perspektivischer Darstellung des Schichtaufbaus dargestellt, welches für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Bei diesem Sensorelement 210 handelt es sich um einen Einzeller, welcher vergleichsweise einfach und kostengünstig zu realisieren ist. Das beschriebene Sensorelement 210 kann beispielsweise als Grenzstrom-Magersonde eingesetzt werden, um Gasge- misch in einem Gasraum 212 zu analysieren.2 shows a first exemplary embodiment of a sensor element 210 in a perspective representation of the layer structure, which can be used for the method according to the invention. In this sensor element 210 is a protozoa, which is comparatively easy and inexpensive to implement. The described sensor element 210 can be used, for example, as a limit current lean-burn probe in order to analyze gas mixture in a gas space 212.
Das Sensorelement 210 weist auf der dem Gasraum 212 zugewandten Seite einen ersten Festelektrolyten 214, beispielsweise einen Yttrium-stabilisierten Zirkondioxid-Elektrolyten, auf. In einer Schichtebene auf der dem Gasraum 212 abgewandten Seite des Festelektrolyten 214 ist der Festelektrolyt 214 durch eine Pumpanode 216 (beispielsweise eine Platin- Elektrode und/oder eine Oxidelektrode) und eine Pumpkathode 218 kontaktiert, wobei Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 nebeneinander angeordnet sind. Die Pumpkathode 218 fungiert dabei als die oben beschriebene erste Elektrode, und die Pumpanode 216 stellt die zweite Elektrode dar.The sensor element 210 has, on the side facing the gas space 212, a first solid electrolyte 214, for example an yttrium-stabilized zirconium dioxide electrolyte. In a layer plane on the side of the solid electrolyte 214 facing away from the gas space 212, the solid electrolyte 214 is contacted by a pump anode 216 (for example a platinum electrode and / or an oxide electrode) and a pump cathode 218, wherein pump anode 216 and pump cathode 218 are arranged next to one another. The pumping cathode 218 functions as the above-described first electrode, and the pumping anode 216 constitutes the second electrode.
Unterhalb von Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 ist ein zweiter Festelektrolyt 220 angeordnet, so dass Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 zwischen den beiden Festelektrolyten 214, 220 eingebettet sind. Während die Pumpanode 216 dabei lediglich als einzelne Elektrode ausgebildet ist, weist die Pumpkathode 218 eine erste Teilkathode 222 und eine zweite Teilkathode 224 auf, wobei die erste Teilkathode 222 den oben liegenden Festelektrolyten 214 kontaktiert, und die zweite Teilkathode 224 den unten liegenden, zweiten Festelektrolyten 220. Die beiden Teilkathoden 222, 224 sind jedoch elektrisch leitend verbunden, so dass diese als einzelne Pumpkathode 218 wirken, jedoch mit vergrößerter Oberfläche. Hierdurch lässt sich der Innenwiderstand des Sensorelements 210 reduzieren.Below pump anode 216 and pump cathode 218, a second solid electrolyte 220 is arranged so that pump anode 216 and pump cathode 218 are embedded between the two solid electrolytes 214, 220. While the pump anode 216 is merely formed as a single electrode, the pump cathode 218 has a first partial cathode 222 and a second partial cathode 224, the first partial cathode 222 contacting the uppermost solid electrolyte 214, and the second partial cathode 224 contacting the lower, second solid electrolyte 220. However, the two partial cathodes 222, 224 are electrically conductively connected so that they act as a single pumping cathode 218, but with an enlarged surface area. As a result, the internal resistance of the sensor element 210 can be reduced.
Zwischen den beiden Teilkathoden 222, 224 ist ein Kathodenhohlraum 226 vorgesehen. Über ein Gaszutrittsloch 228 im oben liegenden Festelektrolyten 214 kann Gasgemisch aus dem Gasraum 212 in den Kathodenhohlraum 226 eindringen. Dabei ist zwischen Gaszutritts- loch 228 und Kathodenhohlraum 226 eine Diffusionsbarriere 230 vorgesehen, welche ein poröses, dichtes keramisches Material aufweist und welche den Grenzstrom der Pumpkathode 218 begrenzt. Die Pumpkathode 218 wird durch eine Kathodenzuleitung 232, welche auf dem unteren Festelektrolyten 220 angeordnet ist, elektrisch kontaktiert. Über einen Kathodenan- Schluss 234 auf der Oberseite des Festelektrolyten 214 und eine elektrische Durchkontaktie- rung 236 kann die Pumpkathode 218 mit einer entsprechenden elektronischen Schaltung (siehe Figur 5) verbunden werden und beispielsweise mit einer Spannung beaufschlagt werden.Between the two partial cathodes 222, 224, a cathode cavity 226 is provided. Via a gas inlet hole 228 in the overhead solid electrolyte 214, gas mixture from the gas space 212 can penetrate into the cathode cavity 226. In doing so, a distinction is hole 228 and cathode cavity 226 a diffusion barrier 230 is provided, which has a porous, dense ceramic material and which limits the limiting current of the pumping cathode 218. The pump cathode 218 is electrically contacted by a cathode lead 232 disposed on the lower solid electrolyte 220. Via a cathode connection 234 on the upper side of the solid electrolyte 214 and an electrical through-connection 236, the pump cathode 218 can be connected to a corresponding electronic circuit (see FIG. 5) and, for example, supplied with a voltage.
Unterhalb der Pumpanode 216 ist ein Anodenhohlraum 238 vorgesehen, welcher über einen Abluftkanal 240 mit einem vom Gasraum 212 getrennten Referenzgasraum 242 verbunden ist. Anodenhohlraum 238 und/oder Abluftkanal 240 sind dabei mit einem Sauerstoff- durchlässigen porösen Füllelement 244 auf Al2θ3-Basis gefüllt oder auch mit einem anderen porösen Material ausgefüllt oder ungefüllt ausgeführt. Der Abluftkanal 240 weist vorzugsweise mindestens eine der folgenden Eigenschaften auf: - der mindestens eine Abluftkanal 240 weist eine rechteckige Querschnittsfläche auf; der mindestens eine Abluftkanal 240 weist eine Länge im Bereich von 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 mm bis 30 mm, auf; der mindestens eine Abluftkanal 240 weist eine Querschnittsfläche im Bereich von 0,001 mm2 bis 1 mm2, vorzugsweise von 0,01 bis 0,1 mm2, auf; - der mindestens eine Abluftkanal 240 weist eine Querschnittsfläche auf, wobei dasBelow the pump anode 216, an anode cavity 238 is provided which is connected via an exhaust air channel 240 with a separate from the gas chamber 212 reference gas space 242. Anodenhohlraum 238 and / or exhaust duct 240 are filled with an oxygen-permeable porous filling element 244 on Al 2 θ 3 basis or filled with another porous material or unfilled executed. The exhaust air duct 240 preferably has at least one of the following properties: the at least one exhaust air duct 240 has a rectangular cross-sectional area; the at least one exhaust duct 240 has a length in the range of 1 mm to 50 mm, preferably in the range of 10 mm to 30 mm; the at least one exhaust duct 240 has a cross-sectional area in the range of 0.001 mm 2 to 1 mm 2 , preferably from 0.01 to 0.1 mm 2 ; - The at least one exhaust duct 240 has a cross-sectional area, wherein the
Verhältnis der Querschnittsfläche zur Fläche der mindestens einen Pumpanode 216 im Bereich zwischen 2 und 0,01, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,3 und 0,05, liegt. Auf diese Weise wird einerseits ein optimaler Abtransport von Sauerstoff von der Pumpanode 216 gewährleistet, und andererseits ein Eindiffundieren von Verunreinigungen zur Pumpano- de 216 durch den Abluftkanal 240 weitgehend verhindert.Ratio of the cross-sectional area to the surface of the at least one pump anode 216 in the range between 2 and 0.01, preferably in the range between 0.3 and 0.05, is located. In this way, on the one hand optimal removal of oxygen from the pump anode 216 is ensured, and on the other hand diffusion of impurities to the pump station 216 through the exhaust air duct 240 is largely prevented.
Die Pumpanode 216 ist über eine Anodenzuleitung 246 elektrisch kontaktiert und über eine weitere elektrische Durchkontaktierung 248 im Festelektrolyten 214 mit einem auf der Oberseite des Festelektrolyten 214 angeordneten Anodenanschluss 250 verbunden. Über diesen Anodenanschluss 250 kann die Pumpanode 216 beispielsweise mit der oben beschriebenen elektronischen Vorrichtung verbunden werden, so dass beispielsweise zwischen Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 eine Spannung angelegt werden kann und/oder ein Pumpstrom gemessen werden kann. Anodenzuleitung 246 und Kathodenzuleitung 232 sind dabei in dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 2 übereinander liegend angeordnet. Eine elektrische Isolierung von Pumpanode 216 bzw. Anodenzuleitung 246 gegenüber der Kathodenzuleitung 232 erfolgt dabei durch das poröse Füllelement 244, welches elektrisch nichtleitende Eigenschaften aufweist.The pump anode 216 is electrically contacted via an anode feed line 246 and connected via a further electrical through-connection 248 in the solid electrolyte 214 to an anode connection 250 arranged on the upper side of the solid electrolyte 214. Via this anode terminal 250, the pump anode 216 can be connected, for example, to the electronic device described above, so that, for example, a voltage can be applied between pump anode 216 and pump cathode 218 and / or a pump current can be measured. Anode lead 246 and cathode lead 232 are in the Exemplary embodiment according to Figure 2 arranged one above the other. An electrical insulation of pump anode 216 or anode feed line 246 relative to the cathode feed line 232 takes place through the porous filling element 244, which has electrically non-conductive properties.
Unterhalb des zweiten Festelektrolyten 220 ist ein Heizelement 252 angeordnet, welches ein zwischen zwei Isolatorfolien 254 eingebettetes Heizwiderstandselement 256 umfasst. Das Heizwiderstandselement 256 kann über Durchkontaktierungen 258 in einem Trägersubstrat 260 (beispielsweise wieder ein Festelektrolyt) über Heizanschlüsse 262 auf der dem Gasraum 212 abgewandten Seite des Trägersubstrats 260 elektrisch kontaktiert und mit einem Heizstrom beaufschlagt werden. Beispielsweise kann dieser Heizstrom mit einer Regelung geregelt werden, welche beispielsweise einen konstanten Innenwiderstand des Sensorelements 210 einstellt.Below the second solid electrolyte 220, a heating element 252 is arranged, which comprises a heating resistor element 256 embedded between two insulator foils 254. The heating resistance element 256 can be electrically contacted via through-connections 258 in a carrier substrate 260 (for example, again a solid electrolyte) via heating connections 262 on the side of the carrier substrate 260 facing away from the gas space 212 and supplied with a heating current. For example, this heating current can be regulated with a regulation which, for example, sets a constant internal resistance of the sensor element 210.
Mittels des in Figur 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels eines Sensorelements 210 kann die in Figur 1 dargestellte Pumpstrom-Kennlinie im Wesentlichen realisiert werden. Beim Einsatz als Lambdasonde wird dabei im mageren Bereich 114 ein Pumpstrom entsprechend des Sau- erstoffpartialdrucks gemessen (linear ansteigende Kennlinie), im fetten Bereich 112 kein Strom, da kein freier Sauerstoff vorliegt und die gewählte Pumpspannung vorteilhafterweise unterhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Somit kann keine Brenngasoxidation an der innen liegenden, abgeschirmten Brenngas-blinden Pumpanode 216 auftreten. Dadurch lässt sich ein kostengünstiges, als Einzeller aufgebautes Sensorelement 210 realisieren, welches auch für den Einsatz in Dieselfahrzeugen geeignet ist.By means of the exemplary embodiment of a sensor element 210 described in FIG. 2, the pumping current characteristic shown in FIG. 1 can essentially be realized. When used as a lambda probe, a pumping current corresponding to the oxygen partial pressure is measured in the lean region 114 (linearly increasing characteristic curve), no current in the rich region 112, since there is no free oxygen and the selected pumping voltage is advantageously below the decomposition voltage of the water. Thus, no fuel gas oxidation can occur on the internal, shielded fuel gas-blind pump anode 216. This makes it possible to realize a cost-effective sensor element 210 constructed as a single cell, which is also suitable for use in diesel vehicles.
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 210 in perspektivischer Schichtdarstellung gezeigt, welches für das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden kann, wobei ebenfalls wieder elektronische Schaltungskomponenten nicht dargestellt sind. Der Aufbau entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2, so dass bezüglich der einzelnen Elemente auf dieses Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist jedoch im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 nicht nur die Pumpkathode 218 zwei Teilkathoden 222, 224 auf, sondern auch die Pumpanode 216 ist zweiteilig ausgebildet, mit einer oben liegenden ersten Teilanode 310, welche den oberen Festelektrolyten 214 kontaktiert, und einer unten liegenden zweiten Teilanode 312, welche den unten liegenden Festelektrolyten 220 kontaktiert. Die Teilanoden 310, 312 sind wiederum, analog zu den Teilkathoden 222, 224, elektrisch leitend miteinander verbunden. Der Vorteil dieser Anordnung besteht, wie oben ausgeführt, in einer Verringerung des Innenwiderstands des Sensorelements 210, da nunmehr wirksam Pumpströme durch den oberen Festelektrolyten 214 und den unteren Festelektrolyten 220 geleitet werden können.FIG. 3 shows a perspective view of a second exemplary embodiment of a sensor element 210 which can be used for the proposed method, again not showing electronic circuit components. The structure corresponds largely to the embodiment of Figure 2, so that reference can be made to this embodiment with respect to the individual elements. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 2, in the exemplary embodiment according to FIG. 3 not only the pump cathode 218 has two partial cathodes 222, 224, but also the pump anode 216 is formed in two parts, with an upper partial anode 310 which contacts the upper solid electrolyte 214, and a lower second partial anode 312, which contacts the underlying solid electrolyte 220. The partial anodes 310, 312 are in turn, in analogy to the partial cathodes 222, 224, electrically connected to each other. The advantage of this arrangement, as stated above, in a reduction of the internal resistance of the sensor element 210, since now pumping currents can be effectively passed through the upper solid electrolyte 214 and the lower solid electrolyte 220.
Die beiden Teilanoden 310, 312 sind durch den Anodenhohlraum 238 voneinander getrennt, welcher wiederum, analog zu Figur 3, mit dem porösen Füllelement 244 ausgefüllt ist. Analog zu Figur 2 ist der Anodenhohlraum 238 auch im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 über den Abluftkanal 240, welcher ebenfalls mit dem porösen Füllelement 244 ausgefüllt ist, mit dem Referenzgasraum 242 verbunden.The two partial anodes 310, 312 are separated from each other by the anode cavity 238, which in turn, in analogy to FIG. 3, is filled with the porous filling element 244. Analogously to FIG. 2, the anode cavity 238 is also connected to the reference gas space 242 via the exhaust air duct 240, which is likewise filled with the porous filling element 244, in the exemplary embodiment according to FIG.
Ebenfalls im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist im Ausführungsbeispiel des Sensorelements 210 gemäß Figur 3 keine übereinander liegende Anordnung der Elektro- denzuleitungen 232, 246 vorgesehen, mittels derer die Pumpkathode 218 und die Pumpanode 216 kontaktiert werden. Anodenzuleitung 246 und Kathodenzuleitung 232 sind vielmehr nebeneinander liegend auf dem unteren Festelektrolyten 220 angeordnet, wobei der Abluftkanal 240 mittig zwischen den beiden Elektrodenzuleitungen 232, 246 und parallel zu diesen verläuft. Die Kontaktierung der Elektrodenzuleitungen 232, 246 erfolgt, analog zum Ausfüh- rungsbeispiel in Figur 2, über die Elektrodenanschlüsse 234, 250. Für die weiteren Bauelemente und die Funktionsweise sei auf die obige Beschreibung verwiesen. Das Sensorelement 210 gemäß Figur 3 weist somit wieder eine „Brenngas-blinde" Pumpanode 216 auf, so dass sich wiederum die in Figur 1 dargestellte Kennlinie erzielen lässt.Also in contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 2, in the exemplary embodiment of the sensor element 210 according to FIG. 3 there is no arrangement of the electrode feed lines 232, 246 arranged one above the other, by means of which the pump cathode 218 and the pump anode 216 are contacted. The anode feed line 246 and the cathode feed line 232 are arranged next to one another on the lower solid electrolyte 220, wherein the exhaust air channel 240 extends centrally between the two electrode feed lines 232, 246 and parallel to them. The contacting of the electrode leads 232, 246 takes place analogously to the exemplary embodiment in FIG. 2 via the electrode terminals 234, 250. For the other components and the mode of operation, reference is made to the above description. The sensor element 210 according to FIG. 3 thus again has a "fuel gas-blind" pump anode 216, so that in turn the characteristic shown in FIG. 1 can be achieved.
In Figur 4 ist ein zu den Figuren 2 und 3 alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 210 dargestellt, bei welchem, im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen in den Figuren 2 und 3, lediglich die Anode 216 im Sensorelement-Inneren angeordnet ist, wohingegen die Pumpkathode 218 auf der äußeren, dem Gasraum 212 zugewandten Oberfläche des Festelektrolyten 214 angeordnet ist.FIG. 4 shows an alternative embodiment of a sensor element 210 to FIGS. 2 and 3, in which, in contrast to the exemplary embodiments in FIGS. 2 and 3, only the anode 216 is arranged in the sensor element interior, whereas the pump cathode 218 is arranged on the outer, the gas space 212 facing surface of the solid electrolyte 214 is arranged.
Die Pumpanode 216 ist in diesem Fall einteilig ausgebildet und unmittelbar über der oberen Isolatorfolie 254 des Heizelements 252 angeordnet. Über die Anodenzuleitung 246, welche ebenfalls auf der oberen Isolatorfolie 254 angeordnet ist, die Anoden-Durchkontaktierung 248 im oberen Festelektrolyten 214 und den Anodenanschluss 250 kann die Pumpanode 216 mit einem Potential beaufschlagt werden bzw. mit einer entsprechenden elektronischen Schaltung verbunden werden (siehe untern Figur 5). Wiederum steht die Anode 216 über den Abluftkanal 240, welcher wiederum mit dem porösen Element 244 ausgefüllt ist, mit dem Refe- renzgasraum 242 in Verbindung. Abluftkanal 240 und poröses Element 244 isolieren die A- nodenzuleitung 246 gegenüber dem oberen Festelektrolyten 214. Weiterhin kann auch in diesem Ausführungsbeispiel wiederum ein (hier nicht dargestellter) Anodenhohlraum vorgesehen sein, welcher wiederum hohl oder mit einem porösen Füllelement ausgestaltet sein kann.The pump anode 216 is formed integrally in this case and arranged directly above the upper insulator film 254 of the heating element 252. Via the anode lead 246, which is also arranged on the upper insulator film 254, the anode via 248 in the upper solid electrolyte 214 and the anode terminal 250, the pump anode 216 may be supplied with a potential or connected to a corresponding electronic circuit (see below Figure 5). Again, the anode 216 communicates with the reference gas space 242 via the exhaust air duct 240, which in turn is filled with the porous element 244. Exhaust duct 240 and porous element 244 isolate the A- nodenzuleitung 246 relative to the upper solid electrolyte 214. Furthermore, in this embodiment, again, an (not shown here) anode cavity may be provided, which in turn may be configured hollow or with a porous filling element.
Die Pumpkathode 218 ist auf der Oberseite des Festelektrolyten 214 angeordnet und kann durch eine Kathodenzuleitung 232 und einen Kathodenanschluss 234, welche ebenfalls auf der Oberfläche des Festelektrolyten 214 angeordnet sind, elektrisch kontaktiert werden. Die Kathodenzuleitung 232 ist durch ein Isolationselement 410 vom Festelektrolyten 214 elektrisch getrennt.The pump cathode 218 is disposed on top of the solid electrolyte 214 and may be electrically contacted by a cathode lead 232 and a cathode terminal 234, which are also disposed on the surface of the solid electrolyte 214. The cathode feed line 232 is electrically separated from the solid electrolyte 214 by an insulation element 410.
Die Pumpkathode 218 ist mit einer gasundurchlässigen Abdeckschicht 412 gegenüber dem Gasraum 212 abgeschirmt. An einer Stirnseite, an welcher die Abdeckschicht 412 einen Spalt zum Festelektrolyten 214 offen lässt, ist die Diffusionsbarriere 230 vorgesehen, deren Funktion oben bereits beschrieben wurde und welche den Grenzstrom der Pumpkathode 218 be- grenzt. Gasgemisch aus dem Gasraum 212 muss, um zur Pumpkathode 218 zu gelangen, die Diffusionsbarriere 230 durchdringen. Wiederum kann auch hier ein Kathodenhohlraum vorgesehen sein, welcher wiederum mit einem porösen Füllelement ausgefüllt oder hohl ausgestaltet ist und welcher in der Figur 4 nicht dargestellt ist.The pump cathode 218 is shielded with a gas-impermeable cover layer 412 opposite the gas space 212. On an end face on which the covering layer 412 leaves open a gap to the solid electrolyte 214, the diffusion barrier 230 is provided, the function of which has already been described above and which limits the limiting current of the pumping cathode 218. Gas mixture from the gas space 212 must penetrate the diffusion barrier 230 in order to reach the pumping cathode 218. Again, a cathode cavity may also be provided here, which in turn is filled or hollowed out with a porous filling element and which is not shown in FIG.
Die Funktionsweise des Sensorelements 210 entspricht im wesentlichen der Funktionsweise der Sensorelemente gemäß den Figuren 2 und 3, so dass bezüglich der weiteren Bauelemente auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Auch mittels des in Figur 4 dargestellten Sensorelements 210 lässt sich aufgrund der gegenüber dem Gasraum 212 abgeschirmten Pumpanode 216 die in Figur 1 dargestellte Kennlinie realisieren.The mode of operation of the sensor element 210 essentially corresponds to the mode of operation of the sensor elements according to FIGS. 2 and 3, so that reference can be made to the above description with regard to the further components. By means of the sensor element 210 shown in FIG. 4, the characteristic shown in FIG. 1 can be realized on the basis of the pump anode 216 which is shielded with respect to the gas space 212.
Wie oben beschrieben, sind die erfindungsgemäßen Sensorelemente 210 durch ihren Aufbau mit der „Brenngas-blinden" Pumpanode 216 somit als Grenzstrom-Magersonden im mageren Bereich einsetzbar. Gleichzeitig soll jedoch auch eine gezielte Regelung von fetten Betriebs- zuständen möglich sein, beispielsweise für eine zeitlich begrenzte Regeneration eines Katalysators. Dementsprechend weist das erfindungsgemäßen System eine elektronische Steuervorrichtung 510 auf, deren Funktionsweise anhand der Figuren 5 und 6 erläutert werden soll. Dabei zeigt Figur 5 ein erfmdungs gemäßes Sensorelement 210 und eine Steuervorrichtung 510, wobei ein Sensorelement- Aufbau verwendet wird, der im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 entspricht. Dementsprechend kann bezüglich dieses Aufbaus auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Auch andere Arten von Sensorelementen 210 mit „Brenngas-blinder" Pumpanode 216 lassen sich jedoch erfindungsgemäß nutzen. In Figur 6 ist eine Pumpstrom-Kennlinie dargestellt, welche für die gezielte Regelung eingesetzt wird.As described above, the sensor elements 210 according to the invention can thus be used as lean-burn lean-load sensors due to their construction with the "fuel gas-blind" pump anode 216. At the same time, however, a targeted control of rich operating be possible, for example, for a time-limited regeneration of a catalyst. Accordingly, the system according to the invention has an electronic control device 510, the mode of operation of which is to be explained with reference to FIGS. 5 and 6. Here, FIG. 5 shows a sensor element 210 according to the invention and a control device 510, wherein a sensor element structure is used which substantially corresponds to the exemplary embodiment according to FIG. Accordingly, with respect to this structure, reference may be made to the above description. However, other types of sensor elements 210 with "fuel gas-blind" pump anode 216 can also be used according to the invention. <br/> FIG. 6 shows a pump current characteristic which is used for targeted control.
Die Steuervorrichtung 510 gemäß Figur 5 ist zunächst ausgestaltet, um in einem Magerrege- lungszustand im mageren Bereich 114 die lineare Pumpstrom-Kennlinie für eine Breitband- Regelung auszunutzen. Dabei wird eine Pumpspannungsquelle 512 eingesetzt, um eine Pumpspannung zwischen Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 anzulegen. In diesem Fall fungiert die „Pumpanode" 216 tatsächlich als Anode beim Pumpvorgang, wird also mit einer positiven Pumpspannung Up beaufschlagt. Mittels einer Pumpstrom-Messvorrichtung 514 wird der Pumpstrom Ip gemessen, welcher durch die durch Pumpanode 216, Pumpkathode 218 und Festelektrolyten 214 gebildete Pumpzelle 516 fließt. Aus der eindeutigen und linearen Kennlinie im mageren Bereich 114 (siehe Figur 6) kann eindeutig auf einen λ-Wert rückgeschlossen werden. So kann die Steuervorrichtung 510 beispielsweise eine Steuerelektronik 518 umfassen, welche die Pumpspannungsquelle 512 und die Pumpstrom-Messvorrichtung 514 ansteuert und/oder ausliest. Diese Steuerelektronik 518 kann beispielsweise ein Regelsignal 520 erzeugen, welches der Luftzahl entspricht und dieses an weitere Komponenten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eine Motorsteuerung, weiterleiten. Umgekehrt kann die Steuerelektronik 518 über entsprechende Ansteuersignale 522 angesteuert werden, beispielsweise um zwischen den verschiedenen Betriebszuständen umzuschalten.The control device 510 according to FIG. 5 is initially designed in order to utilize the linear pump current characteristic for a broadband control in a lean control state in the lean region 114. In this case, a pump voltage source 512 is used to apply a pumping voltage between pump anode 216 and pump cathode 218. In this case, the "pump anode" 216 actually functions as an anode during the pumping process, so is applied with a positive pump voltage U p. By means of a pump current-measuring device 514, the pump current I p is measured, which is indicated by the pump anode 216, pump cathode 218 and solid electrolyte 214 6 can clearly be deduced from the unambiguous and linear characteristic curve in the lean region 114. For example, the control device 510 may comprise an electronic control unit 518 comprising the pumping voltage source 512 and the pumping current measuring device This control electronics 518 can, for example, generate a control signal 520 which corresponds to the air ratio and forward it to other components of the internal combustion engine, for example a motor control. Conversely, the control electronics 518 can be activated via corresponding control signals 522, for example is to switch between the different operating states.
Neben dem beschriebenen Magerregelungszustand existiert mindestens ein weiterer Betriebszustand, nämlich ein Fettregelungszustand, in welchem ein bestimmter λ-Wert < 1 eingeregelt werden soll. Bei λ- Werten < 1, also bei einem Sauerstoff-Unterschuss im Vergleich zum stö- chiometrischen (d.h. λ = 1 -Gemisch) stellt sich in der Pumpzelle 516 aufgrund des Sauerstoff- Konzentrationsgefälles zwischen Anodehohlraum 238 und Kathodenhohlraum 226 eine Nernst-Spannung zwischen Pumpanode 216 und Pumpkathode 218 ein, welche der oben be- schriebenen Pumpspannung entgegen gesetzt gerichtet ist. Die „Pumpzelle" 516 bildet in diesem Fall eine Nernst-Zelle, in welcher die „Pumpkathode" 218 nunmehr als Nernst-Anode fungiert und die „Pumpanode" 216 als Nernst-Kathode. Aufgrund der bekannten Eigenschaften der Pumpzelle 516 lässt sich für jeden λ-Wert diese Nernst- Spannung berechnen oder auch experimentell ermitteln.In addition to the described lean control state there exists at least one further operating state, namely a rich control state, in which a specific λ value <1 is to be regulated. At λ values <1, ie at an oxygen deficit in comparison to the stoichiometric (ie λ = 1 mixture), a Nernst voltage arises between the pump anode in pump cell 516 due to the oxygen concentration gradient between anode cavity 238 and cathode cavity 226 216 and pump cathode 218, which is the one described above. written pumping voltage is set opposite. The "pump cell" 516 in this case forms a Nernst cell in which the "pump cathode" 218 now acts as a Nernst anode and the "pump anode" 216 as a Nernst cathode Value calculate this Nernst voltage or determine it experimentally.
Soll ein bestimmter λ-Wert < 1 (Regelungspunkt) eingestellt werden, so wird nun durch die Steuervorrichtung 510 mittels der Pumpspannungsquelle 512 eine Spannung zwischen Pumpkathode 218 und Pumpanode 216 angelegt, welche dem Betrag nach gerade der Nernst- Spannung entspricht, die dem gewünschten λ-Wert entspricht, welche der Nernst-Spannung jedoch gerade entgegen gesetzt gerichtet ist. Die Pumpspannung Up kompensiert somit am Regelungspunkt die Nernst-Spannung UN. Genau am Regelungspunkt fließt daher kein Strom zwischen den beiden Elektroden 216, 218. Der Regelungspunkt wird dann durch Null (kein Stromfluss) und Minus (geringer Pumpstrom in entgegen gesetzter Richtung zum „Mager- pumpstrom") erkannt. Zwischen den Pumpelektroden 216, 218 liegt eine effektive Pumpspannung Ueff an, die sich aus der Differenz der angelegten Pumpspannung Up und der Nernst-Spannung UN ergibt:
Figure imgf000017_0001
If a specific λ value <1 (control point) is set, a voltage is now applied by the control device 510 by means of the pump voltage source 512 between pump cathode 218 and pump anode 216, which corresponds in magnitude to the Nernst voltage which corresponds to the desired λ Value, which is, however, directed just opposite to the Nernst voltage. The pumping voltage U p thus compensates for the Nernst voltage U N at the control point. Exactly at the control point, therefore, no current flows between the two electrodes 216, 218. The control point is then identified by zero (no current flow) and minus (low pumping current in the opposite direction to the "lean pumping current".) Between the pumping electrodes 216, 218 an effective pump voltage U eff , which results from the difference between the applied pump voltage U p and the Nernst voltage U N :
Figure imgf000017_0001
Mittels dieses „Null-Minus-Schalters" lässt sich beispielsweise ein für eine Regeneration eines Katalysators und/oder Filters in einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Diesel- Kraftfahrzeug, erforderlicher λ-Wert im Bereich zwischen 1,0 > λ > 0,9 ansteuern. So ist beispielsweise in Figur 6 ein Regelungspunkt 610 bei λ = 0,9 gewählt. Dementsprechend wird eine Pumpspannung Up eingestellt, welche gerade der Nernst-Spannung UN für den Regelungspunkt λ = 0,9 entspricht. In Figur 6 zeigt dabei der durchgezogene Graph 612 die theoretische Pumpstrom-Kennlinie bei hoher Spannung Up, bei Pumpspannungen, welche weit oberhalb der Nernst-Spannung UN liegen. Der gestrichelt dargestellte Graph 614 zeigt hingegen die Pumpstrom-Kennlinie bei einer Pumpspannung Up, welche gerade der Nernst- Spannung UN für λ = 0,9 entspricht. Sinkt λ vom mageren Bereich 114 ausgehend unter λ = 1 ab, so ist zunächst kein Pumpstrom zu messen, da die effektive Pumpspannung Ues noch positiv ist und da, wie oben beschrieben, an der Pumpanode 216 keine Brenngasreaktionen stattfinden können. Ab λ = 0,9 wird dann, bei kleiner werdenden λ- Werten, die effektive Pump- - - spannung Ueff negativ, da die Nernst-Spannung UN die Pumpspannung Up überkompensiert. Es wird folglich ein Strom gemäß der Richtung des elektrischen Potentials, bestimmt durch die Nernst-Spannung, gemessen, welcher mittels der Pumpstrom-Messvorrichtung wahrnehmbar ist. Dieser Strom ist entgegen gesetzt zur Stromrichtung im Magerbetrieb und wird daher als negativer Pumpstrom verzeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Betriebsweise auch derart modifiziert werden, dass anstelle des Stromes Spannungsänderungen an den E- lektroden erfasst werden.By means of this "zero-minus switch", for example, a required λ-value in the range between 1.0>λ> 0.9 for a regeneration of a catalyst and / or filter in an internal combustion engine, in particular in a diesel motor vehicle For example, a control point 610 is selected at λ = 0.9 in Figure 6. Accordingly, a pump voltage U p is set, which corresponds to the Nernst voltage U N for the control point λ = 0.9 solid graph 612 shows the theoretical pump current characteristic at high voltage U p , at pump voltages which are far above the Nernst voltage U N. Graph 614 shown in dashed lines, on the other hand, shows the pump current characteristic at a pump voltage U p , which is precisely the Nernst voltage. voltage U N for λ = 0.9 corresponds. drops from λ from the lean region 114 starting at λ = 1, then no pumping current is first measured, since the effective pump voltage U e s still positive and, as described above, at the pump anode 216 no fuel gas reactions can take place. From λ = 0.9, as the λ values become smaller, the effective pumping - - Voltage U eff negative, since the Nernst voltage U N overcompensates the pump voltage U p . Consequently, a current is measured according to the direction of the electric potential determined by the Nernst voltage, which is perceptible by the pump current measuring device. This current is opposite to the current direction in lean operation and is therefore recorded as a negative pumping current. Alternatively or additionally, the mode of operation can also be modified in such a way that voltage changes on the electrodes are detected instead of the current.
Die Steuervorrichtung 510 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass diese sich mittels eines Ansteuersignals 522 zwischen den beiden Betriebzuständen umschalten lässt. Auch können, beispielsweise in einem elektronischen Datenspeicher 524, verschiedene Regelungspunkte 610 vorgegeben sein, beispielsweise in Form von Pumpspannungen, welche gerade bestimmten λ- Werten entsprechen. Beispielsweise kann dies in Form einer elektronischen Tabelle erfolgen. By way of example, the control device 510 can be configured such that it can be switched over between the two operating states by means of a drive signal 522. Also, for example, in an electronic data memory 524, various control points 610 may be predetermined, for example in the form of pump voltages which correspond to particular λ values. For example, this can be done in the form of an electronic table.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Messung einer Gaskomponente eines Gasgemischs in mindestens einem Gasraum (212) mittels eines Sensorelements (210), welches mindestens eine erste Elektrode (218), mindestens eine zweite Elektrode (216) und mindestens einen die mindestens eine erste Elektrode (218) und die mindestens eine zweite Elektrode (216) verbindenden Festelektrolyten (214) aufweist, wobei die mindestens eine erste Elektrode (218) mit dem Gasgemisch aus dem mindestens einen Gasraum (212) beaufschlagbar ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (216) mit mindestens einem vom Gasraum (212) getrennten Referenzgasraum (242) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Fettregelungszustand das Sensorelement (210) in einem fetten Bereich (112) des Gasgemischs betrieben wird, wobei die Gaskomponente in dem fetten Bereich (112) in einem stöchiometrischen Unterschuss vorliegt, wobei ein Regelungspunkt (610) des1. A method for measuring a gas component of a gas mixture in at least one gas space (212) by means of a sensor element (210), which at least one first electrode (218), at least one second electrode (216) and at least one at least one first electrode (218) and the at least one second electrode (216) connecting solid electrolyte (214), wherein the at least one first electrode (218) is acted upon by the gas mixture from the at least one gas space (212) and wherein the at least one second electrode (216) with at least a reference gas space (242) separated from the gas space (212), characterized in that in at least one rich control state the sensor element (210) is operated in a rich region (112) of the gas mixture, the gas component in the rich region (112) being in is a stoichiometric deficit, wherein a control point (610) of the
Gasgemischs eingestellt wird, wobei die nachzuweisende Gaskomponente in dem Regelungspunkt (610) in einer vorgegebenen Konzentration vorliegt, wobei dem Regelungszustand eine Regel-Nernst-Spannung zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (218) und der mindestens einen zweiten Elektrode (216) entspricht und wobei die min- destens eine erste Elektrode (218) und die mindestens eine zweite Elektrode (216) mit einer Regel-Pumpspannung beaufschlagt werden, welche der Regel-Nernst-Spannung entgegengerichtet ist, wobei mindestens ein Pumpstromsignal zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (218) und der mindestens einen zweiten Elektrode (216) gemessen wird.Gas mixture is adjusted, wherein the gas component to be detected in the control point (610) is present in a predetermined concentration, the control state corresponds to a control Nernst voltage between the at least one first electrode (218) and the at least one second electrode (216) and the at least one first electrode (218) and the at least one second electrode (216) are supplied with a control pump voltage which is opposite to the control Nernst voltage, at least one pump current signal being connected between the at least one first electrode (218). and the at least one second electrode (216) is measured.
2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch zusätzlich einen Magerregelungszustand, in welchem das Sensorelement (210) in einem mageren Bereich (114) des Gasgemischs betrieben wird, wobei die Gaskomponente in dem mageren Bereich (114) in einem stöchiometrischen Überschuss vorliegt, wobei die mindestens zwei Elektroden (216, 218) mit einer Pumpspannung beaufschlagt werden und wobei mindestens ein Pumpstromsignal zwischen der mindestens einen ersten Elektrode (218) und der mindestens einen zweiten Elektrode (216) gemessen wird. - o-A method according to the preceding claim, characterized by additionally a lean control state in which the sensor element (210) is operated in a lean region (114) of the gas mixture, wherein the gas component in the lean region (114) is in a stoichiometric excess, the at least two electrodes (216, 218) are subjected to a pumping voltage and wherein at least one pumping current signal is measured between the at least one first electrode (218) and the at least one second electrode (216). - o-
3. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (210) im Grenzstrombetrieb betrieben wird.3. The method according to one of the two preceding claims, characterized in that the sensor element (210) is operated in the limiting current operation.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Regelsignal (520) zur Veränderung der Gasgemischszusammensetzung in dem Gasraum (212) erzeugt wird, wobei in dem mindestens einen Fettregelungszustand das Regelsignal (520) ausgestaltet ist, um eine Erhöhung der Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Gasgemisch zu bewirken, wenn das mindestens eine Pumpstromsignal von Null verschieden ist, und um keine Veränderung der Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in dem Gasgemisch zu bewirken, wenn das mindestens eine Pumpstromsignal Null ist.4. Method according to claim 1, characterized in that at least one control signal (520) is generated for changing the mixed gas composition in the gas space (212), wherein in the at least one rich control state the control signal (520) is designed to increase the gas flow rate Concentration of the detected gas component in the gas mixture to cause when the at least one pumping current signal is different from zero, and to cause no change in the concentration of the gas component to be detected in the gas mixture, when the at least one pumping current signal is zero.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Regel-Pumpspannung in mindestens einer Tabelle, insbesondere einer elektronischen Tabelle, abrufbar gespeichert ist.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one control pump voltage in at least one table, in particular an electronic table, is stored retrievable.
6. Verfahren (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Elektrode (216) über mindestens einen Abluftkanal (240) mit dem mindestens einem Referenzgasraum (242) verbunden ist.6. Method (210) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one second electrode (216) is connected to the at least one reference gas space (242) via at least one exhaust air duct (240).
7. Verfahren (210) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der der mindestens eine Abluftkanal (240) mindestens ein poröses Füllelement (244) aufweist, insbesondere mindestens ein poröses Füllelement (244) auf Al2θ3-Basis.7. Method (210) according to the preceding claim, characterized in that the at least one exhaust duct (240) has at least one porous filling element (244), in particular at least one porous filling element (244) based on Al 2 O 3.
8. Verfahren (210) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abluftkanal (240) mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: der mindestens eine Abluftkanal (240) weist eine rechteckige Querschnittsfläche auf; der mindestens eine Abluftkanal (240) weist eine Länge im Bereich von 1 mm bis 50 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 mm bis 30 mm, auf; der mindestens eine Abluftkanal (240) weist eine Querschnittsfläche im Bereich von 0,001 mm2 bis 1 mm2, vorzugsweise von 0,01 bis 0,1 mm2, auf; der mindestens eine Abluftkanal (240) weist eine Querschnittsfläche auf, wobei das Verhältnis der Querschnittsfläche zur Fläche der mindestens einen ersten Elektrode (216) im Bereich zwischen 2 und 0,01, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,3 und 0,05, liegt.8. The method (210) according to one of the two preceding claims, characterized in that the at least one exhaust duct (240) has at least one of the following properties: the at least one exhaust duct (240) has a rectangular cross-sectional area; the at least one exhaust duct (240) has a length in the range of 1 mm to 50 mm, preferably in the range of 10 mm to 30 mm; the at least one exhaust duct (240) has a cross-sectional area in the range from 0.001 mm 2 to 1 mm 2 , preferably from 0.01 to 0.1 mm 2 ; the at least one exhaust air duct (240) has a cross-sectional area, the ratio of the cross-sectional area to the area of the at least one first electrode (216) being in the range between 2 and 0.01, preferably in the range between 0.3 and 0.05.
9. Verfahren (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Elektrode (216) im Inneren des Sensorelementes (210) angeordnet ist und von dem Gasraum (212) durch mindestens eine gasundurchlässige Schicht (214) getrennt ist.9. Method (210) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one second electrode (216) is arranged in the interior of the sensor element (210) and is separated from the gas space (212) by at least one gas-impermeable layer (214) ,
10. Verfahren (210) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die mindestens eine erste Elektrode (218) im Inneren des Sensorelements (210) angeordnet ist und mit dem Gasraum (212) über mindestens ein Gaszutritts loch (228) verbunden ist.10. The method (210) according to the preceding claim, characterized in that in addition the at least one first electrode (218) in the interior of the sensor element (210) is arranged and with the gas space (212) via at least one gas inlet hole (228) is connected ,
11. Verfahren (210) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden (216, 218) mindestens eine der nachfolgenden Ausgestaltungen aufweisen: die mindestens eine erste Elektrode (218) weist mindestens einen ersten Elektroden- hohlraum (226) auf, welcher mit der mindestens einen ersten Elektrode (218) in Verbindung steht; die mindestens eine zweite Elektrode (216) weist mindestens einen zweiten Elektrodenhohlraum (238) auf, welcher mit der mindestens einen zweiten Elektrode (216) in Verbindung steht; - die mindestens eine erste Elektrode (216) ist von dem Gasraum (212) durch mindestens eine Diffusionsbarriere (230) getrennt; mindestens eine der mindestens einen ersten Elektrode (218) und der mindestens einen zweiten Elektrode (216) ist mehrteilig ausgebildet mit mindestens einer ersten Teilelektrode (222, 224; 310, 312) und mindestens einer zweiten Teilelektrode (222, 224; 310, 312), wobei die mindestens eine erste Teilelektrode (222, 224; 310, 312) mindestens eine erste Teilschicht des mindestens einen Festelektrolyten (214) kontaktiert und wobei die mindestens eine zweite Teilelektrode (222, 224; 310, 312) mindestens eine zweite Teilschicht des mindestens einen Festelektrolyten (214) kontaktiert. 11. The method (210) according to claim 1, wherein the at least two electrodes (216, 218) have at least one of the following configurations: the at least one first electrode (218) has at least one first electrode cavity (226) which communicates with the at least one first electrode (218); the at least one second electrode (216) has at least one second electrode cavity (238) in communication with the at least one second electrode (216); - The at least one first electrode (216) is separated from the gas space (212) by at least one diffusion barrier (230); at least one of the at least one first electrode (218) and the at least one second electrode (216) is formed in several parts with at least one first partial electrode (222, 224; 310, 312) and at least one second partial electrode (222, 224; 310, 312) wherein the at least one first sub-electrode (222, 224; 310, 312) contacts at least a first sub-layer of the at least one solid electrolyte (214) and wherein the at least one second sub-electrode (222, 224; 310, 312) comprises at least a second sub-layer of the at least contacted a solid electrolyte (214).
12. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 2-11 zur Regelung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Dieselkraftmaschine, wobei das Kraftfahrzeug mindestens einen Katalysator und/oder Filter zur Verminde- rung des Schadstoffausstoßes aufweist, wobei im Normalbetrieb des Kraftfahrzeuges der12. Use of a method according to any one of claims 2-11 for controlling an internal combustion engine of a motor vehicle, in particular a diesel engine, wherein the motor vehicle has at least one catalyst and / or filter for reducing the pollutant emissions, wherein in normal operation of the motor vehicle of the
Magerregelungszustand verwendet wird und wobei in mindestens einem Regenerationsbetrieb des mindestens einen Katalysators und/oder Filters der mindestens eine Fettrege- lungszustand verwendet wird.The lean control state is used and wherein in at least one regeneration operation of the at least one catalyst and / or filter, the at least one rich state is used.
13. Elektronische Steuervorrichtung (510) zur Messung einer Gaskomponente eines Gasgemischs in mindestens einem Gasraum (212), wobei die elektronische Steuervorrichtung (510) Mittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-11 aufweist.13. An electronic control device (510) for measuring a gas component of a gas mixture in at least one gas space (212), wherein the electronic control device (510) comprises means for performing a method according to one of claims 1-11.
14. System zur Messung einer Gaskomponente eines Gasgemischs in mindestens einem Gasraum (212), aufweisend mindestens ein Sensorelement (210), welches mindestens eine erste Elektrode (218), mindestens eine zweite Elektrode (216) und mindestens einen die mindestens eine erste Elektrode (218) und die mindestens eine zweite Elektrode (216) verbindenden Festelektrolyten (214) aufweist, wobei die mindestens eine erste Elektrode (218) mit dem Gasgemisch aus dem mindestens einen Gasraum (212) beaufschlagbar ist und wobei die mindestens eine zweite Elektrode (216) mit mindestens einem vom Gasraum (212) getrennten Referenzgasraum (242) verbunden ist; und mindestens eine elektronische Steuervorrichtung (510) gemäß dem vorhergehenden Anspruch. 14. System for measuring a gas component of a gas mixture in at least one gas space (212), comprising at least one sensor element (210), which has at least one first electrode (218), at least one second electrode (216) and at least one at least one first electrode ( 218) and the at least one second electrode (216) connecting solid electrolyte (214), wherein the at least one first electrode (218) is acted upon by the gas mixture from the at least one gas space (212) and wherein the at least one second electrode (216) is connected to at least one reference gas space (242) separate from the gas space (212); and at least one electronic control device (510) according to the preceding claim.
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008002735A1 (en) 2008-06-27 2009-12-31 Robert Bosch Gmbh Sensor element of a lambda probe
DE102008002734A1 (en) 2008-06-27 2009-12-31 Robert Bosch Gmbh lambda probe
DE102008043124A1 (en) 2008-10-23 2010-04-29 Robert Bosch Gmbh Lambda sensor diagnosing method for internal combustion engine i.e. diesel engine, involves presetting diagnostic pumping voltages in relation to operating pumping voltage, and determining condition of sensor from diagnostic pumping current
DE102009045446A1 (en) 2009-10-07 2011-04-14 Robert Bosch Gmbh Lambda probe operating method and apparatus for carrying out the method
DE102009045445A1 (en) 2009-10-07 2011-04-14 Robert Bosch Gmbh Lambda probe operating method and apparatus for carrying out the method
DE102010040813A1 (en) * 2010-09-15 2012-03-15 Robert Bosch Gmbh Sensor element for detecting a property of a gas in a sample gas space
CN102954993B (en) * 2011-08-29 2015-07-22 比亚迪股份有限公司 Oxygen sensor and preparation method thereof
JP5962413B2 (en) * 2012-10-09 2016-08-03 トヨタ自動車株式会社 Gas sensor
DE102014200068A1 (en) * 2014-01-07 2015-07-09 Robert Bosch Gmbh Method and device for diagnosing the measuring capability of an exhaust gas probe
DE102014200063A1 (en) * 2014-01-07 2015-07-09 Robert Bosch Gmbh Method and device for monitoring the fat gas measuring capability of an exhaust gas probe
CN105973965B (en) * 2016-05-06 2018-06-29 武汉科技大学 Double cell current mode Oxynitride sensor chip and preparation method
DE102017209300A1 (en) * 2017-06-01 2018-12-06 Robert Bosch Gmbh Method for determining a state of at least one component of a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space
DE102017219449A1 (en) 2017-10-30 2019-05-02 Robert Bosch Gmbh Absaugaufsatz
DE102018206765A1 (en) * 2018-05-02 2019-11-07 Robert Bosch Gmbh A method of operating a sensor to detect at least a portion of a sample gas component having bound oxygen in a sample gas
CN113777146A (en) * 2021-07-28 2021-12-10 深圳顺络电子股份有限公司 Nitrogen oxide sensor and chip thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19923044A1 (en) * 1999-05-20 2000-11-23 Bosch Gmbh Robert Process for the defined lean/rich control of a combustion mixture for operating a NOx storage catalyst used in an IC engine comprises determining the nitrogen oxides concentration and the oxygen concentration using the same gas sensor
DE10115872A1 (en) * 2001-03-30 2002-10-17 Bosch Gmbh Robert Gas sensor for determining physical quantity of gas component, e.g., IC engine exhaust gas, comprises sensor element including electrochemical cell(s) having first, second, and third electrodes
DE10157733A1 (en) * 2001-11-24 2003-06-12 Bosch Gmbh Robert Sensor for determining the concentration of a gas component in a gas mixture
DE10156248C1 (en) * 2001-11-15 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Gas sensor for measuring concentration of component in gas mixture e.g. oxygen in exhaust gas of internal combustion engine, comprises solid electrolyte, diffusion barrier and electrodes
US20050133381A1 (en) * 2003-12-17 2005-06-23 Kerns James M. Dual mode oxygen sensor

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2885336B2 (en) 1994-04-21 1999-04-19 日本碍子株式会社 Method and apparatus for measuring NOx concentration in gas to be measured
DE19623212A1 (en) * 1996-06-11 1997-12-18 Bosch Gmbh Robert Sensor for determining the concentration of oxidizable components in a gas mixture
JP3855483B2 (en) 1998-08-25 2006-12-13 株式会社デンソー Stacked air-fuel ratio sensor element
JP2005331489A (en) 2003-07-25 2005-12-02 Denso Corp Method for manufacturing ceramic laminate
JP4653546B2 (en) 2004-06-14 2011-03-16 株式会社デンソー Gas sensor element
CN100462535C (en) * 2004-09-17 2009-02-18 株式会社日立制作所 Exhaust gas sensor activation judgment and air fuel ratio control system/method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19923044A1 (en) * 1999-05-20 2000-11-23 Bosch Gmbh Robert Process for the defined lean/rich control of a combustion mixture for operating a NOx storage catalyst used in an IC engine comprises determining the nitrogen oxides concentration and the oxygen concentration using the same gas sensor
DE10115872A1 (en) * 2001-03-30 2002-10-17 Bosch Gmbh Robert Gas sensor for determining physical quantity of gas component, e.g., IC engine exhaust gas, comprises sensor element including electrochemical cell(s) having first, second, and third electrodes
DE10156248C1 (en) * 2001-11-15 2003-06-18 Bosch Gmbh Robert Gas sensor for measuring concentration of component in gas mixture e.g. oxygen in exhaust gas of internal combustion engine, comprises solid electrolyte, diffusion barrier and electrodes
DE10157733A1 (en) * 2001-11-24 2003-06-12 Bosch Gmbh Robert Sensor for determining the concentration of a gas component in a gas mixture
US20050133381A1 (en) * 2003-12-17 2005-06-23 Kerns James M. Dual mode oxygen sensor

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