WO2009156008A1 - Sensorelement einer lambdasonde - Google Patents

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WO2009156008A1
WO2009156008A1 PCT/EP2008/066419 EP2008066419W WO2009156008A1 WO 2009156008 A1 WO2009156008 A1 WO 2009156008A1 EP 2008066419 W EP2008066419 W EP 2008066419W WO 2009156008 A1 WO2009156008 A1 WO 2009156008A1
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WO
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sensor element
electrode
element according
gas channel
oxygen
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/066419
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English (en)
French (fr)
Inventor
Goetz Reinhardt
Henrico Runge
Holger Reinshagen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
    • G—PHYSICS
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure
    • G01N27/4072—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure characterized by the diffusion barrier

Definitions

  • the invention relates to a sensor element of a lambda probe according to the preamble of the independent claim, which is particularly suitable for detecting the Abgaslamb- which is suitable in an exhaust passage of an internal combustion engine.
  • lambda is the ratio between an actually offered air mass and a theoretically required air mass, the stoichiometric air mass.
  • rich gas mixtures ie gas mixtures with a fuel surplus
  • lean gas mixtures ie gas mixtures with an excess air
  • a broadband lambda probe which has a measuring gas cavity, which is connected to the exhaust to be examined via a diffusion barrier.
  • an inner pumping electrode is arranged, which forms a pump cell with an outer, the exhaust gas exposed pump electrode and a lying between the pump electrodes oxygen ion conductive solid electrolyte.
  • oxygen ions can be pumped through the solid electrolyte from the sample gas cavity or into the sample gas cavity.
  • a measuring cell which is located between the inner pumping electrode and a reference gas electrode. The inner pumping electrode and the reference gas electrode are also separated from each other by an oxygen ion-conducting solid electrolyte.
  • the reference gas electrode is arranged in a reference gas channel.
  • the measuring cell corresponds to a Nernst cell, in which the potential difference forming in the thermodynamic equilibrium between the inner pumping electrode and the reference electrode is proportional to the logarithm of the ratio of the partial pressure of the gas to be investigated in the sample gas cavity and the partial pressure of the air in the reference gas channel.
  • a circuit arrangement provides for this purpose a pumping voltage, which is applied to the outer pumping electrode.
  • the pumping voltage leads to a pumping current.
  • the self-adjusting pumping current is a measure of the exhaust lambda.
  • a lambda probe which is simpler than the previously described lambda probe is indicated, in which the outer pumping electrode is dispensed with.
  • the simple low-cost lambda probe is suitable, in particular, for lambda measurement of the lambda in an exhaust gas duct of a lean-burn internal combustion engine.
  • the lambda probe contains a first electrode and a second electrode, which are connected to one another via an oxygen ion-conducting solid electrolyte.
  • the first, arranged in a measuring gas cavity electrode is connected via a diffusion barrier with the exhaust gas to be examined.
  • the second electrode is arranged in a reference gas channel.
  • the reference gas channel may be filled with an oxygen-permeable porous filler.
  • the known lambda probe is realized as a limit current Magersonde, in which a
  • the effective pumping voltage occurring between the boundary layers behind the electrodes for the negative oxygen ions during the transition from rich to lean or conversely a sign change so that the negative oxygen ions in lean exhaust gas from the first to the second electrode and be transported with rich exhaust from the second to the first electrode.
  • the invention has for its object to provide a sensor element of a lambda probe, which is suitable for detecting the Abgaslambda in an exhaust passage of an internal combustion engine, the engine is on the one hand lean and on the other hand, at least temporarily operated fat.
  • the sensor element according to the invention of a lambda probe for measuring the exhaust gas lambda in an exhaust gas duct of an internal combustion engine is based on a first electrode arranged in a measuring gas cavity and a second electrode arranged in a reference gas duct which conducts via an oxygen ion
  • Solid electrolytes are connected.
  • a specifically formed oxygen reservoir is provided in the reference gas channel, which has a flow path to the exhaust gas channel.
  • the targeted formation of the oxygen storage means that measures are taken which at least temporarily ensure the storage of oxygen in the reference gas channel or at least the provision of oxygen at the second electrode.
  • the flow path to the exhaust passage allows oxygen transport, in particular in the case of an oxygen overpressure in the oxygen storage.
  • the flow path to the exhaust duct can be provided in a simple manner in the structure of the lambda probe.
  • the measure provided according to the invention increases the degree of freedom in the realization of the lambda probe. The realization is thereby not limited to a flow path which opens into the ambient air, which, however, may additionally be provided.
  • the oxygen storage device provides oxygen at least for a certain measuring time, which during the measurement in the rich exhaust gas at lambda ⁇ 1 can be pumped back from the reference gas channel into the measuring gas cavity through the solid electrolyte. As a result, at least for the specific measuring time with a rich exhaust gas can be measured.
  • the measuring time depends on the available oxygen at the second electrode.
  • the sensor element of the lambda probe according to the invention is particularly suitable for lambda measurement in the exhaust duct of an internal combustion engine, which is operated mainly lean, but which is temporarily operated in bold or at least stoichiometric.
  • an operation of the internal combustion engine is provided, in particular, if exhaust gas purification devices, such as, for example, an NO x storage catalytic converter or a particle filter, are arranged in the exhaust gas duct.
  • exhaust gas purification devices such as, for example, an NO x storage catalytic converter or a particle filter
  • Hydrocarbons may exothermically react in the exhaust passage with, for example, residual oxygen present in the exhaust gas to heat exhaust purification devices such as NO x storage catalysts, particulate filters, and the like, or may be used to regenerate emission control devices such as NO x storage catalysts.
  • the sensor element of the lambda probe according to the invention thus makes it possible to control the lambda not only in the lean region, but also in the rich or at least stoichiometric lambda region at least for the specific measuring time.
  • a first embodiment provides that the flow path to the exhaust gas channel opens on the front side of the sensor element facing the exhaust gas channel.
  • Alternatives, which may also be provided in addition, provide that the flow path to Exhaust duct opens on the top and / or bottom and / or on at least one side surface of the sensor element.
  • An embodiment provides that the oxygen storage is adjacent to the second electrode. If the oxygen storage is provided adjacent to the second electrode, the oxygen stored in the demand is immediately available for the pumping process in the specification of a rich lambda.
  • the reference gas channel contains an oxygen storage cavity and that a flow resistance is provided at the output end of the reference gas channel.
  • a flow resistance is provided at the output end of the reference gas channel.
  • an oxygen overpressure can be built up during the lean operation of the internal combustion engine.
  • a loss of oxygen is throttled by the flow resistance.
  • a particularly simple realization of this embodiment provides that the oxygen storage cavity has a larger cross section of the reference gas channel and that the flow resistance is realized accordingly by a smaller cross section.
  • the reference gas channel contains an oxygen storage cavity, which is realized by an oxygen storage channel closed on one side, the opening of which is provided in the region of the second electrode.
  • One embodiment provides that the flow path to the exhaust gas duct begins in the region of the end of the oxygen storage cavity facing away from the second electrode.
  • a development provides that the flow resistance and / or the reference gas channel are at least partially realized with an exhaust diffusion barrier.
  • the exhaust diffusion barrier prevents the ingress of contaminants into the reference gas channel.
  • an oxygen storage diffusion barrier may be provided which, for example, has a high porosity for storing oxygen diffusion barrier. fabric. The oxygen storage is thereby at least partially realized by the oxygen storage diffusion barrier.
  • a further development of this measure provides that an oxygen-containing cavity is additionally provided, which adjoins the second electrode. As a result, if necessary, oxygen is available very quickly.
  • Another development of this measure provides that the volume provided for the oxygen storage diffusion barrier is greater than that for the exhaust diffusion barrier. With this measure, the volume made available for the oxygen storage can be varied.
  • the oxygen storage contains a material that stores oxygen by adsorption or absorption.
  • a material is, for example, a non-stoichiometric oxide such as doped CeO 2 - x or
  • Lai x Sr x Fe y C ⁇ i- y O 3 - d Such a non-stoichiometric oxide stores oxygen via a chemical reaction.
  • the exhaust diffusion barrier but preferably the oxygen storage diffusion barrier, may at least partially contain the oxygen-storing material.
  • An embodiment provides that the oxygen-storing material is applied at least on a part of the surface of the reference gas channel.
  • An additional or alternative measure provides that the material is applied to the second electrode or that the second electrode contains the material.
  • FIG. 1 shows a technical environment in which a lambda probe can be used
  • FIG. 2 shows a lambda probe known from the prior art in an operating state at an air ratio lambda> 1,
  • FIG. 3 shows the lambda probe known from the prior art in an operating state at an air ratio lambda ⁇ 1,
  • FIG. 4 shows a sensor element according to the invention of a lambda probe with an oxygen storage cavity and a flow resistance
  • FIG. 5 shows the sensor element with an oxygen storage cavity, cutting lines A '- A "and B' - B" being indicated,
  • FIG. 6 shows a cross section through the sensor element along that in FIG.
  • FIG. 7 shows a cross section through the sensor element along that in FIG.
  • FIG. 8 shows the sensor element with a channel formed oxygen storage cavity
  • FIG. 9 shows the sensor element shown in FIG. 8 with different ones
  • FIG. 10 shows the sensor element with an exhaust diffusion barrier and an additional oxygen storage diffusion barrier
  • FIG. 11 shows the sensor element shown in FIG. 10 with an additional one
  • FIG. 12 shows a channel formed oxygen storage cavity, which is arranged in a further plane of the sensor element
  • FIG. 13 shows the sensor element in which the oxygen reservoir is at least partially realized as oxygen-storing material and FIG. 14 shows the sensor element according to FIG. 13, in which the oxygen-storing material is assigned to the second electrode.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 2 in whose exhaust gas duct 4 a lambda probe 6 is arranged which contains a sensor element 10 according to the invention.
  • FIG. 2 shows the sensor element 10 of the lambda probe 6, which is exposed to an exhaust gas stream 12 of the internal combustion engine 2.
  • a portion of the exhaust gas passes through a supply air duct 14 and via an exhaust gas diffusion barrier 16 into a sample gas cavity 18, in which a first electrode 20 is arranged.
  • the first electrode 20 is connected via a oxygen ion-conducting solid electrolyte 22 to a second electrode 24 which is arranged in a reference gas channel 26, which leads via a flow path 80 to the ambient air.
  • the sample gas is connected via a oxygen ion-conducting solid electrolyte 22 to a second electrode 24 which is arranged in a reference gas channel 26, which leads via a flow path 80 to the ambient air.
  • Cavity 18 and the reference gas channel 26 and thus the two electrodes 20, 24 are separated by a gas-tight separation layer 32 from each other.
  • a heating element 34 is provided for heating the sensor element 10.
  • FIG. 2 shows the operation of the sensor element 10, especially in the case of a lean one
  • the two electrodes 20, 24 are connected to a pump voltage source not shown in detail, which provides a lean-operation pumping voltage UP, m, wherein the positive potential is applied to the second electrode 24.
  • the pump voltage source is set to 800 mV, for example.
  • a master operating Nernstschreib UN, m which is comparatively low and, for example, at 200 mV, wherein the positive potential at the second electrode 24 occurs.
  • the lean operation pumping voltage UP, m and the lean operating Nernstschreib UN, m are superimposed, so that between the two electrodes 20, 24 for the transport of oxygen ions an effective lean-burn
  • the lean operation pumping current IP, m is a limiting current that is proportional to the air ratio lambda, based on the stoichiometric value.
  • FIG. 3 shows the sensor element 10 of the lambda probe 6 shown in FIG. 2 in an operating state with a rich exhaust gas flow 12.
  • the voltage applied to the electrodes 20, 24 In order to achieve these potential ratios, the voltage applied to the electrodes 20, 24 In this case, a potential reversal in view of the fact that the rich operating Nernst voltage UN, f is at a comparatively high potential of, for example, 900 mV, is not absolutely necessary. Pumping voltage UPeff, f is already reached when the
  • the rich operation pumping current IP, f is also a limiting current, which is proportional to the air ratio lambda, based on the stoichiometric value.
  • the lean operation pumping current IP, m flows in the opposite direction compared to the lean operation pumping current IP, m.
  • the sensor element 10 of the lambda probe 6 according to the invention provides a specifically formed oxygen storage, which makes it possible to create a supply of oxygen. If required, ie in the rich operation of the sensor element 10 according to the invention, this oxygen is rapidly available to a sufficient extent for a specific operating time.
  • the specifically formed oxygen storage can be realized in different ways.
  • a first embodiment is shown in FIG. 4, in which the reference gas channel 26 contains an oxygen storage cavity 40 bounded by a flow resistance 42 which forms at least part of the flow path 80.
  • the flow resistance 42 may extend to the end of the flow path 80 according to a development.
  • the oxygen storage cavity 40 can be realized according to an embodiment by a larger cross section of the reference gas channel 26 in comparison to the cross section of the flow resistance 42 and the flow path 80.
  • the volume of the oxygen storage cavity 40 becomes the
  • the flow path 80 and / or the flow resistance 42 can be at least partially filled with an exhaust diffusion barrier 44, which further increases the effect of the flow resistance 42 and / or which prevents the ingress of dirt into the oxygen storage cavity 40 from the ambient air.
  • the output-side end of the reference gas channel 26 has at least one flow path according to the invention, not visible in FIG. 5, to the exhaust gas channel 4 of the internal combustion engine 2.
  • the at least one flow path opening in the exhaust duct 4 can be supplemented by the at least one flow path 80, which leads to the ambient air.
  • sectional lines A '- A "and B' - B" are entered.
  • FIG. 6 shows the sensor element 10 shown in FIG. 5 along the cutting line A '- A ".
  • a flow path 82 according to the invention is introduced which begins in the region of the second electrode 24 and which is located in the exhaust duct 4 of FIG Internal combustion engine 2 opens.
  • the flow path 82 accordingly opens onto a side surface 84a of the sensor element 10.
  • a plurality of flow paths 82 may be provided, wherein the flow paths 82 on one side and / or on the other side 84a, 84b of the
  • the flow path 82 may include a barrier that prevents ingress of dirt into the reference gas channel 26 and the oxygen storage cavity 40, respectively.
  • FIG. 5 shows the flow path 82.
  • a further flow path 86 is shown, which at the front end of the reference gas channel 26 in the region of the second electrode 24 begins and which opens on one side 84a, 84b and / or on the end face 88 of the sensor element 10 pointing to the exhaust duct 4.
  • the further reference gas duct 86 can likewise at least partially contain a barrier which prevents dirt from entering the reference gas duct 26 or the oxygen reservoir - Cavity 40 prevents.
  • FIG. 8 Another exemplary embodiment is shown in FIG. 8, in which the reference gas channel 26 is maintained largely unchanged from the reference gas channel known from the prior art, but an oxygen storage cavity 50 is provided, which is realized by an oxygen storage channel closed on one side, whose opening 52 is provided in the region of the second electrode 24.
  • At least one further flow path 90, 92 is provided which leads from the oxygen storage cavity 50 to the lower side 94a of the sensor element 10.
  • the further flow path 90 opens directly into the exhaust duct 4 of the internal combustion engine 2, while the further flow path 92 opens into a seal 96 which surrounds the sensor element 10 of the lambda probe 6.
  • the purpose of the seal 96 is to prevent or minimize the gas exchange between the exhaust gas and the ambient air.
  • the material of the seal 96 is such that an oxygen transport from the further flow path 92 to the exhaust duct 4 take place it can be assumed that the quantities of gas to be transported are low.
  • FIG. 10 A further exemplary embodiment is shown in FIG. 10, in which the reference gas channel 26 is at least partially filled with an exhaust diffusion barrier 60 and in which the oxygen storage cavity 40, 50 is additionally provided, which is filled with an oxygen storage diffusion barrier 62.
  • FIG. 11 A development of this exemplary embodiment is shown in FIG. 11, wherein in addition a further oxygen storage cavity 64 is provided, which adjoins the second electrode 24. According to one embodiment, it may be provided that the volume provided for the oxygen storage diffusion barrier 62 is greater than the volume for the exhaust diffusion barrier 60.
  • the oxygen storage cavity 40, 50 is realized in accordance with the exemplary embodiments shown in FIGS. 8 and 9 as an oxygen storage channel, which however is arranged in another plane of the sensor element 10.
  • the opening 52 of the oxygen storage channel is brought as far as the second electrode 24.
  • the oxygen storage is realized with a material 70 which stores oxygen by adsorption or absorption.
  • the material 70 is for example a non STOE chiometrisches oxide such as CeO 2 - x or x Sr x Lai FeyC ⁇ i-y 3 - d.
  • the material 70 is arranged in the oxygen storage cavity 40, 50, which optionally may additionally contain the oxygen storage diffusion barrier 62 and which may optionally have the oxygen storage cavity 64, in particular adjacent to the second electrode 24.
  • An alternative embodiment of the sensor element 10 shown in FIG. 14 provides that the material 70, which can store oxygen by adsorption or absorption, is assigned to the second electrode 24.
  • the material 70 is applied to the second electrode 24.
  • a highly electron-conducting, non-stoichiometric oxide such as Lai x Sr x FeyC ⁇ i-yO 3 -d is used as the material 70, the second Electrode 24 also be completely realized with the material 70 or in a mixture with ZrO 2 .
  • oxygen is pumped from the sample gas cavity 18 into the oxygen reservoir 40, 50, 62, 64, 70 of the reference gas channel 26 due to the pumping voltage UP, m.
  • an oxygen overpressure in the steady state lean operation of, for example, 2 bar to 30 bar in the oxygen reservoir 40, 50, 62 , 64, 70 can be achieved.
  • the overpressure between 2 bar and 10 bar is set.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Sensorelement (10) einer Lambdasonde (6) zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal (4) eines Verbrennungsmotors (2), das eine erste Elektrode (20) enthält, die in einem mit dem Abgaskanal (4) verbundenen Messgas-Hohlraum (18) angeordnet ist, das eine zweite Elektrode (24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (22) mit der ersten Elektrode (20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (26) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Sensorelement (10) zeichnet sich dadurch aus, dass im Referenzgaskanal (26) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) vorgesehen ist und dass der Referenzgaskanal (26) einen Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) zum Abgaskanal (4) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorelement einer Lambdasonde
Die Erfindung geht aus von einem Sensorelement einer Lambdasonde nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs, das insbesondere zum Erfassen des Abgaslamb- das in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geeignet ist.
Mit der Luftzahl Lambda wird in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen ei- ner tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten Luftmasse, der stöchiometrischen Luftmasse, bezeichnet. Entsprechend weisen fette Gasgemische, das heißt Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss, eine Luftzahl Lambda < 1 auf, während magere Gasgemische, das heißt Gasgemische mit einem Luftüberschuss, eine Luftzahl Lambda > 1 aufweisen.
Stand der Technik
In der DE 199 41 051 Al ist eine Breitband-Lambdasonde beschrieben, die einen Messgas-Hohlraum aufweist, welche über eine Diffusionsbarriere mit dem zu untersu- chenden Abgas verbunden ist. Im Messgas-Hohlraum ist eine innere Pumpelektrode angeordnet, die mit einer äußeren, dem Abgas ausgesetzten Pumpelektrode und einem zwischen den Pumpelektroden liegenden Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten eine Pumpzelle bildet. Mit der Pumpzelle können Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten aus dem Messgas-Hohlraum oder in den Messgas-Hohlraum hineinge- pumpt werden. Neben der Pumpzelle ist eine Messzelle vorhanden, die zwischen der inneren Pumpelektrode und einer Referenzgaselektrode liegt. Die innere Pumpelektrode und die Referenzgaselektrode sind ebenfalls von einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten voneinander getrennt. Die Referenzgaselektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet. Die Messzelle entspricht einer Nernstzelle, bei der die sich im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen der inneren Pumpelektrode und der Referenzelektrode ausbildende Potenzialdifferenz dem Logarithmus des Verhältnisses des Partialdrucks des zu untersuchenden Gases im Messgas-Hohlraum und des Partialdrucks der Luft im Refe- renzgaskanal proportional ist. Ziel einer Messung des Abgaslambdas ist es, den Sau- erstoffpartialdruck im Messgas- Hohlraum derart zu beeinflussen, dass das Nernstpo- tenzial konstant auf einem bestimmten Wert (beispielsweise 450 mV) verharrt, der näherungsweise Lambda = 1 entspricht. Eine Schaltungsanordnung stellt zu diesem Zweck eine Pumpspannung bereit, mit der die äußere Pumpelektrode beaufschlagt wird. Die Pumpspannung führt zu einem Pumpstrom. Die Polarität und der Betrag des
Pumpstroms hängen davon ab, ob und um welchen Betrag die bestimmte Nernstspan- nung über- oder unterschritten ist. Der sich einstellende Pumpstrom ist ein Maß für das Abgaslambda.
In der DE 10 2006 061 954 Al (nicht vorveröffentlicht) ist eine im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Lambdasonde einfachere Lambdasonde angegeben, bei der die äußere Pumpelektrode entfallen ist. Die einfache kostengünstige Lambdasonde ist insbesondere zur Lambdamessung des Lambdas in einem Abgaskanal eines mager betriebenen Verbrennungsmotors geeignet. Die Lambdasonde enthält eine erste Elektro- de sowie eine zweite Elektrode, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten miteinander verbunden sind. Die erste, in einem Messgas-Hohlraum angeordnete Elektrode ist über eine Diffusionsbarriere mit dem zu untersuchenden Abgas verbunden. Die zweite Elektrode ist in einem Referenzgaskanal angeordnet. Der Referenzgaskanal kann mit einem sauerstoffdurchlässigen porösen Füllmaterial gefüllt sein. Durch die gegebenenfalls vorgesehene Füllung des Referenzgaskanals sowie dessen geometrische Ausgestaltung soll erreicht werden, dass einerseits ein optimaler Abtransport von Sauerstoff von der zweiten Elektrode gewährleistet ist und dass andererseits ein Eindringen von Verunreinigungen in den Referenzgaskanal verhindert wird.
Die bekannte Lambdasonde ist als Grenzstrom- Magersonde realisiert, bei welcher ein
Pumpstrom durch Anlegen einer ausreichend hohen Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden auftritt, der zunächst im Bereich Lambda > 1 bis Lambda = 1 proportional zur Luftzahl Lambda ist. Durch Beaufschlagung der beiden Elektroden mit einem Potenzial, das der sich zwischen den beiden Elektroden einstellenden Nernstspannung entgegengerichtet ist, kann mit der bekannten Lambdasonde auch im fetten Lambda- bereich gemessen werden. Da die Nernstspannung im mageren Bereich gering ist (et- wa 200 mV) und im fetten Bereich auf einen höheren Wert (etwa 900 mV) springt, kann die an die Elektroden anzulegende Pumpspannung sowohl im mageren als auch im fetten Bereich dieselbe Polarität aufweisen, wobei das Potenzial im mageren Bereich auf einen höheren Wert als im fetten Bereich festzulegen ist. Unter Berücksichtigung der sich in unterschiedlichen Betriebszuständen einstellenden Nernstspannung weist die zwischen den Grenzschichten hinter den Elektroden auftretende effektive Pumpspannung für die negativen Sauerstoffionen beim Übergang vom fetten zum mageren beziehungsweise umgekehrt einen Vorzeichenwechsel auf, sodass die negativen Sauerstoffionen bei magerem Abgas von der ersten zur zweiten Elektrode und bei fettem Abgas von der zweiten zur ersten Elektrode transportiert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement einer Lambdasonde anzugeben, die zum Erfassen des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geeignet ist, wobei der Verbrennungsmotor einerseits mager und ande- rerseits zumindest zeitweise fett betrieben wird.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Sensorelement einer Lambdasonde zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors geht von einer ersten in einem Messgas-Hohlraum angeordneten Elektrode und einer zweiten in einem Refe- renzgaskanal angeordneten Elektrode aus, die über einen Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolyten verbunden sind. Erfindungsgemäß ist im Referenzgaskanal ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher vorgesehen, der einen Strömungspfad zum Abgaskanal aufweist.
Die gezielte Herausbildung des Sauerstoffspeichers bedeutet, dass Maßnahmen ergriffen sind, welche zumindest temporär die Speicherung von Sauerstoff im Referenzgaskanal oder zumindest die Bereitstellung von Sauerstoff an der zweiten Elektrode sicherstellen.
Der Strömungspfad zum Abgaskanal ermöglicht einen Sauerstofftransport insbesondere im Falle eines Sauerstoff- Überdrucks im Sauerstoffspeicher. Der Strömungspfad zum Abgaskanal kann auf einfache Weise in der Struktur der Lambdasonde vorgesehen werden. Die erfindungsgemäß vorgesehene Maßnahme erhöht den Freiheitsgrad bei der Realisierung der Lambdasonde. Die Realisierung ist dadurch nicht auf einen Strömungspfad beschränkt, der in der Umgebungsluft mündet, der jedoch zusätzlich vorgesehen sein kann.
Der Sauerstoffspeicher stellt zumindest für eine bestimmte Messzeit Sauerstoff zur Verfügung, der während der Messung im fetten Abgas bei Lambda < 1 vom Referenzgaskanal in den Messgas-Hohlraum durch den Festelektrolyten zurückgepumpt wer- den kann. Dadurch kann zumindest für die bestimmte Messzeit bei einem fetten Abgas gemessen werden. Die Messzeit richtet sich hierbei nach dem zur Verfügung stehenden Sauerstoff an der zweiten Elektrode.
Das erfindungsgemäße Sensorelement der Lambdasonde eignet sich insbesondere zur Lambdamessung im Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, der zwar hauptsächlich mager betrieben wird, der jedoch zeitweise fett oder zumindest stöchiometrisch betrieben wird. Ein solcher Betrieb des Verbrennungsmotors ist insbesondere vorgesehen, wenn im Abgaskanal Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise ein NOx- Speicherkatalysator oder ein Partikelfilter angeordnet sind. In den Fettphasen werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe in den Abgaskanal eingetragen. Die unverbrannten
Kohlenwasserstoffe können im Abgaskanal beispielsweise mit im Abgas vorhandenem Restsauerstoff exotherm reagieren, um Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren, Partikelfilter und dergleichen zu beheizen, oder können zum Regenerieren von Abgasreinigungsvorrichtungen wie beispielsweise NOx- Speicherkatalysatoren herangezogen werden.
Das erfindungsgemäße Sensorelement der Lambdasonde ermöglicht somit die Lamb- daregelung nicht nur im mageren Bereich, sondern zumindest für die bestimmte Messzeit auch im fetten oder zumindest stöchiometrischen Lambdabereich.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Eine erste Ausgestaltung sieht vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal auf der dem Abgaskanal zugewandten Stirnseite des Sensorelements mündet. Alternativen, die auch zusätzlich vorgesehen sein können, sehen vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal auf der Oberseite und/oder Unterseite und/oder auf wenigstens einer Seitenfläche des Sensorelements mündet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher an der zweiten Elektrode angrenzt. Wenn der Sauerstoffspeicher benachbart zur zweiten Elektrode vorgesehen ist, steht im Bedarfsfall bei der Vorgabe eines fetten Lambdas der eingespeicherte Sauerstoff sofort für den Pumpvorgang zur Verfügung.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass der Referenzgaskanal einen Sauerstoff- speicher-Hohlraum enthält und dass am ausgangsseitigen Ende des Referenzgaskanals ein Strömungswiderstand vorgesehen ist. Im Sauerstoffspeicher-Hohlraum kann während des mageren Betriebs des Verbrennungsmotors ein Sauerstoffüberdruck aufgebaut werden. Ein Verlust des Sauerstoffs wird durch den Strömungswiderstand gedrosselt.
Eine besonders einfache Realisierung dieser Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher-Hohlraum einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals aufweist und dass der Strömungswiderstand entsprechend durch einen geringeren Querschnitt realisiert ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Referenzgaskanal einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum enthält, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung im Bereich der zweiten Elektrode vorgesehen ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Strömungspfad zum Abgaskanal im Bereich des von der zweiten Elektrode abgewandten Endes des Sauerstoffspeicher- Hohlraums beginnt.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass der Strömungswiderstand und/oder der Referenzgaskanal zumindest teilweise mit einer Abluft- Diffusionsbarriere realisiert sind. Neben der Drosselung des Sauerstoffstroms verhindert die Abluft- Diffusionsbarriere das Eindringen von Verschmutzungen in den Referenzgaskanal.
Zusätzlich zur Abluft- Diffusionsbarriere kann eine Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere vorgesehen sein, die beispielsweise eine hohe Porosität zur Speicherung von Sauer- stoff aufweist. Der Sauerstoffspeicher ist dadurch zumindest teilweise durch die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere realisiert.
Eine Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, dass zusätzlich ein Sauerstoffspei- eher- Hohlraum vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode angrenzt. Dadurch steht im Bedarfsfall besonders schnell Sauerstoff zur Verfügung.
Eine andere Weiterbildung dieser Maßnahme sieht vor, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere vorgesehene Volumen größer ist als das für die Abluft- Diffusionsbarriere. Mit dieser Maßnahme kann das für den Sauerstoffspeicher zur Verfügung gestellte Volumen variiert werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sauerstoffspeicher ein Material enthält, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert. Ein solches Material ist bei- spielsweise ein nicht stöchiometrisches Oxid wie beispielsweise dotiertes CeO2-x oder
Lai-xSrxFeyCθi-yO3-d. Ein solches nicht stöchiometrisches Oxid speichert Sauerstoff ü- ber eine chemische Reaktion.
Beispielsweise kann die Abluft- Diffusionsbarriere, bevorzugt jedoch die Sauerstoffspei- eher- Diffusionsbarriere zumindest abschnittsweise das Sauerstoff speichernde Material enthalten.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Sauerstoff speichernde Material zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Referenzgaskanals aufgebracht ist. Eine zusätzliche oder alternative Maßnahme sieht vor, dass das Material auf der zweiten Elektrode aufgebracht ist oder dass die zweite Elektrode das Material enthält.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurzbeschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt ein technisches Umfeld, in welchem eine Lambdasonde eingesetzt werden kann, Figur 2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasonde in einem Betriebszustand bei einer Luftzahl Lambda > 1,
Figur 3 zeigt die aus dem Stand der Technik bekannte Lambdasonde in einem Betriebszustand bei einer Luftzahl Lambda < 1,
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorelement einer Lambdasonde mit einem Sauerstoffspeicher- Hohlraum und einem Strömungswiderstand,
Figur 5 zeigt das Sensorelement mit einem Sauerstoffspeicher- Hohlraum, wobei Schnittlinien A' - A" und B' - B"eingetragen sind,
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch das Sensorelement entlang der in Figur
5 gezeigten Schnittlinie A' - A",
Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch das Sensorelement entlang der in Figur
5 gezeigten Schnittlinie B' - B",
Figur 8 zeigt das Sensorelement mit einem als Kanal ausgebildeten Sauer- stoffspeicher-Hohlraum,
Figur 9 zeigt das in Figur 8 dargestellte Sensorelement mit unterschiedlichen
Strömungspfaden zum Abgaskanal,
Figur 10 zeigt das Sensorelement mit einer Abluft- Diffusionsbarriere und einer zusätzlichen Sauerstoffspeicher- Diffusionsbarriere,
Figur 11 zeigt das in Figur 10 gezeigte Sensorelement mit einem zusätzlichen
Sauerstoffspeicher- Hohlraum im Bereich der zweiten Elektrode,
Figur 12 zeigt einen als Kanal ausgebildeten Sauerstoffspeicher-Hohlraum, der in einer weiteren Ebene des Sensorelements angeordnet ist,
Figur 13 zeigt das Sensorelement, bei welchem der Sauerstoffspeicher zumin- dest teilweise als Sauerstoff speicherndes Material realisiert ist und Figur 14 zeigt das Sensorelement gemäß Figur 13, bei welchem das Sauerstoff speichernde Material der zweiten Elektrode zugeordnet ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 2, in dessen Abgaskanal 4 eine Lambda- sonde 6 angeordnet ist, die ein erfindungsgemäßes Sensorelement 10 enthält.
Figur 2 zeigt das Sensorelement 10 der Lambdasonde 6, das einem Abgasstrom 12 des Verbrennungsmotors 2 ausgesetzt ist. Ein Teil des Abgases gelangt über einen Zuluftkanal 14 und über eine Abgas- Diffusionsbarriere 16 in einen Messgas-Hohlraum 18, in dem eine erste Elektrode 20 angeordnet ist. Die erste Elektrode 20 ist über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten 22 mit einer zweiten Elektrode 24 verbunden, die in einem Referenzgaskanal 26 angeordnet ist, der über einen Strömungspfad 80 zur Umgebungsluft führt. Der Messgas-
Hohlraum 18 und der Referenzgaskanal 26 und damit die beiden Elektroden 20, 24 sind über eine gasdichte Trennschicht 32 voneinander getrennt. Zur Beheizung des Sensorelements 10 ist ein Heizelement 34 vorgesehen.
Figur 2 zeigt den Betrieb des Sensorelements 10 speziell bei einem mageren
Abgasstrom 12. Die beiden Elektroden 20, 24 sind an einer nicht näher gezeigten Pumpspannungsquelle angeschlossen, die eine Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m zur Verfügung stellt, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 liegt. Die Pumpspannungsquelle wird beispielsweise auf 800 mV einge- stellt. Im mageren Betrieb tritt zwischen den beiden Elektroden 20, 24 eine Ma- gerbetrieb-Nernstspannung UN, m auf, die vergleichsweise gering ist und beispielsweise bei 200 mV liegt, wobei das positive Potenzial an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Die Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m sowie die Magerbetrieb- Nernstspannung UN, m überlagern sich, sodass zwischen den beiden Elektroden 20, 24 für den Transport von Sauerstoffionen eine effektive Magerbetrieb-
Pumpspannung UPeff, m zur Verfügung steht, die der Differenz zwischen der Magerbetrieb-Pumpspannung UP, m und der Magerbetrieb- Nernstspannung UN, m, also etwa 600 mV entspricht, wobei das positive Potenzial an der zweiten E- lektrode 24 auftritt. Dadurch findet ein Magerbetrieb-Sauerstoffionen-Transport O2"m von der ersten zur zweiten Elektrode 20, 24 statt, sodass Sauerstoff vom
Messgas-Hohlraum 18 zum Referenzgaskanal 26 gepumpt wird, der über den Strömungspfad 80 in die Umgebungsluft abgeführt wird. Der Magerbetrieb- Pumpstrom IP, m ist ein Grenzstrom, der proportional zur Luftzahl Lambda ist, bezogen auf den stöchiometrischen Wert.
Figur 3 zeigt das in Figur 2 dargestellte Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 in einem Betriebszustand bei fettem Abgasstrom 12.
Diejenigen in Figur 3 gezeigten Teile, die mit den in Figur 2 gezeigten Teilen ü- bereinstimmen, tragen jeweils dieselben Bezugszeichen. Diese Vereinbarung gilt auch für die folgenden Figuren.
Bei einem Abgasstrom 12 mit Sauerstoffmangel bezogen auf ein stöchiometri- sches Verhältnis tritt zwischen den Elektroden 20, 24 eine erheblich höhere Fett- betrieb-Nernstspannung UN, f auf, die beispielsweise bei 900 mV liegt, wobei das positive Potenzial weiterhin an der zweiten Elektrode 24 auftritt. Im Fettbetrieb soll das Sensorelement 10 Sauerstoff vom Referenzgaskanal 26 zum Messgas- Hohlraum 18 pumpen. Damit ein solcher Fettbetrieb-Sauerstoffstrom O2"f auftreten kann, muss die effektive Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff f derart gepolt sein, dass das positive Potenzial an der ersten Elektrode 20 auftritt. Um diese Potenzialverhältnisse zu erreichen, muss die an die Elektroden 20, 24 angelegte Pumpspannung auf eine Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f festgelegt werden. Hierbei ist eine Potenzialumkehr im Hinblick darauf, dass die Fettbetrieb- Nernstspannung UN, f auf einem vergleichsweise hohen Potenzial von beispielsweise 900 mV liegt, nicht unbedingt erforderlich. Eine Vorzeichenumkehr der effektiven Fettbetrieb- Pumpspannung UPeff, f wird bereits erreicht, wenn das
Potenzial der Fettbetrieb-Pumpspannung UP, f gegenüber dem Magerbetrieb auf beispielsweise 300 mV abgesenkt wird, wobei das positive Potenzial weiterhin an der zweiten Elektrode 24 anliegt. Für die effektive Fettbetrieb-Pumpspannung UPeff, f stehen dann ebenfalls 600 mV zur Verfügung, wobei das positive Poten- zial an der ersten Elektrode 20 auftritt. Der Fettbetrieb- Pumpstrom IP, f ist ebenfalls ein Grenzstrom, der proportional zur Luftzahl Lambda ist, bezogen auf den stöchiometrischen Wert. Der Magerbetrieb- Pumpstrom IP, m fließt in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zum Magerbetrieb-Pumpstrom IP, m. Bei der Luftzahl Lambda = 1 tritt bei der Änderung der Pumpspannung UP eine Vorzei- chenumkehr des Pumpstroms IP auf. Im Fettbetrieb steht bei der Lambdasonde gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik nur eine begrenzte Menge an Sauerstoff im Bereich der zweiten Elektrode zur Verfügung, da der Referenzgaskanal dafür optimiert ist, Sauerstoff möglichst rasch abzutransportieren. Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 sieht einen gezielt herausgebildeten Sauerstoffspeicher vor, der es ermöglicht, einen Vorrat an Sauerstoff anzulegen. Dieser Sauerstoff steht im Bedarfsfall, also im Fettbetrieb des erfindungsgemäßen Sensorelements 10, in ausreichendem Maß für eine bestimmte Betriebsdauer rasch zur Verfügung.
Der gezielt herausgebildete Sauerstoffspeicher kann auf unterschiedliche Arten und Weisen realisiert werden. Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in Figur 4 gezeigt, bei dem der Referenzgaskanal 26 einen Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40 enthält, der durch einen Strömungswiderstand 42 begrenzt wird, der zumindest einen Teil des Strömungspfads 80 bildet. Der Strömungswiderstand 42 kann sich gemäß einer Weiterbildung bis an das Ende des Strömungspfads 80 erstrecken. Der Sauerstoffspeicher- Hohlraum 40 kann gemäß einer Ausgestaltung durch einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals 26 im Vergleich zum Querschnitt des Strömungswiderstands 42 beziehungsweise des Strömungspfads 80 realisiert werden. Das Volumen des Sauerstoffspeicher-Hohlraums 40 wird den
Erfordernissen angepasst. Der Strömungspfad 80 und/oder der Strömungswiderstand 42 können mit einer Abluft- Diffusionsbarriere 44 zumindest teilweise gefüllt werden, welche die Wirkung des Strömungswiderstands 42 weiter erhöht und/oder welche das Eindringen von Schmutz in den Sauerstoffspeicher- Hohlraum 40 aus der Umgebungsluft verhindert.
Bei dem in Figur 5 gezeigten Sensorelement 10 weist das ausgangsseitige Ende des Referenzgaskanals 26 zumindest einen in Figur 5 nicht sichtbaren erfindungsgemäßen Strömungspfad zum Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2 auf. Der im Abgaskanal 4 mündende wenigstens eine Strömungspfad kann durch den wenigstens einen Strömungspfad 80 ergänzt werden, der zur Umgebungsluft führt. In Figur 5 sind Schnittlinien A' - A" und B' - B"eingetragen.
Figur 6 zeigt das in Figur 5 dargestellte Sensorelement 10 entlang der Schnittli- nie A' - A". In Figur 6 ist ein erfindungsgemäßer Strömungspfad 82 eingetragen, der im Bereich der zweiten Elektrode 24 beginnt und der im Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2 mündet. Der Strömungspfad 82 mündet demnach auf einer Seitenfläche 84a des Sensorelements 10. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass lediglich ein Strömungspfad 82 vorgesehen ist. Prinzipiell können mehrere Strömungspfade 82 vorgesehen sein, wobei die Strömungspfade 82 auf der einen und/oder auf der anderen Seite 84a, 84b des
Sensorelements 10 im Abgaskanal 4 münden können. Der Strömungspfad 82 kann eine Barriere enthalten, die ein Eindringen von Schmutz in den Referenzgaskanal 26 beziehungsweise den Sauerstoffspeicher- Hohlraum 40 verhindert.
Figur 7 zeigt das in Figur 5 dargestellte Sensorelement 10 entlang der Schnittlinie B' - B". Das Schnittbild zeigt zunächst den Strömungspfad 82. Weiterhin ist in Figur 7 ein weiterer Strömungspfad 86 gezeigt, der am vorderen Ende des Referenzgaskanals 26 im Bereich der zweiten Elektrode 24 beginnt und der auf einer Seite 84a, 84b und/oder auf der zum Abgaskanal 4 zeigenden Stirnseite 88 des Sensorelements 10 mündet. Der weitere Referenzgaskanal 86 kann ebenfalls zumindest teilweise eine Barriere enthalten, die ein Eindringen von Schmutz in den Referenzgaskanal 26 beziehungsweise den Sauerstoffspeicher- Hohlraum 40 verhindert.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in Figur 8 gezeigt, bei dem der Referenzgaskanal 26 gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Referenzgaskanal weitgehend unverändert beibehalten wird, wobei jedoch ein Sauerstoffspeicher-Hohlraum 50 vorgesehen ist, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung 52 im Bereich der zweiten Elektrode 24 vorgesehen ist.
Bei dem in Figur 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zum Strömungspfad 80, der in der Umgebungsluft mündet, wenigstens ein weiterer Strömungspfad 90, 92 vorgesehen, der vom Sauerstoffspeicher-Hohlraum 50 zur Unterseite 94a des Sensorelements 10 führt. Der weitere Strömungspfad 90 mündet unmittelbar im Abgaskanal 4 des Verbrennungsmotors 2, während der weitere Strömungspfad 92 in einer Dichtung 96 mündet, welche das Sensorelement 10 der Lambdasonde 6 umgibt. Die Dichtung 96 hat die Aufgabe, den Gasaustausch zwischen dem Abgas und der Umgebungsluft zu verhindern beziehungsweise zu minimieren. Das Material der Dichtung 96 ist derart beschaffen, dass ein Sauerstofftransport vom weiteren Strömungspfad 92 zum Abgaskanal 4 stattfinden kann, wobei davon auszugehen ist, dass die zu transportierenden Gasmengen gering sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Figur 10 gezeigt, bei welchem der Refe- renzgaskanal 26 zumindest teilweise mit einer Abluft- Diffusionsbarriere 60 gefüllt ist und bei dem zusätzlich der Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 vorgesehen ist, der mit einer Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 ausgefüllt ist. Eine Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels ist in Figur 11 gezeigt, wobei zusätzlich ein weiterer Sauerstoffspeicher-Hohlraum 64 vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode 24 angrenzt. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 vorgesehene Volumen größer ist als das Volumen für die Abluft- Diffusionsbarriere 60.
Bei dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sauerstoffspeicher- Hohlraum 40, 50 entsprechend den in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen als Sauerstoffspeicherkanal realisiert, der jedoch in einer anderen Ebene des Sensorelements 10 angeordnet ist. Bei dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 52 des Sauerstoffspeicherkanals gemäß einer Ausgestaltung bis an die zweite Elektrode 24 herangeführt.
Bei dem in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sauerstoffspeicher mit einem Material 70 realisiert, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert. Bei dem Material 70 handelt es sich beispielsweise um ein nicht stö- chiometrisches Oxid wie beispielsweise CeO2-x oder Lai-xSrxFeyCθi-yO3-d. Bei dem in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Material 70 im Sauerstoffspeicher-Hohlraum 40, 50 angeordnet, der gegebenenfalls die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere 62 zusätzlich enthalten kann und der gegebenenfalls den Sauerstoffspeicher- Hohlraum 64 insbesondere benachbart zur zweiten Elektrode 24 aufweisen kann.
Ein alternatives, in Figur 14 gezeigtes Ausführungsbeispiel des Sensorelements 10 sieht vor, dass das Material 70, welches Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichern kann, der zweiten Elektrode 24 zugeordnet ist. Bei dem in Figur 14 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Material 70 auf der zweiten Elekt- rode 24 aufgebracht. Wenn als Material 70 ein hoch Elektronen leitendes, nicht stöchiometrisches Oxid wie Lai-xSrxFeyCθi-yO3-d eingesetzt wird, kann die zweite Elektrode 24 auch komplett mit dem Material 70 oder in Mischung mit ZrO2 realisiert sein. Ferner ist es möglich, das Material 70 zumindest zum teilweisen Beschichten der Oberfläche des Referenzgaskanals 26 heranzuziehen.
In der mageren Betriebsphase des Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 wird aufgrund der Pumpspannung UP, m Sauerstoff vom Messgas-Hohlraum 18 in den Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 des Referenzgaskanals 26 gepumpt. Bei einem Abgaslambda von beispielsweise 1,7, entsprechend 8,29 % 02 in N2, und einem Magerbetrieb- Pumpstrom von maximal einigen 100 Mikroampere kann ein Sauerstoff-Überdruck im stationären Magerbetrieb von beispielsweise 2 bar bis 30 bar im Sauerstoffspeicher 40, 50, 62, 64, 70 erzielt werden. Vorzugsweise wird der Überdruck zwischen 2 bar und 10 bar eingestellt. Während des Betriebs des erfindungsgemäßen Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 kann der gespeicherte Sauerstoff durch die Fettbetrieb-Pumpspannung UP, f und dem entsprechenden Fettbetrieb- Pumpstrom IP, f vom Sauerstoffspeicher 40, 50, 62,
64, 70 zurück in den Messgas-Hohlraum 18 gepumpt werden, der dort zur Oxida- tion von oxidierbaren Abgas- Bestandteilen im Messgas Hohlraum 18 zur Verfügung steht, wobei der Fettbetrieb- Pumpstrom IP, f auch im Falle des Fettbetriebs des Sensorelements 10 der Lambdasonde 6 ein Maß für das Abgaslambda wi- derspiegelt.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement einer Lambdasonde (6) zur Messung des Abgaslambdas in einem Abgaskanal (4) eines Verbrennungsmotors (2), das eine erste Elektrode (20) enthält, die in einem mit dem Abgaskanal (4) verbundenen Messgas-Hohlraum (18) angeordnet ist, das eine zweite Elektrode (24) enthält, die über einen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten (22) mit der ersten Elektrode (20) verbunden ist und die in einem Referenzgaskanal (26) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzgaskanal (26) ein gezielt herausgebildeter Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) vorgesehen ist und dass der Referenzgaskanal (26) einen Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) zum Abgaskanal (4) aufweist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) benachbart zur zweiten Elektrode (24) beginnt.
3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der dem Abgaskanal (4) zugewandeten Stirnseite (88) des Sensorelements (10) mündet.
4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungs- pfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der Oberseite/Unterseite (94a, 94b) des Sensorelements (10) mündet.
5. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (80, 82, 86, 90, 92) auf der Seitenfläche (84a, 84b) des Sensorelements (10) mündet.
6. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) an der zweiten Elektrode (24) angrenzt.
7. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzgaskanal (26) einen Sauerstoffspeicher- Hohlraum (40, 50, 64) enthält und dass zumindest am ausgangsseitigen Ende des Referenzgaskanals (26) ein Strömungswiderstand (42) vorgesehen ist.
8. Sensorelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff- speicher-Hohlraum (40, 50, 64) durch einen größeren Querschnitt des Referenzgaskanals (26) und der Strömungswiderstand (42) durch einen geringeren Querschnitt des Referenzgaskanals (26) realisiert sind.
9. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz- gaskanal (26) einen Sauerstoffspeicher- Hohlraum (40, 50, 64) enthält, der durch einen einseitig geschlossenen Sauerstoffspeicherkanal realisiert ist, dessen Öffnung (52) im Bereich der zweiten Elektrode (24) vorgesehen ist.
10. Sensorelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strö- mungspfad (80, 82, 86, 90, 92) im Bereich des von der zweiten Elektrode (24) abgewandten Endes des Sauerstoffspeicher- Hohlraums (40, 50, 64) beginnt.
11. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand (42) oder der Referenzgaskanal (26) zumindest teilweise eine Abluft- Diffusionsbarriere (44, 60) enthalten.
12. Sensorelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffspeicher (40, 50, 62, 64, 70) zumindest teilweise als Speicher- Diffusionsbarriere (62) realisiert ist.
13. Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Sauerstoffspeicher- Hohlraum (64) vorgesehen ist, der an der zweiten Elektrode (24) angrenzt.
14. Sensorelement nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Sauerstoffspeicher-Diffusionsbarriere (62) vorgesehene Volumen größer ist als das für die Abluft- Diffusionsbarriere (44, 60).
15. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff- Speicher (40, 50, 62, 64, 70) ein Material (70) enthält, das Sauerstoff durch Adsorption oder Absorption speichert.
16. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) ein nicht stöchiometrisches Oxid enthält.
17. Sensorelement nach Anspruch 15 und 11 oder 15 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft- Diffusionsbarriere (44, 60) oder die Speicher- Diffusionsbarriere (62) zumindest abschnittsweise das Material (70) enthalten.
18. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Referenzgaskanals (26) aufgebracht ist.
19. Sensorelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (70) auf der zweiten Elektrode (24) aufgebracht ist oder dass die zweite Elektrode (24) das Material (70) enthält.
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