WO2016096871A1 - Sauerstoffsensor - Google Patents

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WO2016096871A1
WO2016096871A1 PCT/EP2015/079814 EP2015079814W WO2016096871A1 WO 2016096871 A1 WO2016096871 A1 WO 2016096871A1 EP 2015079814 W EP2015079814 W EP 2015079814W WO 2016096871 A1 WO2016096871 A1 WO 2016096871A1
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oxygen sensor
oxygen
gold alloy
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Hong Zhang
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies 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
    • G01N27/403—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
    • G01N27/4075—Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1439—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the position of the sensor
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1456—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor output signal being linear or quasi-linear with the concentration of oxygen
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F02D41/182—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow for the control of a fuel injection device

Definitions

  • the present invention relates to an oxygen sensor for detecting the oxygen content in a gas stream which is passed through an intake manifold to an internal combustion engine, wherein the oxygen sensor has at least one first electrode and at least one second electrode, wherein the first electrode and the second electrode by a solid ⁇ electrolyte are separated from each other and the second electrode is separated by a diffusion barrier from the gas stream and wherein the oxygen sensor comprises a heating element which heats the solid ⁇ body electrolyte such that an oxygen ion transport from the first electrode to the second electrode can be effected by a solid electrolyte.
  • oxygen sensors are known, which are used primarily in the exhaust system to monitor the full ⁇ permanency of the combustion of the fuel.
  • the conditions in the intake manifold differ fundamentally from those in the exhaust system.
  • the temperatures prevailing in the intake manifold are much lower than the in the exhaust line and on the other hand come in the intake line propagated hydrocarbon compounds (HC) before the said Ver ⁇ brennungsmotor to be fed with the intake air for combustion.
  • HC hydrocarbon compounds
  • storage elements are built in which absorb hydrocarbons which, during fueling or while driving, detach from the fuel and are stored in the HC storage element to avoid environmental pollution.
  • the HC storage element When the HC storage element is then completely loaded with hydrocarbons, a purge is performed by blowing fresh air into the HC storage element, which receives the hydrocarbons and flushes into the intake line.
  • the gas stream in the intake tract contains more hydrocarbons, which have a negative effect on the measurement accuracy of the oxygen sensor.
  • Another source of hydrocarbons in the intake manifold is the crankshaft breather, also via the intake manifold.
  • the hydrocarbons can, for example, on the surface of the second electrode of the oxygen sensor oxy ⁇ explode, whereby oxygen is consumed from the gas stream directly at the oxygen sensor , which then can not be detected in the measurement of the Sau ⁇ erstoffgehaltes in the gas stream, resulting in erroneous measurements.
  • This process is also referred to as HC cross-sensitivity (hydrocarbon cross-sensitivity ⁇ speed) of the oxygen sensor.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an oxygen sensor for detecting the oxygen content in a gas mixture, with which also in a gas mixed with a proportion of flammable gases accurate measurement results for the oxygen content in the gas mixture can be achieved.
  • an oxygen sensor with the features of the independent claim. Due to the fact that the first electrode and / or the second electrode has / have a platinum-gold alloy or a rhodium-gold alloy or a platinum-rhodium-gold alloy, the oxidation of the hydrocarbons at the oxygen sensor is largely prevented, as a result can detect oxygen sensor full sour ⁇ oxygen content in the gas mixture. The measuring results of the oxygen sensor can not be corrupted by Koh ⁇ lenwasserstoffquerappkeit.
  • only the surface of the first electrode and / or the second electrode comprises a platinum-gold alloy or a rhodium-gold alloy or a platinum-rhodium-gold alloy. As a result, the very expensive precious metals can be used sparingly, whereby the function of the oxygen sensor according to the invention is not impaired.
  • the complete first electrode and / or the complete second electrode consists of a platinum-gold alloy or a rhodium-gold alloy or a platinum-rhodium-gold alloy.
  • This can considerably simplify the production process of the oxygen sensor according to the invention.
  • the solid electrolyte with the heating element to a temperature between 350 ° C and 430 ° C can be heated, whereby the oxidation of the hydrocarbons is further suppressed at the acid substance sensor, whereby the oxygen sensor ⁇ can detect the full oxygen content in the gas mixture.
  • the measurement results of the oxygen sensor are not counterfeited by a hydrocarbon cross sensitivity ver ⁇ .
  • the heating element heats the solid electrolyte to a temperature of 380.degree.
  • the conductivity of the solid electrolyte for oxygen ions is high enough to obtain a well measurable current proportional to the oxygen content in the gas stream, the relatively low temperature effectively preventing the oxidation of hydrocarbons on the surface of the oxygen sensor becomes.
  • FIG. 2 shows an oxygen sensor in a suction line
  • Figure 1 shows the arrangement of an oxygen sensor 14 in the on ⁇ suction leg 7 of a combustion engine 1.
  • the internal combustion engine 1 has an intake line 7 and an exhaust line 3. From the cylinders of the internal combustion engine 1, combustion exhaust gases 8 are conducted via the exhaust manifold 2 and a catalytic converter 4 or a silencer to the exhaust of a motor vehicle.
  • the combustion exhaust gases 8 may contain impurities 19 in the form of oil droplets, soot etc. Oil droplets consist of hydrocarbons HC and thus contribute to the cross-sensitivity of the oxygen sensor 14. From the combustion exhaust gases 8, a part of the volume flow can be diverted to make the Ver ⁇ combustion exhaust gases 8 to the engine 1 again for Burn ⁇ tion available, whereby the efficiency of the internal combustion engine 1 can be increased.
  • an exhaust gas recirculation valve 5 is controlled by the engine control 13, which is a part of the exhaust gas stream 8 in the exhaust gas recirculation line. 6 initiates, which in turn is connected to the intake manifold 7. Intake air 9 is sucked in through the intake line 7 via an air filter 10 and mixed with recirculated combustion exhaust gas 8 in the intake line 7 in the region of the connection of the exhaust gas recirculation line 6. Thus reach both combustion exhaust gases 8 as well as their impurities 19 with the Kohlenwasserstof ⁇ fen HC to the oxygen sensor 14.
  • the oxygen sensor 14 is disposed in the flow direction of the intake air 9 behind the point in the intake line 7 to which the exhaust gas recirculation line is coupled to the intake line 7.
  • the central axis of the acid substance sensor 14 is arranged orthogonal to the flow direction of the gas stream 18 in the intake manifold 7.
  • the oxygen sensor 14 can measure the oxygen O 2 contained in the gas flow 18, the gas flow 18 being formed by the intake air 9 (exhaust gas intake air mixture) mixed with combustion exhaust gases.
  • a large amount of Koh ⁇ bons HC through a not shown tank ⁇ breather pipe can be added to the gas stream 18th
  • the information about the oxygen content contained in the gas stream 18 can be passed on to a motor control unit 13.
  • a pressure sensor 12 is provided, which can be arranged in the intake line 7, for example in the region of the intake manifold and provides the engine control unit 13 with information about the pressure prevailing in the intake line 7. With the pressure sensor 12, the raw signals of the
  • Oxygen sensor 14 are corrected so that the relative proportion of oxygen O 2 in the gas stream 18 (Abas intake air mixture) can be determined.
  • an air mass meter 21 is further arranged in the intake manifold 7.
  • the pressure sensor 12, the air mass meter 21 and the oxygen sensor 14 are electrically connected to the engine control unit 13 and together provide highly accurate data on the amount of oxygen available to the combustion engine 1 for combustion of the fuels. With this information, optimal combustion of the
  • the elec ⁇ cal connections 20 between the engine control unit 13 and the various sensors and the exhaust gas recirculation valve 5 and the internal combustion engine 1 are shown here only schematically. Since prevail only relatively low temperatures in the intake manifold 7, the oxygen sensor 14 must be heated with an electric heating element, not shown here, to its operating temperature. This operating temperature is about 700 ° C in prior art methods of operating oxygen sensors.
  • FIG. 2 shows an oxygen sensor 14 according to the invention in a suction line 7.
  • a gas stream 18 is transported to the internal combustion engine 1.
  • the gas stream 18 contains oxygen O 2 in the first place and not shown here
  • the gas stream 18 in the intake manifold 7 is relatively cold, and its temperature may be in the range of the ambient temperature of the motor vehicle, ie at -30 ° C to 60 ° C. It is the oxygen content in the gas stream 18 are determined, with a cross-sensitivity is to be suppressed by the existing hydrocarbons HC.
  • the oxygen sensor 14 has a substrate 24 on which a heating element 22 is arranged, which is covered with a protective layer 23. On the protective layer 23, solid electrolytes 17 are arranged, which separate the first electrodes 15 from the second electrodes 16. Diffusion barriers 11 can be seen over the second electrodes 16. The diffusion barriers 11 separate the second electrodes 16 from the gas flow 18.
  • Electrodes 16 are made of a platinum-gold alloy or a rhodium-gold alloy or a platinum-rhodium-gold alloy. In this case, the entire first electrode 15 and / or the second electrode may consist of these alloys, or it may be only the surface of the first electrode 15 and / or the second
  • Electrode consist of these alloys.
  • the first electrodes 15 and the second electrodes 16 are by means of electrical Conductors connected to a voltage source 26.
  • a current ⁇ measuring element 25 is connected, which is connected by means of an electrical connection 20 to the engine control unit 13.
  • Electrode 15 is separated from the second electrode 16 by the Festkör ⁇ perelectrolyte 17.
  • the solid electrolyte 17 may, for. B. consist of yttrium-doped zirconia.
  • the second electrode 16 is separated from the gas flow 18 by the diffusion barrier 11. Oxygen molecules O2 can pass from the gas stream 18 through the diffusion barrier 11 to the second electrode, where they are converted into doubly negatively charged oxygen ions due to the applied voltage.
  • the solid electrolyte 17 for the doubly negatively charged oxygen ions begins to become conductive and there is a transport of the twice negatively ⁇ charged oxygen ions to the first electrode 15, where they are converted back to neutral oxygen molecules and return to the gas stream 18.
  • the port process resulting in this transport electric current can be detected by the current ⁇ measuring element 25, wherein the thus detected current is a direct measure of the amount of oxygen in the gas stream 18th
  • the heating element 22 heats the solid electrolyte 17 only to a temperature between 350 ° C. and 430 ° C.
  • a preferred temperature to which the heating element 22 heats the solid ⁇ body electrolyte 17 is 380 ° C.
  • the oxidation of hydrocarbons HC at the surface of the oxygen sensor 14 is kept as low as possible, so that an unadulterated oxygen content in the gas Current 18 can be measured.
  • the conductivity of the solid electrolyte 17 at 380 ° C is still high enough to obtain a well-measurable current proportional to the oxygen content in the gas stream 18.
  • the oxidation of hydrocarbons HC at the Surface of the electrodes of the oxygen sensor 14 is kept as low as possible, whereby an undistilled sheuerstoffanteil in the gas stream 18 can be measured.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Sauerstoffsensor (14) zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes in einem Gasstrom (18), der durch einen Ansaugstrang (7) zu einem Verbrennungsmotor geführt wird, wobei der Sauerstoffsensor eine erste Elektrode (15) und eine zweite Elektrode (16) aufweist, wobei die erste Elektrode (15) und die zweite Elektrode (15) durch einen Festkörperelektrolyt (17) voneinander getrennt sind und die zweite Elektrode (16) durch eine Diffusionsbarriere (11) vom Gasstrom getrennt ist und wobei der Sauerstoffsensor ein Heizelement (22) aufweist, das den Festkörperelektrolyt (17) derart erwärmt, das eine Sauerstoffionentransport von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode durch den Festkörperelektrolyt erfolgen kann. Um einen Sauerstoffsensors anzugeben, mit welchem auch in einem Gasgemisch mit einem Anteil brennbarer Gase genaue Messergebnisse für den Sauerstoffgehalt im Gasgemisch erreicht werden, weist die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eine Platin-Gold-Legierung oder eine Rhodium-Gold-Legierung oder eine Platin-Rhodium-Gold-Legierung auf.

Description

Beschreibung
SAUERSTOFFSENSOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes in einem Gasstrom, der durch einen Ansaugstrang zu einem Verbrennungsmotor geführt wird, wobei der Sauerstoffsensor mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch einen Festkörper¬ elektrolyt voneinander getrennt sind und die zweite Elektrode durch eine Diffusionsbarriere vom Gasstrom getrennt ist und wobei der Sauerstoffsensor ein Heizelement aufweist, das den Fest¬ körperelektrolyt derart erwärmt, das eine Sauerstoffionen- transport von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode durch einen Festkörperelektrolyt erfolgen kann.
Bei Verbrennungsmotoren ist es in einer Reihe von Fällen ge¬ wünscht, den Sauerstoffgehalt in der Ansaugluft im Ansaugstrang des Verbrennungsmotors zu erfassen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Verbrennungsmotor mit Einrichtungen zur Abgasrückführung in den Ansaugtrakt versehen ist. In diesem Fall ist der Sauerstoffsensor hinter dem Punkt der Einspeisung der rückgeführten Abgase im Ansaugstrang des Verbrennungsmotors angeordnet. Hier soll über die Erfassung des Sauerstoffgehaltes im Gasstrom, der durch einen Ansaugstrang zu einem Verbrennungs¬ motor geführt wird, die Abgasrückführungsrate ermittelt werden. Ohne Abgasrückführung beträgt der 02 ~Gehalt in der Ansaugluft ca. 21 % und sinkt mit zunehmendem Abgasrückführungsanteil.
Aus dem Stand der Technik sind SauerstoffSensoren bekannt, die in erster Linie im Abgasstrang eingesetzt werden, um die Voll¬ ständigkeit der Verbrennung des Kraftstoffes zu überwachen. Die Bedingungen im Ansaugstrang unterscheiden sich jedoch grundlegend von denen im Abgasstrang. Zum einen sind die im Ansaugstrang vorherrschenden Temperaturen wesentlich geringer als die im Abgasstrang und zum anderen kommen im Ansaugstrang vermehrt KohlenwasserstoffVerbindungen (HC) vor die dem Ver¬ brennungsmotor mit der Ansaugluft zur Verbrennung zugeführt werden sollen. So sind bei modernen Kraftfahrzeugen Speicher- elemente verbaut, die Kohlenwasserstoffe aufnehmen, die sich beim Tanken oder während der Fahrt aus dem Kraftstoff lösen und zur Vermeidung von Umweltbelastungen in das HC-Speicherelement eingelagert werden. Wenn das HC-Speicherelement dann vollständig mit Kohlenwasserstoffen beladen ist, erfolgt eine Spülung, indem Frischluft in das HC-Speicherelement eingeblasen wird, die die Kohlenwasserstoffe aufnimmt und in den Ansaugstrang spült. Damit enthält der Gasstrom im Ansaugtrakt vermehrt Kohlenwasserstoffe, die sich auf die Messgenauigkeit des Sauerstoffsensors negativ auswirken. Eine weitere Quelle für Kohlenwasserstoffe im An- saugstrang ist die Kurbelwellenentlüftung, die ebenfalls über den Ansaugstrang erfolgt.
Da ein Sauerstoffsensor auf eine gewisse Betriebstemperatur (etwa 700 °C bei SauerstoffSensoren nach dem Stand der Technik) geheizt wird, können die Kohlenwasserstoffe zum Beispiel an der Oberfläche der zweiten Elektrode des Sauerstoffsensors oxy¬ dieren, wodurch direkt am Sauerstoffsensor Sauerstoff aus dem Gasstrom verbraucht wird, der dann bei der Messung das Sau¬ erstoffgehaltes im Gasstrom nicht erfasst werden kann, was zu fehlerhaften Messungen führt. Dieser Vorgang wird auch als HC-Querempfindlichkeit (Kohlenwasserstoff-Querempfindlich¬ keit) des Sauerstoffsensors bezeichnet.
Daher sind SauerstoffSensoren nach dem Stand der Technik für genaue Messungen des Sauerstoffgehaltes in Gasgemischen mit einem Anteil brennbarere Gase (zum Beispiel Kohlenwasserstoffe) ungeeignet .
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffsensor zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes in einem Gasgemisch zu schaffen, mit welchem auch in einem Gas- gemisch mit einem Anteil brennbarer Gase genaue Messergebnisse für den Sauerstoffgehalt im Gasgemisch erreicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sauerstoffsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Dadurch, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eine Platin-Gold-Legierung oder eine Rhodium-Gold-Legierung oder eine Platin-Rhodium-Gold-Legierung aufweist /aufweisen, wird die Oxidation der Kohlenwasserstoffe am Sauerstoffsensor weitgehend unterbunden, wodurch der Sauerstoffsensor den vollen Sauer¬ stoffgehalt im Gasgemisch erfassen kann. Damit werden die Messergebnisse des Sauerstoffsensors nicht durch eine Koh¬ lenwasserstoffquerempfindlichkeit verfälscht . Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist nur die Oberfläche der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode eine Platin-Gold-Legierung oder eine Rhodium-Gold-Legierung oder eine Platin-Rhodium-Gold-Legierung auf. Dadurch können die sehr teuren Edelmetalle sparsam verwendet werden, wobei die Funktion des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors nicht beeinträchtigt wird .
Alternativ besteht /bestehen die vollständige erste Elektrode und/oder die vollständige zweite Elektrode aus einer Platin- Gold-Legierung oder einer Rhodium-Gold-Legierung oder einer Platin-Rhodium- Gold-Legierung. Dies kann den Herstellungs- prozess des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors erheblich vereinfachen . Bei einer Weiterbildung ist der Festkörperelektrolyt mit dem Heizelement auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 430 °C aufheizbar, wodurch die Oxidation der Kohlenwasserstoffe am Säuerstoffsensor weiter unterbunden wird, womit der Sauer¬ stoffsensor den vollen Sauerstoffgehalt im Gasgemisch erfassen kann. Damit werden die Messergebnisse des Sauerstoffsensors nicht durch eine Kohlenwasserstoffquerempfindlichkeit ver¬ fälscht . Bei einer nächsten Weiterbildung der Erfindung heizt das Heizelement den Festkörperelektrolyt auf eine Temperatur von 380 °C auf. Bei einer Temperatur von 380 °C ist die Leitfähigkeit der Festkörperelektrolyten für Sauerstoffionen hoch genug, um einen gut messbaren Strom zu erhalten, der Proportional zum Sauerstoffgehalt im Gasstrom ist, wobei durch die relativ niedrige Temperatur die Oxidation von Kohlenwasserstoffen an der Oberfläche des Sauerstoffsensors effektiv verhindert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen :
Figur 1 die Anordnung eines Sauerstoffsensors im Ansaugstrang eines Verbrennungsmotors,
Figur 2 einen Sauerstoffsensor in einem Ansaugstrang,
Figur 3 die Funktionsweise des in Fig. 2 dargestellten Sau¬ erstoffsensors.
Figur 1 zeigt die Anordnung eines Sauerstoffsensors 14 im An¬ saugstrang 7 eines Verbrennungsmotors 1. Der Verbrennungsmotor 1 weist einen Ansaugstrang 7 und einen Abgasstrang 3 auf. Von den Zylindern des Verbrennungsmotors 1 werden Verbrennungsabgase 8 über die Abgaskrümmer 2 und einen Katalysator 4 bzw. einen Schalldämpfer zum Auspuff eines Kraftfahrzeuges geführt. Die Verbrennungsabgase 8 können Verunreinigungen 19 in Form von Öltröpfchen, Ruß etc. enthalten. Öltröpfchen bestehen aus Kohlenwasserstoffen HC und tragen damit zur Querempfindlichkeit des Sauerstoffsensors 14 bei. Von den Verbrennungsabgasen 8 kann ein Teil des Volumenstromes abgezweigt werden, um die Ver¬ brennungsabgasen 8 dem Verbrennungsmotor 1 erneut zur Verbren¬ nung zur Verfügung zu stellen, wodurch der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 1 erhöht werden kann. Dazu wird von der Motorsteuerung 13 ein Abgasrückführventil 5 angesteuert, das einen Teil des Abgasstromes 8 in die Abgasrückführleitung 6 einleitet, die wiederum mit dem Ansaugstrang 7 verbunden ist. Durch den Ansaugstrang 7 wird Ansaugluft 9 über einen Luftfilter 10 angesaugt und im Bereich der Verbindung der Abgasrückführ- leitung 6 in dem Ansaugstrang 7 mit rückgeführtem Verbren- nungsabgas 8 vermischt. So gelangen sowohl Verbrennungsabgase 8 als auch deren Verunreinigungen 19 mit den Kohlenwasserstof¬ fen HC zu dem Sauerstoffsensor 14. Der Sauerstoffsensor 14 ist in Strömungsrichtung der Ansaugluft 9 hinter dem Punkt im Ansaugstrang 7 angeordnet, an dem die Abgasrückführleitung 6 an den Ansaugstrang 7 angekoppelt ist. Zudem ist die zentrale Achse des Säuerstoffsensors 14 orthogonal zur Strömungsrichtung des Gasstroms 18 im Ansaugstrang 7 angeordnet. Damit kann der Sauerstoffsensor 14 den im Gasstrom 18 enthaltenen Sauerstoff O2 messen, wobei der Gasstrom 18 durch die mit Verbrennungsabgasen vermischte Ansaugluft 9 (Abgas-Ansaugluft-Gemisch) gebildet wird. Zudem kann dem Gasstrom 18 eine große Menge von Koh¬ lenwasserstoffen HC über eine hier nicht dargestellte Tank¬ entlüftungsleitung zugemischt werden. Die Information über den im Gasstrom 18 enthaltenen Sauerstoffanteil kann an ein Mo- torsteuergerät 13 weitergeben werden. Da der Säuerstoffsensor 14 ein druckabhängiges Rohsignal liefert, ist ein Drucksensor 12 vorgesehen, der im Ansaugstrang 7 beispielsweise im Bereich der Ansaugkrümmer angeordnet sein kann und dem Motorsteuergerät 13 Informationen über den im Ansaugstrang 7 herrschenden Druck liefert. Mit dem Drucksensor 12 können die Rohsignale des
Sauerstoffsensors 14 derart korrigiert werden, dass der relative Anteil des Sauerstoffes O2 im Gasstrom 18 (Abas-Ansaugluft- Gemisch) bestimmt werden kann. Um die absolute Menge des Sauerstoffs O2 zu bestimmen, die den Zylindern des Verbren- nungsmotors 1 zugeführt wird, ist weiterhin ein Luftmassenmesser 21 im Ansaugstrang 7 angeordnet. Der Drucksensor 12, der Luftmassenmesser 21 und der Sauerstoffsensor 14 sind mit dem Motorsteuergerät 13 elektrisch verbunden und liefern zusammen hochgenaue Daten über die Sauerstoffmenge, die dem Verbrennungs- motor 1 zur Verbrennung der Kraftstoffe zur Verfügung steht. Mit diesen Informationen kann eine optimale Verbrennung des
Kraftstoffes im Verbrennungsmotor 1 erfolgen, so dass der Verbrennungsmotor 1 höchst effizient arbeiten kann, wobei die Umwelt mit möglichst wenig Abgasen 8 belastet wird. Die elek¬ trischen Verbindungen 20 zwischen dem Motorsteuergerät 13 und den verschiedenen Sensoren sowie dem Abgasrückführventil 5 und dem Verbrennungsmotor 1 sind hier nur schematisch dargestellt. Da im Ansaugstrang 7 nur relativ geringe Temperaturen herrschen, muss der Sauerstoffsensor 14 mit einem hier nicht dargestellten elektrischen Heizelement auf seine Betriebstemperatur geheizt werden. Diese Betriebstemperatur beträgt bei Verfahren zum Betreiben von SauerstoffSensoren nach dem Stand der Technik etwa 700 °C.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor 14 in einem Ansaugstrang 7. Im Ansaugstrang 7 wird ein Gasstrom 18 hin zum Verbrennungsmotor 1 transportiert. Der Gasstrom 18 enthält in erster Linie Sauerstoff O2 und hier nicht dargestellten
Stickstoff, Kohlendioxid sowie Kohlenwasserstoffe HC. Der Gasstrom 18 im Ansaugstrang 7 ist relativ kalt, wobei seine Temperatur im Bereich der Umgebungstemperatur des Kraftfahr- zeuges liegen kann, also bei -30 °C bis 60 °C. Es soll der Sauerstoffgehalt im Gasstrom 18 bestimmt werden, wobei eine Querempfindlichkeit durch die vorhandenen Kohlenwasserstoffe HC unterdrückt werden soll. Der Sauerstoffsensor 14 weist ein Substrat 24 auf, auf dem ein Heizelement 22 angeordnet ist, das mit einer Schutzschicht 23 bedeckt ist. Auf der Schutzschicht 23 sind Festkörperelektrolyte 17 angeordnet, die die ersten Elektroden 15 von den zweiten Elektroden 16 trennen. Über den zweiten Elektroden 16 erkennt man Diffusionsbarrieren 11. Die Diffusionsbarrieren 11 trennen die zweiten Elektroden 16 vom Gasstrom 18. Die ersten Elektrode 15 und/oder die zweiten
Elektroden 16 bestehen aus einer Platin-Gold-Legierung oder einer Rhodium-Gold-Legierung oder einer Platin-Rhodium-Gold- Legierung. Dabei kann die gesamte erste Elektrode 15 und/oder zweite Elektrode aus diesen Legierungen bestehen oder es kann nur die Oberfläche der ersten Elektrode 15 und/oder der zweiten
Elektrode aus diesen Legierungen bestehen. Die ersten Elektroden 15 und die zweiten Elektroden 16 sind mithilfe von elektrischen Leiterbahnen mit einer Spannungsquelle 26 verbunden. In die elek¬ trische Leiterbahn zwischen der Spannungsquelle 26 und der ersten Elektrode 15 oder der zweiten Elektrode 16 ist eine Strom¬ messelement 25 geschaltet, das mit Hilfe einer elektrischen Verbindung 20 mit dem Motorsteuergerät 13 verbunden ist.
Die Funktionsweise des in Fig. 2 dargestellten Sauerstoffsensors 14 wird in Fig. 3 näher erläutert. Mithilfe der Spannungsquelle 26 wird eine elektrische Spannung zwischen der ersten Elektrode 15 und der zweiten Elektrode 16 angelegt, wobei die erste
Elektrode 15 von der zweiten Elektrode 16 durch den Festkör¬ perelektrolyt 17 getrennt ist. Der Festkörperelektrolyt 17 kann z. B. aus Yttrium dotiertem Zirkoniumoxid bestehen. Die zweite Elektrode 16 ist mit der Diffusionsbarriere 11 vom Gasstrom 18 getrennt. Sauerstoffmoleküle O2 können aus dem Gasstrom 18 durch die Diffusionsbarriere 11 hin zur zweiten Elektrode gelangen, wo sie aufgrund der angelegten Spannung in zweifach negativ geladene Sauerstoffionen umgewandelt werden. Wenn nun der Festkörper¬ elektrolyt 17 mithilfe des Heizelementes 22 auf eine bestimmte Temperatur geheizt wird, beginnt der Festkörperelektrolyt 17 für die zweifach negativ geladenen Sauerstoffionen leitfähig zu werden und es erfolgt ein Transport der zweifach negativ ge¬ ladenen Sauerstoffionen hin zur ersten Elektrode 15, wo sie zurück in neutrale Sauerstoffmoleküle umgewandelt werden und zurück in den Gasstrom 18 gelangen. Der bei diesem Trans- portprozess entstehende elektrische Strom kann von dem Strom¬ messelement 25 erfasst werden, wobei der so erfasste Strom ein direktes Maß für den Sauerstoffanteil im Gasstrom 18 darstellt. Um die Querempfindlichkeit des Sauerstoffsensors 14 auf die im Gasstrom 18 enthaltenen Kohlenwasserstoffe HC möglichst gering zu halten, heizt das Heizelement 22 den Festkörperelektrolyt 17 lediglich auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 430 °C auf. Eine bevorzugte Temperatur, auf die das Heizelement 22 den Fest¬ körperelektrolyt 17 aufheizt, ist 380 °C. Durch diese relativ geringe Temperatur wird die Oxidation von Kohlenwasserstoffen HC an der Oberfläche des Sauerstoffsensors 14 möglichst gering gehalten, wodurch ein unverfälschter Sauerstoffanteil im Gas- Strom 18 gemessen werden kann. Jedoch ist die Leitfähigkeit des Festkörperelektrolyts 17 bei 380 °C noch ausreichend hoch, um einen gut messbaren Strom zu erhalten, der proportional um Sauerstoffgehalt im Gasstrom 18 ist.
Auch dadurch, dass die ersten Elektroden 15 und/oder die zweiten Elektroden 16 aus einer Platin-Gold-Legierung oder einer Rho¬ dium-Gold-Legierung oder einer Platin-Rhodium-Gold-Legierung bestehen, wird die Oxidation von Kohlenwasserstoffen HC an der Oberfläche der Elektroden des Sauerstoffsensors 14 möglichst gering gehalten, wodurch ein unverfälschter Säuerstoffanteil im Gasstrom 18 gemessen werden kann.

Claims

Sauerstoffsensor (14) zur Erfassung des Sauerstoffgehaltes in einem Gasstrom (18) , der durch einen Ansaugstrang (7) zu einem Verbrennungsmotor (1) geführt wird, wobei der Sau¬ erstoffsensor (14) mindestens eine erste Elektrode (15) und mindestens eine zweite Elektrode (16) aufweist, wobei die erste Elektrode (15) und die zweite Elektrode (16) durch einen Festkörperelektrolyt (17) voneinander getrennt sind und die zweite Elektrode (16) durch eine Diffusionsbarriere
(11) vom Gasstrom (18) getrennt ist und wobei der Sau¬ erstoffsensor (14) ein Heizelement (22) aufweist, das den Festkörperelektrolyt (17) derart erwärmt, das eine Sau¬ erstoffionentransport von der ersten Elektrode (15) zu der zweiten Elektrode (16) durch den Festkörperelektrolyt (17) erfolgen kann, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Elektrode (15) und/oder die zweite Elektrode
(16) eine Platin-Gold-Legierung oder eine Rhodium-Gold- Legierung oder eine Platin-Rhodium-Gold-Legierung auf¬ weisen .
Sauerstoffsensor (14) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nur die Oberfläche der ersten Elektrode (15) und/oder die der zweiten Elektrode (16) eine Platin-Gold-Legierung oder eine Rhodium-Gold-Le¬ gierung oder eine Platin-Rhodium-Gold-Legierung aufweist.
Sauerstoffsensor (14) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die vollständige erste Elektrode (15) und/oder die vollständige zweite Elektrode (16) aus einer Platin-Gold-Legierung oder einer Rhodium- Gold-Legierung oder einer Platin-Rhodium-Gold-Legierung besteht .
Sauerstoffsensor (14) nach einem der vorgenannten An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Festkorperelektrolyt (17) mit dem Heizelement (22) auf eine Temperatur zwischen 350 °C und 430 °C aufheizbar ist.
Sauerstoffsensor (14) nach einem der vorgenannten An¬ sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Festkorperelektrolyt (17) mit dem Heizelement (22) auf eine Temperatur von 380 °C aufheizbar ist.
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